利用水生植物氮同位素作为人为氮输入太湖的生物指标*

刘勇丽，余 辉，徐 军，牛 远，沙永翠，郭子军，田学达

(1：湘潭大学化工学院，湘潭 411105) (2：中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地，北京 100012) (3：中国科学院水生生物研究所，武汉 430072)

利用水生植物氮同位素作为人为氮输入太湖的生物指标*

刘勇丽1，2，余 辉2**，徐 军3，牛 远2，沙永翠3，郭子军1，2，田学达1*

(1：湘潭大学化工学院，湘潭 411105) (2：中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地，北京 100012) (3：中国科学院水生生物研究所，武汉 430072)

富营养化是一个全球性的环境问题，需要更准确地评估人为氮输入对水生生态系统的影响.而初级生产者的N同位素已成为一个有用的生物指标.本研究通过测定太湖和太湖周围湖荡水生植物的δ15N，与水体中的环境因子做GAM分析，结果表明δ15N与水体中的铵态氮、正磷酸盐、总氮都有很显著的相关性，而这主要是由于植物在吸收和同化过程中有较大的同位素效应.水生植物的氮同位素值与氮的有效性和植物对氮的需求有关.当氮浓度有限时，植物对氮的需求变大并且减少了15N的分馏，水生植物则有较高的同位素值，而高氮浓度下，氮的可用性超过植物对氮的需求，15N分馏增大则氮同位素值较低.无锡地区和吴江地区湖荡水生植物同位素值有显著的差异性，无锡地区湖荡湿地富营养化最严重，所以水生植物的δ15N值比吴江地区高.总体来说，水生植物氮同位素可以作为评价生态系统人为氮输入影响的一个有效且简单的生物指标.

水生植物δ15N；GAM；植物氮的需求；人为氮输入；生物指标

富营养化目前是很多国家面临的一个持久的环境难题，主要是人口增长、人类活动加快和污染排放增加等带来的影响.由于这些区域氮、磷的增加，湖泊生态系统面临越来越大的压力[1-2].随着富营养化的发展，湖泊生态系统将会出现生物多样性下降、生物群落结构单一化、水体质量下降等问题[3-5].人为氮输入对水生生态系统造成不利影响，需要找到合适的指标来评价水质的变化[6].而稳定同位素技术在环境领域中被认为是很好的天然示踪剂，在污染物迁移和转化过程中组成稳定，不造成二次污染，因此被广泛应用[7].

太湖流域有172条河流连通着太湖[15]，大多数污染物流入的河流位于西部或西北部，而污染物流出的河流位于南部或东南部，大约有30%～40%的氮、磷被留在湖中[3].氮、磷和其他一些元素是植物生长所必需的，如果水体收到更多不必要的氮和磷，生态系统稳定性将改变，例如发生蓝藻水华.而外源物质的输入是造成太湖富营养化的主要原因[16].本研究利用同位素技术，探讨水生植物δ15N与水体环境因子之间的关系，进而评定水生植物δ15N可以作为湖泊输入负荷的指示器，为太湖外源负荷的监测提供一种有效且简单的方法，同时为太湖流域生态评价提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

太湖是我国第三大淡水湖，位于长江的下游，跨江苏无锡、苏州和浙江湖州等城市(30°55′40″～31°32′58″N， 119°52′32″～120°36′10″E).湖泊面积2338km2，湖长(从北到南) 68.5km，湖宽(从东到西)56km.平均水深1.9m，最大深度2.6m[3].

重污染的湖荡主要集中在太湖流域西北部，即无锡、宜兴、苏州辖区，污染较轻的湖荡主要集中在太湖流域东南部，即湖州辖区[17].近10年来，由于城市化加快、水体高密度养殖和污染物排放增加，太湖夏季蓝藻水华频繁暴发，湖荡水体生态严重退化，水生生物多样性全面衰退.

1.2 样品采集与处理

水生植物样品用采草器在水样采样点的周围采集，采集的植物种类包括挺水植物、沉水植物、浮叶植物、自由漂浮植物.采集的每株植物取其最新叶片放入塑料袋，带回实验室处理.将其表面附着藻刮洗后，用去离子水反复冲洗3次，在60℃下烘干48 h至恒重，用研钵研磨成均匀粉末后放入细菌保存管中保存.

