外源氮磷负荷比增加对刺苦草（Vallisneria spinu losa）生长的影响∗

张 雪，郑建伟，周茂飞，殷春雨，关保华∗∗

（1：南京信息工程大学应用气象学院，南京210044）（2：中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京210008）

外源氮磷负荷比增加对刺苦草（Vallisneria spinu losa）生长的影响∗

张 雪1，2，郑建伟1，周茂飞1，2，殷春雨2，关保华2∗∗

（1：南京信息工程大学应用气象学院，南京210044）
（2：中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京210008）

磷（P）是水生态系统生产力的限制因子，因此，在水体富营养化治理的过程中，许多地方采取了有效的措施控制流域P的排放；但氮（N）来源复杂，难以有效控制，导致湖泊外源的N∶P负荷比日益扩大.植物的生长需要合适的N∶P比，因此，外源N∶P负荷比的增加可能会对沉水植物的生长产生影响.采取控制实验，将刺苦草（Vallisneria spinulosa）栽种于塑料桶中，每隔3 d添加1次N、P营养盐，实验设置5个处理，P外源性负荷量固定为4mg／（m2·d），N外源性负荷量分别为0、40、80、120、160 mg／（m2·d）.实验周期为80 d.结果显示：随着N∶P负荷比的增加，刺苦草的叶干重、植株总干重、根干重、叶N及总N含量、叶片数、叶P及总P含量等指标基本保持不变或略有增加，单株总根长、根茎长度、块茎干重和无性系小株数目则呈现下降趋势.结果表明：随外源N∶P负荷比的增加，刺苦草个体生长指标总体呈现不变的趋势，但与种群扩张潜力相关的指标如根茎长度、块茎干重和无性系小株数目等则呈现下降趋势；刺苦草体内累积的N随外源N∶P负荷比的增加而增加，但P的累积保持不变.说明N∶P负荷比的增加对刺苦草个体生长影响不大，但对种群扩张不利；刺苦草对P的吸收也并不随N∶P比的增加而改变.

沉水植物；氮磷负荷比；生长；形态；种群扩张潜力；刺苦草

Keywords：Submergedmacrophyte；N∶P ratio in loading；growth；morphology；population expansion potential；Vallisneria spinulosa

湖泊富营养化成为日益严峻的环境问题［1］.人类活动导致的入湖营养盐增加是湖泊富营养化的主要诱因，大量含有氮（N）、磷（P）等营养物质的工业废水和生活污水排放到湖泊中，雨水冲刷和渗透使残留的化肥也进入湖泊水体，再加上江湖阻断使水流速度大幅减缓，水体滞留时间增长，更新缓慢，水体自净能力减弱［2］.湖泊富富营养化的治理已经得到重视，外源污染控制是保障湖泊生态修复的前提［3］.目前国内外都重视对外源P的控制，但N的来源比较复杂，难以有效控制，因此湖泊外源的N∶P负荷比日益扩大［4］.如鄱阳湖外源负荷中N越来越多，导致N∶P负荷比值持续增加［5］.太湖地区无论是来自降雨的湿沉降还是入湖河流带来的外源污染，N含量都远远超过P［6］.

土壤中N∶P比的改变会影响植物体内生命物质的合成，从而影响植物的生长速率和死亡率［7-8］.沉水植物除了通过根部从沉积物中吸收营养盐外，还能够通过叶片直接从上覆水中吸收营养盐［9］.因此，沉水植物的生长不但会受底泥N、P含量的影响，还会受到水体中N、P浓度的影响［9-10］.从生态化学计量学特征来看，沉水植物体内的N∶P比低于浮游植物［11］，因此，水体中N∶P比增加将不利于沉水植物生长但有利于浮游植物生长［12］.湖泊调查和研究发现，沉水植物能够在N、P浓度变化范围较大的湖泊出现，但N∶P比值增加会导致沉水植物生长受到抑制直至消失［13-15］.

