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    白洋淀菹草生長(zhǎng)參數(shù)的線性分析

    2012-12-09 07:41:28任俊龍劉存歧田志富蘇倩王靖飛
    關(guān)鍵詞:沉水植物白洋淀富營(yíng)養(yǎng)化

    任俊龍,劉存歧,田志富,蘇倩,王靖飛

    (1.河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,河北保定 071002;2.河北省環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境科學(xué)研究所,河北石家莊 050051)

    白洋淀菹草生長(zhǎng)參數(shù)的線性分析

    任俊龍1,劉存歧1,田志富1,蘇倩1,王靖飛2

    (1.河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,河北保定 071002;2.河北省環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境科學(xué)研究所,河北石家莊 050051)

    2011年3月初至5月對(duì)白洋淀菹草(Potamogetoncrispus)的生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè),以探索白洋淀菹草的生長(zhǎng)規(guī)律.結(jié)果表明,白洋淀菹草的生長(zhǎng)過程遵循Logistic增長(zhǎng)模式,方程為Y=121.419/(1+42.814 e-0.843t)(R2=0.896,n=7).其最大日增生物量為25.59 g/(m2·d),環(huán)境容納量為121.419 g/m2.白洋淀菹草各構(gòu)件間呈極顯著的線性關(guān)系.研究發(fā)現(xiàn)4月到5月初是白洋淀菹草的迅速增長(zhǎng)期,此后則進(jìn)入凋亡和腐敗期,建議在石芽成熟期(5月初)對(duì)菹草進(jìn)行收獲,以避免氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的再釋放對(duì)白洋淀水質(zhì)的影響.

    菹草;生長(zhǎng)參數(shù);線性分析;白洋淀;生長(zhǎng)模型

    沉水植物的恢復(fù)和重建是近年來水生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn),沉水植物可以改善并維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡,因而沉水植物群落的重建成為生態(tài)恢復(fù)的措施之一[1-4].通常治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的傳統(tǒng)方法是控制水體的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,但僅僅依靠單純的外源營(yíng)養(yǎng)鹽控制,對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化的防治往往難以見效.研究發(fā)現(xiàn),沉水植物在控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的過程中發(fā)揮著重要作用,能夠降低湖泊水體內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷、控制藻類生長(zhǎng),并且可以有效調(diào)節(jié)湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能[5].

    菹草(Potamagetoncrispus)是眼子菜科的多年生沉水草本植物,屬于世界廣布種,在我國(guó)南北各省區(qū)均有分布.菹草對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,常常生于池塘、水溝、水稻田、灌渠及緩流河水中,生境水體多呈微酸至中性[6].由于菹草對(duì)氮、磷有較強(qiáng)的吸收能力,故常常作為富營(yíng)養(yǎng)化水體治理的目標(biāo)植物[7].通過對(duì)白洋淀水生植被的調(diào)查發(fā)現(xiàn),菹草是白洋淀春季最主要的沉水植物,通常以石芽繁殖為主,秋季發(fā)芽,越冬生長(zhǎng),而后春季生長(zhǎng)迅速,到春夏之交即4月底5月初生長(zhǎng)達(dá)到極盛時(shí)期,而后在夏季短短1周內(nèi)大量衰敗死亡[8].

    菹草分布廣泛,由于氣候、水體性質(zhì)的差異,各地區(qū)菹草的生長(zhǎng)特征有所不同,因此在菹草恢復(fù)過程中,只有了解該地區(qū)菹草生長(zhǎng)特性才能科學(xué)合理地利用和管理菹草資源.本研究以白洋淀菹草為研究對(duì)象,分析其單株和各構(gòu)件生長(zhǎng)規(guī)律及其之間的相關(guān)性,模擬菹草生長(zhǎng)過程,旨在充分了解白洋淀菹草的生長(zhǎng)策略,為合理管理菹草資源提供方法,并且為白洋淀水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù).