图1 太湖地区采样点分布Fig.1 Location of sampling sites in Lake Taihu regions

1.3 稳定同位素分析

植物样品分析所用的仪器为中国科学院水生生物研究所Carlo Erba EA-1110元素分析仪与Delta Plus Finnigan同位素比率质谱连用仪.氮同位素比值以δ值的形式表达：δ15N=[(Rsample/Rstandard)-1]×1000.式中，Rsample为所测得的同位素比值，氮同位素是14N/15N；Rstandard为标准物质的同位素比值，氮稳定同位素测定的标准物质为N2.δ值越小表示样品重同位素15N含量越低，越大表示样品重同位素15N含量越高.每测定10个样品插入1个标准样品，并随机挑选1～2个样品复测.样品分析精度为±0.3‰[19].

1.4 数据处理

如果数据不符合正态分布，选择数据转换也未能实现正态分布，则使用Kruskal-Wallis检验(秩和检验)差异显著性，样本间的多重比较则使用Kruskalmc检验.如果数据符合正态分布，则使用t检验来检验差异显著性.

由于水生植物δ15N与水体环境因子之间的关系复杂，不能用多元线性回归解释它们之间的相互关系，所以用广义可加模型GAM来探讨.GAM为广义线性模型的非参数化扩展，其优点是能直接处理响应变量与多个解释变量之间的非线性关系.广义可加模型在拟合响应变量与解释变量之间的非线性关系过程中，需考虑曲线的拟合优度和光滑度，还要避免或者减轻过度拟合.根据GAM中得出的各解释变量的显著程度(P值)和赤池信息量基准(AIC值)来对模型变量进行选择，筛选出最优的解释变量.

(1)

式中，s为自然样条平滑，ε为误差项.AIC值越小，表明模型的拟合效果越佳，利用P值判定各因子的显著性是否存在差异.

2 结果

2.1 稳定同位素分析结果

太湖水生植物的δ15N组成在3.5‰～25‰之间变化，其中水鳖的δ15N值最大(16.59‰±4.18‰)，金银莲花的δ15N值最小(7.29‰±0.95‰).采集到的植物中，分布较多的植物种类为沉水植物，有竹叶眼子菜、菹草、穗花狐尾藻、金鱼藻等，自由漂浮植物较少，仅有少量的水鳖和槐叶苹.挺水植物主要有芦苇、菰、空心莲子草(表1).不同生活型的δ15N值没有显著性差异(P>0.05)，黑藻的δ15N值和其他水生植物之间没有显著性差异(P>0.05).

表1 太湖采集植物δ15N值的概括统计*Tab.1 Summary statistics of δ15N values for the macrophytes collected in Lake Taihu

*表中所示有生活型2=挺水植物，1=沉水植物，3=浮叶植物，4=自由漂浮植物，n为样品数量.

图2 太湖水生植物样品稳定氮同位素比值随 取样时间的月变化趋势Fig.2 Monthly trend of stable nitrogen isotope ratios in aquatic plant samples from Lake Taihu through the sampling time

由图2可知，太湖各个月份水生植物δ15N值之间有显著差异性(Kruskal检验，P<0.05).6月份水生植物的δ15N平均值最高，而11月份δ15N最小.11月和6月水生植物的δ15N有显著差异(P<0.05)，其余月份之间的δ15N没有显著差异(P>0.05).按照北半球平均气温将太湖地区的四季做如下划分：11月下旬至次年2月底为冬季；3月上旬至5月中旬为春季；5月底至9月上旬为夏季；9月中旬至11月中旬为秋季[20].结果表明季节之间的δ15N没有显著变化(Kruskal检验，P=0.334).

