太湖東部湖灣大型水生植物分布對水質的影響

向速林,朱夢圓,朱廣偉*,許 海(.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇南京 20008；2.華東交通大學環(huán)境工程系,江西 南昌 33003)

太湖東部湖灣大型水生植物分布對水質的影響

向速林1,2,朱夢圓1,朱廣偉1*,許 海1(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇南京 210008；2.華東交通大學環(huán)境工程系,江西 南昌 330013)

調查了太湖東部湖灣(貢湖灣、光福灣、漁洋灣)秋季沉水與浮葉植物的種類組成、覆蓋度及水體理化性質,分析了大型水生植物的生長與分布對湖水總氮、總磷、透明度與葉綠素(Chl-a)等水質因子的影響.結果表明,太湖東部不同湖灣大型水生植物的分布狀況具有明顯差異,其分布頻度在4.8%～95.2%,并以馬來眼子菜分布頻度最高.大型水生植物的生長對水體營養(yǎng)鹽含量、理化因子等具有較為明顯的影響,水生植物生長區(qū)湖水不同形態(tài)營養(yǎng)鹽含量均低于無水生植物生長區(qū),其總氮與總磷平均含量分別低約39%與51%.此外,藍藻水華首先會在有水生植物生長的區(qū)域堆積,且沉水植物生長優(yōu)勢區(qū)藍藻水華堆積程度要高于浮葉植物生長優(yōu)勢區(qū),表現為該區(qū)域Chl-a平均濃度最高,達11.15μg/L,而浮葉植物區(qū)Chl-a平均濃度為9.98μg/L,無水生植物區(qū)的水華堆積程度最低,其Chl-a平均濃度為7.19μg/L.因此,針對不同水生植物生長區(qū),其水體富營養(yǎng)化治理策略亦不同.

太湖東部湖灣；沉水植物；浮葉植物；營養(yǎng)鹽

水生植物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有顯著的初級生產功能和保護生物多樣性的生態(tài)功能,并可作為反映湖泊生態(tài)健康的指標[1-4].水生植物對營養(yǎng)鹽的吸收有利于湖泊的營養(yǎng)平衡,并能抑制低等藻類的生長,控制湖泊水華的爆發(fā).太湖是我國第三大淡水湖泊,是一個典型的大型淺水湖泊[5],其水生植物主要分布在東部湖灣及東太湖地區(qū).太湖東部的貢湖灣、光福灣、漁洋灣等曾是由沉水與浮葉植物控制的草型湖區(qū)[6],但隨著近年來該區(qū)域社會經濟的快速發(fā)展及水環(huán)境污染與富營養(yǎng)化程度的加劇,沉水與浮葉植物群落受到嚴重影響,大片沉水與浮葉植物群落衰退甚至消亡[7].太湖東部湖灣水生植物的物種組成和優(yōu)勢群落類型等均受到嚴重影響[8].當草型湖泊逐漸過渡為草-藻混合型湖泊時,特別是群落結構發(fā)生改變時,就會引發(fā)湖泊的水質惡化、生態(tài)系統(tǒng)破壞等一系列生態(tài)環(huán)境問題[9].水生植被的消退也可能是太湖貢湖灣水生態(tài)系統(tǒng)內其他生物群落結構變化的重要因素[10].因此,探討湖泊大型水生植物分布與水質的關系,對掌握湖泊富營養(yǎng)化機理以及富營養(yǎng)化湖泊生態(tài)修復均具有重要意義.

目前,關于太湖大型水生植物的研究大多是針對東太湖[9],而對處于過渡帶的光福灣、漁洋灣的系統(tǒng)研究則很少,而這些湖灣的大型水生植物分布及水質、藍藻水華狀況,都處于高度動態(tài)變化階段.針對這一草型、藻型生態(tài)系統(tǒng)轉化敏感期,本研究調查了太湖東部湖灣秋季大型水生植物的分布及水質狀況,探討了水生植物分布對水質的影響,以期為湖泊生態(tài)保護及湖泊富營養(yǎng)化控制提供科學依據.

