张萌+李雄清+邹新+周慜+刘足根

摘要：沉水植物因其完全水生的特点使得其在水生植物各生活型中对环境胁迫的反应最为敏感，它的存在对水域生态系统中的结构和功能的稳定性起着支撑作用。因此，沉水植物对于生态修复中水生植物群落的构建起着关键作用。通过室内人工栽培的模拟试验，研究不同种植密度下中国典型沉水植物耐污种金鱼藻（Ceratophyllum demersum L）和穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum L）对氮、磷营养盐的去除能力，并筛选最优定植密度。结果表明，金鱼藻种植密度为4.0 g/L时，对总氮（TN）、总磷（TP）去除率最高，分别达86.78%和91.82%；穗花狐尾藻种植密度为2.0 g/L和4.0 g/L时，对总氮、总磷去除率最高，分别达91.60%和92.10%。通过氮磷去除率-密度的非线性拟合模型，金鱼藻和穗花狐尾藻的最优种植密度分别为4.5～5.0 g/L和3.0 g/L。基于成本-效率均衡考虑，最终确定了两种沉水植物的单一种植最优密度为3.0 g/L。

关键词：富营养化；沉水植物耐污种；最优种植密度；金鱼藻（Ceratophyllum demersum L）；穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum L）；模拟试验

中图分类号：X171.4；X524 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）20-5218-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.20.014

Abstract： Because of its completely aquatic characteristics， which makes submerged plant all life forms in aquatic plant responses to environmental stresses in the most sensitive. And submerged plants exists of water ecological system plays a supporting role in the structure and function of the stability. Therefore， the submerged plant plays a key role for the construction of ecological restoration of aquatic plant community. Through indoor simulation test of artificial cultivation，2 pioneer tolerant submersed macrophytes（Ceratophyllum demersum L and Myriophyllum spicatum L） were chosen and 5 planting densities （0～4.0 g/L） were set in the experiments. Removal capacity of nitrogen and phosphorus were determined and calculated. The results showed that in C. demersum and at the plant density of 4.0 g/L，the removal rates of TN and TP in eutrophic water were both the maximum（86.78% and 91.82%， respectively）； In M. spicatum，the removal rates of TN and TP in eutrophic water were the maximum （91.60% and 92.10%） at the plant density of 2.0 g/L and 4.0 g/L，respectively. The optimum planting densities of C. demersum and M. spicatum were 4.0～4.5 g/L and 3.0 g/L， respectively，through the nonlinear fitting models of removal rate of TN or TP plant density. Based on the cost-efficiency tradeoff and traits of two plants，the optimum planting density of the two submerged plants was suggested at 3.0 g/L.

Key words： eutrophic； tolerant submersed macrophytes； optimal plant density； Ceratopedhyllum demersum L； Myriophyllum spicatum L； simulation experiment

作為水生态系统中重要初级生产者，沉水植物在水生生态系统中的重要生态功能广受认同[1，2]，该类群能起到维持湖泊清水稳态与改善水质的关键作用，因此沉水植物应用于水体生态修复受到国内外普遍青睐[3-7]。大量研究表明，沉水植物生态恢复可显著改善富营养化水体水质、综合性修复受损水生态系统、施工方便、破坏性小、治理成本低廉[3-8]，面对中国众多富营养化湖泊、水库、池塘、浅水河流、门前屋后水塘亟待治理的巨大需求，其应用前景极为广阔。

然而，在沉水植物生态修复过程中，种植密度过大，不仅面临种质资源的不足，而且因种群间竞争激烈、水下光照条件受到限制，致使种群长势不佳，修复效果往往较差；在工程实践中，沉水植物密度过大时还需适时收割，才能显著降低湖泊营养负荷，并防止二次污染[8，9]。当种植密度稀疏时，植物的种间竞争或牧食作用能极大影响沉水植物的生长和恢复[8，9]。由此可见，在利用沉水植物进行生态修复时，合理的种植密度对修复成败、效果及提高投资性价比均具显著影响。

