不同水體營養(yǎng)鹽濃度下沉積物添加鑭改性膨潤土(Phoslock?)對輪葉黑藻(Hydrilla verticillata)生長的影響*

符亦舒，何 虎，何宏業(yè)，馬路生，蘇雅玲，劉正文,**

(1：暨南大學(xué)生態(tài)學(xué)系水生生物研究所，廣州 510632)(2:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)

沉水植物在淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中是主要的初級生產(chǎn)者，有利于維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，可以改善水質(zhì)，提高生物多樣性[1-2]. 輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)是淡水生態(tài)系統(tǒng)中常見的沉水植物，在農(nóng)田、池塘、溪流及湖泊等淡水水體中均有分布[3]. 輪葉黑藻具有生長速度快、對水質(zhì)改善好等特點(diǎn)，常被作為生態(tài)修復(fù)的先鋒物種應(yīng)用于湖泊修復(fù)工程[4]. 研究表明輪葉黑藻既可以從水中吸收營養(yǎng)鹽，也可以從沉積物中吸收營養(yǎng)鹽，因此其生長受水環(huán)境和沉積物環(huán)境的共同影響[5]，例如，郭俊秀等[6]研究表明，當(dāng)水體磷濃度低于0.2 mg/L時(shí)，輪葉黑藻的株高隨著水體磷濃度增加而增加. 趙強(qiáng)等[7]研究表明，水體磷濃度對輪葉黑藻的生長具有促進(jìn)作用，尤其在水體磷濃度0.047～0.188 mg/L的范圍內(nèi)，隨著磷濃度的增加，對輪葉黑藻的生長促進(jìn)作用越強(qiáng). 王立志等[8]研究發(fā)現(xiàn)輪葉黑藻在中營養(yǎng)鹽底質(zhì)(總氮(TN)=2.71104 mg/g；總磷(TP)=0.82985 mg/g；總有機(jī)碳(TOC)=27.93598 mg/g)條件下生長狀況明顯好于低營養(yǎng)底質(zhì)(TN=0.29332 mg/g; TP=0.35642 mg/g; TOC=1.24272 mg/g).

鑭改性膨潤土(又稱鎖磷劑，Phoslock?)是一種用于控制湖泊沉積物磷釋放的新型材料[9]. 其原理是，鑭改性膨潤土中的5%鑭離子與沉積物中的磷酸根結(jié)合，形成難溶的絮狀沉淀，即磷酸鑭(LaPO4)，從而改變沉積物中的磷形態(tài)，抑制沉積物磷向上覆水釋放[10]. 大量研究表明湖泊添加鎖磷劑之后，湖水中的磷濃度顯著下降[11-13]，同時(shí)沉積物中磷形態(tài)發(fā)生改變[9]，表現(xiàn)為生物可利用磷(如弱結(jié)合態(tài)磷及有機(jī)磷)向生物不可用磷(如鈣結(jié)合態(tài)磷)轉(zhuǎn)化[14-16]. 目前，鎖磷劑被廣泛應(yīng)用于歐洲溫帶湖泊[12]和我國熱帶亞熱帶淺水湖泊(如鄂州洋瀾湖、暨南大學(xué)南湖等)的生態(tài)修復(fù)工程中，取得了積極的效果[17].

鎖磷劑施用后對水體磷濃度和沉積物磷形態(tài)的改變，可能會(huì)進(jìn)一步影響生長在沉積物中的沉水植物，但目前還未見報(bào)道. 本研究通過中宇宙模擬實(shí)驗(yàn)，比較了不同水體營養(yǎng)鹽濃度條件下，沉積物中添加鎖磷劑對沉水植物輪葉黑藻生長的影響，研究結(jié)果將為湖泊修復(fù)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)于2019年6月在中國科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站東太湖分站(31°03′19″N，120°42′06 E)的2個(gè)實(shí)驗(yàn)水池內(nèi)進(jìn)行，該水池長3 m、寬3 m、水深2.7 m. 實(shí)驗(yàn)所用沉積物采自東太湖. 沉積物使用前經(jīng)孔徑為1 cm的篩網(wǎng)過濾去除掉螺、貝類，然后集中放入大桶內(nèi)反復(fù)攪拌，混勻備用. 實(shí)驗(yàn)用水來自東太湖站池塘，經(jīng)孔徑為230 μm的篩網(wǎng)過濾后注入到2個(gè)實(shí)驗(yàn)水池中. 實(shí)驗(yàn)所用鑭改性膨潤土(鎖磷劑)是由澳大利亞鎖磷劑環(huán)境技術(shù)有限公司生產(chǎn).