1 材料與方法

于2012年9月23～24日,在太湖東部貢湖灣、光福灣、漁洋灣共設置了28個采樣點(其中,貢湖灣G01-G18,光福灣F01-F04,漁洋灣Y01-Y06) (圖1),樣點主要設置在大型水生植物分布區(qū),并在水生植物分布較寬區(qū)域設置垂直剖面.現場記錄調查點附近沉水與浮葉植物的種類與覆蓋度,用便攜式多參數水質分析儀(YSI6600V2)現場測量水面下50cm處水體的溶解氧(DO) 等理化指標,利用賽氏盤測定水體透明度(SD),并采集水面下50cm處的水樣,帶回實驗室測定水樣的懸浮顆粒物含量(SS)、形態(tài)氮、形態(tài)磷及葉綠素a(Chl-a)等指標含量.

水樣中的營養(yǎng)鹽指標分析按《水和廢水監(jiān)測分析方法》[11]進行,總氮(TN)、溶解性總氮(DTN)采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法;硝態(tài)氮(NO3--N)采用酚二磺酸分光光度法;氨氮(NH4+-N)采用納氏試劑比色法;總磷(TP)、溶解性總磷(DTP)采用堿性過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法;溶解性磷酸鹽(PO43--P)采用鉬銻抗分光光度法.其中,DTN、DTP、NO3--N、NH4+-N、PO43--P需要在原水樣經過Whatman GF/C濾膜過濾后按上述方法測定;葉綠素a的測定采用陳宇煒等[12]改進的乙醇提取法.

數據的處理使用Excel 2010完成,并利用SPSS 18.0進行單因素方差分析,P<0.05為差異性顯著,P<0.01為差異性極顯著.

2 結果

2.1 大型水生植物的分布特征

本次調查太湖東部湖灣共采集到大面積分布的沉水植物與浮葉植物7種,漂浮植物1種(表1),均為太湖的常見種,沉水植物主要為馬來眼子菜(Potamogeton wrightii Morong)、輪葉黑藻(Hydrilla verticillata Royle)、苦草(Vallisneria natans (Lour.)Hara)、金魚藻(Ceratophyllum demersum L.)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum Linn.)等,浮葉植物主要為野菱(Trapa maχ imowicsil Korsh)和荇菜(Nymphoides peltatum (Gmel.) O.Kuntze),漂浮植物為槐葉萍(Salvinia natans (L.)).種類數大大小于東太湖的調查結果,原因是本次調查主要關注較大范圍出現的種群及重點針對敞水區(qū)的調查.在28個樣點中,有7個樣點沒有大型水生植物生長,其中6個在貢湖灣,1個在漁洋灣,其余21個樣點均有水生植物分布.

從表1可知,太湖東部各湖灣沉水植物馬來眼子菜的分布頻度最高,在有水生植物分布的21個樣點中,有20個樣點都分布有馬來眼子菜,這體現出馬來眼子菜在過渡帶的生態(tài)特征.馬來眼子菜株高長,能伸展到水面上,對渾濁水體具有較高的適應性.有輪葉黑藻分布的樣點為14個,且輪葉黑藻分布區(qū)植被的總體密度較高.狐尾藻的分布點有8個,苦草與荇菜的分布樣點均為7個,金魚藻分布樣點有5個,野菱的分布頻度約為14.3%,而槐葉萍只在一個樣點發(fā)現.其中,馬來眼子菜、黑藻、狐尾藻、金魚藻等沉水植物及野菱等浮葉植物在三個湖灣均有大量分布,并且馬來眼子菜在光福灣的分布頻度達到近100%.苦草只在貢湖灣與漁洋灣見到,而浮萍只在貢湖灣見到.

結果顯示,太湖東部湖灣大型水生植物分布不均勻,不同湖灣水生植物生長與分布狀況有明顯差異,在21個有水生植物分布的樣點中,分布范圍最大的樣點有G03、G04、G06、F03與Y04,其覆蓋度達90%～100%,其中G04與F03樣點的覆蓋度達近100%.其次為G12、Y01與Y02,覆蓋率約為60%～70%,最小為站點G01與G11,水生植物覆蓋率不到5%,只有零星分布,其他樣點的覆蓋率約為20%～40%不等.從水生植物的分布種類看,以馬來眼子菜與輪葉黑藻分布最多,可能是因為這些湖灣區(qū)域底質較為貧瘠,水深相對較淺,比較適合馬來眼子菜與輪葉黑藻的生存,且它們能適應擾動較強、渾濁度高的水體,而金魚藻、狐尾藻等則更適應清潔的水體.