目前，对沉水植物种植的最优密度研究仍鲜有深入报道，不同物种和水质情况采用何种密度更优成为困扰水体生态恢复工程研究中的一大因素。本研究通过微系统人工模拟试验方法，研究不同种植密度下的沉水植物生物量累积速率、株长变化规律以及对氮、磷营养盐的去除能力，来确定沉水植物在修复富营养化水体时最优种植初始密度，为工程实践及深入研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 植物材料的筛选

以优先选取长江中下游乡土常见种、拒绝入侵种以防次生灾害的原则，筛选出两种对氮、磷营养盐具有较强耐受性、较好去除能力且在修复富营养化水体中常见的物种作为本研究中的沉水植物先锋种。

1.1.1 金鱼藻（Ceratophyllum demersum L） 金鱼藻属金鱼藻科，为多年生沉水性水生植物，以营养繁殖为主，春、夏至秋季生长，属于强分支能力的高体型植物[10]，且为多裂叶型（Dissected-leaf）植物。在中国长江中下游流域的湖泊及江西境内均有广泛分布[11-13]。金鱼藻作为沉水植被中对水生态修复的先锋物种，有较强的净化水质的能力且可分离再利用[14]，在武漢东湖、江苏太湖等湖泊原位修复中消减水体氮磷效果良好，春、夏两季对总磷（TP）去除率分别可达91.75%和92.44%[15，16]，且能改善水质观感、克藻效应明显[7，14，16，17]。

1.1.2 穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum L） 穗花狐尾藻属小二仙草科，为多年生沉水性双子叶植物，多裂叶型，春季生长，在夏季生物量达到最大[10]。中国狐尾藻属植物常见有4～5种，穗花狐尾藻在长江中下游流域均有广泛的分布[11-13]。穗花狐尾藻具有较低的CO2补偿点和对pH较高的耐受能力（pH>9），去除水体中N、P的作用明显，对总氮（TN）、总磷去除率分别可达90.50%和88.00%，且克藻效应明显[18-20]。

1.2 植物材料采集

金鱼藻和穗花狐尾藻取自南昌玉带河上游。在采回的植物样中，选用生长状态良好且性状基本统一的成熟植株顶端，用自来水洗净，在自来水中预培养10 d后进行氮磷去除试验，以使植物适应新的环境。

1.3 供试水体

根据国家环境保护总局发布的2011年中国环境状况公报，中国出现富营养化的湖泊（库）水质大部分在Ⅳ～Ⅴ类，供试水体是依据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），使用硝酸钾和磷酸二氢钾进行氮、磷浓度的配制，初始指标为TN=1.619 0 mg/L、TP=0.709 0 mg/L，处于Ⅴ类水质。因此本研究的供试水体最终确定为Ⅴ类水质。配制水体为自来水，水体中TP浓度为0.007 7 mg/L，TN浓度为0.449 0 mg/L。

1.4 试验方法

试验体系供试水体为45 L的富营养化水，石英砂（均长6.923 mm，宽5.653 mm，重0.226 g/粒）作为植物固定基质，两种植物初始长度为20 cm，枝条均一，试验期间尽可能保证其采光、通风条件的一致性。本次试验金鱼藻和穗花狐尾藻均设置5个种植密度梯度处理，分别为0、0.5、1.0、2.0、4.0 g/L，即金鱼藻种植的生物量分别为0、22.5±2.5、45.0±3.6、90.0±1.8、180.0±4.5 g，穗花狐尾藻种植的生物量分别为0、22.5±3.8、45.0±2.6、90.0±5.5、180.0±4.1 g。每个密度处理设置3个重复，随机设计，试验共使用30个内表面光滑的塑料箱（长×宽×深：47.5 cm×35.0 cm×28.0 cm）。试验期间通过加去离子水来补充蒸发和植物蒸腾所耗的水分。试验周期为18 d（7月8～25日，气温25～37 ℃，光照充足），每6 d检测一次水样。试验结束后，称取各个处理组植物鲜重，同时量取植物的长度和茎的直径。

