衡水湖叶绿素a含量变化及其与挺水植物的相关性

魏淑珍，李 辉，刘建晓

衡水湖叶绿素a含量变化及其与挺水植物的相关性

魏淑珍a，李 辉a，刘建晓b

（衡水学院 a. 湿地保护与研究中心；b. 电子信息工程学院，河北 衡水 053000）

在衡水湖东湖设置了3个采样区，分别为S1香蒲区、S2芦苇区和S3荷花区。于2019年5—10月进行了水样采集。通过叶绿素a、总氮、总磷含量、根系活力的测定，叶绿素a含量与挺水植物密度及面积相关性研究结果显示：叶绿素a含量香蒲稀疏区＞香蒲密集区＞香蒲密度一般区；芦苇稀疏区＞芦苇密集区≈芦苇密度一般区；荷花稀疏区>荷花密度一般区>荷花密集区。植物面积大小与叶绿素a含量有关；面积较小，叶绿素a含量较高；在一定范围内，面积较大叶绿素a含量较低。叶绿素a含量与芦苇生长状况相关性结果表明，叶绿素a含量与芦苇生长状况呈负相关关系，与总氮、总磷含量均呈正相关关系。研究结果说明，挺水植物对浮游植物有抑制作用，植物根系活力高且植株密度、面积合适对浮游植物抑制作用较大。

叶绿素a；挺水植物；衡水湖；水质；根系活力

水生植物作为水生生态系统中的重要组成部分，在维持水生生态系统结构及功能完整性方面有着重要的作用[1]。浮游植物是淡水水体中靠光合作用自养的浮游类生物，是食物链中的初级生产者，对维持生态系统平衡起着重要作用。浮游植物与水环境之间的关系十分密切，对外界环境的变化响应迅速，其种类组成和空间分布能够在一定程度上反映水环境状况，水环境条件的改变也直接或间接影响到浮游植物个体、种群和群落，改变食物链正常的物质传递与能量流动，并进一步影响其他生物的生存[2]。叶绿素是浮游植物的重要成分，水体叶绿素a含量是检测浮游植物的重要指标，可表征浮游植物的生物量，是描述和划分水体营养状态和研究水域生境的重要指标，在水体富营养化状况评价中起到关键性作用，被广泛应用于水质的生物学评价。同时，浮游植物的种类、数量及其变化关系到水华的严重程度[3]。

随着中国经济社会的迅速发展，水污染和水体富营养化程度不断加剧，湖泊、水库经常面临水华暴发的危机，如太湖、滇池、洋河水库、武汉东湖等均发生了水华现象[4]。在对衡水湖的调查中发现，挺水植物的生态状况不同，其区域内浮游植物的叶绿素a含量不同，有时差距较大。进行衡水湖水体叶绿素a含量变化及其与挺水植物相关性研究，可为预防衡水湖水华现象的发生及水生态修复与保护提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 研究区域

衡水湖位于河北省衡水市境内，是华北平原上第一个国家级湿地自然保护区，并被纳入联合国教科文组织中国人与生物圈保护区网络。衡水湖地理位置在东经115°30′~115°40′，北纬37°33′~37°40′之间，衡水湖保护区面积163.65 km2，湖泊总面积75.0 km2。中湖大道将整个湖泊分为东、西两个湖区。东湖又被一条人工堤分为大库和冀州小库两部分，大库面积32.4 km2，小库面积10.1 km2。东湖常年蓄水，水源主要引自黄河，蓄水能力1.88亿m3，现有水域平均水深普遍在3 ~ 4 m，属浅水型湖泊；西湖面积32.5 km2，设计库容0.65亿m3。衡水湖挺水植物以芦苇群落、香蒲群落、莲群落等为主。

1.1.2 仪器

T9分光光度计（北京普析）、真空泵（好凯德，最大压力不超过300 kpa）、离心机（安亭）、抽滤器（瑞德仪器设备有限公司）、蔡氏滤器、玻璃纤维滤膜（0.45 um、盐城超宇）、组织研磨器（南京先欧）、离心管（15 mL具刻度和塞子）。

1.1.3 试剂

碳酸镁粉末、丙酮、过硫酸钾、钼酸铵等试剂均为分析纯。MgCO3悬液：l g MgCO3细粉悬于100 mL蒸馏水中。90 %的丙酮溶液：90份丙酮＋10份蒸馏水。

1.2 研究方法

1.2.1 采样点设置与采样时间

在衡水湖东湖设置了3个采样区，分别为S1香蒲区、S2芦苇区和S3荷花区，见图1。在每个区域设计6个采样点，分别为1号样点（面积小于300 m2的区域内取样）、2号样点（面积1 000 m2左右的区域内取样）、3号样点（面积大于3 000 m2的区域内取样）、4号样点（芦苇和香蒲植株稀疏区，10—15株/m2，荷花植株稀疏区1株/m2）、5号样点（芦苇和香蒲植株密集区，40—60株/m2，荷花植株密集区4—6株/m2）、6号样点（芦苇和香蒲植株密度一般，20—30株/m2，荷花植株密度一般2—3株/m2）。在此基础上，在芦苇区选择植株密度相近（密度一般）、生长状况不同的A样点（植株生长状况良好）、B样点（植株生长状况较差）。