表1 太湖東部湖灣大型水生植物種類與分布Table 1 Distribution of different types of macrophytes in the eastern bays of Lake Taihu

2.2 水質特征

2.2.1 理化特征 湖泊水環(huán)境因子可作為水環(huán)境質量的性質表征,研究顯示,太湖水體的DO、SD等主要水環(huán)境因子的季節(jié)差異性較小[13].從圖2可知,太湖貢湖灣水體SS、DO平均含量分別為19.84mg/L、8.30mg/L,SD平均為66cm,各站點具有一定的空間差異,其空間變異系數分別為61.61%、15.69%與73.44%,并且以SD的空間差異最為明顯,可能與不同站點底泥特性及水動力擾動有關,透明度高的區(qū)域其底泥主要以硬底為主,風浪的擾動對底泥的影響相對較小,故而這些區(qū)域水體的透明度很高,此外,透明度的空間差異也可能反映了不同區(qū)域水體污染程度不同.光福灣水體SS、DO平均含量分別為31.81mg/L、10.38mg/L,SD平均為51cm,各站點亦具有一定的空間差異,其空間變異系數分別為21.14%、6.26%與30.20%,并且以DO的平均含量差異最小.漁洋灣水體中SS、DO平均含量分別為21.91mg/L、9.85mg/L,SD的平均值為81cm,各站點SS、DO、SD空間變異系數分別為50.61%、9.08%與62.03%,同樣以DO的平均含量差異最小.

圖2 太湖東部湖灣水體SD,SS,DO的分布Fig.2 Transparency, suspended solids and dissolved oxygen concentration in observation sites

2.2.2 氮磷含量特征 氮、磷是植物生長所必需的營養(yǎng)元素[14],但湖泊水體中含有過量的氮、磷時,則會造成藻類、浮游植物等大量繁殖,對湖泊系統(tǒng)的初級生產力和湖泊營養(yǎng)狀態(tài)有著重要影響.

從圖3可知,太湖貢湖灣調查區(qū)水體中TN、DTN平均含量分別為0.95,0.57mg/L,具有較明顯的空間差異,其空間變異系數分別為45.26%與22.30%.光福灣TN、DTN平均含量為0.92, 0.47mg/L,各樣點TN含量具有一定的空間差異,而DTN含量的空間差異則不明顯,其變異系數分別為20.35%與12.54%.漁洋灣TN、DTN平均含量分別為0.81,0.46mg/L,變異系數分別為31.65%與15.35%.從各湖灣TN、DTN的對比來看,貢湖灣TN、DTN平均含量均略高于光福灣,而光福灣TN、DTN平均含量又略高于漁洋灣,呈現自北向南逐漸遞減的趨勢,反映出太湖西北部藻型湖區(qū)向東南部草型湖區(qū)過渡的水質特征.貢湖灣水體中TP、DTP平均含量分別為0.065, 0.024mg/L,具有明顯的空間差異,變異系數分別為64.66%與38.11%.光福灣水體TP、DTP平均含量分別為0.071,0.022mg/L,各站點差異不明顯,變異系數為17.46%與6.30%.漁洋灣TP、DTP平均值分別為0.051,0.018mg/L,各站點TP具有一定差異,而DTP差異不明顯,變異系數分別為45.93%與12.13%.此外,各湖灣TP的含量具有一定差異,其中以貢湖灣TP平均含量最高,而以漁洋灣最小,這在一定程度上可反映區(qū)域污染程度不同,并可能與湖泊水動力過程有關.貢湖灣與光福灣水體TP較高的原因,與周邊居民較多,生活污水排放量大及河流輸入等有關,而漁洋灣周圍都是山體,外源污染相對較小.貢湖灣水體NH4+-N、NO3--N與PO43--P平均含量分別為0.11,0.015,0.0051mg/L,變異系數分別為29.40%、68.70%與39.23%,并且以NO3-N含量差異最為明顯.光福灣水體中NH4-N、NO3-N與PO4-P平均含量分別為0.064,0.0033,0.006mg/L,變異系數分別為22.52%、64.27%與12.83%,同樣以NO3-N含量差異最明顯,而PO43--P的差異最小.漁洋灣NH4+-N、NO3--N與PO43--P的平均含量分別為0.074,0.024,0.006mg/L,變異系數分別為34.79%、64.19%與26.16%,各站點NH4-N具有一定的差異,而PO43--P含量差異不明顯.此外,各湖灣NH4+-N與NO3--N含量具有一定的差異,PO4-P差異極小,并以貢湖灣NH4+-N平均含量最高,漁洋灣NO3--N平均含量最高,而以光福灣NH4+-N與NO3--N平均含量最小.

