水生植物恢复对宛山荡水质及水体微生物代谢功能多样性的影响

汪 欣，何尚卫，潘继征，李 勇，张国正，应炎杰

(1.苏州科技大学环境科学与工程学院,江苏 苏州 215011；2.江苏省环境科学与工程重点实验室，江苏 苏州 215011；3.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,江苏 南京 210008；4.中国科学院大学,北京 100049)

太湖流域是长三角的核心区域，流域内湖荡湿地密布。湖荡湿地是河-湖水系联接的关键节点，对太湖流域的污染物拦截、水质净化和太湖生态系统的健康维护具有重要作用[1]。伴随着太湖流域城市化和工业化进程，大量污染物被排入湖荡湿地，严重影响了湖荡湿地的水资源利用及功能发挥。水生植物是湖泊生态系统的重要组成部分，具有显著的初级生产功能和环境生态功能[2]。研究表明，水生植物可以抑制沉积物再悬浮，与藻类争夺营养物质并分泌化感物质，进而控制浮游植物的过度生长，改善水质并提高水体透明度[3-4]，从而维持湖泊的清水稳态和物种多样性[5-7]。因此，恢复湖荡中的水生植物群落系统并构建良性循环的水生生态系统，成为浅水湖泊、湖荡湿地修复的重要目标。

宛山荡位于望虞河以西，形态狭长，是典型的湖荡湿地，也是太湖流域“引江济太”调水工程的骨干流域之一。宛山荡通过盛塘河、廊下港、九里河等周边水系接纳上游水体，水流经嘉菱荡、鹅真荡和望虞河汇入太湖，对太湖及其周围水系有着较大的影响。在秋冬季引水时会导致宛山荡水体往复流动，这极大地影响了湖荡沉水植物的越冬及复苏。生态修复工程实施前对宛山荡实地调查发现，宛山荡中沉水植物零星分布于湖中，覆盖度不足1%，亟需恢复水生植物群落。另外，宛山荡西北部水深较浅，普遍在0.5～1.8 m，适合水生植物的恢复；东南部水深较深，普遍在1.5～4.0 m，可供水生植物生长的水深范围相对狭窄。基于此背景，于2019年3月在宛山荡西北部开展生态修复示范工程。该研究从生态修复工程实施后的水生植物、水质变化和水体微生物代谢功能多样性这3个方面进行分析，论述水生植物恢复对宛山荡示范区的水环境改善效果，以期为湖荡湿地和类似湖泊的水质改善和富营养化治理提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

生态修复示范工程位于宛山荡西北部湖区(图1)，总建设面积为15 800 m2，平均水深为0.9 m，水体流速约为0.05 m·s-1。工程实施前，宛山荡西北部湖区水体TN、TP、NH4+-N和CODMn年平均质量浓度分别为(2.69±0.89)、(0.34±0.13)、(0.84±0.41)和(11.34±2.07)mg·L-1，叶绿素(Chl-a)年平均质量浓度为(59.97±28.17)μg·L-1，透明度(SD)仅为(0.26±0.06)m，水体处于重度富营养化状态。

1.2 水生植物恢复工程措施

工程实施期间进行地形重塑并建立生态缓冲带，随后建立“挺水-浮叶-沉水”立体式水生植物群落系统(图1)。地形重塑是利用挖掘机在示范区内取土，将土在岸边修筑水下缓坡平台并夯实基底表面，抬高示范区部分基底，使新建的缓坡平台距离常水位0.2～0.5 m。通过对地形的改造，营造良好的生境条件，构建多样化的底质环境，为不同水生植物提供适宜的生长环境。地形重塑为原位工程措施，未对湖区底泥进行外运处理，因而大大降低了工程费用。

生态缓冲带为两道围网，围网间隔5 m，镀锌钢管桩固定。在生态缓冲带中种植浮叶植物荇菜、菱角、水鳖及部分沉水植物穗状狐尾藻和金鱼藻等。一方面可以拦截其他湖区污染物如腐烂分解的水生植物和垃圾等，另一方面能减少调水期间宛山荡对示范区水生植物的冲刷，抑制风浪对示范区底泥的扰动和再悬浮，从而提高水体的透明度，促进沉水植物生长发育。

在地形重塑后，于2019年4月在示范区内构建水生植物群落系统，主要包括：(1)挺水植物恢复区，以芦苇、水莎草、美人蕉和花菖蒲等为主；(2)浮叶植物恢复区，以荇菜、菱角、水鳖等为主；(3)沉水植物恢复区，以穗状狐尾藻、金鱼藻、菹草和苦草等为主。

