幾種水陸交錯帶植物對湖濱帶底質(zhì)的穩(wěn)固作用

姚 程， 胡小貞，耿榮妹，薛彥君，成小英

(1:南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，南京 210000)(2:中國環(huán)境科學(xué)研究院湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地/國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)(3:江南大學(xué)環(huán)境學(xué)院，無錫 214000)

幾種水陸交錯帶植物對湖濱帶底質(zhì)的穩(wěn)固作用

姚 程1， 胡小貞2，耿榮妹2，薛彥君2，成小英3

(1:南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，南京 210000)(2:中國環(huán)境科學(xué)研究院湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地/國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)(3:江南大學(xué)環(huán)境學(xué)院，無錫 214000)

為了研究幾種常見水陸交錯帶植物對底質(zhì)穩(wěn)固性的影響，選取太湖貢湖灣水陸交錯帶內(nèi)的雙穗雀稗(Paspalumdistichum)、李氏禾(Leersiahexandra)、香菇草(Hydrocotylevulgaris)、黃花水龍(Ludwigiapeploides)和黃菖蒲(Irispseudacorus)5種水生/濕生植物植物，并利用長江下游常見沙壤土和湖濱帶新生底質(zhì)兩種土壤，開展了5種植物對底質(zhì)穩(wěn)固作用的室內(nèi)研究. 結(jié)果表明底質(zhì)孔隙度減少、細(xì)小粒徑(<50 μm)增加有利于底質(zhì)穩(wěn)固，改善上覆水指標(biāo)，減少擾動給上覆水所帶來的懸浮顆粒物. 直徑≤1 mm的須根量、須根長度和須根面積與底質(zhì)孔隙度和粒徑分布增益值之間存在線性回歸關(guān)系，雙穗雀稗、李氏禾、香菇草的根系參數(shù)與增益值之間存在斜率為0.006～1.727 的線性正相關(guān)關(guān)系；黃花水龍、黃菖蒲植物根系參數(shù)與增益值之間則存在斜率為-0.091～-0.011的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系. 黃菖蒲與黃花水龍的根長密度分別為11.495和9.475 cm/cm3，根表面積密度分別為0.368和0.294 cm2/cm3，根重密度分別為1.844 和0.944 mg/cm3，兩種植物對底質(zhì)孔隙度的增益值分別為15%和9%，對底質(zhì)粒徑分布的增益值分別為92%和47% ; 雙穗雀稗、李氏禾、香菇草的根長密度分別為1.057、7.368和0.651 cm/cm3，根表面積密度分別為0.033、0.228和0.022 cm2/cm3，根重密度分別為0.678、2.537和0.160 mg/cm3，3種植物根系參數(shù)對底質(zhì)孔隙度的增益值分別為6%、36%和1%，3種植物根系參數(shù)對底質(zhì)粒徑分布的增益值分別為16%、17% 和-13%. 5種植物通過根系提高底質(zhì)的穩(wěn)定性，減少底質(zhì)在水力擾動下懸浮物質(zhì)以及營養(yǎng)鹽的釋放，從效能上表現(xiàn)為李氏禾>雙穗雀稗>黃菖蒲 >黃花水龍>香菇草.

植物須根；底質(zhì)穩(wěn)固性；底質(zhì)粒徑分布；底質(zhì)孔隙度；根系參數(shù)

水陸交錯帶是湖泊水生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間非常重要的過渡帶，具有攔截地表徑流、提供生物棲息地、改善湖濱景觀等任務(wù)[1]. 底質(zhì)是水陸交錯帶生境的重要因素，合適、穩(wěn)定的底質(zhì)可以為水陸交錯帶植物生長提供良好的立地條件，不同的植物生長反過來也會對底質(zhì)尤其是新生底質(zhì)的理化特征產(chǎn)生較大影響，從而推動底質(zhì)發(fā)生演變[2]. 研究者從植物對土壤修復(fù)改善作用出發(fā)，指出發(fā)達(dá)的植物根系不僅僅起到為植物提供水分、養(yǎng)分的功能，還利用自身在土體中穿插、纏繞、固結(jié)等作用強(qiáng)化土體的抗侵蝕能力[3]. 吳彥等就對喬木類植物根系對土壤抗侵蝕性的影響做過系統(tǒng)的研究，指出喬木類植物須根量直接影響著土壤的有機(jī)質(zhì)、孔隙度等理化參數(shù)，須根量越大越有利于土壤理化性質(zhì)的改變[4]. 近年來，隨著對湖泊生態(tài)環(huán)境的深入研究，研究者發(fā)現(xiàn)水陸交錯帶植物可以有效減少底質(zhì)懸浮. 如Horppila等就通過對照實(shí)驗(yàn)指出了淺水湖泊中幾種浮葉、沉水、挺水群落植物具有抑制底質(zhì)中磷的釋放，增強(qiáng)底質(zhì)抗懸浮的作用[5]. Charles通過對比南達(dá)科他州沙湖(Sand Lake)中開闊水域受風(fēng)浪影響的底質(zhì)懸浮情況與挺水植物區(qū)域的懸浮情況，發(fā)現(xiàn)開闊區(qū)比挺水植物區(qū)嚴(yán)重得多，證明了挺水植物對增強(qiáng)湖泊底質(zhì)抗懸浮能力的重要意義[6]. Horppila等還在芬蘭南部希登韋西湖(Lake Hiidenvesi)通過野外監(jiān)測與室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)金魚藻(Ceratophyllumdemersum)、鈍葉眼子菜(Potamogetonobtusifolius)等沉水植物可以有效減少底質(zhì)在水體擾動條件下懸浮顆粒物的釋放[7]. 水生植物被證明可以有效克制水陸交錯帶底質(zhì)在風(fēng)浪擾動條件下的懸浮上揚(yáng)，但目前的研究還主要處于這種作用的發(fā)覺階段，尚未深入到底質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，缺少植物與這種變化之間的量化研究. 本文通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究幾種水陸交錯帶植物對底質(zhì)穩(wěn)固性能的影響，量化植物與底質(zhì)穩(wěn)固性之間的關(guān)系，為湖濱帶水生植物群落構(gòu)建中植物物種的選取以及栽種密度的確定提供參考.

