石佛寺人工濕地不同營養(yǎng)特征淤積物對(duì)水生植物生長的影響

周林飛, 樊海川, 徐 也

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽 110866)

生態(tài)修復(fù)技術(shù)可以讓湖泊中水生植物生長趨勢(shì)得到提升，從而使湖泊所面臨的富營養(yǎng)化問題得到有效的控制，其對(duì)于水生植物所在湖泊的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)有著十分重要的意義。水生植物可以通過自身的吸收和根系環(huán)境的構(gòu)建來改善環(huán)境壓力，在一定程度上可以說水生植物生長的越好，富營養(yǎng)化湖泊的修復(fù)進(jìn)展越快[1]。周圍環(huán)境中的營養(yǎng)元素會(huì)對(duì)水生植物的生長及分布產(chǎn)生影響，大多數(shù)研究表明，環(huán)境中營養(yǎng)元素與水生植物的茂盛程度呈正比，水生植物也更多分布在周邊營養(yǎng)元素較多的區(qū)域。影響水生植物生長的營養(yǎng)元素有很多，其中對(duì)水生植物生長產(chǎn)生影響較大的為氮和磷[2]，水生植物在生長過程中，其根系主要從淤積物中吸收氮(N)、磷(P)、鐵(Fe)、錳(Me)和一些微量元素，而如鈣(Ca)、鎂(Mg)、鈉(Na)和鉀(K)等元素通常是通過地上部分進(jìn)行吸收的[3]。通過研究來發(fā)現(xiàn)水生植物生物量與淤積物營養(yǎng)特征之間的關(guān)系，對(duì)于了解水生植物生長特性和人工濕地的治理都具有一定意義。目前國內(nèi)關(guān)于環(huán)境營養(yǎng)水平與水生植物生長之間關(guān)系的研究較少，且存在一定的局限性。

石佛寺水庫位于沈陽市新城子區(qū)、法庫縣依牛堡鄉(xiāng)和鐵嶺市鐵法縣境內(nèi)，距離遼寧省沈陽市約47 km，是遼河干流上唯一的大型控制性水利工程。為改善生態(tài)環(huán)境，在水庫的基礎(chǔ)上于2009年開始逐步建成石佛寺人工濕地，主要栽植的水生植物包括：蘆葦(Phragmitescommunis)、蒲草(Typhaangustifolia)和荷花(Nelumbonucifera)，周邊栽植其他旱生植物，同時(shí)進(jìn)行生態(tài)蓄水，對(duì)環(huán)境的改善起到了積極的作用，水生植物面積擴(kuò)大，種類增多，2016年調(diào)查表明：蘆葦、荷花和蒲草面積分別為173.33，133.33，366.66 hm2，為優(yōu)勢(shì)種；此外，還出現(xiàn)了許多新的水生植物。生態(tài)水面積16.13 km2，濕地植物與生態(tài)水面，一起構(gòu)成了石佛寺湖泊型人工濕地，是遼河自然保護(hù)區(qū)的重要濕地。

本研究主要是將石佛寺人工濕地中覆蓋面積相對(duì)較大的蒲草與蘆葦作為研究對(duì)象，以TN和TP為淤積物中營養(yǎng)含量的主要指標(biāo)，研究淤積物中營養(yǎng)物質(zhì)含量對(duì)蒲草、蘆葦生長的影響，通過比較同一濕地不同樣點(diǎn)淤積物中蒲草與蘆葦?shù)纳锪?，來研究淤積物營養(yǎng)物質(zhì)含量與水生植物生長的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

為充分了解淤積物營養(yǎng)成分對(duì)水生植物生長狀況的影響，在2018年對(duì)石佛寺人工濕地分別選取蘆葦、蒲草區(qū)域采樣點(diǎn)各5個(gè)，分別用T1—T5和P1—P5表示，具體采樣點(diǎn)如圖1所示。分別于4月、5月、7月、9月和10月月初，通過活塞式柱狀采樣器對(duì)各個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)的表層0—10 cm深度的淤積物進(jìn)行采集后，將采集的淤積物裝入密封袋內(nèi)并貼好標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室，分析淤積物中N和P的含量。按照水生植物的生長階段，將1年劃分為4個(gè)時(shí)期：蓄積期(1—3月)；生長期(4—6月)；成熟期(7—9月)；枯萎期(10—12月)。通過對(duì)比，研究相同環(huán)境條件淤積物營養(yǎng)特征對(duì)水生植物生長的影響。

