水生植物对湖泊营养状态的影响

水生植物对湖泊营养状态的影响

水生维管束植物对淡水湖泊的生态特征起着重要作用，是湖泊生态系统的重要组成部分。水生植物通过维管束联系底泥和上覆水,将浅水湖泊湿地的水体、底泥和生物结合为一个整体,通过自身的生长、发育、死亡和分解过程,对湖泊的营养状态和营养循环产生极其重要的影响。水质、水量和土壤条件影响着湿地植被结构、物种组成及其产量,决定着水生植物能否生存及其生长状况,反之,水生植物的生长及其凋落又调控着水体的营养盐水平和水流状态等[5~8]。近年来,随着工农业生产的发展,全球约有75%以上的封闭型水体存在不同程度的富营养化问题,严重影响生态环境和水资源的有效利用。20世纪70年代以来,由于水生植物具有耐污和治污能力而被应用于污水治理和水体修复生态工程中,具有低投入、低能耗、易操作、生态安全等突出的优点。在草型湖泊中,水生植物的蔓延生长危害着湿地生态系统的良性循环,人工和机械收割成为一个简便高效的手段而被广泛应用,可同时减少水体中的氮、磷积累和生物淤积。白洋淀是华北地区唯一的大型平原湖泊,是中国北方草型湖泊的典型代表,对于调节华北地区生态环境,维持河北、北京地区生态平衡具有极其重要的作用,在区域生态安全体系的建立中具有非常重要的战略地位。白洋淀地区呈现出独特的台田湿地景观,台田格局形成纵横沟壕3700多条,分割为大、小淀泊140多个。特殊的台田格局对局部流域水文状况产生影响,从而对水生植物的生长产生效应;同时,台田区水生植物也为淀区的水质净化起到了积极的作用。台田沟渠内水生植物蔓延生长将直接对局域水环境和水体交互功能产生影响;沟渠内水生植物的分解和淤积特征,直接决定了沟渠底部的抬升速度,进而改变白洋淀台田的景观特征和生态效应。为了进一步把握白洋淀台田沟渠水生植物的生长蔓延特征,本研究对白洋淀台田沟渠水生植物分布和营养盐特征进行了分析,厘清水生植物生长与水质的关系,探讨大型水生植物对湖泊水环境的影响,为白洋淀富营养化和沼泽化问题的解决提供科学依据。1材料和方法1.1白洋淀的分布白洋淀(38°43′N~39°02′N,115°38′E~116°07′E)地处华北平原中部,位于大清河中游,总面积366km2(大沽高程10.5m),承接上游潴龙河、唐河、清水河、府河、漕河、瀑河、萍河、孝义河8条河流的洪沥水。该区属温带大陆季风气候区,冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨,四季分明,雨热同期,淀区年平均气温12.1℃,无霜期203d,年降水量506.5mm,年蒸发量1369mm。白洋淀土壤母质主要是第四纪冲积物,以沼泽土为主,土壤养分含量较高,生物种类繁多。台田是白洋淀的主导景观类型,始于20世纪60年代,为响应政府在洼淀栽种芦苇(Phragmitesaustralis)的号召而修建。台田斑块的存在使得白洋淀形成淀中有淀、沟壕相连的复杂湿地格局(图1)。2011年10月,白洋淀区Quickbird遥感影像解译结果显示,淀区现有台田面积约61km2,占淀区总面积的16.7%。1.2水质、密封和分析方法于2012年5月和9月,在白洋淀20个主要淀区的台田沟渠开展水生植物野外调查。具体采样点由北向南分别为:烧车淀、郭里口、赵庄子、漾堤口、王家寨、邵庄子、南刘庄、泥李庄、寨南、丝网淀、李广村、大淀头、圈头、端村、大田庄、小白洋淀、羊角淀、西李庄、后塘和邸庄(图2)。