不同基質(zhì)對沉水植物苦草生長的影響研究進展

張國慶，晏再生，吳慧芳，董祎波

(1.南京工業(yè)大學(xué)城建學(xué)院 江蘇省工業(yè)節(jié)水減排重點實驗室，江蘇 南京 211816； 2.中國科學(xué)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)

沉水植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，其在水質(zhì)凈化、水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)與功能轉(zhuǎn)換、水生態(tài)系統(tǒng)的健康維持等方面發(fā)揮著重要作用[1-4]。近年來，隨著水體富營養(yǎng)化程度的加劇，水生植物尤其是沉水植物出現(xiàn)衰退甚至消亡的現(xiàn)象[5-6]。因此，沉水植物恢復(fù)在富營養(yǎng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)重建過程中具有十分重要的生態(tài)意義。

苦草(Vallisnerianatans)隸屬于沉水植物的水鱉科[7]，是多年生沉水草本植物，分布廣泛。研究表明，苦草可以有效去除污染水體中氮(N)、磷(P)營養(yǎng)鹽[8-9]、重金屬[10]，且對沉積物中有機污染物具有較好的修復(fù)性能[11-14]。同時，苦草也可以作為水體受污染程度的指示物種，對水環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測[15-16]?？嗖菀彩堑湫偷馁橘肭o克隆植物，對環(huán)境有一定的耐受性，苦草的生物結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件大小會隨著環(huán)境因子的變化而變化，從而更好地適應(yīng)環(huán)境，維持其正常生長[17]。因此，苦草常用于恢復(fù)重建富營養(yǎng)化水體中沉水植物[18]。

然而，苦草的生長受光照條件[19-20]、溫度[21-22]、水深[23]、溶解氧[24]、基質(zhì)類型[1-2,25]等因素的影響。其中，湖庫等水體基質(zhì)類型和特性是影響水體生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建的重要因素，也是沉水植物生長發(fā)育與穩(wěn)定建群的基本條件[26-27]。因此，選擇環(huán)境友好、經(jīng)濟適用的材料對湖庫等水體基質(zhì)進行改良，以促進沉水植物生長，對富營養(yǎng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)顯得至關(guān)重要[28-29]。

作者綜述湖庫水體基質(zhì)、湖庫底泥與不同底質(zhì)改良劑對苦草生長及生理特性的影響，為選擇最佳底質(zhì)改良劑在原位生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 湖庫水體基質(zhì)對苦草生長的影響

基質(zhì)是苦草生長的必要條件，基質(zhì)的存在對苦草根部結(jié)構(gòu)有著良好的固持作用，同時基質(zhì)中也含有苦草生長所需要的營養(yǎng)元素。

1.1 基質(zhì)的營養(yǎng)元素

基質(zhì)影響苦草生長的主要因素是營養(yǎng)鹽(N、P)和有機質(zhì)含量，苦草在生長發(fā)育過程中，N、P元素都是不可或缺的。與P元素相比，N元素的來源與轉(zhuǎn)化相對較為復(fù)雜?？嗖萆L需要合適的營養(yǎng)鹽環(huán)境，過高或過低的營養(yǎng)鹽環(huán)境都不利于苦草的生長[30-32]。

有機質(zhì)是指基質(zhì)中所有的含碳有機物，有機質(zhì)的成分相對較為復(fù)雜，部分成分含量即使很低也會對苦草的生長帶來影響[33]。有機質(zhì)在礦化過程中可以釋放N、P等元素，從而一定程度上又可以促進苦草的生長，但是有機質(zhì)含量過高會導(dǎo)致基質(zhì)中厭氧環(huán)境更加嚴重[34]，不利于苦草生長。

1.2 苦草的生長、生理指標變化

生長指標可以直觀反映植物生長狀況，而生理指標更多與植物內(nèi)部細胞活性有關(guān)?？嗖莸纳L指標主要是株高、葉長、根長、生物量等[35]；生理指標則包括葉綠素含量、根系活力、丙二醛(MDA)含量及超氧化物歧化酶(SOD)活力、過氧化物歧化酶(POD)活力等[36]。