1 材料與方法

1.1 植物與底質(zhì)來源

實(shí)驗(yàn)所用的植物和底質(zhì)來自于無錫貢湖灣太湖新城貢湖生態(tài)修復(fù)示范工程區(qū)(31°27′19.91″～31°27′25.38″N，120°19′48.04″～120°19′56.39″E)，該示范區(qū)原為魚塘，2013年退漁還湖后經(jīng)過基底修復(fù)改善，于2014年5月經(jīng)人工植被修復(fù)后形成水陸交錯帶示范區(qū). 示范區(qū)內(nèi)底質(zhì)主要為外來覆土，屬于湖濱帶生態(tài)修復(fù)區(qū)域新生底質(zhì)，其孔隙度為37%，含水率為 24%，粒徑分布以100 μm以下的細(xì)小顆粒為主. 實(shí)驗(yàn)中還采集生態(tài)修復(fù)示范區(qū)外的沙壤底質(zhì)作為實(shí)驗(yàn)對象，其孔隙度為45%，含水率為25%，粒徑分布以100 μm以上的中細(xì)、中粗顆粒為主.

實(shí)驗(yàn)中水陸交錯帶植物均為長江中下游常見種類，于2014年5月人工種植后生長穩(wěn)定并形成群落. 采集示范區(qū)分布面積大、生長良好的5種水生植物作為實(shí)驗(yàn)對象，包括雙穗雀稗(Paspalumdistichum)、李氏禾(Leersiahexandra)、香菇草(Hydrocotylevulgaris)、黃花水龍(Ludwigiapeploides)、黃菖蒲(Irispseudacorus)[8-12].

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)經(jīng)塑料養(yǎng)殖箱改造而成，每個養(yǎng)殖箱底均勻鋪設(shè)20 cm底質(zhì). 每種水生植物分別在水陸交錯帶新生底質(zhì)和沙壤底質(zhì)兩種底質(zhì)中進(jìn)行種植，并設(shè)平行樣，同時兩種底質(zhì)均保留空白參考組. 共設(shè)置5個實(shí)驗(yàn)組和1個空白對照組，植物栽種后先少量加水，保持底質(zhì)潤濕，等待24 h觀察栽種效果，確保實(shí)驗(yàn)植物與底質(zhì)的緊密結(jié)合. 注入純凈水，淹沒植物根部至水深10 cm左右. 經(jīng)過1周的生長適應(yīng)期后開始實(shí)驗(yàn)，每個裝置中放置曝氣頭，曝氣量為25 ml/s, 通過FP111便攜式流速儀測定裝置中上覆水流速為1.9～2.5 m/s，水力梯度為 15 s-1.

圖1 植物栽種實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental devices of plants

1.3 數(shù)據(jù)采集與分析

連續(xù)曝氣擾動1周(7 d)后監(jiān)測上覆水懸浮顆粒物濃度(SS)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)及總磷(TP)濃度等指標(biāo). 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第2周(14 d)后停止水力擾動，靜止6 h后測定上覆水SS、CODMn、TN及TP等指標(biāo). 第14 d 靜止6 h后再次進(jìn)行曝氣擾動，持續(xù)至實(shí)驗(yàn)第20 d，期間隔24 h(15 d)、5 d(20 d)對上覆水SS、CODMn、TN及TP等指標(biāo)進(jìn)行測定. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(20 d)取出植物，測定其生物量(植物鮮重)，用水清洗植物根部，篩選<1 mm的須根，利用LA-S根系分析儀測定根長密度、根表面積密度與根重密度.