2.2 水生植物稳定同位素与环境因子的GAM模型分析

图3 水生植物δ15N与水体环境因子GAM分析(实线表示氮同位素与各因子关系的加性函 数，虚线表示拟合加性函数逐点的标准差)Fig.3 Relationship between aquatic plants nitrogen isotopic signatures and its environmental parameters in water column from GAM

3 讨论

研究结果表明，不同生活型的水生植物δ15N没有显著差异，可能是由于采集的都是水里的新叶，在吸收同化过程中都发挥了等同的同位素效应.Madsen等[21]发现沉水植物去掉根部后，叶子也可以对水中营养物进行吸收，并且叶子对水体中营养物的吸收能力强于沉积物[22].已有研究表明，黑藻具有典型的C4型光合作用途径[23]，但是其δ15N值与其他C3途径植物比较没有显著性差异，也说明了水生植物氮同位素不受其生活型和光合反应途径的影响.

水体中TN的浓度与δ15N呈负相关.可能有以下几个原因：(1)氮源发生变化，不同来源的δ15N不同，污水或者动物粪便的δ15N为10‰～22‰，化肥污水的δ15N为-3‰～3‰，同化过程中的分馏程度随氮的来源变化[25].吸收氮源中重的15N导致水生植物δ15N值偏高，吸收贫化的15N导致水生植物δ15N偏低；(2)随着TN浓度的升高，氮的可用性超过了氮的需求，不是所有可利用的氮都能被植物吸收，氮的吸收则会更倾向14N而不是15N，15N分馏从而导致水生植物δ15N值减小.湿生植物[26]、浮游植物[27]、水生植物和红树林[28-29]植物叶子的δ15N与氮的有效性和植物对氮的需求之间的关系已经被研究，结果都表明植物的氮同位素特征与氮的可用性和植物对氮的需求有关.

4 结论

本研究结果表明，水生植物氮同位素值不受生活型和光合反应途径的影响，主要与氮的有效性和植物对氮的需求有关[35-36].利用水生植物δ15N值作为指示器可以成功地评估人为氮输入对水生生态系统的影响，这个研究结果提供了一个简单的工具去评价外源营养物质输入对湖泊生态系统的影响，而不是用传统的监测水体营养物质的方法，为评价太湖流域水环境提供理论依据.

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Stable nitrogen isotope in aquatic macrophytes as an indicator of anthropogenic nitrogen inputs to Lake Taihu

LIU Yongli1，2， YU Hui2， XU Jun3， NIU Yuan2， SHA Yongcui3， GUO Zijun1，2& TIAN Xueda1

(1：CollegeofChemicalEngineering，XiangtanUniversity，Xiangtan411105，P.R.China)(2：ResearchCenterofLakeEnvironment，ChineseResearchAcademyofEnvironmentalScience，Beijing100012，P.R.China)(3：InstituteofHydrobiology，ChineseAcademyofSciences，Wuhan430072，P.R.China)

Facing the global problem of eutrophication， accurate assessment of the effect of anthropogenic nitrogen inputs to the aquatic ecosystem is needed. The nitrogen isotope in primary producers has become a useful biological index. In our study， we measured the δ15N of aquatic plants in Lake Taihu and surrounding regions， and examined its relationship with water nutrient concentrations with the GAM technique. It is concluded that the δ15N and ammonium， phosphate， total nitrogen in the water column have significant correlations. This is because aquatic plants have larger isotope fractionation during nitrogen absorption and assimilation. The δ15N of aquatic plants is related to plant nitrogen demand and nitrogen availability. When the concentration of nitrogen is limited， the plant demands increase and plants have higher δ15N values consistent with constrained discrimination against the heavier15N isotope. When the concentration of nitrogen is higher， where nitrogen availability exceeds plant demand and plants discrimination against the heavier15N isotope， the plants have lower δ15N values. There is an extremely significant difference in the δ15N of aquatic plants between Wuxi region and Wujiang region. The water pollution of lakes in Wuxi region was the highest so that the latter have lower δ15N values than the former. The nitrogen isotopes of aquatic plant can be used as an effective and simple biological indicator to evaluate the effect of anthropogenic nitrogen inputs into ecological systems.

δ15N of aquatic plants； GAM； plant nitrogen demand； anthropogenic nitrogen inputs； biological indicator

*国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101-001)资助.2014-05-19收稿；2014-07-03收修改稿.刘勇丽(1989～)，女，硕士研究生；E-mail： liuyl1026@126.com.

**通信作者；E-mail： yuhui@craes.org.cn；snowy@xtu.edu.cn.