为了解N∶P负荷比升高对沉水植物生长的影响，本实验参考太湖入湖河流负荷情况，通过每隔3 d添加1次外源营养液，设置P负荷稳定在4 mg／（m2·d），而N负荷设置0、40、80、120和160 mg／（m2·d）梯度，测定刺苦草（Vallisneria spinulosa）的生长和种群扩张与维持潜力相关指标，揭示外源N∶P负荷比增加对沉水植被的影响，为沉水植物保护和水生态修复提供理论支撑.

1 材料与方法

1.1 实验设计及处理

实验于2008年5月17日-8月6日在中国科学院南京地理与湖泊研究所太湖“863”实验基地（31°28′19.19″N，120°13′28.14″E）开展.将20只塑料桶统一放置在一块土壤平台上，桶底端埋入10 cm土，以保持其稳定.塑料桶上内径41 cm、下内径35 cm（下底面积约0.1m2）、深56 cm.每只塑料桶中铺设6 cm沉积物；沉积物于5月17日前采自太湖梅梁湾的芦苇带，拣出沉积物中的螺蛳、杂物和植物残体，混匀后铺入塑料桶中.每只桶中加入40 cm深的水（约40 L）（水来自太湖，泵入湖边的水泥池中澄清1周后使用）.沉积物和水放入实验桶中之后，盖上桶盖，遮光静置24 h，避免附着和浮游藻类生长.实验桶放置在梅梁湾岸边的一处开阔平台上，处于自然光照和温度条件.

刺苦草是水鳖科苦草属沉水草本植物，在长江中下游湖泊中广泛分布［16］.随着长江中下游湖泊富营养化，刺苦草分布面积逐渐缩小［17］.实验开始时，在每只桶中种植10株来源相同、大小一致的刺苦草（干物质含量为0.0605±0.0080 g／株，叶片末端至根末端的长度为16.74±1.90 cm；叶片数8±1），刺苦草为块茎萌发的幼苗.10株刺苦草均匀分配空间.取刺苦草源苗测定初始总氮（TN）、总磷（TP）含量.实验处理如表1所示，每组4个重复.

表1 实验处理Tab.1 Experimental treatment

本研究根据太湖等湖泊的外源负荷特征设置入湖N、P负荷量［23-24］.实验系统上覆水的氮本底浓度为0.94mg／L，磷本底浓度为0.11mg／L.每3 d添加1次营养盐（NH4Cl与KH2PO4），用N、P添加量除以实验桶底面积（0.1m2）和天数（3 d），获得N、P入水负荷量.实验分5个处理（表1）.在添加营养盐之前定时测定水柱pH值和水温.实验过程中每天刷洗桶壁，避免附着生物生长；定期添加蒸馏水补充蒸发掉的水分；下雨时用雨布遮盖，防止过多雨水进入引起溢水.用塑料绳标记每桶中种入的10株刺苦草，以便在实验后期与无性系分株区别开来.

1.2 样品分析

实验结束时，将用塑料绳标记的刺苦草植物完整取出，冲洗干净，数叶片数目；每桶随机取一棵整株，另外随机取一株将根、叶以及根茎和块茎等部分分开，将刺苦草的须根全部拔下，等分成4份，随机取一份测量每根的长度，相加后乘以4，计算每株刺苦草的总根长.整株和各部分分开后的样品放入60℃烘箱中烘干至恒重，测植物整株和各部分干重以及叶片和整株植物的TN、TP含量.收获每桶中所有的刺苦草，测量所有根茎的长度，相加后除以10，获得每桶中单株刺苦草的根茎长.同样的方法获得每桶中单株刺苦草的块茎干重和无性系小株数目.

1.3 数据处理

实验数据运用SPSS 19.0统计软件进行方差分析，采用单因素方差分析，P＜0.05为差异性显著.用平均值±标准误在Excel软件中作图.

图1 刺苦草生物量随N∶P负荷比升高的变化Fig.1 Changes of V.spinulosa biomasswith increasing nitrogen and phosphorus ratio loading

2 结果

2.1 刺苦草生物量随N∶P负荷比升高的变化

叶干重、总干重和根干重各处理组间无显著差异（P＞0.05）.随着N∶P负荷比的增加，叶干重和总干重在变动中略呈增加趋势，根干重的增加趋势比较明显（图1）.

