劉利華， 郭雪艷， 達(dá)良俊，2， 李靜文

（1.華東師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)系，上海 200062；2.華東師范大學(xué) 上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

0 引 言

水體富營養(yǎng)化治理不僅是一個全球性難題，也是我國面臨的嚴(yán)峻問題.據(jù)國家環(huán)?？偩纸y(tǒng)計(jì)，至2010年，全國26個國控重點(diǎn)湖泊（水庫）中，有11個處在富營養(yǎng)化狀態(tài)，主要污染來源為氮和磷.富營養(yǎng)化水體的修復(fù)已成為我國環(huán)境污染治理焦點(diǎn).目前，有關(guān)富營養(yǎng)修復(fù)的方法較多，如化學(xué)、物理等方法，但多數(shù)耗資較大，易造成環(huán)境的二次污染.而選擇水體的生態(tài)治理，即應(yīng)用水生植物去除氮磷相對成本低廉，且修復(fù)效果顯著，同時又能增加水體的生態(tài)服務(wù)效益［1－4］.然而，地域迥異造成各地的營養(yǎng)化來源和適宜治理種類品系的差異.有關(guān)治理水體的植物較多，從經(jīng)濟(jì)作物水稻［5］、黑麥草和水芹［6］、香根草［7］發(fā)展到美人蕉［8］、菖蒲和鳶尾［9］等景觀植物.除上述挺水植物外，苦草、菹草和金魚藻等沉水植物也作為水下森林的主要構(gòu)筑材料［10，11］，被用于水體修復(fù)，效果均十分顯著.但在選擇水生植物修復(fù)時需要謹(jǐn)慎，以防止鳳眼蓮等生物入侵現(xiàn)象的再次出現(xiàn)［12］.運(yùn)用蘆葦?shù)葹榇淼泥l(xiāng)土植物，可避免入侵現(xiàn)象，已成為新的趨勢.

前人研究多針對同一水體或者同一富營養(yǎng)水平條件下的植物修復(fù)效果；對不同富營養(yǎng)化水平下，植物耐受的富營養(yǎng)化水體濃度，以及去除效果研究不多.本研究選擇千屈菜、野茭白和花葉蘆竹3種上海市鄉(xiāng)土挺水水生植物為研究對象，通過跟蹤記錄不同富營養(yǎng)化水平下植物的生物量變化，分析不同富營養(yǎng)化水體下器官間的氮磷含量分布.比對分析，選擇最為合適的水生植物作為去除富營養(yǎng)化水體的備選材料.可為城市水體修復(fù)的植物篩選提供理論依據(jù)，并進(jìn)一步為城市水體綠化建設(shè)提供一定的指導(dǎo)和建議.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

千屈菜（Lythrum salicaria） 千屈菜科千屈菜屬，喜溫暖和光照充足，通風(fēng)好的環(huán)境，喜水濕，我國南北各地均有生，多生長在沼澤地、水旁濕地和河邊、溝邊.

花葉蘆竹（Arundo donax） 禾本科蘆竹屬，通常生于河旁、池沼、湖邊，常大片生長形成蘆葦蕩.喜溫喜光，耐濕較耐寒，國內(nèi)已廣泛種植.

野茭白（Zizania latifolia） 禾本科菰屬，原產(chǎn)自我國和東南亞，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，生物量大，易于無土栽培，國內(nèi)分布廣泛.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用浮板栽培方式，用方形整理箱為容器，整理箱的規(guī)格為70 cm×20 cm×25 cm.在泡沫板均勻打9個孔.將事先挑選好的長勢相同的植株，插入孔中并用海棉填充加以固定，植株初始生物量均約為5 g.根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002），將實(shí)驗(yàn)水體設(shè)置5種濃度梯度（見表1），植物所需其余元素濃度采用Hoagland營養(yǎng)液配方（見表2）.調(diào)整PH值到同一水平，每種處理進(jìn)行3次重復(fù)，即進(jìn)行3次平行樣實(shí)驗(yàn)，并設(shè)置空白對照（即桶內(nèi)水面上只放泡沫板，不種植物）每月采集植物樣品，分離根、莖葉，分別稱量鮮重，105℃殺青處理后75℃烘干至恒重，稱量干重，磨碎、過篩、硝解，用流動分析儀（SKALAR）測定氮磷含量.植物各器官的總氮、總磷測量結(jié)果代表其對氮磷元素的吸收能力，以間接反應(yīng)植物從水體中吸收氮磷的能力.

實(shí)驗(yàn)期間，方型整理箱培養(yǎng)植物放置盡量保證植物處于相同的溫度、光照條件下，考慮到蒸發(fā)以及植物的蒸騰作用，每星期加入一次蒸餾水，保證水總量不變，實(shí)驗(yàn)時間為2011年5月～11月.