将西北部湖区分为示范区(水生植物恢复区域)、敞水区(往来船只较多，水生植物生长受到干扰)和对照区(未修复区域)，这3个区域水体互相连通。通过对比3个区域水生植物及水质的差异，研究恢复水生植物对水质的改善效果以及对水体微生物代谢功能多样性的影响。

1.3 样品采集与分析

1.3.1水生植物物种多样性调查及分析方法

分别于2019年11月、2020年1月、2020年4月和2020年7月对宛山荡西北湖区水生植物种类和盖度进行季度调查。每个采样点设3个样方(挺水植物为1 m×1 m；沉水植物为0.2 m×0.2 m)，共30个样方。利用船只沿水生植物分布区外围行驶，用GPS定位，确定其分布范围，计算水生植物盖度。选用Shannon-Wiener指数(H)和Simpson指数(D)对宛山荡西北湖区水生植物物种多样性特征进行分析。

1.3.2水体样品采集及分析方法

于2019年8月—2020年8月(2020年2月、3月因疫情原因未进行测定)对宛山荡西北湖区水质进行月度监测，每个区域布设3个采样点。透明度(SD)采用20 cm塞氏盘进行测定，同时采集表层0.5 m以下水样1 L置于保温箱中保存，水样立即带回实验室进行总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、叶绿素(Chl-a)和高锰酸盐指数(CODMn)测定，测定方法参照文献[8]。

1.3.3水体微生物功能多样性分析

采用Biolog-ECO微平板对夏季(7月)3个不同区域水体微生物功能多样性进行分析[9-10]。利用平均颜色变化率(AWCD)来评价水体微生物群落的碳源利用能力，其值越高表明水体微生物群落的代谢活性越强[11]。对培养72 h(对数增长期)的平均颜色变化率进行微生物群落功能多样性指数计算[12]。多样性指数包括Shannon-Wiener指数(H)、Simpson指数(D)、McIntosh指数(U)和Pielou指数(J)[13-14]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2019和Origin 9.0软件进行数据处理和图形绘制。采用SPSS 20.0软件进行数据差异性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 生态修复后水生植物种类、盖度及多样性的变化

生态修复后，水生植物分布种类、覆盖度和物种多样性都发生了明显的变化。示范区、敞水区和对照区共有水生植物16种，隶属于13科14属(表1)。

表1 生态修复后不同区域水生植物分布Table 1 Distribution of aquatic plants in different areas after ecological restoration

其中挺水植物7种，沉水植物5种，浮叶植物4种。示范区分布有水生植被16种，隶属于13科14属；敞水区分布有水生植被8种，隶属于8科7属；对照区分布有水生植被11种，隶属于11科11属。芦苇(Phragmitescommunis)、高秆莎草(Cyperusexaltatus)、空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)、穗状狐尾藻(Myriophyllumspicatum)、菱角(Trapajaponica)、水鳖(Hydrocharisdubia)和凤眼莲(Eichhorniacrassipes)是3个水域的共有种。苦草(Vallisnerianatans)、菹草(Potamogetoncrispus)、马来眼子菜(Potamogetonperfoliatus)和荇菜(Nymphoidespeltatum)是示范区的特有种。

不同区域水生植物盖度也呈现出显著差异(图2)，据调查，2019年11月、2020年1月、2020年4月和2020年7月示范区水生植物盖度分别为55%、53%、63%和65%，其中沉水植物盖度分别为37%、43%、49%和49%，对照区和敞水区水生植物盖度显著低于示范区，其中沉水植物盖度均不足1%。示范区水生植物优势种各季节存在差异，春季(2020年4月)优势种为菹草、苦草和金鱼藻，盖度分别为19%、15%和8%；夏季(2020年7月)优势种为苦草、金鱼藻和狐尾藻，盖度分别为23%、11%和10%；秋季(2019年11月)优势种为水鳖、菹草和苦草，盖度分别为13%、13%和12%；冬季(2020年1月)优势种为菹草、苦草和金鱼藻，盖度分别为14%、13%和8.2%，表明沉水植物苦草和菹草为示范区主要的优势植物(图2)。