1.5 分析方法

水质指标测定参照水和废水监测分析方法（第四版），总氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，总磷采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定。

试验结束后，植物样品先用自来水冲洗干净，再用吸水纸将植物表面的水吸干净，随后称取植物鲜重。用直尺和数显游标卡尺测量植物的株长和茎径。

1.6 数据处理及有关计算方法

数据采用SPSS 17.0、Excel2003统计分析软件进行数据处理与统计分析，采用Tukey HSD检验显著性差异，氮磷去除率随时间的动态波动关系采用Tablecurve 2D软件进行非线性方程拟合。

去除率=（C0-Ci）/C0×100%

其中，C0为初始水体中污染物的浓度，Ci为水体中污染物的浓度；

植物相对生长速率（RGR）=t-1ln（W2/W1）

其中，W1为试验前植物干重，W2为试验后植物干重，t为试验天数；

植物长度相对生长速率=t-1ln（L2/L1）

其中，L1为试验前植物株长，L2为试验后植物株长，t为试验天数。

2 结果与分析

2.1 不同种植密度下金鱼藻和穗花狐尾藻的生长状态

处理18 d后，不同种植密度下金鱼藻和穗花狐尾藻生长状况均良好。穗花狐尾藻可迅速适应高营养环境，在种植密度为1.0 g/L时，其生物量由45±2.6 g增加至112.0±14.8 g（图1），RGR达到（0.051±0.007）/d，增长幅度为所有试验组中最高。金鱼藻生物量RGR最高达到（0.035±0.014）/d，其对应种植密度为0.5 g/L。由此推断，在种植密度较小时，沉水植物所需的营养充足，且可利用的生长空间相对较大，故利于生物量的累积。

对不同种植密度处理18 d后的金鱼藻和穗花狐尾藻生长性状进行比较发现，穗花狐尾藻株长均大于金鱼藻，尤其是低密度处理组差异更大（图2），表明穗花狐尾藻相同处理条件下茎干伸长速度较金鱼藻快，且种植密度1.0 g/L及以下条件时伸长速度相对更快。处理18 d后，两物种的生物量仅在种植密度为1.0 g/L时具有显著性差异（P<0.05）；金鱼藻和穗花狐尾藻的株长在种植密度为0.5 g/L和1.0 g/L时具有显著性差异（P<0.05），其他种植密度无显著性差异（图2，P>0.05）；金鱼藻与穗花狐尾藻的茎径长在4个处理组间均呈显著性差异（图3，P<0.05）。

不同密度处理下生长状态比较发现，在处理期间，金鱼藻和穗花狐尾藻生物量，除金鱼藻在0.5 g/L和1.0 g/L处理组间、穗花狐尾藻在1.0 g/L和2.0 g/L处理组间无显著性差异外，均随处理密度增加而显著增大（P<0.05），在增加幅度上仅金鱼藻随处理密度增加而增大，穗花狐尾藻则在处理密度1.0 g/L时生物量增加幅度最大，其他处理组增幅相对较小；金鱼藻的株长随处理密度增加而增加，且种植密度≥2.0 g/L处理下其株长显著增加（P<0.05），而种植密度≤1.0 g/L处理下增幅较小（P>0.05）；穗花狐尾藻的株长随处理密度增加而微幅增加（P>0.05）；金鱼藻的茎径长呈现随种植密度增加而微幅增加的趋势（P>0.05），穗花狐尾藻的茎径长除2.0 g/L与4.0 g/L两处理间无显著差异外，呈现随种植密度增加而显著降低的趋势（P<0.05）（图1、图2、图3）。同一处理组下，金鱼藻、穗花狐尾藻的初始和最终生物量间、初始株长和最终株长间均呈显著性差异（P<0.05）（图1、图2）。

