骆马湖水质对菹草不同生长期的响应研究

华祖林，朱 翔，沈 健，聂永平，倪效欣

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098； 2.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏 南京 210098； 3.河海大学环境学院，江苏 南京 210098；4.江苏省南水北调工程建设领导小组办公室，江苏 南京 210098)

菹草(Potamogetoncrispus)是一种多年生沉水植物，秋季发芽，夏季衰亡并生成繁殖体石芽[1]。关于菹草对湖泊水质的影响，有正面的报道，也有负面的报道，目前存在着诸多争议。关于菹草对水质的正面影响，Zhou等[2]研究表明，菹草生长时，能够直接通过茎和叶吸收水体中营养盐，其漂浮在水面上的植株片段也能对水质起到净化作用。Gao等[3]的试验表明，30 d内菹草可去除水体中76.16%的总磷、86.09%的总溶解态磷和74.37%的颗粒态磷，同时降低沉积物中磷浓度，有利于减少湖泊磷的内源负荷。Li等[4]通过25 d的试验，发现菹草对水体中总磷、磷酸盐、总氮、氨氮、硝氮和亚硝氮的去除率均超过75%。菹草还对藻类具有抑制作用，Pakdel等[5]发现菹草生长能释放化感物质，抑制多变鱼腥藻(Anabaenavariabilis)等藻类的生长。由于具有水质净化功能，菹草常被用于浅水富营养化湖泊的恢复。Zeng等[6]移植菹草等沉水植物修复富营养化湖泊，结果水体氮磷负荷减少，浮游植物优势种由蓝绿藻转变为绿藻，浮游动物的密度和数量逐年增加。

菹草对水质的负面影响同样不可忽略。菹草在湖泊中易暴发性生长，堵塞河道，并压缩其他水生植物的生长空间。菹草衰亡时，植物组织腐烂分解消耗水体溶解氧，并向水体释放出氮磷。杨文斌等[7]通过试验指出，生物量大于3 kg/m2的菹草腐烂会产生比较严重的氮磷污染。同时，菹草缺氧降解还会释放二甲基硫醚等挥发性有机硫化合物[8]，散发出恶臭。Cao等[9]认为，菹草的移植可能对富营养化湖泊产生负的环境效应。尽管菹草生长过程中提高水体透明度，降低总磷和叶绿素a浓度，但是其植株的衰亡分解导致水体溶解有机磷浓度增加，为裸藻和甲藻提供了适宜的生长环境，并导致了拟多甲藻的暴发。

关于菹草对水质影响的研究大多在实验室中进行，很少在湖泊原位条件下研究不同密度菹草的生长衰亡对水质的影响，且现场观测多位于污染较严重的水域[10-11]，由于污染源的干扰，难以确定菹草对水质的影响所占比例。本文通过原位观测的方法，解析骆马湖不同生长阶段水质指标对菹草密度的响应，探寻既能最大程度发挥菹草生长期净水作用，又将菹草衰亡期危害最小化的最优菹草密度，以期为骆马湖的生态保护和沉水植物管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点及采样时间

骆马湖(34°0′N～34°11′N，118°06′E～118°18′E)位于江苏省北部，总面积375 km2，是宿迁、新沂两市的饮用水水源地，也是南水北调东线的重要蓄水湖泊。骆马湖沿岸基本无直接排污口，外源污染少，水质较好，湖区及出入湖河道水质满足Ⅲ类水标准[12]。菹草是骆马湖的优势物种之一，每年3—5月暴发性生长，优势度可达95%～100%[13]。

图1为骆马湖采样点分布及菹草密度情况，图中绿色部分表示水面以上的植物。骆马湖北部多为滩涂、岛屿，植物为挺水或陆生植物，因此不设采样点。由于采样期间菹草为骆马湖的绝对优势种，采样区域的绿色部分表示长至水面的菹草。A点水深约6 m，无菹草生长，该点可作为湖区各项水质指标的背景点；B、C、D、E、F、G点水深分别为2 m、2 m、3.8 m、3.2 m、1.9 m、3.6 m，均有菹草生长，代表湖泊中不同密度的采样点位。