利用鉬酸鹽比色法測定水體TP濃度，堿性過硫酸鉀比色法測定水體TN濃度，同時測定水體SS濃度以及CODMn. 底質(zhì)的測定方法參考《沉積物質(zhì)量調(diào)查評估手冊》[13]，采用凱式定氮儀測定底質(zhì)TN含量，利用高氯酸-硫酸消解法測定底質(zhì)TP與有效磷含量，利用重鉻酸鉀消解法測定有機(jī)質(zhì)含量，同時利用容積法測定底質(zhì)的容重. 本次實(shí)驗(yàn)中底質(zhì)的測定方法參考《沉積物質(zhì)量調(diào)查評估手冊》. 利用激光粒度儀測定底質(zhì)粒徑分布情況. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel、Origin等軟件進(jìn)行整理，利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 擾動對上覆水指標(biāo)的影響

2.1.1 上覆水水質(zhì)隨時間的變化 實(shí)驗(yàn)期間各實(shí)驗(yàn)組與空白對照組的上覆水SS濃度與CODMn、TN、TP濃度有著不同的變化規(guī)律(圖2). 各實(shí)驗(yàn)組SS濃度在擾動持續(xù)1周(7 d)后達(dá)到最高值，空白對照組SS濃度增幅最大，由70 mg/L上升至350 mg/L. 水力擾動持續(xù)兩周后停止擾動并靜置6 h(14 d(S))，各實(shí)驗(yàn)組與空白對照組上覆水SS濃度下降至150 mg/L左右. 靜止6 h后(14 d)各實(shí)驗(yàn)組恢復(fù)水力擾動，SS濃度小幅上升. 隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行(15～20 d)，各實(shí)驗(yàn)組中以新生底質(zhì)作為實(shí)驗(yàn)底質(zhì)的上覆水SS濃度基本維持在120 mg/L,以沙壤土作為實(shí)驗(yàn)底質(zhì)的上覆水SS濃度存在較大差異，空白實(shí)驗(yàn)組的上覆水SS濃度則超過了220 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)前擾動條件下的水體SS濃度.

如圖2所示，各實(shí)驗(yàn)組與空白對照組上覆水CODMn、TN、TP濃度在實(shí)驗(yàn)期間持續(xù)升高，各實(shí)驗(yàn)組上覆水CODMn在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前兩周(0～14 d)由5 mg/L最高上升至9 mg/L，空白組達(dá)到7 mg/L，隨后持續(xù)擾動1周過程中(14～20 d)各實(shí)驗(yàn)組上覆水CODMn下降至6.5 mg/L以下，空白組超過7 mg/L. 各實(shí)驗(yàn)組上覆水TN濃度在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前兩周(0～14 d)由0.35 mg/L最高上升至0.65 mg/L，空白組由0.50 mg/L 上升至0.65 mg/L，持續(xù)擾動1周的過程中(14～20 d)各實(shí)驗(yàn)組下降至0.50 mg/L左右. 各實(shí)驗(yàn)組上覆水TP濃度在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前1周(0～7 d)由0.01 mg/L最高增加至0.035 mg/L，空白組由0.01 mg/L最高增加至0.055 mg/L，隨后的實(shí)驗(yàn)過程中(7～20 d)各實(shí)驗(yàn)組與空白組維持在第1周結(jié)束時的水平(8 d).

Interdecadal anomaly of rainfall during the first rainy season in South China and its possible causes

由上述分析可知，隨著底質(zhì)的沉積穩(wěn)固及由于植物的生長對底質(zhì)穩(wěn)固作用加強(qiáng)，擾動情況下上覆水SS濃度是呈降低趨勢的. 而上覆水CODMn、TN、TP濃度卻呈增加趨勢，這是由于擾動情況下，底質(zhì)中可溶態(tài)營養(yǎng)鹽持續(xù)釋放，使上覆水中營養(yǎng)鹽表現(xiàn)出“積累”的特征. 兩種底質(zhì)上覆水在擾動條件下受污染的程度不同，新生底質(zhì)在實(shí)驗(yàn)期間上覆水SS濃度要低于沙壤底質(zhì)，營養(yǎng)鹽的釋放量也低于沙壤底質(zhì)，尤其在沒有植物穩(wěn)固作用的空白組更為明顯. 可見，植物的生長可以有效減少由于擾動帶來的顆粒物懸浮問題，減少底質(zhì)中營養(yǎng)鹽的釋放帶來的上覆水中營養(yǎng)鹽濃度增加的問題.

圖2 不同實(shí)驗(yàn)組上覆水懸浮顆粒物濃度(a)、高錳酸鹽指數(shù)(b)、總氮濃度(c)和總磷濃度(d)隨時間的變化(A、B、C、D、E和F分別代表雙穗雀稗組、李氏禾組、香菇草組、黃花水龍組、黃菖蒲組和空白實(shí)驗(yàn)組，下同；1和2分別表示植物種植在新生底質(zhì)和沙壤底質(zhì)；S表示停止擾動，靜止6 h)Fig.2 Concentrations of suspended solid (a), CODMn (b), total nitrogen (c) and total phosphorus (d) of overlying water with time-variation in experimental groups

2.1.2 上覆水水質(zhì)組間差異 各實(shí)驗(yàn)組和空白組上覆水SS濃度在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(20 d)存在差異，黃花水龍組(D)在各實(shí)驗(yàn)組中最高，達(dá)到125 mg/L；黃菖蒲組(E)最低，接近25 mg/L；雙穗雀稗組(A)、李氏禾組(B)和香菇草組(C)均達(dá)到100 mg/L；空白對照組則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他實(shí)驗(yàn)組，達(dá)到200 mg/L. 雙穗雀稗組、李氏禾組、香菇草組和黃菖蒲組的新生底質(zhì)與沙壤底質(zhì)上覆水SS濃度在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后沒有顯著差異，黃花水龍組(D)與空白對照組(F)的沙壤底質(zhì)上覆水SS濃度高于新生底質(zhì)，分別為225與200 mg/L，140與120 mg/L(圖3).