實(shí)驗(yàn)設(shè)置2個(gè)因素：上覆水磷濃度和沉積物添加鎖磷劑. 每個(gè)因素2個(gè)水平，共4種處理，每種處理5個(gè)重復(fù)，共20個(gè)實(shí)驗(yàn)單元. 每個(gè)實(shí)驗(yàn)單元所用的實(shí)驗(yàn)小桶直徑24 cm、高度27 cm. 首先，將充分混勻的沉積物分裝到20個(gè)實(shí)驗(yàn)小桶中. 其次，根據(jù)測定的沉積物磷形態(tài)背景值中可釋放磷形態(tài)(可釋放磷形態(tài)=弱結(jié)合態(tài)磷+鐵錳結(jié)合態(tài)磷+有機(jī)磷)的磷酸根含量計(jì)算鎖磷劑使用量[9]. 然后，隨機(jī)挑出10個(gè)實(shí)驗(yàn)小桶，投放鎖磷劑. 投放鎖磷劑時(shí)，將鎖磷劑與沉積物在小桶內(nèi)攪拌均勻，靜置沉淀. 隨后，待所有實(shí)驗(yàn)小桶沉積物沉淀好后，向每個(gè)實(shí)驗(yàn)小桶內(nèi)植入3株長勢一致(株高15 cm)的輪葉黑藻，每個(gè)小桶輪葉黑藻的初始生物量為4.688 g/m2，再將實(shí)驗(yàn)小桶懸掛在水池距水面1.2 m深處. 最后，向2個(gè)水池中分別添加不同濃度的營養(yǎng)鹽來構(gòu)建2種總磷(TP)濃度的上覆水，其中低濃度水池上覆水TP濃度為50 μg/L；高濃度水池上覆水TP濃度為150 μg/L.

1.2 測定指標(biāo)及方法

實(shí)驗(yàn)期間每7天采集1次水樣，采樣時(shí)分別在水池中選取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采集，混合均勻后裝入1.5 L的礦泉水瓶中，用以測定水體中的總氮(TN)和TP濃度. 我們根據(jù)TP濃度的平均值計(jì)算需要投入的營養(yǎng)鹽，用于維持2種上覆水的低營養(yǎng)鹽(TP=50 μg/L)和高營養(yǎng)鹽(TP=150 μg/L)狀態(tài). 每次采集水樣時(shí)間為12:00-13:00，采樣前先使用照度計(jì)(MQ-510)分別測定高營養(yǎng)鹽水池及低營養(yǎng)鹽水池距離水面0、0.2、0.4、0.6、0.8及1 m處光照強(qiáng)度，計(jì)算光的衰減系數(shù)，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Kd為光衰減系數(shù);z為深度;E(z)為z深度處的輻照度;E(0)為起始面輻照度[18]. TN濃度采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法測定，TP濃度采用鉬酸銨分光光度法進(jìn)行測定[19-20].

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，先采集沉積物樣品，測定磷形態(tài). 沉積物采樣利用直徑2 cm、長8 cm的圓管采集沉積物表層5 cm的沉積物柱，每個(gè)小桶采集3個(gè)不同位置的沉積物柱，混勻后放置冰箱內(nèi)保存. 沉積物樣品磷形態(tài)分析采用煅燒法測定[21-22]. 磷形態(tài)采用SMT連續(xù)提取法測定[23]，提取的磷形態(tài)包括弱結(jié)合態(tài)磷(NH4Cl-P)、鐵錳結(jié)合態(tài)磷(BD-P)、鋁結(jié)合態(tài)磷(Al-P)、鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)、有機(jī)磷(Org-P)以及殘?jiān)?Res-P). 根據(jù)文獻(xiàn)，鈣結(jié)合態(tài)磷以及殘?jiān)诪樯锊豢衫昧祝踅Y(jié)合態(tài)磷、鐵錳結(jié)合態(tài)磷、有機(jī)磷為生物可利用磷[24-26].