2.2 刺苦草形态随N∶P负荷比升高的变化

叶片数各处理间无显著性差异（P＞0.05）.随着N∶P负荷比的增加，叶片数基本保持不变.单株总根长0N+4P和40N+4P显著高于其他处理（P＜0.05），单株总根长随着N∶P负荷比的升高呈现下降趋势（图2）.

2.3 刺苦草氮磷含量随N∶P负荷比升高的变化

叶氮含量160N+4P处理组显著高于0N+4P处理组（P＜0.05），随着N∶P负荷比的升高，叶氮含量呈现上升趋势；总氮含量160N+4P处理组显著高于其他处理组（P＜0.05），总体也呈现上升趋势.叶磷含量和总磷含量各处理间无显著性差异（P＞0.05），总体保持不变趋势（图3）.

2.4 刺苦草种群扩张潜力随N∶P负荷比升高的变化

根茎长度、块茎干重和无性系小株数各处理间均无显著性差异（P＞0.05），随着N∶P负荷比的升高均呈下降趋势（图4）.

3 讨论

随着流域P排放措施的实施，汇入湖泊的P含量逐步得到控制，N含量相对较高，外源N∶P负荷比的升高导致许多湖泊的富营养化趋势越来越表现出N∶P比升高的趋势［4-6］.如天目湖N∶P比由2001-2002年的18变为2006年的25［18］.鄱阳湖、巢湖和太湖水体入湖N∶P负荷比近年也呈现出升高趋势［5，19-20］.水生植物体内的N∶P比介于4∶1～13∶1之间，而浮游植物体内的N∶P比值高达16∶1，因此，水体N∶P比提高将会利于浮游植物生长［11-12］.在本实验中，经过90 d持续不断的营养盐输入，0N+4P和40N+4P处理组的实验水体N∶P比低于13∶1，而其他外源N∶P负荷比增加的处理组，最终上覆水中N∶P比都超过13∶1（图5）.吴红飞等［21］研究发现，N∶P比升高会导致浮游和附着植物生物量增加，但对沉水植物个体生物量没有显著影响.这与本研究得到的结论相似.随外源N∶P负荷比升高，刺苦草的叶干重、叶片数和植株总干重（主要由叶干重组成）等个体指标保持不变甚至略呈增加趋势.

图2 刺苦草形态随N∶P负荷比升高的变化Fig.2 Changes of V.spinulosa morphology with increasing nitrogen and phosphorus ratio loading

图3 刺苦草氮磷含量随N∶P负荷比升高的变化Fig.3 Changes of nitrogen and phosphorus contents in V.spinulosa with increasing nitrogen and phosphorus ratio loading

但以往的研究对沉水植物繁殖方面的关注较少，因此把水体富营养化导致的沉水植物消失，归因于浮游植物大量生长后对水生植物生长的制约［12］.实际上，由于沉水植物体内的N∶P比不超过13∶1，因此，水体N∶P比超过此值可能会不利于沉水植物生长.沉水植物以无性繁殖为主，其无性繁殖器官主要由茎及其衍生物形成［22］.一般通过克隆生长，不断增加分枝或分株数目来扩大分布面积，维持种群数量；在生长末期，则形成休眠越冬繁殖体，等生长条件合适时发芽生长［22-23］.因此，当沉水植物分枝或分株生长受到制约时，种群扩张能力受到抑制［24］；而当休眠体生长受到制约时，未来的种群维持能力受到抑制［25］.刺苦草叶基生，无直立茎，生长季节集中在春、夏季，通过根状匍匐茎上分生多数无性系分株拓展分布区域；秋季开花结实，但种子发芽率不高，主要靠越冬块茎在来年发芽维持种群.随着水体N∶P比升高，刺苦草无性系分株数量下降，地下块茎数量和质量（干重）都呈现下降趋势，导致其在长江中下游湖泊的分布面积大量萎缩［16-17］.