各實(shí)驗(yàn)組與空白組上覆水CODMn在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(20 d)存在差異，同時各實(shí)驗(yàn)組中沙壤底質(zhì)與新生底質(zhì)上覆水之間也有明顯區(qū)別. 雙穗雀稗組、李氏禾組、香菇草組和黃花水龍組新生底質(zhì)上覆水CODMn下降至5 mg/L，黃菖蒲組新生底質(zhì)上覆水CODMn超過6 mg/L，空白對照組上覆水CODMn達(dá)到7 mg/L. 各實(shí)驗(yàn)組沙壤底質(zhì)上覆水CODMn要高于新生底質(zhì)，各實(shí)驗(yàn)組沙壤底質(zhì)上覆水CODMn達(dá)到6 mg/L，空白對照組沙壤底質(zhì)上覆水CODMn達(dá)到7.5 mg/L(圖3).

各實(shí)驗(yàn)組沙壤底質(zhì)上覆水TN濃度在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時達(dá)到0.45 mg/L，雙穗雀稗組、李氏禾組、黃菖蒲組新生底質(zhì)上覆水TN濃度為0.4 mg/L，香菇草組、黃花水龍組新生底質(zhì)上覆水TN濃度為0.55 mg/L；空白對照組沙壤底質(zhì)上覆水TN濃度達(dá)到0.8 mg/L，新生底質(zhì)上覆水TN濃度達(dá)到0.6 mg/L(圖3).

圖3 實(shí)驗(yàn)后各實(shí)驗(yàn)組上覆水指標(biāo)Fig.3 Overlying water quality of experimental groups at the end of the experiment

各實(shí)驗(yàn)組與空白組上覆水TP濃度差異明顯，雙穗雀稗組、香菇草組和黃菖蒲組均在0.02 mg/L 以下，李氏禾組在0.025 mg/L左右，黃花水龍組則達(dá)到0.04 mg/L，空白對照組超過0.05 mg/L，沙壤底質(zhì)與新生底質(zhì)上覆水TP濃度沒有明顯差異(圖3).

可見在相同擾動條件下，空白對照組各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)值均明顯大于實(shí)驗(yàn)組，說明不同植物的生長可不同程度地抑制底質(zhì)顆粒物懸浮和污染物釋放. 不同植物對懸浮顆粒物、氮磷營養(yǎng)物的抑制作用差異較大，黃菖蒲顯示出較強(qiáng)的抑制作用，其次是雙穗雀稗、李氏禾、香菇草，黃花水龍在5種實(shí)驗(yàn)植物中抑制作用最弱. 新生底質(zhì)與沙壤底質(zhì)相比，其上覆水顆粒懸浮物更低，營養(yǎng)物質(zhì)更少，在擾動下穩(wěn)定性較好.

圖4 實(shí)驗(yàn)后各實(shí)驗(yàn)組底質(zhì)孔隙度Fig.4 Sediment porosity of experimental groups at the end of the experiment