實(shí)驗(yàn)周期42天結(jié)束后，最后將輪葉黑藻從每個(gè)實(shí)驗(yàn)單元中取出，在水中洗凈根部底泥后，測量其株高及根長，再分別稱取整株、地上部分及地下部分鮮重. 輪葉黑藻相對生長率(relative growth rate,RGR)用以下公式計(jì)算：

(2)

式中，Wi和Wf分別為植物實(shí)驗(yàn)前、后的鮮重，D為實(shí)驗(yàn)天數(shù)[27]. 輪葉黑藻效應(yīng)量(ES)用以下公式計(jì)算[28]：

(3)

式中，X1和X2分別表示鎖磷劑組生物量和無鎖磷劑組生物量.

1.3 數(shù)據(jù)分析及處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，沉積物磷形態(tài)、輪葉黑藻生物量、相對生長率及地上部分、地下部分生物量、根冠比等使用雙因素方差分析(two-way ANOVA)進(jìn)行比較，分析水營養(yǎng)鹽濃度和鎖磷劑的主效應(yīng)和交互作用. 分析之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn)，如不滿足，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)g轉(zhuǎn)換. 所有統(tǒng)計(jì)工作在SPSS 23.0軟件中進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 水體光照變化

圖1 高營養(yǎng)鹽水體與低營養(yǎng)鹽水體光衰減系數(shù)變化

實(shí)驗(yàn)期間，低營養(yǎng)鹽水體光衰減系數(shù)(Kd)在0.097～0.200之間波動(dòng)，高營養(yǎng)鹽水體Kd在0.104～0.228之間波動(dòng). 高營養(yǎng)鹽水體的Kd略高于低營養(yǎng)鹽水體(圖1).

2.2 添加鑭改性膨潤土對沉積物理化性質(zhì)影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，在2個(gè)水體營養(yǎng)鹽濃度條件下，較于對照(無鎖磷劑)，添加鎖磷劑的沉積物生物可利用的鐵錳結(jié)合態(tài)磷(BD-P)、鋁結(jié)合態(tài)磷(Al-P)、有機(jī)磷(Org-P)含量都顯著降低(P<0.05). 相反，鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)含量則顯著升高(P<0.05). 弱結(jié)合態(tài)磷(NH4Cl-P)含量在低營養(yǎng)鹽水體中顯著降低(P<0.05)，在高營養(yǎng)鹽水體中則無顯著性變化. 殘?jiān)?Res-P)含量在2種營養(yǎng)鹽環(huán)境下均沒有顯著性變化(P>0.05). 水體營養(yǎng)鹽濃度對沉積物P形態(tài)影響不顯著(圖2).

圖2 鎖磷劑組和無鎖磷劑組沉積物磷形態(tài)含量(柱狀圖上方的字母不同表示每種磷形態(tài)在鎖磷劑組與無鎖磷劑組之間的差異顯著(P<0.05)

2.3 添加鑭改性膨潤土對輪葉黑藻生物量和相對生長率的影響

水體營養(yǎng)鹽濃度和鎖磷劑添加對輪葉黑藻生長的影響具有顯著的交互作用(P<0.05). 在低營養(yǎng)鹽水體中，無鎖磷劑組輪葉黑藻生物量及相對生長率達(dá)到了鎖磷劑組的2倍(P<0.05). 而在高營養(yǎng)鹽水體中，無鎖磷劑組生物量為2701.06 g/m2，略高于有鎖磷劑組生物量(1999.23 g/m2)，二者差異顯著(P<0.05). 無鎖磷劑組輪葉黑藻相對生長率為59.33 mg/(g·d)，顯著高于有鎖磷劑組輪葉黑藻相對生長率(48.34 mg/(g·d))(P<0.05)(圖3).

圖3 鎖磷劑組和無鎖磷劑組沉積物輪葉黑藻生物量與相對生長率(柱狀圖上方的字母不同表示不同處理組之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異顯著(P<0.05))

2.4 添加鑭改性膨潤土對輪葉黑藻形態(tài)特征的影響

在兩種營養(yǎng)鹽水平下，沉積物添加鎖磷劑均顯著促進(jìn)了輪葉黑藻地下部分的生長. 在低營養(yǎng)鹽水體中，鎖磷劑組地下部分生物量達(dá)到456.565 g/m2，而無鎖磷劑組地下部分生物量僅為82.091 g/m2，前者是后者的5倍(P<0.05)；在高營養(yǎng)鹽水體中，鎖磷劑組地下部分生物量是無鎖磷劑組地下部分生物量的兩倍(圖4). 相反，沉積物添加鎖磷劑對輪葉黑藻地上部分生長均有較明顯的抑制作用. 無論是高營養(yǎng)鹽濃度，還是低營養(yǎng)鹽濃度條件下，鎖磷劑組地上部分生物量均顯著低于無鎖磷劑組.