采样时间为2019年5—10月，每月中旬取样监测一次。

图1 采样点分布图

1.2.2 样品采集与处理

使用2 L有机玻璃采水器，水样均在水体表层以下0.5 m处采集。每次采集水样500 mL。采集水样后带回实验室，测定叶绿素a（Chla）、总氮（TN）和总磷（TP）。芦苇根部组织的采集使用抓斗式底泥采集器，采集后带回实验室进行根系活力测定。

1.2.3 叶绿素a含量的测定

水样处理和叶绿素a的测定均依据《水和废水监测方法》（第四版）水样处理标准和初级生产力的测定[5]。

样品提取液中的叶绿素a质量浓度Ca为：

Ca（ug/L）＝11.64（OD663－OD750）－2.16（OD645－OD750）+0.1（OD630－OD750）

水样中叶绿素a含量为：叶绿素a（ug/L）＝Ca×v/（V×L）

Ca：样品提取液中叶绿素a质量浓度（ug/L），v：90％丙酮提取液体积（mL）

V：过滤水样的体积（L），L：比色杯宽度（cm）

1.2.4 总氮、总磷含量、芦苇根系活力的测定

TN、TP的分析方法分别采用过硫酸钾紫外分光光度法和钼酸铵分光光度法。根系活力的测定采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法。

1.2.5 数据处理与制图方法

MATLAB corrcoef函数法、Excel法。

2 结果

2.1 香蒲区叶绿素a含量的变化

香蒲密度和香蒲面积均影响衡水湖水体中叶绿素a的含量。如图2所示，叶绿素a含量香蒲稀疏区＞香蒲密集区＞香蒲密度一般区；7—9月份各样点叶绿素a含量普遍较高，7月达到最高。300 m2区域样点叶绿素a含量7月份达到10.2 ug/L，是5月份3 000 m2区域样点叶绿素a含量4.2 ug/L的2.43倍。9月份香蒲面积300 m2区域样点叶绿素a含量＞香蒲面积3 000 m2区域样点叶绿素a含量＞香蒲面积1 000 m2区域样点叶绿素a含量。

图2 香蒲区叶绿素a含量的变化

2.2 芦苇区叶绿素a含量的变化

芦苇区叶绿素a含量的变化见图3，叶绿素a含量芦苇稀疏区＞芦苇密集区≈芦苇密度一般区。芦苇面积300 m2区域样点叶绿素a含量＞芦苇面积1 000 m2区域样点叶绿素a含量＞芦苇面积3 000 m2区域样点叶绿素a含量。5月份叶绿素a含量较低，之后有升高趋势，8月、9月相差较小。300 m2区域样点叶绿素a含量8月份达到8.4 ug/L，是5月份芦苇密集区样点叶绿素a含量较低1.9 ug/L的4.42倍。

2.3 荷花区叶绿素a含量的变化

荷花分布密度对衡水湖水体中叶绿素a的影响结果大体为：荷花稀疏区>荷花密集区>荷花密度一般区，见图4。荷花面积300 m2区域样点叶绿素a含量＞荷花面积3 000 m2区域样点叶绿素a含量＞荷花面积1 000 m2区域样点叶绿素a含量。300 m2区域样点叶绿素a含量8月份达到8.3 ug/L，是5月份荷花面积3 000 m2区样点叶绿素a含量3.9 ug/L的2.13倍。

2.4 不同芦苇生长区根系活力的测定

不同芦苇生长区根系活力的测定（图5）表明，5月、8月、10月，A区芦苇生长区根系活力明显高于B区。5月最高，A区达到0.76 mg/（g·h），B区达到0.54 mg/（g·h）。

图4 荷花区叶绿素a含量的变化

图5 不同芦苇生长区的根系活力

2.5 不同芦苇生长区叶绿素a含量及与总氮、总磷的相关性

2.5.1 不同芦苇生长区叶绿素a含量

叶绿素a含量与芦苇生长状况（根系活力）有关，见图6。结果表明：根系活力较高的A区叶绿素a含量较低，根系活力较低的B区叶绿素a含量较高。

图6 A、B区叶绿素a含量的变化

2.5.2 芦苇A区叶绿素a含量与总氮、总磷的相关性

芦苇A区叶绿素a含量与总氮、总磷呈正相关性，结果如图7和图8所示。通过MATLAB中的corrcoef函数求得A区总氮、总磷与叶绿素a含量的相关系数分别为：0.669 3和0.735 0，即A区叶绿素含量a与总氮、总磷均显著相关。

2.5.3 芦苇B区叶绿素a含量与总氮、总磷的相关性

芦苇B区叶绿素a含量与总氮、总磷含量呈正相关性，结果如图9和图10所示。B区叶绿素a含量与总氮、总磷的相关系数分别为：0.838 5和0.498 9，即B区叶绿素a含量与总氮显著相关，与总磷实相关。