2.2.1 實(shí)驗(yàn)后底質(zhì)孔隙度組間的差異 孔隙度反映底質(zhì)孔隙狀況和松緊程度，實(shí)驗(yàn)前新生底質(zhì)孔隙度為37%，沙壤底質(zhì)孔隙度為45%，實(shí)驗(yàn)后空白對照組新生底質(zhì)孔隙度升高達(dá)到45%，沙壤底質(zhì)下降至42%(圖4). 本實(shí)驗(yàn)條件下，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，一方面底質(zhì)自身沉積作用減小底質(zhì)孔隙度，另一方面擾動造成對表層底質(zhì)顆粒結(jié)構(gòu)的沖擊和切割，使底質(zhì)更加松散，增加其空隙度. 沙壤底質(zhì)對照組孔隙度下降的原因可能是由于沙壤底質(zhì)顆粒較大，實(shí)驗(yàn)的擾動條件不足以對其顆粒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊；而新生底質(zhì)顆粒較小，在實(shí)驗(yàn)擾動條件下，顆粒間分散使孔隙度升高. 實(shí)驗(yàn)后，各實(shí)驗(yàn)組沙壤底質(zhì)與空白組沙壤底質(zhì)相比，孔隙度均下降. 說明各沙壤底質(zhì)實(shí)驗(yàn)組由于植物的生長，對沙壤底質(zhì)顆粒的“聚集”有正向作用，但不同植物對沙壤質(zhì)顆粒的這種正向作用差異較大[14].實(shí)驗(yàn)結(jié)束時各實(shí)驗(yàn)組沙壤底質(zhì)的孔隙度均低于初始孔隙度，其中雙穗雀稗、李氏禾以及黃菖蒲作用較強(qiáng)，使沙壤底質(zhì)孔隙度均下降至37%，黃花水龍組沙壤底質(zhì)孔隙度下降至30%，香菇草組沙壤底質(zhì)孔隙度則沒有明顯變化，達(dá)到43%. 各實(shí)驗(yàn)組新生底質(zhì)孔隙度均高于實(shí)驗(yàn)前，達(dá)到40%，但小于空白新生底質(zhì)組45%，說明各新生底質(zhì)實(shí)驗(yàn)組由于植物的生長，對新生底質(zhì)顆粒有一定的“聚集”作用，但這種“聚集”作用不足以抵消擾動對顆粒物的“擴(kuò)散”作用，因此孔隙度仍舊高于實(shí)驗(yàn)前.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)后底質(zhì)粒徑分布變化 粒徑分布是重要的底質(zhì)指標(biāo)，研究表明粒徑分布情況不僅決定底質(zhì)的懸浮和抗侵蝕能力，同時也影響著底質(zhì)組成物質(zhì)的比例和形態(tài)[15-16]. 實(shí)驗(yàn)前后各組新生底質(zhì)小于0.05 mm的粒徑比例均達(dá)到90% ，大于0.1 mm的粒徑比例則大于5%(圖5). 實(shí)驗(yàn)前長江中下游沙壤底質(zhì)組大于0.1 mm的粒徑比例超過10%，0.05～0.10 mm的粒徑比例則不到5%，小于0.05 mm的粒徑比例為85%. 雙穗雀稗、李氏禾組沙壤底質(zhì)實(shí)驗(yàn)后小于0.05 mm的粒徑比例均提高至90%，大于0.1 mm的粒徑比例由10%下降至5%. 黃菖蒲組、黃花水龍組、空白對照組大于0.1 mm的粒徑比例下降，由10%下降至5%左右. 香菇草組中沙壤底質(zhì)的粒徑分布在實(shí)驗(yàn)前后沒有發(fā)生明顯變化，大于0.1 mm的粒徑比例仍然較高，超過10%. 空白對照組實(shí)驗(yàn)前后粒徑分布沒有顯著差異；實(shí)驗(yàn)前后各實(shí)驗(yàn)組沙壤底質(zhì)粒徑分布變化總體上小于0.05 mm的比例提高，達(dá)到90%， 0.05～0.10 mm、大于0.1 mm的粒徑比例下降；各實(shí)驗(yàn)組、空白組新生底質(zhì)實(shí)驗(yàn)后粒徑分布與實(shí)驗(yàn)前相比沒有發(fā)生顯著差異，小于0.05 mm的粒徑比例均達(dá)到90% ，大于0.1 mm的粒徑比例則小于5%.

圖5 實(shí)驗(yàn)前后各實(shí)驗(yàn)組和空白組底質(zhì)的粒徑分布Fig.5 Distribution of particle diameter of experimental groups before and after the experiment

2.3 植物生長對底質(zhì)穩(wěn)固性的影響分析

2.3.1 植物生物量與根系特征 5種植物在實(shí)驗(yàn)過程中長勢良好，實(shí)驗(yàn)后生物量增加. 黃花水龍是浮葉植物，實(shí)驗(yàn)后植物鮮重達(dá)到1.2 kg/m2. 李氏禾與雙穗雀稗均屬于禾本科植物，兩者都有著發(fā)達(dá)的匍匐莖和根壯莖，實(shí)驗(yàn)后李氏禾鮮重增加到0.85 kg/m2，雙穗雀稗鮮重增加到0.65 kg/m2. 黃菖蒲是濕生/挺水植物，枝葉茂盛，根莖短粗，環(huán)境適應(yīng)性較好，鮮重在實(shí)驗(yàn)前后有較快的增長，增加至0.75 kg/m2. 香菇草是一種低矮(株高15 cm)的蔓生挺水/濕生植物，生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他較為高大的挺水/濕生植物，實(shí)驗(yàn)后生物量增加至0.52 kg/m2(圖6).

圖6 不同實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)前后植物生物量變化Fig.6 Plant biomass of experimental groups before and after the experiment

已有研究認(rèn)為根長密度、根表面積密度、根重密度是反映根系特征的重要指標(biāo)，植物根系與土壤理化性質(zhì)變化息息相關(guān)[17]. 須根長度密度可以反映一種植物根部須根的伸展情況，須根表面積密度可以反映植物根部和底質(zhì)的接觸情況，根重密度則直接體現(xiàn)須根的數(shù)量. 在選取的5種水生/濕生植物中，黃菖蒲的直徑d≤1 mm須根根長密度、根表面積密度較高，而李氏禾根重密度較高，5種水生/濕生植物的根系參數(shù)有明顯的差異(表1)，但香菇草與黃菖蒲一樣有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以在實(shí)驗(yàn)裝置中快速扎根穩(wěn)定.

d≤1 mm的須根特征參數(shù)之間有密切的聯(lián)系，根長密度與根表面積密度之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9939，根重密度與二者之間的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了0.4163. 從擬合的函數(shù)上看，3個參數(shù)之間兩兩呈正相關(guān)(圖7)， 即說明植物須根量(根重密度)越大其影響作用范圍越大，與底質(zhì)接觸越密切.