鎖磷劑添加顯著提高了輪葉黑藻的根冠比，在低營養(yǎng)鹽水體中，鎖磷劑組根冠比(0.285)是無鎖磷劑組(0.038)的7倍；而在高營養(yǎng)鹽水體中，鎖磷劑組根冠比(0.176)是無鎖磷劑組(0.091)的2倍.

圖4 鎖磷劑組和無鎖磷劑組輪葉黑藻地下部分生物量、地上部分生物量及根冠比(柱狀圖上方的字母不同表示不同處理組之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異顯著(P<0.05))

在低營養(yǎng)鹽水體中，鎖磷劑組輪葉黑藻株高顯著低于無鎖磷劑組(P<0.05)，在高營養(yǎng)鹽水體中，二者之間株高差異不顯著(P>0.05). 在2種不同營養(yǎng)鹽水平下，鎖磷劑組輪葉黑藻根長均顯著高于無鎖磷劑組(P<0.05)(圖5).

圖5 鎖磷劑組和無鎖磷劑組輪葉黑藻株高和根長(柱狀圖上方的字母不同表示不同組之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異顯著(P<0.05))

2.5 不同水體營養(yǎng)鹽狀態(tài)下，添加鑭改性膨潤土對輪葉黑藻生長影響效應(yīng)的比較

在低營養(yǎng)鹽水體中，沉積物添加鎖磷劑對輪葉黑藻的生長控制的平均效應(yīng)量為-0.9475，高營養(yǎng)鹽水體中的平均效應(yīng)量為-0.2520，二者差異顯著(P<0.05).

3 討論

沉積物是沉水植物生長的基質(zhì)，沉水植物可以通過根系從沉積物吸收磷等營養(yǎng)鹽用于其生長[29-30]. Verhofstad等[31]研究指出，沉水植物的生長往往隨著沉積物生物可利用磷含量的增加而增加, 大量模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明沉積物的養(yǎng)分與沉水植物的生長之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系[32-34]. 例如，謝貽發(fā)研究發(fā)現(xiàn)，相較于營養(yǎng)鹽較貧瘠的砂土和黏土，營養(yǎng)鹽較豐富的湖泥更有利于沉水植物苦草的生長，其生物量、分株數(shù)量等指標(biāo)均達(dá)到最高[35]. 鑭改性膨潤土是由95%的膨潤土和5%的稀土鑭組成的，膨潤土的主要成分為二氧化硅，具有較大的陽離子交換量，鑭離子可以較穩(wěn)定地存在膨潤土的結(jié)構(gòu)中，并且保持較強(qiáng)的磷酸鹽吸附能力[36]. pH值在5～9范圍內(nèi)，鑭離子與磷酸根可以按照1∶1的比例發(fā)生反應(yīng)，生成較穩(wěn)定的磷酸鑭沉淀，且不容易游離至水中[9]. 已有的研究表明，鑭改性膨潤土可以改變沉積物磷賦存形態(tài). Meis等研究表明，鑭改性膨潤土可以使沉積物表層鐵錳結(jié)合態(tài)磷轉(zhuǎn)換為較穩(wěn)定的鈣結(jié)合態(tài)磷[9]. Lin等研究表明，沉積物添加鑭改性膨潤土，使得沉積物中弱結(jié)合態(tài)磷、鐵錳結(jié)合態(tài)磷、鋁結(jié)合態(tài)磷及有機(jī)磷含量下降，而穩(wěn)定態(tài)的磷含量顯著上升[37]. 本研究發(fā)現(xiàn)在2種水體營養(yǎng)鹽濃度下，沉積物添加鎖磷劑之后其生物可利用磷(鐵錳結(jié)合態(tài)磷、有機(jī)磷及鋁結(jié)合態(tài)磷)含量均顯著降低；而生物不可用磷(如鈣結(jié)合態(tài)磷)含量顯著升高(圖1)；鎖磷劑施用后沉積物中可利用磷的減少可能是本研究中鎖磷劑組輪葉黑藻生物量和相對生長率均低于無鎖磷劑組的主要原因(圖3).

