李印霞，刘碧波，刘帅霞，武秀琴，范 玲

（河南工程学院资源与环境学院，郑州 451191）

菹草（Potamogeton crispus）又名虾草，虾藻、麦黄草。菹草是一种广泛分布的眼子菜科沉水植物，多年生、秋冬生长[1]，4、5月份为繁殖期，6月份逐渐衰亡[2]。菹草对水体有一定的净化作用，以其独特的生理特征使其成为在秋冬至夏初阶段水体净化的主要水生植物[3-4]。因此，菹草的生长状况可作为水质好坏的一个重要指标。菹草的生长和繁殖容易受到环境的影响，比如氮源。菹草对水体中营养盐的吸收以硝态氮和铵态氮为主[4-5]，氮源理化性质的不同及氮源浓度的不同很可能会影响菹草对氮源的吸收利用。21世纪以来，随着农业生产的推进，大量化肥被施入农田中，导致大量化肥流失进入各大水系中，从而引起水体富营养化，破坏了水体生态平衡[5-6]。而氮肥是造成水体富营养化的一个很重要的污染源[7-8]。本研究通过加入不同浓度、不同种类氮源，探讨其对菹草生长及水质的影响，旨在预防氮肥对水体生态系统的破坏，以期为农业化肥引起的水系污染的生物治理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所用菹草采自河南工程学院明月湖。湖心区选取新鲜翠绿、根须发达、长势良好的菹草，经自来水冲洗去除污垢及附着在植株上的杂质和泥沙，选择含根、茎、叶、嫩芽齐全，植株高度大致相同（株高15 cm左右）的供试材料备用。

试验用水取自河南工程学院明月湖湖水，属于富营养化水体。水体初始pH、溶解氧（DO）、总氮（TN）、总磷（TP）、硝氮（NO3--N）和氨氮（NH4+-N）浓度分别为 8.10、9.42、1.62、0.09、0.56 和 1.24 mg/L。

1.2 试验方法

以湖水为培养液，分别将备用菹草植株（湿重0.2 kg）移入透光性较好的圆筒形玻璃装置中（底部直径20 cm，高1 m），用经清水清洗干净的细沙将菹草的根部固定，再缓慢加入湖水至湖水高度达到50 cm[9]。将备用菹草分成2组栽种，每组设置5个梯度同时设置3个重复，取平均值。第1组按0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg（以纯氮计）分别加入氯化铵，第2组按同样浓度梯度加入尿素（以纯氮计），同时不加氮源作空白对照。每6 d测定水体水质指标及菹草叶绿素a和可溶性糖含量。试验在常温下进行，于2017年4月1日开始，到 2017年5月1日结束。

1.3 分析方法

总氮（TN）和总磷（TP）分别采用紫外分光光度法和硫酸消解法进行测定[10]。用 0.45 μm微孔纤维滤膜（Whatman GF/C，Kent，UK）抽滤水样，分别用紫外分光光度法、纳氏比色法测定硝态氮（NO3--N）和氨氮（NH4+-N）[10]。pH 值和溶解氧（DO）分别通过pH 仪（YSI pH60，USA）和溶氧仪（YSI 550A）测定。

叶绿素含量和可溶性糖含量分别采用丙酮乙醇混合液法[11]和蒽酮比色法测定[12-13]，单位为mg/g，以菹草鲜重计。

1.4 统计分析

实验数据采用SPSS 16.0软件进行统计处理,组间多重比较检验采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 水质指标

2.1.1 pH值的变化

由图1可知，不同浓度氯化铵条件下，第6天时水体的pH值均低于对照组，且氯化铵浓度越高，pH值越低。1.0 mg/L试验组的pH值显著低于其他试验组和对照组（P＜0.05）。

图1 不同浓度氮源条件下水体pH随时间的变化Figure1 Changes of pH with time under different concentrations of nitrogen source

不同浓度尿素条件下，第6天时水体的pH值均高于对照组，且尿素浓度越高，pH值越高。第18天时，1.0 mg/L试验组的pH值显著低于0.2 mg/L和 0.4 mg/L试验组（P＜0.05）。