图7 芦苇A区叶绿素a与总氮的相关性

图8 芦苇A区叶绿素a与总磷的相关性

图9 芦苇B区叶绿素a与总氮的相关性

图10 芦苇B区叶绿素a与总磷的相关性

3 讨论与结论

挺水植物是水生植物中的一个重要组成部分。已有研究证明，挺水植物恢复不仅能显著降低湖泊底泥再悬浮及氮、磷释放量[6]，同时可以有效去除污染水体中的营养盐及重金属，而且能够释放活性物质对有害藻类产生化感抑制。因此，挺水植物在富营养化水体的“水华”防治中具有很高的利用价值。不同生态区植物吸收氮磷的能力和释放氮磷的情况不同，水体中总氮、总磷的含量不同，叶绿素a含量也不同。本研究结果表明，衡水湖5月芦苇区、香蒲区叶绿素a含量低于荷花区，可能与芦苇、香蒲的旺盛生长有关。衡水湖挺水植物芦苇、香蒲和荷花对浮游植物都有一定的抑制作用，而且与植株密度、面积和生长状况相关。叶绿素a含量与芦苇生长状况相关性结果表明，叶绿素a含量与芦苇生长状况呈负相关关系，与总氮、总磷含量均呈正相关关系。芦苇密度大、面积大与根系活力大时，对浮游植物的抑制明显，叶绿素a含量明显较低。B区芦苇根系活力较小，可能与引水水位过高有关。加强衡水湖科学引水及芦苇的修复非常重要。香蒲密度过大、过小或面积过大时叶绿素a含量明显较高，合适的密度与面积，香蒲对浮游植物的抑制明显，叶绿素a含量明显较低。9月叶绿素a含量明显高于其他月份，可能与香蒲的残体降解有关。目前，衡水湖因香蒲的面积占比较大，应及时科学收割，确保香蒲的合理密度，降低高温季节香蒲区残体腐烂并缓解高密度、大面积带来的溶氧低对环境的影响。荷花密度大时叶绿素a含量明显较低，可能与影响浮游植物的光合作用有关。荷花面积大时叶绿素a含量较合适面积低，与荷花自身吸收氮磷和释放氮磷的能力及环境中的氧含量有关，荷花的繁殖尽量控制在合适的面积范围内。

[1] 刘倩,李超,徐军,等.太湖流域湖荡湿地水生植物的分布特征[J].中国环境科学,2020,40(1):244-251.

[2] 吴京,赵志轩,陈晓燕.百家湖浮游植物种群结构及其富营养化状况[J].水电能源科学,2017,35(4):37-40,14.

[3] 高远,慈海鑫,亓树财,等.沂河4条支流浮游植物多样性季节动态与实质评价[J].环境科学研究,2009,22(2):176-180.

[4] 张良轶,韦进宝.武汉东湖的污染现状与可持续发展对策研究[J].武汉大学学报(自然科学版),1998,44(6):665-668.

[5] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法(第四版)[M].北京:中国环境科学出版社,2002:650-653.

[6] 胡小贞,刘倩,李英杰.滇池福保湾植被重建对底泥再悬浮及营养盐释放的控制[J].中国环境科学,2012,32(7): 1288-1292.

The Correlation of Changes of Chlorophyll a Content with Emergent Aquatic Plant in Hengshui Lake

WEI Shuzhena, LI Huia, LIU Jianxiaob

(a. Wetland Conservation and Research Center; b. College of Electronic Information Engineering, Hengshui University, Hengshui, Hebei 053000, China)

There are three sampling areas in East Lake of Hengshui Lake, which are S1 cattail area, S2 reed area and S3 lotus area. Water samples were collected from May to October 2019. Through the determination of chlorophyll a, total nitrogen, total phosphorus content and root activity, the correlation between chlorophyll a content and density and area of emergent plants showed that: chlorophyll a content in cattail sparse area ＞ cattail dense area ＞ cattail general dense area; reed sparse area ＞ reed dense area ≈ reed general dense area; lotus sparse area ＞ lotus general dense area ＞ lotus dense area. The size of plant area is related to the content of chlorophyll a. The area is smaller, and the content of chlorophyll a is higher. In a certain range, the content of chlorophyll a is lower when the area is larger. The results showed that the content of chlorophyll a was negatively correlated with the growth of reed, and positively correlated with the content of total nitrogen and total phosphorus. The results showed that the emergent plants had inhibitory effect on phytoplankton, and the high root activity and the suitable plant density and area had a greater inhibitory effect on phytoplankton.

Chlorophyll a; emergent aquatic plant; Hengshui Lake; water quality; root vigor

10.3969/j.issn.1673-2065.2020.04.001

魏淑珍（1966－），女，河北武邑人，教授；

李 辉（1984－），女，河北故城人，实验师。

衡水学院湿地保护与研究中心项目资助（SD2019-1）

X524

A

1673-2065(2020)04-0001-06

2020-05-06

（责任编校：李建明 英文校对：李玉玲）