表1 實(shí)驗(yàn)水體氮磷濃度梯度設(shè)置Tab.1 Water experiment of nitrogen and phosphorus concentration gradient settings

表2 營養(yǎng)元素濃度表（除N，P外）Tab.2 Nutrition elements concentration table（except N，P） mg·L－1

1.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用EXCEL2003進(jìn)行圖表制作，在SPSS 17.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行差異性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同富營養(yǎng)化水平下根和莖葉的生物量變化

隨著植物的生長，試驗(yàn)期間3種植物的根生物量均穩(wěn)定增加，具有不同的生長最適濃度，對富營養(yǎng)化的耐受性也存在差異（見圖1）.同期的千屈菜（最大值為28.2 g／株）和花葉蘆竹（最大值27.8 g／株）生物量相差不大，但兩者均比野茭白（最大生物量為18 g／株）的同期生物量要大.

從A濃度到D濃度，千屈菜的生物量隨濃度的升高而增加，至重—中度富營養(yǎng)即D濃度時達(dá)到最大；后又在E濃度時生物量呈現(xiàn)減小趨勢.表明重富營養(yǎng)對千屈菜生長具有一定的抑制作用；花葉蘆竹的生長最適的濃度也為D濃度，而在E濃度中仍保持較高的生物量積累，表明花葉蘆竹對富營養(yǎng)化水體相對于千屈菜具有更強(qiáng)的耐受性.與前者不同，野茭白的生長最適濃度為輕—中度富營養(yǎng)的C濃度，其他生物量依次為D濃度＞B濃度＞A濃度＞E濃度.

在這5種梯度的水體中，千屈菜、花葉蘆竹和野茭白植株莖葉的生物量與根在實(shí)驗(yàn)期間無頂峰期不同，呈現(xiàn)出先增大后減少的相似性趨勢，存在明顯的峰值（見圖2）.千屈菜和花葉蘆竹出現(xiàn)在10月，最大值分別為40.5 g／株和42.6 g／株，野茭白最大生物量在9月，最大值為28.6 g／株.

圖1 不同富營養(yǎng)水平下植物根的生物量變化Fig.1 The changes of plant root biomass in different eutrophical waters

圖2 不同富營養(yǎng)水平下莖葉的生物量變化Fig.2 The changes of plant stem－leaf biomass in different eutrophication waters

與根的生物量變化趨勢相似（見圖1），千屈菜和花葉蘆竹在D濃度中莖葉生物量最大，從A濃度到D濃度，隨富營養(yǎng)化水平的提高，生物量也隨之增大，在E濃度水平條件下，生物量呈現(xiàn)急劇減少的趨勢.野茭白生物量最大值仍出現(xiàn)在C濃度，其它依次為D濃度＞B濃度＞A濃度＞E濃度，其最適合的濃度水平最低.

2.2 不同富營養(yǎng)化水平下植物總氮磷含量

在5種梯度水體中，通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谄叫袑?shí)驗(yàn)的中植物體中總氮總磷平均含量（見表3），3種實(shí)驗(yàn)植物的總氮磷含量變化相似，均表現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢.花葉蘆竹和千屈菜的總氮磷含量從A濃度至D濃度隨濃度的提高而增加；最大含量都出現(xiàn)在D濃度，此時花葉蘆竹的植株的氮含量平均達(dá)32.18 mg／g、磷含量達(dá)到6.16 mg／g，千屈菜植株的氮含量和磷含量分別為29.98 mg／g和5.94 mg／g；在E濃度時減少.與前兩者不同，野茭白總氮磷含量最大值都出現(xiàn)在C濃度，植株的總氮總磷含量分別達(dá)到25.12 mg／g和4.94 mg／g.同時，從表3也可看出，不同種類及同種的不同器官間其氮磷含量存在差異性，同濃度水平下氮磷含量大小依次為花葉蘆竹＞千屈菜＞野茭白，3種植物莖葉氮磷含量均大于根.

3 討 論

3.1 不同富營養(yǎng)化水平對植物生長的影響

植物的生物量是表征不同富營養(yǎng)化水體對植物生長影響的最優(yōu)指標(biāo).隨著氮磷水培濃度的升高，植物的生物量先增加后降低，表明富營養(yǎng)化梯度起著先促進(jìn)后抑制的作用.花葉蘆竹和千屈菜在D濃度（重—中富營養(yǎng)化水平）下生物量和氮磷含量達(dá)到最大值，而在E濃度，植物的生物量，氮磷含量均呈下降趨勢.對于野茭白，它的最大值出現(xiàn)在C濃度（輕—中度富營養(yǎng)水平），植株的生物量在D濃度和E濃度水平下，隨著富營養(yǎng)化水平的加重，植物出現(xiàn)生長抑制，表明花葉蘆竹和千屈菜對富營養(yǎng)化水體的耐受程度比野茭白要高.更適合在污染重的水體中種植.且3種植物均存在最適合的濃度，超過最合適的濃度后，植株生物量和生長便受到抑制.這和瀟源等的研究結(jié)果類似［11，13］.葛瑩等認(rèn)為，在輕度富營養(yǎng)水平下，氮磷是水生植物生長的限制因子，在一定范圍內(nèi)增加氮磷濃度可以促進(jìn)植物的生長，表現(xiàn)為生物量增加，但在重度富營養(yǎng)化的水體中，礦質(zhì)元素取代氮磷成為了限制因子，因而限制了生物量的進(jìn)一步增加［14］.同時，過高濃度氮磷會脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)過氧化物酶活性下降，抑制植物生長，最終導(dǎo)致植物死亡.但這種脅迫及限制在種間存在差異，如野茭白在D濃度水平下就出現(xiàn)生長抑制，而花葉蘆竹和千屈菜在E濃度水平下才出現(xiàn)生長抑制.