圖1 淤積物采樣點(diǎn)布設(shè)

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)定與處理

對(duì)于兩個(gè)區(qū)域內(nèi)水生植物生物量的測(cè)定，在各采樣點(diǎn)內(nèi)隨機(jī)選取1 m2樣方來進(jìn)行研究，統(tǒng)計(jì)水生植物的密度后，從中隨機(jī)選取10株水生植物植株，齊地收割地上部分植株，并挖除根部(0—70 cm)土樣篩選出地下根莖部分，標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室，切割后用80℃恒溫將水生植物植株烘干至少48 h，待其恒重時(shí)稱得10株樣本的重量，然后求平均，以平均重量乘以密度就得到樣點(diǎn)淤積物內(nèi)水生植物的生物量。

對(duì)于采樣點(diǎn)淤積物中營養(yǎng)元素的測(cè)定，先將取回的樣品淤積物自然風(fēng)干變得干硬后，將其全部粉碎并過100目篩。淤積物中TN和TP含量分別用水楊酸法和鉬銻抗比色法，通過全自動(dòng)間斷式化學(xué)分析儀測(cè)定。采集的數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2007和SPSS軟件進(jìn)行整理與分析，用Photoshop CS 6軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同淤積物中蘆葦?shù)纳L

石佛寺人工濕地5個(gè)蘆葦樣點(diǎn)淤積物TN與TP含量見表1。其中5個(gè)樣點(diǎn)淤積物內(nèi)TN平均含量均超過0.90 g/kg，TP平均含量均超過0.40 g/kg。其中T3樣點(diǎn)的TN，TP的平均含量均為5個(gè)樣點(diǎn)之首，而T5樣點(diǎn)中TN，TP平均含量均為最小。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，石佛寺人工濕地蘆葦樣點(diǎn)淤積物中TN與TP含量，與目前國內(nèi)研究較多的東太湖淤積物中TN和TP的含量相接近[4]。

表1 5個(gè)蘆葦樣點(diǎn)淤積物TN，TP含量 g/kg

5個(gè)樣點(diǎn)不同時(shí)期蘆葦?shù)纳锪孔兓鐖D2所示。4月初，蘆葦處于生長初期，此時(shí)期內(nèi)T2和T5兩個(gè)樣點(diǎn)中蘆葦?shù)纳锪柯晕⒏哂谄渌蓸狱c(diǎn)，總的來看各個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)蘆葦生物量較接近，并沒有表現(xiàn)出明顯的差異，此階段各樣點(diǎn)蘆葦生物量比較：T5>T2>T1>T3>T4；之后隨著蘆葦?shù)闹饾u發(fā)育，5個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)蘆葦?shù)纳锪烤_始平穩(wěn)上升，各個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)蘆葦?shù)纳锪恐饾u有了差距，其中T1和T3樣點(diǎn)內(nèi)蘆葦?shù)纳锪吭鲩L趨勢(shì)最為明顯，而T5樣點(diǎn)內(nèi)蘆葦生物量增長趨勢(shì)最緩，其蘆葦生物量變?yōu)?個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)最低，此階段各樣點(diǎn)蘆葦生物量比較：T1>T3>T4>T2>T5；7—9月，蘆葦進(jìn)入成熟期，5個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)蘆葦生物量的增長趨勢(shì)都逐漸放緩，并于9月達(dá)到峰值，此時(shí)T1樣點(diǎn)中蘆葦?shù)纳锪烤黠@高于其他4個(gè)區(qū)域，T3次之，T5樣點(diǎn)內(nèi)蘆葦生物量仍為最低，但已與T2樣點(diǎn)內(nèi)蘆葦?shù)纳锪枯^接近，此階段各樣點(diǎn)蘆葦生物量比較：T1>T3>T4>T2>T5。10月以后，進(jìn)入枯萎期的蘆葦開始死亡腐解，各樣點(diǎn)內(nèi)蘆葦生物量均逐漸下降，T2樣點(diǎn)蘆葦生物量下降趨勢(shì)相對(duì)較緩，但對(duì)總體生物量的變化影響不大?？傮w來看，5個(gè)樣點(diǎn)淤積物中蘆葦生物量為：T1>T3>T4>T2>T5。