2.2 不同种植密度下金鱼藻和穗花狐尾藻对水体TN的去除效果

由图4可知，不同种植密度下的金鱼藻和穗花狐尾藻对富营养化水体中TN均具有明显去除效果，去除率均明显高于对照组（0 g/L）。在金鱼藻和穗花狐尾藻所有处理组间，第12天种植密度为 2.0 g/L的穗花狐尾藻，TN去除效果最好，水体总氮含量由1.619 mg/L降到0.136 mg/L，去除率达91.60%；而在金鱼藻处理组中，TN去除效果最好的是第18天种植密度为4.0 g/L，水体中总氮含量由1.619 mg/L降到0.214 mg/L，去除率达86.78%。总体来看，穗花狐尾藻对水体TN的去除效果略优于金鱼藻。

在第18天时，金鱼藻除种植密度为0 g/L的处理水体中TN去除率为67.79%外，其他处理组TN去除率均在80.89%～86.78%之间，种植密度为4.0 g/L的处理水体中TN去除率最高（86.78%）；穗花狐尾藻的种植密度1.0、2.0、4.0 g/L处理组的TN含量有所回升，去除率有所降低，分别为84.88%、83.88%和85.11%（图5）。两种先锋种植物的TN去除率与种植密度之间均逐渐呈现正相关的非线性关系。去除率与种植密度之间均呈现相关性极高的非线性响应关系（图5），通过拟合曲线发现，稳定处理状态下，金鱼藻和穗花狐尾藻最优种植密度分别约为5.0 g/L和3.0 g/L（图5b、图5c）。

综合来看，水体中总氮去除效果最明显的处理时间段发生在6～12 d，金鱼藻和穗花狐尾藻水体中总氮的含量均有显著下降，各试验组之间差异极显著（P<0.001），随后逐渐平稳，在第18天时，除对照组中总氮含量与其他处理存在显著性差异外，其他各处理组之间无显著性差异。由于在后期穗花狐尾藻部分处理组出现植物死亡，因此该系列处理组水体TN含量稍有升高。

2.3 不同种植密度下金鱼藻和穗花狐尾藻对水体TP的去除效果

由图6可知，不同种植密度下的金鱼藻和穗花狐尾藻对富营养化水体中TP都有明显的去除效果，去除率均明显高于对照。在金鱼藻和穗花狐尾藻所有处理组中，第18天，穗花狐尾藻种植密度为4.0 g/L时，TP去除效果最好，水体中TP含量由0.709 mg/L降至0.056 mg/L，去除率达92.10%；而金鱼藻在第18天种植密度为4.0 g/L时，TP去除效果最好，水体中TP含量由0.709 mg/L降至0.058 mg/L，去除率达91.82%。综合18 d处理情况，穗花狐尾藻對水体中TP的去除效果略好于金鱼藻。

两种先锋种植物的水体TP去除率与种植密度之间均呈现相关性极高的非线性响应关系（图7），通过拟合曲线发现，稳定处理状态下，金鱼藻和穗花狐尾藻的最优种植密度分别约为4.5 g/L和3.0 g/L（图7c左、右）。

3 讨论

多裂叶型的沉水植物狐尾藻属物种（Myriophyllum spp.）、金鱼藻属物种（Ceratophyllum spp.）比其他叶形如披针叶型（Lanceolate-leaf）眼子菜属物种（Potamogeton spp.）和黑藻属物种（Hydrilla spp.）和线形叶型（Linear-leaf）的物种能耐受更多附着生物的不利影响，并能产生竞争优势[21]，在先锋种植物修复实践中具有比较优势。在武汉东湖的富营养水体生态修复实践中，具有K-选择性对策的多年生的微齿眼子菜（P. Maackinaus）却难以成功地大面积恢复，这与该种所具有的地下茎发育不良、再生能力或营养繁殖能力弱、种子库相对较小等特性有关[22]。而对于r-选择性对策的沉水植物物种，如穗花狐尾藻，大茨藻（Najas marina），金鱼藻和苦草（Vallisneria spp.）而言，种群的快速恢复是显而易见的[22，23]。

