沉水植物與水相互作用的太赫茲光譜研究

李 曉 閻 萍＊

（1、深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版編輯部，廣東 深圳 518060 2、深圳新青春科技發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518001）

沉水植物是在湖泊生態(tài)環(huán)境中維持能量循環(huán)，凈化湖泊水質(zhì)的重要環(huán)節(jié)之一。沉水植物可以減少湖泊中氮、磷含量，去除浮游植物，在沉水植物含量較多的江河湖泊中通常水質(zhì)較好。同時(shí)，沉水植物還可以為部分藻類植物提供附著條件，為湖泊中的浮游動(dòng)物、各種魚類以及其他生物提供棲息地和部分食物。因此，沉水植物在保護(hù)生態(tài)環(huán)境中具有重要作用。太赫茲光譜是一種新型的相干探測技術(shù)，其測量靈敏度高，可以與紅外技術(shù)、拉曼技術(shù)等互相補(bǔ)充[1-2]。應(yīng)用太赫茲光譜技術(shù)，分析出材料在其波段下的物理信息和化學(xué)信息。因此，提出沉水植物與水相互作用的太赫茲光譜研究。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇沉水植物與水相互作用的實(shí)驗(yàn)儀器和試劑，主要儀器如表1 所示，主要試劑為硝酸鉀（KNO3） 和硝酸二氫鉀（KH2PO4）。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器示意表

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 選取太赫茲光譜成像參數(shù)

使用太赫茲光譜成像法，研究沉水植物與水相互作用，需要選取太赫茲光譜成像參數(shù)，用于測量水體內(nèi)各指標(biāo)含量和沉水植物的生物量、表面附著物以及葉綠素含量[3]。在一定頻率下，太赫茲光譜形成的正弦波疊加為其成像結(jié)果。對沉水植物和水體進(jìn)行函數(shù)變換，得到太赫茲光譜成像信息如公式（1）所示[4]。

其中，Δp 表示步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)距離；Δw 表示太赫茲光譜成像參數(shù)；s 表示真空光速。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程

研究沉水植物對水體水質(zhì)的作用，水體營養(yǎng)鹽對沉水植物的作用，兩組實(shí)驗(yàn)共同進(jìn)行[5]。共需要準(zhǔn)備9 組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，第一組在培養(yǎng)器中加入黑藻和正常水，第二組加入苦草和正常水，第三組不加入任何植物，每隔8h 進(jìn)行一次水體取樣并保存[6]。第四組、第五組和第六組加入黑藻和三種濃度營養(yǎng)鹽水體，每隔10h 進(jìn)行一次取樣并添加適量營養(yǎng)鹽。完成樣品保存后即可用太赫茲光譜成像法，研究沉水植物和水體水質(zhì)的相互作用[7]。首先取少量樣品過濾水體中懸浮物后進(jìn)行稱重，然后使用馬沸爐中和1h，待樣品冷卻后再次進(jìn)行稱重，對比前后重量即可測得各有機(jī)物的含量。

3 沉水植物對水體水質(zhì)的作用

3.1 沉水植物的生長影響水體內(nèi)氮含量

檢測沉水植物的正常生長對水體內(nèi)氮含量的影響，取不加入黑藻和苦草兩種沉水植物的水體作為對照組，測量加入黑藻和苦草以及對照組，十次取樣后的水體內(nèi)氮含量，檢測結(jié)果如表2 所示。

表2 黑藻、苦草和對照組水體氮含量示意表（mg·L-1）

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)可知，有沉水植物的培養(yǎng)器中含氮量明顯低于對照組。其中，黑藻培養(yǎng)器中含氮量第一次檢測為2.14mg·L-1，比對照組第一次檢測的4.52mg·L-1低2.38mg·L-1。隨著黑藻的生長，黑藻培養(yǎng)器中水體氮含量逐漸降低，檢測到第十次取樣的水體后含氮量為0.23mg·L-1?？嗖菖囵B(yǎng)器中含氮量第一次檢測為1.87mg·L-1，比對照組低2.65mg·L-1，隨著苦草的生長，水體中的含氮量也在逐漸降低，第十次取樣的水體含氮量為0.29mg·L-1。由此可見，隨著黑藻和苦草兩種沉水植物的生長，可以逐漸減少水體中的氮含量。

3.2 沉水植物的生長影響水體內(nèi)磷含量

檢測沉水植物的正常生長對水體內(nèi)磷含量的影響，保證其他條件相同，取上述3.1 中水樣檢測。十次取樣檢測后黑藻、苦草和對照組的水體中磷含量結(jié)果如表3 所示。

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)可知，有沉水植物黑藻、苦草生長的水樣和對照組水樣第一次取樣檢測出的磷含量分別為0.24mg·L-1、0.36mg·L-1、0.56mg·L-1，黑 藻 培 養(yǎng) 組 比 對 照 組 中 磷 含 量 低0.22mg·L-1，苦草培養(yǎng)組比對照組中磷含量低0.20mg·L-1。隨著沉水植物黑藻和苦草的生長，兩組水體含磷量都在降低，到第十次取樣的水體含磷量檢測，黑藻培養(yǎng)組為0.05mg·L-1，苦草為0.11mg·L-1。由此可見，沉水植物可以影響水體內(nèi)磷含量，并且黑藻比苦草處理水體內(nèi)磷的效率更高。

表3 黑藻、苦草和對照組水體磷含量示意表（mg·L-1）

3.3 沉水植物的生長影響水體內(nèi)懸浮物含量

檢測沉水植物的生長對水體內(nèi)懸浮物含量的影響，依次取3.1 中的水樣進(jìn)行檢測，十次取樣檢測后黑藻、苦草和對照組的水體中懸浮物含量結(jié)果如表4 所示。