以台田边界和水面的交界面为零点,往水域方向扩展5m的范围内界定为台田区。每个淀区按台田“外边缘”、“内边缘”和“内部水域”3个区域分别进行采样,设置1m×1m的调查样方,各区域设置样方3个,取其平均值作为该样点的调查结果。于调查现场,测量各样方水深,用塞氏盘测量水体透明度,使用YSIProplus多参数水质测量仪测定水体的pH、溶解氧含量和电导率。同时记录各样方内水生植物物种组成,用采样钳采集样方内所有植物,快速进行分类,并分别称量其鲜重;分别采集样方内不少于2kg各种水生植物的完整植株样品,以用于植物样品的元素分析,对于生物量较小的植物种类,将样方内的植株全部装袋取回。于湖水表层以下50cm处采集水样,4℃冷藏箱中保存,运送至实验室。1.3样品制备及制备水体中总氮和总磷含量的测定方法参照《水和废水监测方法》。植物样品在(105±1)℃下杀青0.5h后,于(60±1)℃下烘干至恒重,碾磨过60目筛;植物全磷含量采用ICP-AES法测定,植物全碳和全氮含量利用元素分析仪进行测定。1.4处理数据利用SPSS17.0软件和Origin8.0软件进行统计分析和绘图。2结果与分析2.1水生植物的分布于2012年5月和9月,在白洋淀台田沟渠共发现水生植物14种,包括挺水植物2种、沉水植物8种和浮水植物4种。受光照和空间限制,仅有不足半数的白洋淀常见水生植物可以在台田沟渠内生长,挺水植物种类极少。水生植物在台田沟渠内的分布有显著差别(表1)。芦苇均匀分布于台地之上,少量茎叶沿台田边坡蔓延至沟渠内;蓖齿眼子菜、光叶眼子菜、马来眼子菜主要分布于台田外边缘;莲和菹草多分布于台田外边缘和内边缘;轮藻、穗花狐尾藻、狸藻则多生长于台田内边缘及内部水域;金鱼藻和4种浮水植物[紫背浮萍、槐叶萍、品藻和水鳖]在台田沟渠内分布均匀,在台田内、外边缘和内部水域都有发现。2.2全氮、全磷含量及营养盐特征对湿地植物基本功能的影响水生植物的营养盐特征由物种种类和环境因子共同决定,其含量的高低决定着植物对水体中营养物质的吸收作用。以各植株生物量达到最大值时的全碳、全氮和全磷含量作为该水生植物的营养盐特征值。其中,菹草的生物量在春季最高,其余水生植物的最大生物量都出现在秋季。碳是水生植物中的主要营养元素,占总质量的20%以上,其中芦苇的全碳含量高达43.9%(图3);全氮含量占植株总质量的1%~4%,除芦苇外,各植物的全氮含量与全碳含量保持相同变化趋势。全磷含量在植株内含量较低,小于总质量的1%。轮藻和穗花狐尾藻不宜在高氮、磷的水质条件下生长,其体内富集的营养盐含量也相对较低;芦苇、紫背浮萍、水鳖、金鱼藻、菹草、马来眼子菜和光叶眼子菜等适宜于污染水体的植物,植株营养盐含量也较高。水生植物的营养盐特征一方面决定了它对水体的净化能力,另一方面也决定了植物残体本身的分解能力,决定了它对湖泊生物累积的贡献作用。C/N、C/P和N/P在不同程度上影响残体的分解速率。芦苇、莲、马来眼子菜、光叶眼子菜和狸藻的C/P大于200,显著高于其他植物;芦苇、莲、槐叶萍、轮藻、马来眼子菜、光叶眼子菜和穗花狐尾藻的C/N高于20,为紫背浮萍、水鳖、金鱼藻C/N的2~3倍;植物的N/P相对较小,但仍有显著差别,如莲、狸藻、马来眼子菜、光叶眼子菜的N/P都在10以上,而品藻的N/P仅为5.24(图4)。