結(jié)合表1和圖2來看，蘆葦?shù)纳锪颗c淤積物中TN和TP的含量有關(guān)，蘆葦?shù)纳锪繒?huì)隨著淤積物中營養(yǎng)物質(zhì)含量的增高而增加，這種現(xiàn)象在蘆葦?shù)某墒炱诟鼮轱@著。但5月之后，淤積物中TP和TN平均含量最高的T3樣點(diǎn)中蘆葦?shù)纳锪?，始終低于T1樣點(diǎn)。

圖2 5個(gè)樣點(diǎn)不同時(shí)期蘆葦生物量

2.2 不同淤積物中蒲草的生長

各采樣點(diǎn)淤積物內(nèi)TN，TP含量見表2。蒲草區(qū)域5個(gè)樣點(diǎn)淤積物中TN和TP的平均含量較接近，但也存在差別，其中P3樣點(diǎn)淤積物中TN和TP的平均含量都略微低于其他采樣點(diǎn)?？傮w來看，蒲草樣點(diǎn)淤積物中TN，TP的平均含量均明顯低于蘆葦樣點(diǎn)。

表2 5個(gè)蒲草樣點(diǎn)淤積物中TN，TP含量 g/kg

5個(gè)蒲草采樣點(diǎn)淤積物中，水生植物的生物量變化趨勢(shì)如圖3所示。在4月初，P1采樣點(diǎn)中蒲草的生物量略高于其他采樣點(diǎn)，整體來看5個(gè)采樣點(diǎn)中蒲草的生物量比較接近，此階段各樣點(diǎn)蒲草生物量比較：P4>P3>P1>P5>P2。之后，隨著蒲草進(jìn)一步發(fā)育，各采樣點(diǎn)間生物量的差異逐漸體現(xiàn)。P1采樣點(diǎn)的生物量逐漸呈現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)，其他4個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)蒲草的生物量以相近的趨勢(shì)平穩(wěn)增加；而進(jìn)入5月后，P5樣點(diǎn)內(nèi)的蒲草生物量的增長趨勢(shì)相對(duì)于其他樣點(diǎn)明顯增高，并于6月整體生物量超過P1樣點(diǎn)，成為5個(gè)樣點(diǎn)之首，此階段各樣點(diǎn)蒲草生物量比較：P1>P5>P2>P4>P3。蒲草進(jìn)入成熟期以后，各樣點(diǎn)內(nèi)蒲草生物量增長趨勢(shì)逐漸降低，并達(dá)到最大值，之后各樣點(diǎn)內(nèi)蒲草生物量開始以較接近的趨勢(shì)逐漸降低，此階段各樣點(diǎn)蒲草生物量比較：P5>P1>P4>P2>P3。之后隨著蒲草進(jìn)入枯萎期后逐漸死亡，5個(gè)采樣點(diǎn)中蒲草的生物量都逐漸減少，并趨近于同一數(shù)值。在整個(gè)蒲草的發(fā)育過程中，P3樣點(diǎn)內(nèi)蒲草的生物量始終保持較低水平。

圖3 5個(gè)樣點(diǎn)不同時(shí)期蒲草生物量

結(jié)合表2與圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采樣點(diǎn)淤積物內(nèi)TN含量小于0.993 g/kg，TP含量小于0.437 g/kg時(shí)，樣點(diǎn)內(nèi)蒲草的生物量會(huì)隨淤積物中營養(yǎng)元素含量的降低而減少，這說明淤積物中營養(yǎng)物質(zhì)的含量會(huì)對(duì)水生植物的生長產(chǎn)生一定影響。

2.3 綜合分析

結(jié)合不同采樣點(diǎn)的蘆葦和蒲草兩種水生植物的生長情況可以發(fā)現(xiàn)，采樣點(diǎn)中的N，P營養(yǎng)水平與水生植物的生物量存在某種聯(lián)系：通常淤積中營養(yǎng)元素含量較低的采樣點(diǎn)上所生長的水生植物，其生物量處于相對(duì)較低的水平；水生植物的生物量會(huì)隨著采樣點(diǎn)淤積物中TN，TP含量的增長而增長，直到達(dá)到某一個(gè)臨界值；之后隨著采樣點(diǎn)淤積物中TN，TP含量的增加，水生植物的生物量會(huì)呈降低趨勢(shì)，但仍高于那些淤積物中營養(yǎng)元素較少的采樣點(diǎn)。