2.1.2 氨氮含量的变化

由图2可知，氯化铵组第6天时水体中氨氮含量最大。第30天时0.8 mg/L和1.0 mg/L试验组氨氮含量显著高于其他试验组（P＜0.05）。尿素组第12天时氨氮含量最大，0.8 mg/L和1.0 mg/L试验组显著高于其他试验组（P＜0.05）。第30天时 0.6、0.8和 1.0 mg/L试验组显著高于0.2 mg/L和0.4 mg/L试验组（P＜0.05）。另外，统计结果表明尿素组0.8 mg/L和1.0 mg/L试验组的氨氮含量显著高于氯化铵组（P＜0.05）。

图2 不同浓度氮源条件下水体中氨氮含量随时间的变化Figure2 Changes of ammonia nitrogen content with time under different concentrations of nitrogen source

2.1.3 硝氮含量的变化

由图3可知，氯化铵组在整个试验期各试验组硝态氮含量均有所升高，且均高于对照组。氯化铵浓度越大，硝态氮含量越高。12 d后各试验组硝态氮含量处于较稳定水平。0.80 mg/L和1.0 mg/L试验组的硝态氮含量最高值分别达0.76 mg/L和0.79 mg/L，显著高于0.20 mg/L和0.40 mg/L试验组（P＜0.05）。尿素组12 d后各试验组硝态氮含量均高于对照组。第30天时1.0 mg/L试验组最高值达0.73 mg/L，显著高于对照组（P＜0.05）。

2.1.4 DO的变化

如图4所示，不同氮源条件下DO变化幅度较大。氯化铵组和尿素组0.2 mg/L和0.4 mg/L试验组显著高于其他试验组（P＜0.05），1 mg/L试验组显著低于其他试验组（P＜0.05）。

2.2 菹草生理指标

2.2.1 叶绿素a含量的变化

由图5可知，氯化铵组叶绿素a含量均呈现先升高后降低的趋势，第6天时达到最大。氯化铵浓度越大，叶绿素a含量越低。0.20 mg/L和0.40 mg/L试验组显著高于其他试验组（P＜0.05），且在整个试验期始终高于对照组。24 d后0.60、0.80和1.0 mg/L试验组均低于对照组。尿素组不同试验组叶绿素a含量呈现不同的变化趋势。在整个试验期0.20 mg/L和0.40 mg/L试验组叶绿素a含量显著增大，最高值分别达2.43和2.47 mg/g。0.6 mg/L试验组叶绿素a含量6 d后升高，显著高于0.80 mg/L和1.0 mg/L试验组（P＜0.05）。0.80 mg/L和1.0 mg/L试验组先升高后降低，18 d后低于对照组。

2.2.2 可溶性糖含量的变化

由表1可知，第6天时各试验组可溶性糖含量均

增大，氯化铵浓度越大，可溶性糖含量越高。18d后各试验组可溶性糖含量开始下降，第30天时0.2 mg/L试验组显著高于其他试验组和对照组（P＜0.05），1.0 mg/L试验组可溶性糖含量最低。

图3 不同浓度氮源条件下水体中硝氮含量随时间的变化Figure3 Changes of nitrate nitrogen content with time under different concentrations of nitrogen source

图4 不同浓度氮源条件下水体DO随时间的变化Figure4 Changes of DO with time under different concentrations of nitrogen source

图5 不同浓度氮源条件下菹草叶绿素a含量随时间的变化Figure5 Changes of Chl a content of P.crispus with time under different concentrations of nitrogen source

表1 不同浓度氯化铵条件下可溶性糖含量随时间的变化Table1 Change of soluble sugar content of different ammonium chloride concentrations with time

由表2可知，第6天时1.0 mg/L试验组菹草可溶性糖含量显著高于其他试验组和对照组（P＜0.05）。第12天时0.2 mg/L和0.4 mg/L试验组显著高于其他试验组和对照组（P＜0.05）。18 d后，各试验组可溶性糖含量减少，第30天时0.2 mg/L和0.4 mg/L试验组显著高于其他试验组和对照组（P＜0.05），1.0 mg/L试验组可溶性糖含量最低。

表2 不同浓度尿素条件下可溶性糖含量随时间的变化Table2 Change of soluble sugar content of different urea concentrations with time

