張國慶，晏再生，吳慧芳，董祎波

(1.南京工業(yè)大學城建學院 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)中重要的初級生產者，其在水質凈化、水生態(tài)系統(tǒng)結構恢復與功能轉換、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，苦草的生物結構以及構件大小會隨著環(huán)境因子的變化而變化，從而更好地適應環(huán)境，維持其正常生長[17]。因此，苦草常用于恢復重建富營養(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]、基質類型[1-2,25]等因素的影響。其中，湖庫等水體基質類型和特性是影響水體生態(tài)系統(tǒng)恢復重建的重要因素，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、經濟適用的材料對湖庫等水體基質進行改良，以促進沉水植物生長，對富營養(yǎng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復顯得至關重要[28-29]。

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

1 湖庫水體基質對苦草生長的影響

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

1.1 基質的營養(yǎng)元素

基質影響苦草生長的主要因素是營養(yǎng)鹽(N、P)和有機質含量，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元素的來源與轉化相對較為復雜?？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]。

有機質是指基質中所有的含碳有機物，有機質的成分相對較為復雜，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，但是有機質含量過高會導致基質中厭氧環(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部細胞活性有關?？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元素以及有機質含量高于岸邊土壤和沙石，苦草在湖庫底泥基質中的生長情況要優(yōu)于在其它基質中的，苦草的生物量及株高等指標都要優(yōu)于在其它基質中的[2,36]，葉綠素含量也顯著高于在其它基質中的[40]。與之相應的，苦草的SOD、POD及MDA等指標在湖庫底泥基質中受到的脅迫最小[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，苦草根部結構變化也十分明顯，根變得更加纖細，而營養(yǎng)環(huán)境往往是非均質的，這又導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)基質中的，葉片細胞、匍匐莖結構也受到環(huán)境的脅迫，根組織結構也變得短小[45]。由此可見，基質的營養(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)境起到修復作用。科研工作者嘗試在底泥中添加底質改良劑來改變苦草的生長環(huán)境，從而促進苦草的生長。常見的底質改良劑有：生物炭、各類碎石、礦石及復合物質。

2.1 生物炭

生物炭是各類生物質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。生物炭材料因其較大的比表面積及孔隙率而被廣泛應用于污染物處理[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、有機質又會對苦草的根部生長產生抑制作用[48-50]。

2.2 各類碎石、礦石及復合物質

碎石、礦石自身基本不含營養(yǎng)鹽及有機質成分，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構，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。復合物質，如鎖磷劑是改性粘土和稀土鑭混合而成的物質，可以對環(huán)境基質中的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?，在湖庫底泥中添加適量的碎石、礦石可以促進苦草的生長，添加復合物質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、礦石及復合物質對苦草生長的影響

3 總結

綜上所述，沉水植物苦草雖然在不同基質中均可生長，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、礦石以及復合物質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生負面影響。適量的碎石、礦石可以改變基質松軟的結構，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。關于復合物質的研究相對較少，復合物質鎖磷劑是通過固定環(huán)境基質中的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生一定的抑制作用。目前這些基質改良方法有的還處于室內研究階段，但在實際應用中其長期生態(tài)效應需要進一步謹慎評估。因此，探討不同基質類型對苦草生長的影響，為選擇最佳底質改良劑在原位生態(tài)修復領域中的應用提供了技術參考與理論依據(jù)。