在水生植物的生長過程中，將水生植物的生物量與淤積物中TN和TP含量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)在不同的生長時(shí)期，水生植物生物量與淤積物中營養(yǎng)元素含量有不同的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果見表3。

表3 淤積物中營養(yǎng)元素含量與水生植物生物量的相關(guān)系數(shù)

注：*表示水生植物的生物量與淤積物中營養(yǎng)含量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平(p<0.05)；**表示相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。

從表3中可以看出，在4月第一次取樣時(shí)，蘆葦和蒲草的生物量與淤積物中TP含量的相關(guān)性均為負(fù)顯著相關(guān)，且與淤積物中TN含量也呈負(fù)相關(guān)，這說明在生長初期過高的營養(yǎng)元素含量會(huì)抑制水生植物的發(fā)育。在5月，蒲草的生物量與淤積物中TP含量的相關(guān)性達(dá)到了顯著水平，而在7月和9月，蘆葦和蒲草的生物量均與淤積物中TN含量顯著相關(guān)，這說明當(dāng)水生植物處于成熟期時(shí)，較高的營養(yǎng)元素含量可以促進(jìn)水生植物的發(fā)育；同時(shí)期淤積物內(nèi)TP含量僅在9月與蒲草的生物量顯著相關(guān)，可見其對(duì)水生植物生長的促進(jìn)作用次于TN。而在10月，水生植物處于枯萎期，此時(shí)期內(nèi)淤積物內(nèi)營養(yǎng)元素含量對(duì)水生植物的生物量的影響相對(duì)較小?？傮w來看，較高的淤積物營養(yǎng)元素含量有利于水生植物的生長發(fā)育，特別是在成熟期，這種促進(jìn)現(xiàn)象最為明顯。但不論是蘆葦還是蒲草，淤積物中TN和TP含量最高的樣點(diǎn)(T3樣點(diǎn)和P1樣點(diǎn))，其生物量均不是5個(gè)樣點(diǎn)之最，故推測(cè)當(dāng)淤積物中營養(yǎng)元素含量超過某一臨界值時(shí)，反而會(huì)抑制水生植物的生長發(fā)育，目前國內(nèi)關(guān)于此臨界值的界定的文獻(xiàn)較少，還有待進(jìn)一步研究。