3 讨论

近些年大量氮肥的施用，导致其大量流失进入江河湖泊，导致水体富营养化[14-15]，而大量氮肥进入水体将会影响水质及菹草的生长繁殖[16]。常见的氮肥主要有铵态氮肥和尿素。本研究表明氯化铵组不同试验组的pH值均下降，且氯化铵浓度越高，pH值越小。此现象一方面是因为氯化铵溶于水后会水解生成大量 NH4+，而 NH4++OH-↔NH3·H2O↔NH3+H2O，因此大量OH-被消耗，导致水体pH值下降；另一方面可能是因为在培养初期菹草光合作用较弱，水中二氧化碳的含量较高，而CO2+H2O↔H2CO3↔H++HCO3-，因此大量H+生成。而施入尿素后水体pH值却升高，且尿素浓度越高，pH值越大。佟德利等[15]也发现短期内施用尿素土壤pH值明显升高。一方面可能是因为尿素水解转变成碳酸铵，而碳酸铵要吸收氢离子，向碳酸氢铵的方向发展，多出游离的氢氧根离子，而呈现碱性；另一方面是因为尿素中含有氨基（-NH2），氨基的氮原子有一对孤对电子，其可以与其他含有空轨道的原子或原子团形成配位键。由此可见，以不同形态存在的氮素有着不同的理化性质，其溶于水体后将会直接影响水体水质，而水质的变化又会直接或间接影响菹草的生长代谢。第18天时水体pH值显著下降，之后又逐渐升高。此现象很可能是硝化反应导致。在整个试验期氯化铵组和尿素组水体中氨氮的含量均呈现先增大后减少的趋势，而硝态氮含量均有所升高，且均高于对照组，这说明在培养过程中有一部分氨氮转化为硝态氮。王新为等[17]发现硝酸细菌在转化氨氮为硝态氮的过程中产生大量强酸，与本研究结果相一致。另外，氯化铵组和尿素组0.2 mg/L和0.4 mg/L试验组的DO显著高于其他试验组，1.0 mg/L试验组的DO 均 显著低于其他试验组。康 媞 等[18]发现只有不断给予氧气，硝酸细菌与亚硝酸细菌才能更好地发挥其硝化作用。本研究也表明氮源浓度越大，硝化作用消耗的氧气越多，水体中的DO越低。

水体中的DO主要来源于菹草的光合作用，而叶绿素a是唯一一种能传递光能给化学反应的色素，其含量变化直接影响植物光合作用的强度，同时也反映植物细胞活性的变化。试验初期各试验组菹草的叶绿素a含量均高于对照组，但是18 d后除0.20 mg/L和0.40 mg/L试验组外，其他试验组均低于对照组，且NH4Cl和尿素的初始浓度越大，叶绿素a含量越低。此结果说明水体中高浓度的氮源可能对菹草产生了氨害[19]，对其生长及叶绿素a的合成有明显的抑制作用。王 珺 等[20]在研究金鱼藻（Ceratophyllum demersum）时发现，高浓度营养对金鱼藻有胁迫作用，与本研究结果相一致。李卫国等[21]研究凤眼莲（Eichhornia crassipes）也有相似的结果。另外，氯化铵组0.20 mg/L和0.40 mg/L试验组的叶绿素a含量显著低于尿素组，且尿素组一直保持较高叶绿素a水平，说明低浓度尿素更适合菹草生长。因此，氮源的不同及同种氮源浓度的不同也可直接影响菹草的生理代谢，进而影响菹草叶绿素a和水体DO水平。

本研究发现,在试验初期，随着氮源浓度的增大，可溶性糖含量逐渐增加。此现象很可能是在高营养底质胁迫下菹草出现的急性生理响应，菹草通过合成大量多糖调节渗透压，储存能量，稳定细胞中酶分子的活性构象，从而增强菹草适应环境的能力[22]。而王 珺 等[23]在研究轮叶黑藻（Hydrilla verticillata）时发现（NH4+-N）（/NO3--N）＞1时,可溶性糖含量明显下降。此现象说明不同沉水植物对氮源的耐受能力不同。另外，尿素组0.8 mg/L和1.0 mg/L试验组可溶性糖含量显著低于氯化铵组，可能是因为高浓度尿素抑制了多糖合成所需酶的合成[19]。试验后期，氯化铵组和尿素组0.8 mg/L和1.0 mg/L试验组可溶性糖含量均显著下降，此结果可能是叶绿素a合成受阻导致。

4 结论

①短时期内，菹草对于高氮水体具有一定的适应能力，对富营养化水体具有一定的修复作用。

②氯化铵融入水体呈弱酸性，而尿素呈弱碱性，二者理化性质的不同，导致其对水质和菹草生长的影响也不同。

③尿素浓度≤0.4 mg/L时，其显著促进菹草生长；反之，氯化铵和尿素浓度≥0.8 mg/L时，18 d后其强烈抑制菹草生长。