从水生植物物种多样性指数来看，示范区、敞水区和对照区Shannon-Wiener指数分别为3.46±0.15、1.53±0.24和1.61±0.30，Simpson指数分别为0.89±0.02、0.49±0.08和0.51±0.10，均表现为示范区>对照区>敞水区。综上可见，生态修复工程不仅增加了示范区水生植物种类和盖度，而且提高了水生植物的多样性，其中沉水植物尤为明显。

2.2 水生植物恢复对水质的影响

宛山荡西北湖区主要水质指标周年变化如表2所示。可以看出，宛山荡西北湖区水体透明度周年变化趋势一致，春季和冬季高，夏季和秋季低。与敞水区和对照区相比，示范区水体透明度改善效果明显。示范区春、夏、秋、冬季平均透明度分别为(0.52±0.02)、(0.36±0.05)、(0.40±0.04)和(0.59±0.01)m，比敞水区分别提高13%、20%、11%和11%，比对照区分别提高28%、35%、11%和20%。周年变化显示，示范区水体年平均透明度显著高于敞水区和对照区(P<0.05)，分别提高23%和30%。

宛山荡西北湖区TN浓度整体表现为夏季>秋季>冬季>春季，但季节差异不显著；示范区水体TN年平均浓度为(1.27±0.46)mg·L-1，比敞水区和对照区分别降低32%和19%(P<0.05)，达到了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅳ类标准。示范区水体NH4+-N冬季改善效果高于其他3季；周年结果还显示，NH4+-N年平均质量浓度为(0.28±0.17)mg·L-1，比敞水区和对照区分别显著降低28%和32%(P<0.05)，达到了地表水Ⅱ类标准。水生植物恢复对水体中TP浓度改善效果明显且呈显著的季节差异，春、夏季高于秋、冬季；TP年平均质量浓度为(0.18±0.04)mg·L-1，比敞水区和对照区分别降低28%和31%(P<0.05)，达到了地表水Ⅴ类标准。

生态修复初期(2019年8月)，宛山荡西北湖区水体Chl-a和CODMn浓度较高，随着示范区水生植物的生长和定植，Chl-a浓度和CODMn在短期内明显降低。从周年变化来看，水体中Chl-a年平均质量浓度表现为对照区>示范区>敞水区，但差异不显著(P>0.05)。示范区水体中CODMn年平均质量浓度为(6.04±0.98)mg·L-1，略低于敞水区和对照区(P>0.05)。

在生态系统构建后1 a内宛山荡西北湖区水质波动较大，这与开闸放水(2019年11月)和连续暴雨(2020年7月)等极端条件有关，如在连续暴雨时水位短期大幅升高超过1 m，大量外源污染物被冲刷进入湖区，严重影响了宛山荡西北湖区水质和生境质量。图3还表明，极端条件下示范区水质仍好于敞水区和对照区，说明示范区水体自净能力更强。总体而言，水生植物恢复对示范区透明度和氮、磷营养盐改善效果明显，达到了提升过水性湖荡生境质量的目的。

2.3 水生植物恢复对水体微生物代谢功能多样性的影响

水体微生物对碳源总量和不同类型碳源的利用均存在显著的季节差异[15]。利用Biolog技术，在微生物碳源利用较高的夏季，对宛山荡西北部湖区水体微生物群落代谢活性和能力进行测定和分析(图3)。结果表明，在培养0～24 h内，各水体的颜色平均变化率(AWCD值)均处于代谢延迟期，24～120 h为对数生长期，120 h后为代谢稳定期，说明上覆水体微生物群落在24～120 h培养时间内代谢活性最强。另外，AWCD分析结果显示，在培养24～96 h内，示范区水体微生物群落的代谢活性显著高于敞水区和对照区(P<0.05)，但培养120 h后，3个区域水体无显著差异(P>0.05)；培养48～72 h，敞水区水体的代谢活性显著高于对照区(P<0.05)；培养72 h后，敞水区和对照区水体微生物群落代谢活性差异不显著(P>0.05)。AWCD总体变化趋势为示范区>敞水区>对照区，说明示范区上覆水体微生物群落具有较强的代谢能力。