通常，處于同一相對(duì)密閉環(huán)境區(qū)域的淤積物中，其營養(yǎng)成分的組成、含量和來源都會(huì)比較接近，但由于水體處于流動(dòng)狀態(tài)，會(huì)與其他河流及外界條件產(chǎn)生交互，故不同的采樣點(diǎn)中淤積物的各營養(yǎng)元素含量會(huì)有較大區(qū)別，在某些湖泊和流域甚至差異會(huì)達(dá)到顯著程度[5]。由于水生植物在不同的生長階段都要從水體及淤積物中吸取大量的N，P等營養(yǎng)物質(zhì)從而滿足自身的生長需要，故生長在不同采樣點(diǎn)的水生植物，其長勢(shì)及生物量都會(huì)因此而產(chǎn)生差異[6]。當(dāng)蘆葦、蒲草等挺水植物處于生長初期時(shí)，周圍環(huán)境中過多的如N，P等營養(yǎng)元素會(huì)對(duì)水生植物的生長起到抑制作用，降低水生植物的生物量。這是因?yàn)楫?dāng)淤積物中的營養(yǎng)元素較高時(shí)，處于生長初期的水生植物幼苗中的丙二醛(MDA)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性會(huì)降低，從而對(duì)水生植物的發(fā)芽率、幼芽和幼根的生長起到抑制作用，降低水生植物的生物量[7]。隨著水生植物的進(jìn)一步生長，其對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的需求逐漸增加，淤積物中TN，TP含量不足會(huì)導(dǎo)致水生植物的發(fā)育遲緩，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能與光照及溫度有關(guān)。姜瑞芳等[8]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物處于遮蔭環(huán)境下生長時(shí)，其植株的生長和地徑生長都會(huì)受到不同程度的限制。當(dāng)植物所受到的光照足夠時(shí)，光能可以促進(jìn)植物部分細(xì)胞的分裂與增長，可以加快植株體各結(jié)構(gòu)器官的生長，從而加快植物生長發(fā)育的速度。楊梅嬌[9]通過對(duì)不同光照程度下油樟的生物量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，不同光照處理下的植物生長情況有較大差異，適宜的光照更適合植物生物量的累積，而當(dāng)光照不足時(shí)，植物的生物量增長會(huì)受到一定程度的限制。同時(shí)在植物生長過程中，光照和N元素還會(huì)形成交互作用，光照可以通過調(diào)控植株內(nèi)硝酸還原性酶的活性來控制植物對(duì)于N元素的吸收，在一定光照強(qiáng)度的范圍內(nèi)，光照越強(qiáng)，植物對(duì)N元素的吸收就越快，植物的生物量也越高[10]，這可能是蘆葦在成熟期的生物量與淤積物中N元素顯著相關(guān)的原因。目前有關(guān)溫度與水生植物生物量變化之間的關(guān)系，學(xué)術(shù)界還沒有得出完全統(tǒng)一的結(jié)論，但是在適宜溫度范圍內(nèi)，水生植物的生物量與溫度的增長呈正比這是不爭的事實(shí)，同時(shí)溫度的升高也會(huì)增加土壤(淤積物)中營養(yǎng)元素的供應(yīng)能力。王苗[11]將5種水生植物放在不同溫度條件下生長，對(duì)比發(fā)現(xiàn)在30℃以下時(shí)，水生植物的生長會(huì)受到溫度影響，溫度越高植物長勢(shì)越好。閆志強(qiáng)等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，溫度與水生植物的生長之間的關(guān)系達(dá)到了極顯著相關(guān)(p<0.01)的程度。在5—9月期間，日照時(shí)間延長，石佛寺人工濕地的水溫會(huì)逐漸升高至20℃以上，光照和溫度會(huì)共同調(diào)節(jié)蘆葦與蒲草的生長，同時(shí)影響淤積物中N，P等營養(yǎng)元素的釋放，淤積物中營養(yǎng)元素較高的采樣點(diǎn)所種植的水生植物生物量相對(duì)較大，而到了秋季以后，淤積物中營養(yǎng)物質(zhì)含量對(duì)水生植物生物量的影響不再明顯。

從本文的研究來看，不同營養(yǎng)特征的淤積物對(duì)于蘆葦和蒲草的發(fā)育情況確實(shí)有影響，隨著淤積物中營養(yǎng)元素含量的提高，水生植物的發(fā)育總體情況得到改善。而當(dāng)淤積物中營養(yǎng)元素進(jìn)一步增加，過高的營養(yǎng)元素會(huì)對(duì)植物的發(fā)育產(chǎn)生威脅。目前關(guān)于淤積物營養(yǎng)特征對(duì)水生植物不同階段生長發(fā)育影響的研究十分迫切，淤積物中過高的營養(yǎng)物質(zhì)含量可能對(duì)于濕地中水生植物的衰減負(fù)有較大責(zé)任。

3 結(jié) 論

石佛寺人工濕地內(nèi)不同采樣點(diǎn)淤積物的營養(yǎng)水平有所不同，淤積物中營養(yǎng)元素的含量會(huì)對(duì)水生植物的生長造成影響，淤積物中較高的營養(yǎng)水平會(huì)使水生植物的生物量增加。這種影響在水生植物的不同生長時(shí)期有所差異。當(dāng)水生植物處于生長初期時(shí)，N，P等營養(yǎng)元素會(huì)抑制水生植物的生長，這種抑制會(huì)隨著水生植物的進(jìn)一步發(fā)育逐漸變成促進(jìn)作用，尤其是當(dāng)水生植物進(jìn)入成熟期后，淤積物內(nèi)營養(yǎng)元素含量與水生植物的生物量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平(p<0.05)。之后水生植物進(jìn)入枯萎期，逐漸死亡，淤積物中營養(yǎng)水平對(duì)水生植物生長的作用不再明顯。淤積物中營養(yǎng)物質(zhì)含量對(duì)于不同水生植物的影響有所差異，從本文來看，蒲草的生物量與淤積物中營養(yǎng)元素含量的相關(guān)性更高。此外，光照、溫度、pH值和水體中溶解氧含量等因素均會(huì)對(duì)水生植物的生長產(chǎn)生影響。