本试验所选用的多裂叶型沉水植物穗花狐尾藻和金鱼藻，在处理的各种植密度（0.5～4.0 g/L）下均能生长良好，且对富营养化水体中TN、TP都有明显的去除效果，去除率均明显高于对照组（种植密度0 g/L），也优于其他沉水植物处理效果，如菹草（P. crispus）处理时间24 d的TN、TP的去除率，分别为82.80%、90.10%[24]；也优于挺水植物芦苇（Phragmites australis）处理的TN、TP的去除率，分别为76.00%、86.00%[25]。其中金鱼藻种植密度均为4.0 g/L的处理组，TN、TP去除率分别为86.78%和91.82%；穗花狐尾藻种植密度为2.0 g/L和4.0 g/L的处理组，TN、TP去除率分别为91.60%和92.10%；而数据模拟结果显示，穗花狐尾藻的总氮、总磷去除率最高的峰值均出现在种植密度约3.0 g/L的处理水平，金鱼藻的总氮、总磷去除率最高的峰值分别出现在种植密度约5.0 g/L和4.5 g/L的处理水平。在试验期间，对照组在6 d后出现藻类，水体逐渐变绿；而处理组可通过沉水植物根系分泌化感物质抑藻，同时沉水植物和藻类在营养和光能上存在竞争关系，因此处理组只是在塑料整理箱壁上有部分藻类，随着种植密度的增大，藻类出现的时间较晚，且藻类较少，在种植密度为4.0 g/L的两种植物处理组内，水体在试验的18 d中均保持较高的透明度（见底）。吴洁等[26]利用穗花狐尾藻对西湖小南湖区进行生态修复，结果表明水质得到显著改善，叶绿素a大幅下降。王瑜等[19]的研究表明穗花狐尾藻和金鱼藻对水体中的TN、TP去除作用明显，能在一定程度上抑制蓝、绿藻的生长，降低叶绿素a（Chla），提高水体透明度，与本研究结论一致。

综合不同种植密度下沉水植物对水体中TN、TP的去除效果，在保障高效、快速修复的前提下，需控制修复成本，并防止密度过大带来其他危害。因此从效率-成本权衡考虑，建议选择3.0 g/L为穗花狐尾藻的最优种植密度，4.5～5.0 g/L为金鱼藻的最优种植密度。考虑到金鱼藻分枝能力强，生物量累积快，当在种植密度3.0 g/L的处理下，可18 d内达到4.0～5.0 g/L的种群密度，TN和TP去除率均可高达80%以上。黄子贤等[27]通过室内模拟分析比较轮叶黑藻、马来眼子菜等4种常见沉水植物在6个种植密度梯度（0.5～3.0 g/L）下对污染水体中TN、TP的去除率，种植密度为3.0 g/L的处理组去除率最高。陈中义等[28]研究了梁子湖之一满江湖的6种沉水植物种群数量和生物量动态，发现沉水植物群落的最大生物量为4 676 g/m2，且沉水植物过密时，行船易受阻碍。因此，综合考虑成本或材料资源量与营养盐去除效率和两种植物的物种性状特征，在生态修复实践中，金鱼藻和穗花狐尾藻单一种植的最优密度宜选择3.0 g/L。

参考文献：

[1] JEPPESEN E，SONDERGAARD M，SONDERGAARD M，et al. Ecological Studies131： The Structuring Role of Submerged Macrophytes in Lakes[M].New York：Springer，1998.

[2] HILT S，GROSS E M，HUPFER M，et al. Restoration of submerged vegetation in shallow eutrophic lakes-A guideline and state of the art in Germany[J].Limnologica，2006，36（3）：155-171.

[3] CHAPIN Ш F S，WALKER B H，HOBBS R J，et al. Biotic control over the functioning of ecosystems[J].Science，1997， 277：500-503.

[4] OZIMEK T，GULATI R D，VAN DONK E. Can macrophytes be useful in biomanipulation of lakes？The Lake Zwemlust example[J].Hydrobiologia，1990，200/201（1）：399-407.