圖3 太湖東部湖灣水體氮、磷的分布Fig.3 Concentration of nitrogen and phosphorus in observation sites

3 討論

3.1 水生植物的分布對水華堆積的影響

近年來,太湖藍藻水華頻繁發(fā)生[15],嚴重威脅太湖水生態(tài)系統(tǒng)及城市飲水安全[16-17].在藍藻水華生長旺季,反映浮游植物生物量的Chl-a指標(浮游植物群落中微囊藻占絕對優(yōu)勢)與水質富營養(yǎng)化指標TN、TP等呈極顯著正相關關系[18],且水華的直接標志是藻類急劇增殖[19],而Chl-a在藻類物質中所占比例相對穩(wěn)定[20-21],故本研究以Chl-a濃度間接反應藍藻水華的堆積程度.

太湖東部湖灣大型水生植物生長區(qū)的藍藻水華堆積具有較大的差異,以沉水植物生長為優(yōu)勢的區(qū)域藍藻水華堆積程度(以Chl-a濃度間接反映,圖4)高于浮葉植物生長優(yōu)勢區(qū)和無水生植物生長區(qū),表現為該區(qū)域Chl-a的平均濃度最高,達到11.15μg/L,浮葉植物生長優(yōu)勢區(qū)次之,Chl-a平均濃度為9.98μg/L,無水生植物區(qū)最低,其Chl-a平均濃度為7.19μg/L,反映了藍藻水華首先會在有水生植物生長的湖區(qū)堆積,并且沉水植物生長優(yōu)勢區(qū)對藍藻水華的捕獲能力要略強于浮葉植物生長優(yōu)勢區(qū),其原因是本次調查的區(qū)域大多處于草-藻型湖區(qū)的交錯帶,調查的大型水草分布區(qū)外圍緊靠著藍藻水華大量分布區(qū),當水草的覆蓋度不夠高或在較大風浪影響下,水華向大型水生植物區(qū)的入侵非常嚴重,而沉水植物區(qū)的表面覆蓋往往不及浮葉植物區(qū)的覆蓋穩(wěn)定,從而導致這些區(qū)域沉水植物分布區(qū)水華堆積程度更嚴重,這也反映了沉水植物對水質要求更高,其系統(tǒng)相對更加脆弱.此外,水生植物生長引起的環(huán)境因子變化,亦對藍藻水華堆積有著直接或間接影響.水生植物生長過程及藻類生物量變化可導致溶解氧的變化,同時,溶解氧變化又可能會影響藻類的生長與消亡,進而影響藍藻水華的堆積.藍藻水華堆積亦受到水體透明度與懸浮顆粒物濃度等的影響.綜上表明,有水生植物分布水域中藍藻水華堆積水平與無水生植物生長的水域存在一定程度的差異,反映了水生植物的分布對藍藻水華堆積具有一定的影響.