此外，随着外源N∶P负荷比的升高，刺苦草干物质中P含量不变，但N含量提高，即刺苦草干物质中N∶P比升高.N∶P比提高会导致植物出现P限制，植物倾向于分配较多的碳水化合物到根部去获取充足的P，导致叶片中光合效能相对不足，叶片光合作用受到限制，影响植物的初级生产力，影响植物的种间关系和优势度，导致植物竞争力下降［7-8，26］.

图4 刺苦草种群扩张潜力随N∶P负荷比升高的变化Fig.4 Changes of population expansion potential of V.spinulosa with increasing nitrogen and phosphorus ratio loading

图5 各处理组上覆水N∶P比Fig.5 Nitrogen and phosphorus ratio in overlying water in different treatments

沉水植物是维持浅水湖泊清水稳态的关键生物种类，沉水植物覆盖度降低或消失会导致水体从清水稳态向浊水稳态转换［27］.因此，在富营养化水体生态修复的过程中，大面积种植沉水植物是一个重要的手段［28］.刺苦草是长江中下游水生态修复中常常使用的工具种［27］.外源N∶P负荷比的提高会导致湖泊水体N∶P比升高，促进浮游植物生长，抑制沉水植物的种群扩张潜力，不利于沉水植物建群和扩张分布面积；同时也促使沉水植物体内N∶P比提高，影响植物光合作用和碳水化合物流向.因此，控制N负荷、降低N∶P负荷比应该在湖泊保护和生态修复中引起关注.

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Effect of increasing nitrogen／phosphorus ratio in loading on the grow th of Vallisneria spinulosa

ZHANG Xue1，2，ZHENG Jianwei1，ZHOU Maofei1，2，YIN Chunyu2＆GUAN Baohua2∗∗
（1：College of Applied Meteorology，Nanjing University of Information Science＆Technology，Nanjing 210044，P.R.China）
（2：State Key Laboratory of Lake Science and Environment，Nanjing Institute ofGeography and Limnology，Chinese Academy ofSciences，Nanjing 210008，P.R.China）

Phosphorus（P）is a limiting factor for productivity in aquatic ecosystems.In order to control lake eutrophication，many effectivemeasures are taken to control the P effluent in the basin，but nitrogen（N）is difficult to control due to its complex sources.Thus，the situation of low P but yethigh N effluent results in a high ratio of N∶P in loading inmany lakes.Plantsneed a suitable N∶P ratio to sustain their growth，therefore，the increasing of the N∶P ratio in effluentsmight affect the growth of submerged macrophytes.To acquire an insight into the influence of increasing N∶P ratios on the submerged plants，we carried out an outdoor control experiment.Vallisneria spinulosa was planted in plastic bucketswith N and P added to the bucketsevery 3 days.We set up five treatments with an unchanging P loading dose of 4 mg／（m2·d），with a range of nitrogen loading dose including 0，40，80，120 and 160 mg／（m2·d）.The experiment lasted for 80 days.Results showed thatwith an increase of the N∶P ratio in the loading，some indicatorswere nearly stable，such as leaf dry weight，total plant dry weight，leaf N and total N content，leaf number，leaf P and total P content，while some other indicators，such as plant total root length，cloning stem length，stem dry weight and ramet numbers decreaed.The results above revealed thatwith an increasing N∶P ratio in loading，individual growth indicators of V.spinulosa would remain stable or exhibit a minor increase，but that the indicators of population expansion ability，such as cloning stem length，tuber dry weightand rametnumbers，would decline，while the P absorption would not changewith increasing N∶P ratio in loading.

DOI 10.18307／2017.0411

©2017 by Journal of Lake Sciences

∗国家自然科学基金项目（31270409）资助.2016-05-18收稿；2016-10-07收修改稿.张雪（1992～），女，硕士研究生；E-mail：evonneshary＠163.com.

∗∗通信作者；E-mail：bhguan＠niglas.ac.cn.