图1 骆马湖采样点分布及菹草密度

骆马湖菹草生长过程如表1所示，分为石芽越夏期、石芽萌发期、幼苗生长期、幼苗越冬期、指数生长期、石芽生成期和植株衰亡期。在指数生长期以前，菹草幼苗生长缓慢，密度较小，对水质的影响也较小；指数生长期后菹草密度迅速变化，对水质产生较为显著的影响。菹草的指数生长期、石芽生成期及植株衰亡期是其生命周期内影响水质的关键时段，为此采样时间分别设为2017年4月21日、5月24日及6月20日。

表1 骆马湖菹草生长过程

1.2 样品采集与处理

采样前用去离子水将聚乙烯瓶洗涤3次，采样时再用水体冲洗3次。使用水质采样器采集水下1 m 的水样，置于聚乙烯瓶中，每个采样点采3瓶水样(3个重复)。为了防止水体矿质元素氧化，迅速用硫酸将采集的水样pH调节至小于2，运到实验室进行分析。

1.3 分析方法

采样时，原位监测水体的pH(采用哈希HydrolabDS5)、DO(采用哈希HQ3d溶氧仪)、氧化还原电位(oxidation-reduction potential，ORP)(采用哈希HydrolabDS5)。水样COD、TN、氨氮、硝氮和TP在实验室测定，方法参考《水和废水监测分析方法》[14](第四版)。

2 结果分析

2.1 菹草密度分布

前人的研究中菹草分布情况多用单位面积水域中的菹草质量来表征，称为菹草生物量[10,15]。但实际上天然湖泊中各采样点的水深不同，本研究采用单位体积水体中的菹草质量(鲜重)表征菹草分布情况，称为菹草密度。图1中B、C、D点为菹草稀疏区，而E、F、G点为菹草密集区。在指数生长期，从B点到G点菹草密度依次增加，B、C、D点的菹草密度分别为50.50 g/m3、55.25 g/m3和66.70 g/m3，E、F、G点的菹草密度则分别为83.75 g/m3、123.20 g/m3和173.30 g/m3。与指数生长期相比，石芽生成期各采样点的菹草密度均有所升高，而D点由于菹草稀疏，且水位较高，抑制了菹草生长，因此菹草密度增加幅度低于其他采样点。在植株衰亡期，各采样点菹草植株基本腐烂沉入水底，仅有少量残枝漂浮在水面，因此未计算菹草密度。

2.2 理化指标变化

在菹草不同的生长阶段监测了水体中pH、DO、ORP和COD等理化指标的变化情况(图2)。由图2可见，菹草光合作用吸收水中的碳源，导致水体中CO2质量浓度降低[16]，水体碱性增强，因此有菹草生长的采样点pH在指数生长期和石芽生成期均高于无草的A点。植株衰亡期，各点pH值均大幅下降。由于菹草光合作用向水体中释放氧气，指数生长期时有菹草生长的采样点DO质量浓度均高于A点，菹草密集区E、F、G点的浓度高于菹草稀疏区B、C、D点。与指数生长期相反，石芽生成期菹草密集区的浓度反而低于菹草稀疏区。植株衰亡期，在升温和菹草植株腐烂消耗DO的协同作用下，各点DO质量浓度均大幅下降。ORP变化情况与DO类似，但是菹草密度对其影响不大。在指数生长期和石芽生成期，菹草密集区水体COD低于菹草稀疏区。在植株衰亡期，各采样点水体COD普遍升高，菹草密集区的COD质量浓度依旧低于菹草稀疏区，但是高于A点。