3.2 水生植物的分布對氮磷含量的影響

從太湖東部湖灣沉水和浮葉植物分布可知,貢湖灣、光福灣、漁洋灣的大型水生植物優(yōu)勢種略有差異,其水體中氮、磷含量亦有差異.通過對比分析,水生植物生長區(qū)水體中營養(yǎng)鹽含量均低于無水生植物區(qū),其TN、TP平均含量分別低約39%與51%,除DTP外,其他指標的差異都達到顯著水平(P<0.05),這一結果說明大型水生植物生長對水體中氮、磷含量存在明顯影響,與已有結果一致[1,3,22],主要是由于水生植物可通過莖葉攔截、吸附水中顆粒物質且通過顆粒物質吸收水中可溶性營養(yǎng)鹽[23-25].這其中又以苦草分布區(qū)NO3--N、DTN含量相差最為明顯,研究表明[26],苦草在夏季進入快速生長期,且其最大生物量一般出現在九月,這說明苦草生長旺盛期間對水體中氮元素的吸收相對較高,從而導致水體NO3--N、DTN含量相對較低.對于銨態(tài)氮,調查中發(fā)現漁洋灣的大型水生植物分布水域NH4+-N平均含量與無大型水生植物分布水域NH4+-N平均含量相差極小,說明大型水生植物對NH4+-N的影響較小,這與已有的室內模擬試驗研究結果相一致[1,27].另外,大型水生植被形成的相對靜水環(huán)境降低了水體懸浮物含量,也抑制了底泥中營養(yǎng)鹽再懸浮,也是水體氮磷含量較低的主要原因.

4 結論

4.1 通過對太湖東部湖灣藻型、草型湖區(qū)過渡帶大型水生植物分布的調查表明,由北向南,隨著藻型湖區(qū)藍藻水華威脅不同,大型水生植物的優(yōu)勢種、覆蓋度均有所不同,覆蓋度最高達近100%,最小不到5%.各湖灣以馬來眼子菜的分布頻度最高,輪葉黑藻次之,苦草只在貢湖灣局部與漁洋灣局部區(qū)域有分布,反映出不同類型水生植物的環(huán)境適應能力不同.

4.2 即便是在湖灣的過渡帶區(qū)域,大型水生植物的存在對水質的影響也非常明顯.水生植物分布區(qū)水體氮、磷含量明顯下降,其TN、TP平均含量分別低約39%與51%,且懸浮物濃度降低,透明度提高.由于處在藍藻水華區(qū)域的邊緣,藍藻水華向水生植物生長區(qū)的入侵十分普遍,并且沉水植物區(qū)水華的入侵強度高于浮葉植被區(qū), 表現沉水植物區(qū)Chl-a的平均濃度最高,達到11.15μg/L,而浮葉植物區(qū)Chl-a平均濃度只有9.98μg/L.

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Influence of macrophytes on water quality in the eastern bays of Lake Taihu, China.

XIANG Su-lin1,2, ZHU Meng-yuan1, ZHU Guang-wei1*, XU Hai1(1.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.Department of Environment Engineering, East China JiaoTong University, Nanchang 330013, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2881～2887

Effects of macrophyte growth and water quality distribution factors such as total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), transparency and chlorophyll a were studied in an investigation on specie compositions, coverage of macrophyte and physicochemical properties of water body in eastern bays of Lake Taihu (Gonghu Bay, Guangfu Bay and Yuang Bay). The results showed that Potamogeton wrightii Morong was the most popular specie amony three bays. The coverage of macropyhte was spatially different among survey sites, with the coverage ranged from 4.8% to 95.2%. Nutrients in the macrophyte-coverage area were significantly lower than those in the non-macrophyte area with a decrease of TN and TP concentration of 39% and 51%, However, being locates at the border of Microcystis bloom region, the macrophytes also easy to catch the floating bloom, in which the submerged macrophytes showed higher ability to catch the bloom than floating macrophytes did. Therefore, different aquatic vegetation zones of Lake Taihu need the corresponding strategies to restore water quality.

eastern bays of Lake Taihu；submerged macrophytes；floating-leaved macrophytes；nutrient

X173

A

1000-6923(2014)11-2881-07

向速林(1978-),男,江西東鄉(xiāng)人,副教授,博士,主要從事湖泊富營養(yǎng)化過程與機制研究.發(fā)表論文20余篇.

2014-02-12

國家自然科學基金資助項目(41171368,41230744);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101-010)

* 責任作者, 研究員, gwzhu@niglas.ac.cn