2.3.2 植物生長對底質(zhì)穩(wěn)固性的影響分析 底質(zhì)穩(wěn)固性能與底質(zhì)的粒徑分布、孔隙度以及底質(zhì)的化學(xué)特征有密切聯(lián)系，而d≤1 mm 的須根對底質(zhì)的物理、化學(xué)特征有著直接的影響[18-19]. 根長密度和根表面積密度與底質(zhì)孔隙度有著顯著的負(fù)相關(guān)性(表2). 須根緊實(shí)底質(zhì)，減少孔隙度，增強(qiáng)了底質(zhì)抗擾動性能. 不同粒徑級別數(shù)量間的相關(guān)關(guān)系指出了它們之間此消彼長的數(shù)量關(guān)系，底質(zhì)粒徑分布研究也指出了實(shí)驗(yàn)后粒徑<50 μm 底質(zhì)的增加及其他粒徑級別的減少. 根長密度、根表面積密度、根重密度與粒徑<50 μm的底質(zhì)數(shù)量有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05，表3)，而生物量與底質(zhì)的孔隙度和粒徑分布則沒有顯著的相關(guān)關(guān)系(表2). 魯素蕓指出部分水生植物根系通過穿插和分泌糖類、有機(jī)酸甚至腐敗分解等方式促進(jìn)底質(zhì)在水體沖擊下的穩(wěn)定[20]. 植物根系不僅通過分泌活性酶、植物激素來包裹固結(jié)底質(zhì)，其自身生長對底質(zhì)的穿插壓實(shí)也讓底質(zhì)的顆粒越來越細(xì)密，空隙越來越少[21]. 植物須根在底質(zhì)中的生長影響著底質(zhì)的孔隙度和粒徑分布，改變了底質(zhì)抵抗水體擾動的性能. 須根通過分泌有機(jī)物質(zhì)包裹粘連底質(zhì)細(xì)小顆粒，同時須根對底質(zhì)的穿插擠壓也使底質(zhì)顆粒物質(zhì)變得更加細(xì)小，更易與須根緊密粘連.

表1 5種湖濱帶植物須根(d≤1 mm)的特征參數(shù)

Tab.1 Characteristic parameters of the fine root (d≤1 mm) of 5 littoral zone plants

植物種類根長密度/(cm/cm3)根表面積密度/(cm2/cm3)根重密度/(mg/cm3)雙穗雀稗1．057±0．2450．033±0．0070．678±0．229黃菖蒲11．495±1．1880．368±0．0341．844±0．467李氏禾7．368±0．2950．228±0．0092．537±0．361黃花水龍9．475±1．0030．294±0．0580．944±0．210香菇草0．651±0．1080．022±0．0040．16±0．008

圖7 植物須根(d≤1 mm)各特征參數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Correlation coefficients among fine root(d≤1 mm) characteristic parameters

表2 植物生物量、d≤1 mm的須根特征參數(shù)與底質(zhì)孔隙度的相關(guān)矩陣

Tab.2 Correlation matrix of plant biomass, fine root (d≤1 mm) characteristic parameters and sediment porosity

根長密度 根重密度 根表面積密度 植物生物量 底質(zhì)孔隙度根長密度1根表面積密度0．700??1根重密度1．000??0．700??1植物生物量0．102-0．1140．1011底質(zhì)孔隙度-0．505?-0．320-0．505?0．3621

*表示P<0.05；**表示P<0.01.

2.3.3 植物根系對底質(zhì)穩(wěn)固性的增益作用 底質(zhì)孔隙度、底質(zhì)粒徑分布是上覆水水質(zhì)在本次實(shí)驗(yàn)條件下變化的內(nèi)因，這兩項(xiàng)底質(zhì)指標(biāo)可以衡量底質(zhì)穩(wěn)定性能，其改善程度用空白實(shí)驗(yàn)組各項(xiàng)參數(shù)與各個植物實(shí)驗(yàn)組參數(shù)的相對差值來反映. 將這種相對差值定義為底質(zhì)穩(wěn)定性增益值，分別為孔隙度增益值I1和粒徑增益值I2. 結(jié)果(表4)表明雙穗雀稗、李氏禾、香菇草3種植物d≤1 mm的須根量Rw、須根長度RL、須根面積RS與各增益值之間存在線型正相關(guān)關(guān)系(斜率為0.006～1.727，黃花水龍和黃菖蒲須根參數(shù)與底質(zhì)粒徑分布增益值之間存在線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(斜率為-0.091～-0.011). 以李氏禾須根量回歸方程I1=0.018RW-0.015和I2=0.025RW+0.103為例，其須根量每增加1 mg/cm3,孔隙度增加1.8%，粒徑<50 μm的底質(zhì)增加2.5%.

表3 植物生物量、d≤1 mm的須根特征參數(shù)與底質(zhì)粒徑分布的相關(guān)矩陣

Tab.3 Correlation matrix of plant biomass, fine root (d≤1 mm) characteristic parameters and particle diameter

根長密度 根重密度 根表面積密度 植物生物量 D50 D100 D300 D500根長密度1根表面積密0．700??1根重密度1．000??0．700??1植物生物量0．102-0．1140．1011D500．126?0．369?0．126?-0．0351D100-0．152?-0．302?-0．152?0．139?-0．759??1D3000．039-0．0790．040-0．130-0．451?-0．226?1D500-0．065-0．306?-0．065-0．118-0．274?-0．190?0．516?1

*表示P<0.05;**表示P<0.01 ，D50、D100、D300和D500分別表示底質(zhì)中粒徑≤50、100、300、500 μm的比例.