(a)pH值

(b)DO

(c)ORP

(d)COD

2.3 TN、TP质量浓度变化

在菹草不同的生长阶段监测了水体中TN、TP的质量浓度，结果如图3所示。在指数生长期，水体TN质量浓度随菹草密度增加而减少，F点降至0.24 mg/L。虽然G点的菹草密度最大，但是由于菹草过于茂盛，个体间对光照、营养盐等资源的竞争产生较强的负作用[17]，菹草生长缓慢，可能造成了对水体TN吸收能力的降低，使TN质量浓度反而高于E、F点。石芽生成期变化情况与指数生长期类似，但是由于菹草密度增加，有草区域TN质量浓度大幅下降。在植株衰亡期，各采样点水体TN质量浓度低于前两个生长阶段，有草区TN质量浓度均低于无草的A点。

(a)TN

(b)TP

水体TP质量浓度的变化情况与TN有所差异。在指数生长期，菹草密集区TP质量浓度低于菹草稀疏区，说明菹草生长对磷的吸收和对沉积物磷释放的抑制等作用共同导致了水体中的磷浓度的降低。对于石芽生成期，TP质量浓度分布情况与指数生长期类似。在指数生长期和石芽生成期，有菹草生长的采样点TP平均质量浓度分别比A点浓度低18.2%和34.1%，而TN平均质量浓度则分别比A点浓度低23.1%和51%，说明菹草对水体中TN的净化效果优于TP，这与万蕾等[18]的研究结果一致。在植株衰亡期，无菹草生长的A点TP质量浓度降低，而有菹草生长的B、C、D、F、G点TP质量浓度与石芽生成期相比普遍升高，这与菹草腐烂向水体中释放出磷密切关联。

3 讨 论

3.1 不同形态氮浓度变化

水体中的TN包括硝氮、氨氮、亚硝氮等无机氮和氨基酸、蛋白质等有机氮。由于亚硝氮的不稳定性，湖泊中亚硝氮浓度较低[19]，因此将亚硝氮与有机氮并称为其他形态氮，其浓度等于总氮浓度减去硝氮、氨氮浓度。图4为不同采样点硝氮及氨氮质量浓度变化，图5为不同生长阶段各形态氮在TN中所占的比例。

(a)硝氮

(b)氨氮

在指数生长期，硝氮质量浓度变化情况与TN类似，随菹草密度增加而减少，F点硝氮质量浓度最低，为0.34 mg/L。各采样点水体中的氮均以硝氮为主，占TN的比例超过60%，但是菹草密集区E、F、G点硝氮所占比例低于菹草稀疏区B、C、D点。有菹草生长的采样点水体氨氮浓度均低于无草的A点，氨氮所占的比例也低于A点，但是不同密度的采样点之间相差不大。以上结果表明，菹草密度主要影响骆马湖菹草对硝氮而非氨氮的吸收。水体中氨氮质量浓度小于0.35 mg/L时，菹草优先选择吸收硝氮[20]，因此骆马湖菹草直接吸收水体中的硝氮，氨氮浓度降低则可能为间接影响。菹草通过光合作用向水体释放氧气，促进硝化反应，将氨氮转化为硝氮并吸收。

在石芽生成期，各采样点水体硝氮质量浓度均降低，菹草密集区低于菹草稀疏区。A、B、C点氨氮质量浓度降低，而D、E、F、G点氨氮质量浓度则升高，原因是菹草较密集的D、E、F、G点已经有部分菹草衰亡，残枝腐解初期水体氨氮质量浓度迅速升高[21]。该生长阶段菹草密集区硝氮所占比例低于菹草稀疏区，但是氨氮所占比例高于菹草稀疏区。