苦草在湖庫水體不同基質(zhì)中的生長及生理指標見表1。

從表1可以看出，湖庫底泥的N、P元素以及有機質(zhì)含量高于岸邊土壤和沙石，苦草在湖庫底泥基質(zhì)中的生長情況要優(yōu)于在其它基質(zhì)中的，苦草的生物量及株高等指標都要優(yōu)于在其它基質(zhì)中的[2,36]，葉綠素含量也顯著高于在其它基質(zhì)中的[40]。與之相應(yīng)的，苦草的SOD、POD及MDA等指標在湖庫底泥基質(zhì)中受到的脅迫最小[33]。

何文凱等[1]將洱海底泥與湖岸土壤按不同比例混合，發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)條件最好的淺層底泥組的苦草生長并不是最好，反而深層底泥與湖岸土壤混合組的苦草生長最好。王旭等[41]研究發(fā)現(xiàn)，苦草在湖岸粘土中的生長情況要優(yōu)于在湖底淤泥中的。Lin等[42]發(fā)現(xiàn)，在低營養(yǎng)環(huán)境下，苦草的生物量、株高、葉長等生長指標偏低，生理指標也顯示其生長受到明顯的脅迫。其原因可能是環(huán)境中的營養(yǎng)水平較低，迫使苦草植株要分配更多的生物量在根部，造成地下與地上生物量比值偏高[43]。Xie等[37]發(fā)現(xiàn)，在低營養(yǎng)環(huán)境下，苦草根部結(jié)構(gòu)變化也十分明顯，根變得更加纖細，而營養(yǎng)環(huán)境往往是非均質(zhì)的，這又導(dǎo)致了苦草根長的增加[44]。而王永平等[35]、張雨等[3]研究發(fā)現(xiàn)，苦草在高營養(yǎng)基質(zhì)中的生長同樣受到了抑制，不僅生長指標不如在中等營養(yǎng)基質(zhì)中的，葉片細胞、匍匐莖結(jié)構(gòu)也受到環(huán)境的脅迫，根組織結(jié)構(gòu)也變得短小[45]。由此可見，基質(zhì)的營養(yǎng)條件并不是越高越好，中等營養(yǎng)條件更適合苦草的生長。

2 湖庫底泥與不同底質(zhì)改良劑混合對苦草生長的影響

目前我國的淡水湖泊富營養(yǎng)化情況比較嚴重，導(dǎo)致在有些水體里苦草的生長狀況并不是很好，從而無法對水體生態(tài)環(huán)境起到修復(fù)作用?？蒲泄ぷ髡邍L試在底泥中添加底質(zhì)改良劑來改變苦草的生長環(huán)境，從而促進苦草的生長。常見的底質(zhì)改良劑有：生物炭、各類碎石、礦石及復(fù)合物質(zhì)。

2.1 生物炭

生物炭是各類生物質(zhì)在高溫條件下熱解或者不完全燃燒得到的富含C元素的物質(zhì)。生物炭材料因其較大的比表面積及孔隙率而被廣泛應(yīng)用于污染物處理[46]。

常見的生物炭材料有稻殼、秸稈、蘆葦、花生殼、竹子等，不同材料制備的生物炭的C含量也存在差異。已有的研究(表2)表明，添加10～33 mg·g-1的生物炭對苦草的生長有促進作用。Li等[49]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以有效促進苦草的生長，且10 mg·g-1與30 mg·g-1生物炭組苦草的生長速率無顯著差異。Chi等[48]研究發(fā)現(xiàn)，添加3%(以底泥干重計)生物炭就會抑制苦草的根部生長，且隨著熱解溫度的升高抑制作用越明顯。謝再興等[50]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭最佳添加量為33 mg·g-1，苦草的根長、葉長明顯增加，生物量與初始相比增加了142%。張瑄文等[47]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以降低水中硝態(tài)氮的含量，小粒徑(0.25～0.50 mm)生物炭有助于苦草種子的萌發(fā)，萌發(fā)率達到80%以上。