Biolog-Eco板中31种不同的碳基质可分为碳水化合物、氨基酸、羧酸、多聚物、酚酸和胺6大类[16-18]。比较发现，示范区水体微生物对碳源的利用能力由高到低依次为胺类、羧酸类、氨基酸类、酚酸类、多聚物类和碳水化合物；敞水区对碳源的利用能力由高到低依次为酚酸类、氨基酸类、多聚物类、羧酸类、胺类和碳水化合物；而对照区对碳源的利用能力由高到低依次为多聚物类、氨基酸类、碳水化合物类、胺类、羧酸类和酚酸类(图4)。示范区、敞水区和对照区水体中的微生物对碳源利用能力有差异，反映出不同湖区水体微生物群落的不同功能代谢特征，是不同湖区水体微生物群落演替的结果。另外，示范区水体微生物群落对六大类碳源利用能力显著高于对照区(P<0.05)，对碳水化合物、羧酸类、多聚物类和胺类这四大类碳源的利用能力显著高于敞水区(P<0.05)，说明示范区内水体微生物群落对碳水化合物、羧酸类、多聚物类和胺类碳源的利用能力更高，具有更强的代谢活性。

微生物群落多样性指数是反映物种丰富度和均匀度的综合指标，其变化能够准确反映群落功能多样性总体的动态变化[15]。通过水体微生物群落功能多样性分析(表3)发现，示范区内外水体Shannon-Wiener指数和Pielou指数无显著差异(P>0.05)，而Simpson优势度指数和McIntosh多样性指数均显著高于敞水区和对照区(P<0.05)。说明恢复水生植物改变了示范区水体对某一些碳源的利用喜好和利用程度，这与AWCD 值结果相对应。

表3 不同区域水体微生物功能多样性Table 3 The functional diversities of water microorganisms in different areas

对示范区、敞水区和对照区水体微生物72 h各类碳源AWCD值进行主成分分析，前7个主成分的初始特征值大于1，累计方差贡献率为97.6%。其中第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)的累计贡献率为52.4%，可以反映水体微生物群落代谢的基本情况。由图5可以看出，示范区位于第1、4象限，敞水区位于第3象限，对照区位于第2象限，分布相对分散，说明不同区域水体微生物群落代谢功能存在显著差异。

3 讨论

生态修复前，因附近设有闸控且水体流通缓慢，示范区积累了大量的氮磷营养盐，水体透明度仅为(0.26±0.06)m。经过1 a的运行，示范区沉水植物成功定植，实现了水生植物季节演替，这改善了示范区水体透明度和氮、磷营养盐浓度，达到了提升湖荡湿地生境质量的目的。

水体中悬浮颗粒物、Chl-a和可溶性有机质是影响透明度的主要因素[19]。示范区水体透明度的提高一方面是因为生态缓冲带抑制了风浪对示范区底泥的扰动和再悬浮，另一方面是地形重塑促进了沉水植物的定植存活，进而减少底泥悬浮，有效改善水质感官效果[20]。示范区、敞水区和对照区的藻生物量无显著差异，且在长江中下游水体中可溶性有机质对水体透明度的影响极小[21]，因此示范区水体透明度的提高主要是悬浮颗粒物浓度降低所致。秋季受开闸放水和夏季受连续暴雨天气的影响，水位短期内升高超过1 m，沉水植物生长受到限制，外加夏季暴雨对底泥的冲刷，导致悬浮物上浮，因此宛山荡西北湖区在夏秋季出现透明度突然下降的现象。

示范区水质净化效果与水生植物生物量和多样性密切相关，水生植物可以通过根、茎、叶直接吸收水体中的氮、磷营养盐。构建的“挺水-浮叶-沉水”立体式水生植物群落系统在示范区上下立体空间生长，一方面增加了等面积水域的生物量，有利于微生物在水生植物表面附着，促进硝化反硝化作用，提高净化效果[22-24]。另一方面增加了水生植物的物种多样性，可以提高水体对污染物的不同处理能力，有利于实现水体的完全或半完全自我循环，从而提高污染物的净化效率，净化效果更稳定[24-25]。生态修复后，示范区水生植物实现季节演替。春季菹草处于生长旺盛期，盖度和生物量达到最大，金鱼藻、穗花狐尾藻、苦草、水鳖、菱角等水生植物开始生长，因此春季示范区水质改善效果最佳；夏季虽然金鱼藻、穗花狐尾藻、水鳖和苦草进入快速生长期，但是菹草开始衰亡，外加连续暴雨将大量外源污染物冲刷进入湖体，因此宛山荡西北湖区整体水质较差，示范区水体对氮磷营养盐的去除能力较低；秋季菹草开始萌发并进入快速生长期，水鳖和菱角等开始衰亡，水生植物总盖度达65%，对示范区水体有一定的改善效果；冬季水生植物开始缓慢生长甚至处于休眠状态，对水质改善效果不佳。