表3 不同富營養(yǎng)化水體中根與莖葉總氮總磷含量Tab.3 The total nitrogen phosphorus contents of root and stem－leaf in different eutrophication waters

3.2 不同生活型水生植物氮磷吸收能力比較與植物優(yōu)選

水生植物具有顯著的氮磷吸收作用，治理水污染效果明顯，但在植物種間存在明顯差異.通過歸納總結(jié)已有相關(guān)研究成果，并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，以單位干物質(zhì)氮磷的含有量比較不同生活型間的物種對氮磷吸收能力，以期優(yōu)選出最為高效的水生植物（見表4）.

表4 不同生活型水生植物氮磷含量［15－18］Tab.4 The nitrogen and phosphorus content in different life form aquatic plants

從生活型總體來看，浮水植物的單位干物質(zhì)氮磷含量優(yōu)于沉水植物和挺水植物.分析原因可能與氮磷的獲取以及吸收動力有關(guān)，氮磷的吸收主要源自水中，而浮水植物和沉水植物在水中的面積較挺水植物大，吸收的面積也大很多，吸收氮磷的過程是主動吸收，需要能量；其次浮水植物浮在水面，光合作用效率比在水下的沉水植物要大，因而浮水植物最大氮磷含量要比沉水植物最大的含量要高，另研究也表明，浮水植物鳳眼蓮比沉水植物伊樂藻具有較高的吸收速率，適合作為先鋒植物對水體進(jìn)行前期的治理修復(fù)［19，20］.

對于浮水植物，例如浮萍單位面積生物量較小，有研究表明，在21 cm×31 cm的浮萍培養(yǎng)箱中，種植滿浮萍鮮重10 g，但是如果種植鳶尾，平均鮮重高達(dá)132 g，比浮萍要大很多.通過計(jì)算，單位水體面積內(nèi)，鳶尾同化吸收的氮磷總量比浮萍要大.因而在選擇植物時不僅要考慮單位含量，還應(yīng)考慮單位水域面積生物量大的水生植物［18］.

對于沉水植物，馬凱的研究表明，4種沉水植物均能吸收水中的磷，降低水中的磷含量.但金魚藻，微齒眼子菜和苦草，對水中總氮含量無顯著影響，僅能調(diào)控氮元素在各態(tài)化合物之間的循環(huán)，而無法利用水環(huán)境中的無機(jī)氮；穗花狐尾藻甚至可以明顯提高水中的總氮水平［21］.此外，沉水植物生長在水下，移除出水體難度較大，且容易攪動水體，導(dǎo)致水體底泥中營養(yǎng)鹽的釋放，造成二次污染.沉水植物可以維持水體穩(wěn)態(tài)，在后期應(yīng)用較多.

綜上所述，高大挺水植物因?yàn)閱挝凰蛎娣e生物量大，故積累的氮磷量較大；且在水面生長，管護(hù)較為容易，移除出水體成本低，所以高大挺水植物將是較為合理的選擇之一.本研究結(jié)果證明，花葉蘆竹可被認(rèn)為是上海地區(qū)治理富營養(yǎng)化水體的優(yōu)選植物材料之一.而針對具體實(shí)踐，研究表明，多種植物形成上中下垂直水中森林比單種更能有效處理水體富營養(yǎng)化的問題［22］.

4 結(jié) 論

（1）不同植物最適濃度不同，花葉蘆竹和千屈菜最適濃度在重－中度富營養(yǎng)化水平，而野茭白在輕—中度富營養(yǎng).超過植物的最適濃度，植物的生長均受到抑制.因此，針對不同的富營養(yǎng)化水體，以植物的最適濃度作為參考，選擇合適的植物治理水體.本研究表明，花葉蘆竹和千屈菜比野茭白更耐污，花葉蘆竹效果最好.

（2）花葉蘆竹和千屈菜最大生物量出現(xiàn)在10月份，野茭白最大生物量出現(xiàn)在9月.因此，通過不同生長期的植物進(jìn)行搭配，保持水體的氮磷吸收的延續(xù)性，在達(dá)到最大生物量后及時清除衰亡的植株，可以達(dá)到最好的凈化效果.

（3）通過比對分析前人的研究成果，發(fā)現(xiàn)浮水植物體內(nèi)氮磷含量最大，其次是沉水植物，最后是挺水植物.浮水植物吸收效率高，一般作為先鋒物種，對水體進(jìn)行前期的修復(fù).高大挺水植物生長在水面，光照充足，生物量大，吸收氮磷量大，可以用來治理富營養(yǎng)化水體.沉水植物可以維持水體穩(wěn)態(tài)，在后期應(yīng)用較多.本研究中，花葉蘆竹是最為理想的植物.

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