表4 黑藻、苦草和對照組水體懸浮物含量示意表（mg·L-1）

根據(jù)表4 數(shù)據(jù)可知，黑藻培養(yǎng)器中懸浮物含量明顯較低，第一次取樣的水體中懸浮物的含量，黑藻培養(yǎng)器中為4.15mg·L-1，苦草培養(yǎng)器中為8.23mg·L-1，對照組為6.55mg·L-1，其中黑藻培養(yǎng)器中懸浮物含量最低，苦草培養(yǎng)器中最高。但隨著黑藻和苦草的生長，水體中的懸浮物逐漸在降低。第三次取樣后，苦草培養(yǎng)器中懸浮物含量開始低于對照組。直至第十次取樣，三組水體中懸浮物含量依次為0.54mg·L-1、2.01mg·L-1、2.08mg·L-1，黑藻培養(yǎng)器中懸浮物最少，苦草培養(yǎng)器中懸浮物含量雖比對照組少，但差距較小。由此可見，沉水植物的生產(chǎn)對水體內(nèi)懸浮物含量有影響，其中黑藻的影響較大，苦草的影響較小。

3.4 沉水植物的生長影響水體內(nèi)葉綠素含量

檢測沉水植物的正常生長對水體內(nèi)葉綠素含量的影響，保證其他條件相同，繼續(xù)取上述3.1 中水樣進(jìn)行檢測。十次取樣檢測后黑藻、苦草和對照組的水體中葉綠素含量結(jié)果如表5 所示。

根據(jù)表5 數(shù)據(jù)可知，在黑藻生長的培養(yǎng)器中水體中葉綠素的含量最低，對比較為明顯。第一次取樣的水體中黑藻培養(yǎng)組葉綠素含量為15.34mg·L-1，苦草培養(yǎng)組為65.48mg·L-1，對照組葉綠素含量最高為89.04mg·L-1。隨著沉水植物黑藻和苦草的生長，水體內(nèi)葉綠素含量在不斷降低，第十次取樣水體中葉綠素含量分別為2.52mg·L-1、11.75mg·L-1以及15.46mg·L-1。由此可見，沉水植物的生長可以影響水體內(nèi)葉綠素含量，其中黑藻的生長可以降低水體內(nèi)葉綠素的含量，且效用較大，效果明顯，苦草的生長雖可以降低水體內(nèi)葉綠素含量，但效果不顯著。

表5 黑藻、苦草和對照組水體葉綠素含量示意表（mg·L-1）

4 沉水植物生物量的影響

4.1 水體營養(yǎng)鹽對沉水植物生物量的影響

檢測水體營養(yǎng)鹽對沉水植物生物量的影響，選取黑藻和苦草兩種沉水植物并加入低、中、高三種不同濃度的營養(yǎng)鹽作為黑藻組和苦草組，分別對比不同濃度的營養(yǎng)鹽水體下，沉水植物的總生物量。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，每組進(jìn)行5 次檢測，表6為三種濃度下黑藻和苦草的總生物量檢測結(jié)果。

表6 不同濃度營養(yǎng)鹽水體下黑藻、苦草總生物量檢測表（g）

根據(jù)表6 數(shù)據(jù)可知，在低濃度營養(yǎng)鹽水體下苦草的總生物量最高，平均為19.932g，其次是中濃度營養(yǎng)鹽水體，平均總生物量為14.732g，最后為高濃度營養(yǎng)鹽水體下，苦草總生物量最低，平均為8.098g；在中濃度營養(yǎng)鹽水體下黑藻的總生物量最高，平均為26.134g，其次為低濃度營養(yǎng)鹽水體，平均為15.744g，在高濃度營養(yǎng)鹽水體下黑藻的總生物量最低，平均為7.392g。由此可見，苦草的總生物量隨著營養(yǎng)鹽濃度增高而降低，而黑藻的總生物量在高濃度營養(yǎng)鹽下會(huì)得到抑制。

4.2 太赫茲健康水儀對沉水植物生物量的影響

檢測太赫茲健康水儀對沉水植物生物量的影響過程中，為保證實(shí)驗(yàn)的一致性，設(shè)置為同一水體和同一營養(yǎng)鹽濃度，對比使用太赫茲健康水儀處理水體前后黑藻和苦草兩種沉水植物的總生物量。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，每組進(jìn)行5 次檢測，表7 為使用太赫茲健康水儀處理水體前后黑藻和苦草的總生物量檢測結(jié)果。

表7 黑藻、苦草總生物量檢測表（g）

分析表7 數(shù)據(jù)可知，使用太赫茲健康水儀處理水體后的黑藻和苦草的總生物量均有一定程度的升高。其主要原因是使用太赫茲健康水儀處理后的水體中，為沉水植物生物提供了更優(yōu)質(zhì)的水體環(huán)境和營養(yǎng)條件，促進(jìn)其更好的生長。

5 結(jié)論

通過完整的實(shí)驗(yàn)，基于太赫茲光譜成像法研究沉水植物與水相互作用。隨著沉水植物的生長，可以凈化水體內(nèi)氮、磷含量，一定程度上去除水體懸浮物，減少水體中葉綠素含量。本文從沉水植物和水體的兩個(gè)角度出發(fā)，研究兩者的相互作用，但在水體對沉水植物的影響上，沒有考慮到沉水植物生長形態(tài)的變化，下一步將以沉水植物的形態(tài)變化為變量進(jìn)行研究，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)結(jié)論。