水生植物不仅与藻类竞争营养盐，而且对藻类的生长起到光抑制和化感作用。沉水植物盖度大幅度增加，进一步提高了化感作用和食物链的下行效应压力，抑制藻类生长。研究表明，当浅水湖泊沉水植物盖度大于30%时，沉水植物可抑制浮游植物的生长，使水体长期维持清水态[26]。但1 a结果显示，示范区和敞水区的藻生物量没有显著差异，一方面敞水区水流较示范区大，不利于藻类生长；而示范区相对封闭，有利于藻类生长[27-28]。另一方面在风向的作用下，临近敞水区的藻类在风作用下飘进示范区，而封闭的示范区内的藻类较难迁移至临近敞水区，这种现象在滆湖北部湖区修复过程中也出现过[21]。

CODMn改善效果不明显，主要是因为示范区水生植物季节演替过程中，水生植物残体腐烂，分解易降解半纤维素，被迅速去除，剩下部分难降解的纤维素和木质素较为稳定，存在于水体中。在易降解有机质被迅速去除过程中，水体中的微生物群落发生变化，改变对不同种类的有机物的代谢能力。示范区沉水植物菹草在夏季大量死亡被分解，同时较多的藻类死亡也会释放出大量易降解有机质，两者共同存在时将显著影响水体中微生物群落的代谢功能。图5显示，夏季示范区和对照区水体微生物群落呈现出显著的功能化差异，微生物群落分化趋势明显。在秋冬季节，示范区的菱角和水鳖等浮叶植物也会死亡，这将进一步分化不同区域之间的微生物群落组成，导致不同区域水体中有机质组成的差异，如亲疏水性、分子结构等，这也将进一步改变水体和底泥中有毒难降解有机物的去除途径(如光解、微生物共代谢等)，但这种信息并不能被综合性指标如CODMn捕捉到。

微生物是湖泊生态系统的重要一环，它的结构和功能会随着环境条件的改变而迅速发生改变，这种变化可能会先于大型动植物，并对生态系统产生持续的影响，是水环境变化和演替的重要标志[16,29]。示范区水生植物物种多样性和盖度的增加在为微生物群落营造多样生存环境的同时也为水体中微生物提供了充足的养分，这大大提高了水体代谢功能活性。另外，夏季示范区大量的沉水植物菹草和较多的藻类死亡分解释放出大量易降解有机质，这些物质被迅速去除，促使水体中微生物群落结构发生改变，对碳源的喜好和利用程度也随之产生变化。示范区夏季水体微生物群落对碳水化合物、羧酸类、多聚物类和胺类这4类碳源的利用能力显著增加，表明示范区水生植物根系和植物残体均为水体微生物提供了大量碳源物质，从而加快与这4类碳源利用类型相对应的微生物生长和繁殖，这也在一定程度上提高了水体微生物代谢能力。微生物群落多样性指数和主成分分析表明，夏季示范区和对照区水体微生物群落呈现出显著的功能化差异，微生物群落分化趋势明显。综上所述，水生植物的恢复影响水体中微生物群落对碳源的响应和利用，提高了示范区水体微生物代谢活性，提升了湖荡区域水体自净能力。

4 结论

宛山荡西北湖区水生植物恢复示范工程水质改善效果明显，达到了提升湖荡湿地生境质量的目的，为湖荡湿地和类似湖泊的生态修复积累了一定的工程经验。经过1 a的运行，水生植物成功定植并随季节变化发生演替，示范区水生植物种类、盖度和物种多样性均显著高于敞水区和对照区，其中沉水植物盖度达37%～49%，沉水植物苦草和菹草为示范区主要的优势植物。这不仅改善了水体透明度，而且提高了水体对氮磷营养盐的去除效率。示范区水体透明度和TN、NH4+-N、TP浓度比敞水区分别提高23%、32%、28%和28%，比对照区分别提高30%、19%、32%和31%。但水生植物的生长对Chl-a和CODMn的改善效果不明显，这和示范区特殊的地理位置、水文条件以及管理方式等因素有关。从微生态的角度来看，水生植物恢复后水体微生物对碳水化合物、羧酸类、多聚物类和胺类碳源的利用程度提高，微生物代谢活性增强，湖荡区水体自净能力显著提升。但是对于示范区水生植物季节演替过程水质变化和微生物群落代谢功能差异的影响因素尚不明确，有待进一步研究。