[5] 潘保原，杨国亭，穆立蔷，等.3种沉水植物去除水体中氮磷能力研究[J].植物研究，2015，35（1）：141-145.

[6] 吴振斌，邱东茹，贺 锋，等.水生植物对富营养水体水质净化作用研究[J].武汉植物学研究，2001，19（4）：299-303.

[7] 张 萌，曹 特，过龙根，等.武汉东湖水生植被重建及水质改善试验研究[J].环境科学与技术，2010，33（6）：154-159.

[8] 吴振斌.水生植物与水体生态修复[M].北京：科学出版社，2011.

[9] 王艳丽，周 阳.沉水植物综合利用的研究进展[J].环境保护科学，2009，35（6）：16-19.

[10] 中国科学院武汉植物研究所.中国水生维管束植物图谱[M].武汉：湖北人民出版社，1983.

[11] 官少飞，郎 青，张 本.鄱阳湖水生植被[J].水生生物学报，1987，11（1）：9-21.

[12] 官少飞.江西省河流水生植被[J].水生生物学报，1992，16（1）：47-56.

[13] 彭映辉，简永兴，李仁东.鄱阳湖平原湖泊水生植物群落的多样性[J].中南林学院学报，2003，23（4）：22-27.

[14] 刘 俊，张清东，马芸莹，等.金鱼藻对富营养化水体营养源的净化作用[J].西南农业学报，2012，25（1）：257-260.

[15] 高镜清，熊治廷，张维昊，等.常见沉水植物对东湖重度富营养化水体磷的去除效果[J].长江流域資源与环境，2007，16（6）：796-800.

[16] 唐 萍，吴国荣，陆长梅，等.太湖水域几种高等水生植物的克藻效应[J].农村生态环境，2001，17（3）：42-44，47.

[17] 万志刚，沈颂东，顾福根，等.几种水生维管束植物对水中氮、磷吸收率的比较[J].淡水渔业，2004，34（5）：6-8.

[18] 向律成.三种水生植物对富营养化水体的净化效应及其影响因子研究[D].杭州：浙江大学，2009.

[19] 王 瑜，刘录三，舒俭民，等.穗花狐尾藻和金鱼藻对白洋淀水质影响的原位围隔试验[J].环境科学研究，2012，25（3）：270-275.

[20] 曹萃禾.四种生态类型的水生维管束植物净化能力的研究[J].水产科学，1990，9（3）：8-11.

[21] XIE D，YU D，YOU W H，et al. Algae mediate submerged macrophyte response to nutrient and dissolved inorganic carbon loading： A mesocosm study on different species[J].Chemosphere，2013，93（7）：1301-1308.

[22] QIU D R，WU Z B，LIU B Y，et al. The restoration of aquatic macrophytes for improving water quality in a hypertrophic shallow lake in Hubei province，China[J].Ecological Engineering，2001，18：147-156.

[23] ZHANG M，NI L Y，XIE P，et al. Light-dependent phosphate uptake of a submersed macrophyte Myriophyllum spicatum L.[J].Aquatic Botany，2011，94：151-157.

[24] LI J H，YANG X Y，WANG Z F，et al. Comparison of four aquatic plant treatment systems for nutrient removal from eutrophied water[J].Bioresource Technology，2015，179：1-7.

[25] HUETT D O，MORRIS S G，SMITH G，et al. Nitrogen and phosphorus removal from plant nursery runoff in vegetated and unvegetated subsurface flow wetlands[J].Water Research，2005，39：3259-3272.

[26] 吴 洁，虞左明.西湖浮游植物的演替及富营养化治理措施的生态效应[J].中国环境科学，2001，21（6）：540-544.

[27] 黄子贤，张饮江，马海峰，等.4种沉水植物对富营养化水体氮磷的去除能力[J].生态科学，2011，30（2）：102-106.

[28] 陈中义，雷泽湘，周 进，等.梁子湖六种沉水植物种群数量和生物量周年动态[J].水生生物学报，2000，24（6）：582-588.