表2生物炭對苦草生長的影響

此外，生物炭可以吸附底泥中的營養(yǎng)鹽、重金屬以及有機物[51]，從而在一定程度上降低底泥的營養(yǎng)水平，這對苦草的生長有著促進作用，但是隨著生物炭添加量的增加，生物炭中富集的營養(yǎng)鹽、重金屬、有機質(zhì)又會對苦草的根部生長產(chǎn)生抑制作用[48-50]。

2.2 各類碎石、礦石及復(fù)合物質(zhì)

碎石、礦石自身基本不含營養(yǎng)鹽及有機質(zhì)成分，與底泥混合后不僅可以降低底泥的營養(yǎng)水平，還可以改善底泥松軟的結(jié)構(gòu)，更有利于植物根系的生長(表3)。錢珍余等[52]研究發(fā)現(xiàn)，5 cm厚的磨石不僅可以提高苦草的生物量，還可以有效去除水體中的氨氮及TP。天然礦石往往含有微量元素，其對植物的生長也有著促進作用，麥飯石是一種硅酸鹽礦物，含有Fe、Al等元素，有助于基質(zhì)中P元素的去除。駱鳳等[53]研究發(fā)現(xiàn)，1 cm厚的麥飯石可以提高苦草的葉綠素及可溶性蛋白質(zhì)的含量，對麥飯石進行硫酸改性后，這種促進作用得到了進一步增強。復(fù)合物質(zhì)，如鎖磷劑是改性粘土和稀土鑭混合而成的物質(zhì)，可以對環(huán)境基質(zhì)中的P元素進行有效的固定。董百麗等[54]研究發(fā)現(xiàn)，鎖磷劑的存在一定程度上促進了苦草根部的生長，但是同時會影響苦草地上組織的生長?？傊诤斓啄嘀刑砑舆m量的碎石、礦石可以促進苦草的生長，添加復(fù)合物質(zhì)如鎖磷劑也有一定效果，但整體效果不及碎石、礦石。

表3 各類碎石、礦石及復(fù)合物質(zhì)對苦草生長的影響

3 總結(jié)

綜上所述，沉水植物苦草雖然在不同基質(zhì)中均可生長，但是過高或過低的營養(yǎng)環(huán)境都會對苦草的生長產(chǎn)生抑制作用。在湖庫底泥中添加適量的生物炭、碎石、礦石以及復(fù)合物質(zhì)等可以促進苦草的生長。生物炭材料可以改善苦草的生長環(huán)境，但是生物炭含量過高同樣會對苦草的根組織產(chǎn)生負面影響。適量的碎石、礦石可以改變基質(zhì)松軟的結(jié)構(gòu)，從而更有效地對苦草的根部進行固著，其中礦石還可以為苦草生長提供一些微量元素，但是如果碎石、礦石含量過高，會讓基質(zhì)原本充足的營養(yǎng)環(huán)境變得相對貧瘠，苦草的生長也就沒有足夠的營養(yǎng)供給。關(guān)于復(fù)合物質(zhì)的研究相對較少，復(fù)合物質(zhì)鎖磷劑是通過固定環(huán)境基質(zhì)中的P元素給苦草根部提供一個比較合適的生長環(huán)境，但是同時它也會對苦草的地上組織生長產(chǎn)生一定的抑制作用。目前這些基質(zhì)改良方法有的還處于室內(nèi)研究階段，但在實際應(yīng)用中其長期生態(tài)效應(yīng)需要進一步謹慎評估。因此，探討不同基質(zhì)類型對苦草生長的影響，為選擇最佳底質(zhì)改良劑在原位生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了技術(shù)參考與理論依據(jù)。