2.3营养盐和全磷含量对水体理化性质的响应水质和水量是湿地生态系统的重要组成部分,水质的好坏影响着湿地的功能和生物过程,水量的变化影响着湿地的稳定性和覆盖面积。水深以及水体中的pH、溶解氧和污染物等因子都决定着水生植物能否生长及其生长状况。白洋淀不同台田沟渠的水质呈弱碱性(表2),水深在1.5m以内。不同淀区的营养盐含量、透明度和溶解氧含量有明显差别。对白洋淀台田沟渠各种水生植物的营养盐含量及其所生长的水体环境理化性质进行相关分析,其中芦苇均匀生长于台地之上,受水体理化性质的影响较小,因此未对芦苇的营养盐含量、水体理化因子进行相关分析。Pearson相关分析结果表明(表3),水体总氮含量与总磷含量显著相关(n=13,r=0.906,p<0.01),在清洁水体中,总氮含量和总磷含量同时保持较低水平,而在污染水体中,总氮含量和总磷含量同时受到影响而增大;水深的变化能够表征水体pH、溶解氧含量和电导率的变化,随着沟渠内水深增加,溶解氧含量(n=13,r=-0.911,p<0.01)和pH(n=13,r=-0.896,p<0.01)显著减小,电导率(n=13,r=0.707,p<0.01)显著增大;植物全氮含量、全磷含量与水体总氮含量、总磷含量间存在显著的正相关关系,与水体透明度存在显著的负相关关系;植物全氮含量与全碳含量(n=13,r=0.736,p<0.01)、全磷含量(n=13,r=0.860,p<0.01)间也显著相关。3植物初始营养盐特征水生植物在其生长繁殖过程中,能够大量吸收水体中的氮、磷等营养物质,当水生植物被机械或人工收割时,被其吸收的氮、磷物质也随之离开水体,达到净化水质的目的。挺水植物(芦苇、莲)的氮、磷含量相对较低,且生命周期相对较长,但挺水植物更具有经济价值和观赏价值,因此被广泛应用于人工湿地和湖泊治理中。芦苇是白洋淀分布面积最大、最典型的水生植物,安新县有8000hm2芦苇,年产芦苇75000t,根据其氮、磷含量进行估算,每年可带走约1000t氮和100t磷。沉水植物能够吸收底泥和水体中的营养物质,且生物量较大,对富营养化水体的净化作用明显,如何有效收集湖底的沉水植物成为关键。浮水、浮叶植物生长率非常高,每2~7d可增加一倍,定期对其进行打捞,可持续发挥净化功能。但浮水、浮叶植物的大量生长往往会造成过度蔓延,治理湖泊常以挺水和沉水植物为主。植物的初始营养盐特征对分解速率十分重要,一般来说,具有较高氮、磷含量和较低C/N、C/P、N/P比值特征的水生植物具有较快的分解速率。其中,C/N被认为是决定植物残体分解率的重要因子,它决定着植物残体能够为微生物提供可利用营养物质的能力。根据台田沟渠水生植物的营养盐比例分析,芦苇、莲、槐叶萍、轮藻、马来眼子菜、光叶眼子菜、穗花狐尾藻的植物残体分解更慢,对生物淤积的贡献更大,对它们进行有效的收割将有效的防治沟渠的生物填平作用。在自然条件下,水生植物很少以单一物种存在,而是以群落的形式共同生长和凋落,根据各种类植物的营养盐特征对水生植物比例进行有效调控,可有效提高水生植物的分解能力,减缓生物淤积量。水生植物分布格局及其营养盐特征不仅与水生植物种类紧密相关,同时也依赖于水环境,对水质的变化比较敏感。水体的氮、磷含量与植株的氮、磷含量呈显著正相关,与透明度成显著负相关,可见水体营养盐和光照是影响台田沟渠水生植物生长的两个主要因素。沟渠的深度与水体pH、DO、电导率的变化呈显著相关性,可见台田