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)域概況

    白洋淀位于河北省中部,總面積為366 km2,淀區(qū)由大小不等的淀泊構(gòu)成.該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),冬季寒冷干燥,夏季炎熱多雨,年平均氣溫7.3~12.7℃,平均年積溫2 992~4 409℃.全流域多年平均降水量為563.7 mm.白洋淀上游地區(qū)的植被破壞和水土流失造成白洋淀的面積和容積正不斷減小.1924年至1966年,其容積約減少了2.25×108m3,淀區(qū)面積也由20世紀(jì)50年代的561.1 km2縮小到70年代的366 km2(水位10.5 m).近年來,由于水源補(bǔ)給量不足,水位下降,水面呈現(xiàn)逐步縮小趨勢(shì).1998年,白洋淀水位僅為8.0 m,總面積約188 km2,2000年,最低水位又下降至7.18 m,在一定程度上說明白洋淀水位在逐漸下降,總面積在逐漸縮小[9-10].同時(shí)白洋淀水體富營(yíng)養(yǎng)化問題嚴(yán)重,生態(tài)恢復(fù)已成為當(dāng)務(wù)之急.

    1.2 研究方法

    2011年3月初到5月底,以白洋淀菹草典型生長(zhǎng)區(qū)小淀為研究樣地進(jìn)行連續(xù)8次采樣,每次隨機(jī)選取3個(gè)樣方,用采草器(25 cm×25 cm)對(duì)菹草進(jìn)行整株采集,統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)菹草的密度后,帶回實(shí)驗(yàn)室選取10株完整的菹草,分別測(cè)定每株的株高、根鮮重、莖鮮重、葉片鮮重和葉片數(shù)、株鮮重和株干重.對(duì)8次所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),最大值和最小值代表樣本的變異范圍,平均值反映樣本各個(gè)生長(zhǎng)性狀的整體水平,標(biāo)準(zhǔn)差代表了樣本的離散程度.采用Excel2003軟件分析樣本各個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性系數(shù)顯著性差異,并作出各個(gè)參數(shù)之間線性回歸方程,用SPSS17.0軟件進(jìn)行Logistic方程生長(zhǎng)曲線的擬合,生長(zhǎng)曲線方程為Y=A/(1+Be-kt).其中,A為極限生物量(環(huán)境容納量),B為常數(shù)尺度,k為瞬間相對(duì)生長(zhǎng)率,即日增生物量.

    2 結(jié)果與分析

    2.1 菹草生長(zhǎng)曲線方程

    根據(jù)采集到的菹草生長(zhǎng)數(shù)據(jù),分別以菹草生長(zhǎng)時(shí)間(天數(shù),以第1次采樣為基點(diǎn))和各時(shí)期單位面積菹草的干物質(zhì)質(zhì)量為變量和因變量進(jìn)行Logistic方程擬合,通過SPSS17.0軟件得出模型中的A,B和k值分別為121.419,42.814和0.843,得到Logistic生長(zhǎng)曲線方程為Y=121.419/(1+42.814e-0.843t)(R2=0.896,n=7).由此模型中可以得出,菹草最大日增生物量為25.59 g/(m2·d),極限增長(zhǎng)量為121.419 g/m2.

    2.2 菹草生長(zhǎng)參數(shù)及其相關(guān)性

    菹草生長(zhǎng)期間各參數(shù)樣本數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差見表1.

    表1 菹草各個(gè)指標(biāo)之間的生長(zhǎng)參數(shù)Tab.1 Growth parameters of Potamagetoncrispus

    通過對(duì)各生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性和回歸分析發(fā)現(xiàn):菹草株高與根鮮重、株高與莖鮮重、株高與葉片鮮重、株高與葉片數(shù)、莖鮮重與葉片鮮重、株高與株鮮重以及株高與株干重均呈極顯著線性關(guān)系(表2,圖1-7).