須根參數(shù)與改善值之間的增益值是植物根系對底質(zhì)增益效果的體現(xiàn)，增益值越大說明根系增益效果越高效，根系生長對底質(zhì)增益效果的提升越明顯. 雙穗雀稗、李氏禾、香菇草的根系參數(shù)越大，其生長環(huán)境中底質(zhì)的物理特征就越利于底質(zhì)的穩(wěn)定；黃花水龍和黃菖蒲須根參數(shù)與底質(zhì)粒徑分布增益值之間存在截距大于0的負(fù)線性關(guān)系，這表明隨著須根生長，根系對底質(zhì)穩(wěn)定的促進(jìn)作用就在減弱. 這兩種植物根系在須根還不是很發(fā)達(dá)的時候，有著不錯的增益效果. 如黃花水龍根長密度與粒徑分布增益回歸方程的截距達(dá)到0.933，當(dāng)黃花水龍生長初期須根長度較小的時候，根長密度每增加1 cm/cm3, 粒徑<50 μm的底質(zhì)就增加90%左右.

表4 植物根系特征參數(shù)(根長密度 (RLD)、根表面積密度(RSAD)、根重密度(RWD))與底質(zhì)穩(wěn)固性的增益系數(shù)方程(P<0.01)

Tab.4 Regression equations between sediment stabilization enhancement coefficients and fine root characteristic parameters (root length density, root surface area density and root weight density)(P<0.01)

植物類型修復(fù)項(xiàng)目增益值與RLD的回歸方程增益值與RWD的回歸方程增益值與RSAD的回歸方程雙穗雀稗I1I1=0．054RL-0．002r=0．5200I1=0．094RW-0．008r=0．6617I1=1．727RS-0．002r=0．4078I2I2=0．144RL+0．016r=0．5739I2=0．059RW+0．129r=0．5115I2=0．059RS+0．129r=0．5205李氏禾I1I1=0．050RL-0．005r=0．6259I1=0．018RW-0．015r=0．6157I1=0．155RS-0．005r=0．4259I2I2=0．011RL+0．093r=0．6967I2=0．025RW+0．103r=0．6145I2=0．341RS+0．093r=0．6967香菇草I1I1=0．149RL-0．087r=0．6659I1=0．012RW+0．199r=0．500I1=0．476RS-0．087r=0．6659I2I2=0．051RL-0．165r=0．5779I2=0．006RW-0．133r=0．500I2=1．631RS-0．165r=0．5779黃花水龍I1I1=0．027RL-0．162r=0．999I1=0．131RW-0．039r=0．9976I1=0．847RS-0．162r=0．999I2I2=-0．091RL+0．933r=0．922I2=-0．044RW+0．506r=0．910I2=-0．029RS+0．933r=0．922黃菖蒲I1I1=-0．011RL+0．194r=0．745I1=-0．025RW+0．113r=0．7342I1=-0．344RS+0．194r=0．7449I2I2=-0．025RL+0．498r=0．3639I2=-0．015RW+0．491r=0．9615I2=-0．079RS+0．498r=0．3639

植物須根的數(shù)量和質(zhì)量也是影響底質(zhì)穩(wěn)定性的重要因素，黃菖蒲與黃花水龍的根長密度分別為11.495和9.475 cm/cm3，根表面積密度分別為0.368和0.294 cm2/cm3，根重密度為1.844和0.944 mg/cm3,兩種植物根系參數(shù)對底質(zhì)孔隙度增益值分別為15%和9%，兩種植物根系參數(shù)對底質(zhì)粒徑分布增益值分別為92%和47% ; 雙穗雀稗、李氏禾和香菇草的根長密度分別為1.057、7.368和0.651 cm/cm3，根表面積密度分別為0.033、0.228和0.022 cm2/cm3，根重密度為0.678、2.537和0.160 mg/cm3，3種植物根系參數(shù)對底質(zhì)孔隙度的增益值分別為6%、36%和1%，3種植物根系參數(shù)對底質(zhì)粒徑分布增益值分別為16%、17% 和-13%. 不同植物根系對底質(zhì)增益系數(shù)的差異來自于根系分泌的活性酶、植物激素的種類以及部分根系死亡分解時分解物質(zhì)的種類性質(zhì)[22]. 5種水生/濕生植物根系均可以對湖濱底質(zhì)穩(wěn)定性有改善作用，增強(qiáng)底質(zhì)的抗水體擾動能力，控制底質(zhì)中營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，改善上覆水水質(zhì)；從效能上表現(xiàn)為李氏禾>雙穗雀稗>黃菖蒲>黃花水龍>香菇草.

3 結(jié)論

1) 植物根系對底質(zhì)穩(wěn)定性增益一方面通過直徑<1 mm的須根穿插緊實(shí)底質(zhì)，造成底質(zhì)孔隙度下降；同時須根的生長對底質(zhì)的穿插擠壓造成粒徑<50 μm的顆粒增多 ，這些細(xì)小顆粒更易與須根緊密粘連，增強(qiáng)底質(zhì)的穩(wěn)固性.