此外，本研究結(jié)果還表明，沉積物添加鎖磷劑會(huì)改變輪葉黑藻的形態(tài)，表現(xiàn)為地上部分指標(biāo)(如株高和地上部分生物量)降低，而地下部分指標(biāo)(如根長和地下部分生物量)增加，提高輪葉黑藻的根冠比(圖4). 以往的研究也發(fā)現(xiàn)沉水植物的形態(tài)往往會(huì)隨著環(huán)境條件的變化而變化，例如李啟升等[38]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)水深增加，光照降低時(shí)，苦草和穗花狐尾藻均表現(xiàn)出地上部分生物量(株高)增加，地下部分生物量(根長)減少的形態(tài)響應(yīng)，這種響應(yīng)有利于植物在光照不利條件下，最大化的獲取光照. 本研究中，鎖磷劑施用后由于沉積物可利用磷含量降低(圖2)，植物通過加大對于地下部分(如根系)的生物量分配(圖4)，有利于其獲取更多的營養(yǎng)鹽，維持種群生長. 類似的，董百麗等[39]也發(fā)現(xiàn)，苦草在沉積物添加鎖磷劑后有利于根系的生長，而對地上部分則表現(xiàn)為抑制作用.

本研究結(jié)果還表明，沉積物對輪葉黑藻生長的影響程度與水體營養(yǎng)鹽濃度有關(guān). 在低營養(yǎng)鹽濃度的水體中鎖磷劑對植物生長和形態(tài)的影響更加顯著，這可能與輪葉黑藻對營養(yǎng)鹽的吸收方式有關(guān). 研究表明輪葉黑藻可以從沉積物和水體中吸收營養(yǎng)鹽，取決于水體和沉積物中營養(yǎng)鹽的可得性. 唐雅麗等[40]研究發(fā)現(xiàn)，輪葉黑藻響應(yīng)水體營養(yǎng)鹽可得性升高時(shí)，生物量重新分配，根冠比均會(huì)降低，這樣能提高植物對營養(yǎng)鹽的吸收能力. 在低營養(yǎng)水體中，輪葉黑藻的生長主要更加依賴于沉積物中的可利用營養(yǎng)鹽，沉積物添加鎖磷劑后可利用磷含量降低，極大了影響了輪葉黑藻的生長. 然而，在高營養(yǎng)水體中，輪葉黑藻能夠直接從水體中獲取營養(yǎng)鹽，對于沉積物可利用磷的依賴相對較低，這可能是高營養(yǎng)水體中輪葉黑藻對鎖磷劑添加響應(yīng)較低的原因.

在實(shí)施富營養(yǎng)型湖泊生態(tài)修復(fù)時(shí)，添加鎖磷劑通常被用來控制磷的內(nèi)源負(fù)荷，提高水體透明度，然后通過種植沉水植物，可以快速實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的藻-草轉(zhuǎn)換，如鄂州洋瀾湖、暨南大學(xué)南湖[13,17]. 冠層型的輪葉黑藻繁殖速度快，對水體凈化能力強(qiáng). 然而在修復(fù)中后期，黑藻又往往會(huì)過度繁殖，形成冠層，影響湖泊的景觀和其他功能. 本研究發(fā)現(xiàn)，通過鎖磷劑的添加，降低沉積物中生物可利用磷含量，會(huì)抑制輪葉黑藻的生長，同時(shí)這種影響在水體營養(yǎng)鹽濃度降低后更加顯著. 因此，在生態(tài)修復(fù)中后期適當(dāng)多次投放鎖磷劑，抑制內(nèi)源釋放、改善水質(zhì)的同時(shí)，對于過度生長的輪葉黑藻具有一定的抑制作用，但在湖泊修復(fù)工程應(yīng)用之前還需要進(jìn)一步開展更長時(shí)間尺度和不同鎖磷劑添加量的研究.

4 結(jié)論

1)沉積物添加鎖磷劑改變了沉積物的磷形態(tài)，生物可利用磷含量顯著降低，而生物不可用磷含量升高.

2) 2種水體營養(yǎng)濃度下，沉積物添加鎖磷劑均顯著降低了輪葉黑藻的生物量和相對生長率，同時(shí)提高了輪葉黑藻的根冠比，在低營養(yǎng)鹽濃度條件下影響更大.