    表2 菹草各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of growth parameters of Potamagetoncrispus

    圖1 菹草株高與根鮮重的線性擬合Fig.1 Fitted linear regression line between plant height and root fresh weight of Potamagetoncrispus

    圖2 菹草株高與莖鮮重的線性擬合Fig.2 Fitted linear regression line between plant height and stem fresh weight of Potamagetoncrispus

    圖3 菹草株高與葉片鮮重的線性擬合Fig.3 Fitted linear regression line between plant height and leaf fresh weight of Potamagetoncrispus

    圖4 菹草株高與葉片數(shù)的線性擬合Fig.4 Fitted linear regression line between plant height and leaf numbers of Potamagetoncrispus

    圖5 菹草莖鮮重與葉片鮮重的線性擬合Fig.5 Fitted linear regression line between stem fresh weight and leaf fresh weight of Potamagetoncrispus

    圖6 菹草株高與株鮮重的線性擬合Fig.6 Fitted linear regression line between plant height and plant fresh weight of Potamagetoncrispus

    圖7 菹草株高與株干重的線性擬合Fig.7 Fitted linear regression line between plant height and plant dry weight of Potamagetoncrispus

    3 討論

    3.1 白洋淀菹草的生長(zhǎng)特性

    建立的生長(zhǎng)模型發(fā)現(xiàn)白洋淀菹草的生長(zhǎng)符合Logistic生長(zhǎng)規(guī)律,呈“S”型增長(zhǎng)曲線.菹草在3月初生長(zhǎng)緩慢,4月初開始快速生長(zhǎng),5月中旬生物量最大,5月底菹草開始衰亡,大面積腐敗,造成水體透明度下降,大部分菹草鱗芽沉入水底.這與王宇庭等[11]對(duì)黃河三角洲和任久長(zhǎng)等[12]對(duì)京密引水渠的菹草生長(zhǎng)模型的研究類似,在每年春末夏初呈指數(shù)增長(zhǎng)形式.而陳忠義等[13]發(fā)現(xiàn)湖北梁子湖菹草的生長(zhǎng)符合乘冪形式生長(zhǎng)方程,與本研究有所不同.不同地區(qū)菹草生長(zhǎng)季節(jié)不同,南非河漫灘的菹草生長(zhǎng)開始于4月份,在早春(當(dāng)?shù)貢r(shí)間為9月份)達(dá)到最大現(xiàn)存量[14],嫩江平原菹草極值出現(xiàn)在6月下旬,到7月初植物體才開始死亡[15].而本研究通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)白洋淀菹草在5月底就已開始腐爛.這些差別與研究地點(diǎn)、氣候和水體營(yíng)養(yǎng)狀況密切相關(guān).

    植株高度在一定程度上反映了該地菹草的生長(zhǎng)狀況,也是作為菹草種群最為顯著的特征.菹草個(gè)體的各個(gè)構(gòu)件存在顯著相關(guān)性,說明該地菹草生存環(huán)境穩(wěn)定,適合菹草大規(guī)模生長(zhǎng)和繁殖.通過對(duì)菹草生長(zhǎng)參數(shù)相關(guān)性的分析發(fā)現(xiàn),株高與根鮮重、株高與莖鮮重、株高與葉片鮮重、株高與葉片數(shù)、莖鮮重與葉片鮮重、株高與株鮮重、株高與株干重均呈極顯著線性回歸關(guān)系,說明了菹草各構(gòu)件生長(zhǎng)的同步性,且符合菹草生長(zhǎng)的一般規(guī)律.

    通過表2可以得出,菹草株高決定了分枝的數(shù)量,可以在一定程度上增加莖和葉片的生長(zhǎng)空間,同時(shí)根部也隨株高增長(zhǎng)而吸收更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),促使葉片快速生長(zhǎng).葉片是植物進(jìn)行光合作用的重要部位,發(fā)育良好的葉片可有效提高葉面積大小,從而促使菹草快速增長(zhǎng)與繁殖.