2) 直徑≤1 mm的須根量Rw、須根長度RL、須根面積RS與底質(zhì)孔隙度和粒徑分布增益值之間存在線性回歸關(guān)系；雙穗雀稗、李氏禾、香菇草的須根量Rw、須根長度RL、須根面積RS與粒徑分布、孔隙度增益值之間存在斜率為0.006～1.727的線型正相關(guān)關(guān)系；黃花水龍和黃菖蒲的須根參數(shù)與粒徑分布增益值之間存在斜率為-0.091～-0.011的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系. 雙穗雀稗、李氏禾、香菇草的根系參數(shù)越大，其生長環(huán)境中底質(zhì)的物理特征就越利于底質(zhì)的穩(wěn)固；黃菖蒲、黃花水龍則隨著根系參數(shù)的升高，對底質(zhì)穩(wěn)固的增益作用減小.

3) 黃菖蒲與黃花水龍具有發(fā)達(dá)的植物根系，兩種植物根系參數(shù)對底質(zhì)孔隙度增益值分別為15%和9%，對底質(zhì)粒徑分布增益值分別為92%和47% ; 雙穗雀稗、李氏禾、香菇草根系參數(shù)較小，3種植物根系參數(shù)對底質(zhì)孔隙度的增益值分別為6%、36%和1%，對底質(zhì)粒徑分布增益值分別為16%、17% 和-13%.

綜上所述，5種植物通過根系提高底質(zhì)的穩(wěn)定性，減少底質(zhì)在水力擾動下懸浮物質(zhì)以及營養(yǎng)鹽的釋放. 從效能上表現(xiàn)為李氏禾>雙穗雀稗>黃菖蒲 >黃花水龍>香菇草.

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Effects of five literal-zone plants on lakeshore sediment stabilization

YAO Cheng1, HU Xiaozhen2**, GENG Rongmei2, XUE Yanjun2& CHENG Xiaoying3

(1:CollegeofUrbanConstruction,NanjingTechUniversity,Nanjing210000,P.R.China)(2:StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryforLakePollutionControl,ResearchCenterofLakeEco-Environment,StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,P.R.China)(3:EnvironmentCollege,JiangnanUniversity,Wuxi214000,P.R.China)

Small-scale physical experiment in the laboratory has been taken for simulating the effects ofPaspalumdistichum,Leersiahexandra,Hydrocotylevulgaris,LudwigiapeploidesandIrispseudacoruson the literal-zone sediment stabilization by collecting sandy soil from lower reaches of Yangtze River and clay from the literal-zone. The results indicated that the reduced degree of porosity and increased proportion of specified particle (diameter <50 μm) of sediments could improve the quality of overlying water. The linear regression model of the improvement of sediment stabilization with five kinds of plant (Paspalumdistichum,Leersiahexandra,Hydrocotylevulgaris,LudwigiapeploidesandIrispseudacorusand fine root parameters (root length density, root surface area density and root weight density) is put forward. The correlations of root parameters ofLeersiahexandra,Paspalumdistichum,Hydrocotylevulgariswith the degree of sediment porosity and with the particle diameter have positively linear correlations with slop arranging from 0.006 to 1.727, respectively, while the negative linear correlation ofIrispseudacorus,Ludwigiapeploideswith slop arranging from -0.091 to -0.011. Improvements of sediment porosity ofIrispseudacorusandLudwigiapeploideswere attained to 15% and 9%, respectively, and improvement of particle diameters to 92% and 47%, respectively. The linear equation was used to calculate the plants’ root parameter: 11.495 and 9.475 cm/cm3in root length density, 0.368 and 0.294 cm2/cm3in root surface area density, 1.844 and 0.944 mg/cm3in root weight density, for root parameters with sediment porosity and with the particle diameter, respectively. The sediment porosity improvements ofLeersiahexandra,PaspalumdistichumandHydrocotylevulgariswere attained to 6%，36% and 1%, and distribution of particle diameter improvement to 16%，17% and -13%, according to linear equation which was calculated with plants’ root parameter: 1.057, 7.368 and 0.651 cm/cm3in root length density, 0.033, 0.228 and 0.022 cm2/cm3in root surface area density, and 0.678, 2.537 and 0.160 mg/cm3in root weight density, respectively. Five literal-zone plants are all proved to improve sediment stabilization, which repress eutrophication and sediment resuspension caused by soil erosion on lakeshore. Comparably, the effectiveness from high to low are in descending order fromLeersiahexandra,Paspalumdistichum,Irispseudacorus,LudwigiapeploidestoHydrocotylevulgaris.

Plant fine root; sediment stabilization; distribution of particle diameter; sediment porosity; root parameter

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07101-014-004, 2014ZX07510-001-01)資助. 2016-03-09收稿；2016-05-10收修改稿. 姚程(1990～)，男，碩士研究生; E-mail: yao948416159@163.com.

*通信作者；E-mail：huxz@craes.org.cn.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(1)： 105-115

DOI 10.18307/2017.0112

?2017 byJournalofLakeSciences