(a)指数生长期

(b)石芽生成期

(c)植株衰亡期

尹传宝等[22]的试验表明，菹草衰亡导致水体TN和硝氮质量浓度升高，而本研究的结果则恰恰相反。在植株衰亡期，有草区水体TN和硝氮质量浓度均低于无草的A点，且显著低于前两个生长阶段，原因是水温升高和DO降低促进了反硝化作用，水体中部分硝氮和亚硝氮被还原为气态氮。菹草密集区硝氮质量浓度低于稀疏区，而氨氮质量浓度高于稀疏区，说明菹草密度是菹草衰亡影响水体氮浓度的重要因素。该阶段硝氮不再是水体中氮的主要存在形式，而氨氮成为水体中最主要的氮形态，有机氮等其他形态氮所占比例与前两个生长阶段相比也显著增加。与菹草稀疏区相比，菹草密集区硝氮所占比例更小，而氨氮所占比例更大。产生这种变化的原因主要有两方面，一是菹草腐烂后植株中的蛋白质被微生物分解，产生大量氨基酸等有机氮，随后有机氮进一步分解成氨氮，二是水体环境抑制微生物的硝化反应，水中被氧化的氨氮减少。

3.2 相关性分析

采用Pearson相关系数法分析菹草密度与水质指标的相关性。图6为菹草指数生长期和石芽生成期COD、TN和硝氮质量浓度与菹草密度的线性拟合结果。由图6可见，在菹草指数生长期和石芽生成期，水体COD质量浓度与菹草密度显著负相关(r=-0.68，P<0.05)，TN质量浓度与菹草密度显著负相关(r=-0.74，P<0.01)，硝氮质量浓度与菹草密度显著负相关(r=-0.78，P<0.01)；pH、DO、ORP、TP、TN质量浓度与菹草密度的相关性不显著(P>0.05)，相关系数分别为0.37、-0.11、-0.57、-0.01、0.39。

(a)COD

(b)TN

(c)硝氮

3.3 最优密度

由于研究的水质指标较多，利用基于鱼群算法优化的指数公式[23]对各采样点进行水质综合评价，将水质综合评价结果与菹草密度建立联系，从而得到最优密度。水质评价公式为

(1)

其中

式中：IWQ为水质综合指数；n为参与评价的指标个数；Ii为单指标i的营养状态分指数；ci为指标i的质量浓度值；cia为指标i的评价标准。参与评价的指标为DO、COD、TN、TP和氨氮，评价结果见表3。

表3 水质评价结果

IWQ值越低表示水质越好。在石芽生成期，通过菹草对水质的净化，菹草密集区IWQ值低于菹草稀疏区，其中G点最低，而E点次之。在菹草衰亡时，有草区IWQ值普遍升高，其中E点最低。根据以上分析，E点的菹草在衰亡时对水质危害最小，在生长过程中又具有较好的净化水质效果。指数生长期菹草密度大，且石芽尚未成熟，是菹草收割的最佳时段，确定该生长阶段的菹草密度最具有实际意义。因此指数生长期E点的菹草密度，即83.75 g/m3为最优密度，该时段及时将菹草收割至最优密度，有利于保障骆马湖良好的水质状态。

4 结 论

a. 在指数生长期和石芽生成期，菹草的生长使骆马湖水体pH、ORP值和DO质量浓度升高，COD、TN、TP质量浓度降低。各采样点水体中的氮以硝氮为主，菹草直接吸收水体中的硝氮，而对氨氮的去除则为间接作用。当菹草衰亡时，水体中COD质量浓度升高，而pH、ORP值和DO质量浓度则降低；同时菹草腐烂释放氨氮，消耗DO，促进了微生物反硝化，抑制了硝化反应，导致水体TN与硝氮浓度降低；氨氮浓度升高，成为氮的主要存在形态。菹草腐烂还向水体中释放出磷，导致有草区水体TP质量浓度升高。

b. 菹草密度是影响水体各形态氮浓度的重要因素。在菹草生长过程中，水体TN和硝氮质量浓度与菹草密度显著负相关(P<0.01)。在植株衰亡期，与菹草稀疏区相比，菹草密集区TN和硝氮质量浓度更低，而氨氮质量浓度更高。通过水质综合评价发现，指数生长期菹草密度为83.75 g/m3时，既能有效发挥生长期净水作用，又将衰亡期的危害最小化，是骆马湖中最优的菹草密度。该时段及时将菹草收割至最优密度，十分有利于保障骆马湖良好的水质状态。