    菹草生長(zhǎng)繁殖受到各種環(huán)境因子的影響,蘇勝齊等[16]研究了溫度、光照和p H對(duì)菹草光合作用的影響,發(fā)現(xiàn)適合菹草生長(zhǎng)的適宜溫度為15~25℃,適宜光照為5.0×104lx左右,p H偏酸性.曹昀等[17]通過菹草幼苗放置在不同水深梯度中,發(fā)現(xiàn)不同水深(50~160 cm)下菹草都可以生長(zhǎng),其高度、生長(zhǎng)速率與水深呈正相關(guān)關(guān)系,菹草單株生物量也隨水深增加而增加.高華梅等[18]設(shè)置2組實(shí)驗(yàn)分別研究不同基質(zhì)對(duì)菹草生長(zhǎng)繁殖的影響,結(jié)果表明,湖泥、混合基質(zhì)及黃土3種基質(zhì)對(duì)菹草的生物量變化有明顯差別,說明基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀況直接影響菹草的生長(zhǎng)繁殖.白洋淀菹草適合在3-5月的氣候、水質(zhì)和底質(zhì)條件下生長(zhǎng),在這段時(shí)期白洋淀菹草分布廣泛,已成為白洋淀濕地的優(yōu)勢(shì)物種.

    3.2 菹草的控制

    菹草在生長(zhǎng)期對(duì)水質(zhì)有明顯的改善作用,但至生長(zhǎng)穩(wěn)定期后開始迅速腐敗,直接影響到水質(zhì),因此需要對(duì)菹草加強(qiáng)管理.一些研究者發(fā)現(xiàn)可以通過收割方式對(duì)菹草進(jìn)行控制,也可以通過養(yǎng)魚、除草劑等方法進(jìn)行有效管理.姚俊芹等[19]對(duì)烏拉泊水庫生長(zhǎng)中期的菹草進(jìn)行人工收割,這種方法可以穩(wěn)定菹草種群數(shù)量,但是不能作為菹草控制的長(zhǎng)久之策.任久長(zhǎng)等[12]通過京密引水渠菹草生態(tài)習(xí)性和發(fā)生規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn),5-6月其各個(gè)斷面均有菹草發(fā)生,提出機(jī)械除草是控制菹草的有效措施,理想的除草時(shí)間是菹草生長(zhǎng)的中期.

    白洋淀菹草在4-5月初處于迅速生長(zhǎng)期,過后植物體會(huì)迅速凋亡,因此建議5月初(即石芽成熟后)在局部區(qū)域適度收割菹草,以減少菹草腐敗后大量氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放,適宜收割能夠防止水體透明度降低情況的發(fā)生,同時(shí)也能保持菹草種群的穩(wěn)定性.

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    Linear analysis on growth parameters ofPotamogeton crispusin Baiyangdian Lake

    REN Jun-long1,LIU Cun-qi1,TIAN Zhi-fu1,SU Qian1,WANG Jing-fei2
    (1.College of Life Sciences,Hebei University,Baoding 071002,China;2.Institute of Aquatic Environment,Hebei Provincial Academy of Environmental Sciences,Shijiazhuang 050051,China)

    Gowth parameters ofPotamogeton crispusin Baiyangdian Lake were measured continuously from March to May in order to understand its growth process.The results showed that the growth ofP.crispuswas fitted to logistic equationY=121.419/(1+42.814 e-0.843t)(R2=0.896,n=7),which maximum increase rate of biomass was 25.59 g/(m2·d),and carrying capacity was 121.419 g/m2.There existed significant linear relations among modules ofP.crispus.P.crispusin Baiyangdian Lake grew abruptly from beginning of April to beginning of May,and then decayed.It was suggested that plant should be harvest to avoid the deterioration of water quality due to nitrogen and phosphorus nutrient release of detritus in its mature period.

    Potamogetoncrispus;growth parameter;linear analysis;Baiyangdian Lake;g rowth model

    A

    1000-1565(2012)02-0187-06

    2011-11-16

    水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2009ZX07209-008-05);河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(06276905)

    任俊龍(1987-),男,陜西咸陽人,河北大學(xué)在讀碩士研究生.

    劉存歧(1967-),男,河北昌黎人,河北大學(xué)教授,主要從事濕地生態(tài)學(xué)研究.E-mail:liucunqi@sina.com

    趙藏賞)

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