张国庆，晏再生，吴慧芳，董祎波

(1.南京工业大学城建学院 江苏省工业节水减排重点实验室，江苏 南京 211816； 2.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)

沉水植物是湖泊生态系统中重要的初级生产者，其在水质净化、水生态系统结构恢复与功能转换、水生态系统的健康维持等方面发挥着重要作用[1-4]。近年来，随着水体富营养化程度的加剧，水生植物尤其是沉水植物出现衰退甚至消亡的现象[5-6]。因此，沉水植物恢复在富营养化湖泊生态系统重建过程中具有十分重要的生态意义。

苦草(Vallisnerianatans)隶属于沉水植物的水鳖科[7]，是多年生沉水草本植物，分布广泛。研究表明，苦草可以有效去除污染水体中氮(N)、磷(P)营养盐[8-9]、重金属[10]，且对沉积物中有机污染物具有较好的修复性能[11-14]。同时，苦草也可以作为水体受污染程度的指示物种，对水环境质量进行监测[15-16]。苦草也是典型的匍匐茎克隆植物，对环境有一定的耐受性，苦草的生物结构以及构件大小会随着环境因子的变化而变化，从而更好地适应环境，维持其正常生长[17]。因此，苦草常用于恢复重建富营养化水体中沉水植物[18]。

然而，苦草的生长受光照条件[19-20]、温度[21-22]、水深[23]、溶解氧[24]、基质类型[1-2,25]等因素的影响。其中，湖库等水体基质类型和特性是影响水体生态系统恢复重建的重要因素，也是沉水植物生长发育与稳定建群的基本条件[26-27]。因此，选择环境友好、经济适用的材料对湖库等水体基质进行改良，以促进沉水植物生长，对富营养化湖泊生态系统恢复显得至关重要[28-29]。

作者综述湖库水体基质、湖库底泥与不同底质改良剂对苦草生长及生理特性的影响，为选择最佳底质改良剂在原位生态修复领域中的应用提供技术参考。

1 湖库水体基质对苦草生长的影响

基质是苦草生长的必要条件，基质的存在对苦草根部结构有着良好的固持作用，同时基质中也含有苦草生长所需要的营养元素。

1.1 基质的营养元素

基质影响苦草生长的主要因素是营养盐(N、P)和有机质含量，苦草在生长发育过程中，N、P元素都是不可或缺的。与P元素相比，N元素的来源与转化相对较为复杂。苦草生长需要合适的营养盐环境，过高或过低的营养盐环境都不利于苦草的生长[30-32]。

有机质是指基质中所有的含碳有机物，有机质的成分相对较为复杂，部分成分含量即使很低也会对苦草的生长带来影响[33]。有机质在矿化过程中可以释放N、P等元素，从而一定程度上又可以促进苦草的生长，但是有机质含量过高会导致基质中厌氧环境更加严重[34]，不利于苦草生长。

1.2 苦草的生长、生理指标变化

生长指标可以直观反映植物生长状况，而生理指标更多与植物内部细胞活性有关。苦草的生长指标主要是株高、叶长、根长、生物量等[35]；生理指标则包括叶绿素含量、根系活力、丙二醛(MDA)含量及超氧化物歧化酶(SOD)活力、过氧化物歧化酶(POD)活力等[36]。

苦草在湖库水体不同基质中的生长及生理指标见表1。

从表1可以看出，湖库底泥的N、P元素以及有机质含量高于岸边土壤和沙石，苦草在湖库底泥基质中的生长情况要优于在其它基质中的，苦草的生物量及株高等指标都要优于在其它基质中的[2,36]，叶绿素含量也显著高于在其它基质中的[40]。与之相应的，苦草的SOD、POD及MDA等指标在湖库底泥基质中受到的胁迫最小[33]。

何文凯等[1]将洱海底泥与湖岸土壤按不同比例混合，发现营养条件最好的浅层底泥组的苦草生长并不是最好，反而深层底泥与湖岸土壤混合组的苦草生长最好。王旭等[41]研究发现，苦草在湖岸粘土中的生长情况要优于在湖底淤泥中的。Lin等[42]发现，在低营养环境下，苦草的生物量、株高、叶长等生长指标偏低，生理指标也显示其生长受到明显的胁迫。其原因可能是环境中的营养水平较低，迫使苦草植株要分配更多的生物量在根部，造成地下与地上生物量比值偏高[43]。Xie等[37]发现，在低营养环境下，苦草根部结构变化也十分明显，根变得更加纤细，而营养环境往往是非均质的，这又导致了苦草根长的增加[44]。而王永平等[35]、张雨等[3]研究发现，苦草在高营养基质中的生长同样受到了抑制，不仅生长指标不如在中等营养基质中的，叶片细胞、匍匐茎结构也受到环境的胁迫，根组织结构也变得短小[45]。由此可见，基质的营养条件并不是越高越好，中等营养条件更适合苦草的生长。

2 湖库底泥与不同底质改良剂混合对苦草生长的影响

目前我国的淡水湖泊富营养化情况比较严重，导致在有些水体里苦草的生长状况并不是很好，从而无法对水体生态环境起到修复作用。科研工作者尝试在底泥中添加底质改良剂来改变苦草的生长环境，从而促进苦草的生长。常见的底质改良剂有：生物炭、各类碎石、矿石及复合物质。

2.1 生物炭

生物炭是各类生物质在高温条件下热解或者不完全燃烧得到的富含C元素的物质。生物炭材料因其较大的比表面积及孔隙率而被广泛应用于污染物处理[46]。

常见的生物炭材料有稻壳、秸秆、芦苇、花生壳、竹子等，不同材料制备的生物炭的C含量也存在差异。已有的研究(表2)表明，添加10～33 mg·g-1的生物炭对苦草的生长有促进作用。Li等[49]研究发现，生物炭可以有效促进苦草的生长，且10 mg·g-1与30 mg·g-1生物炭组苦草的生长速率无显著差异。Chi等[48]研究发现，添加3%(以底泥干重计)生物炭就会抑制苦草的根部生长，且随着热解温度的升高抑制作用越明显。谢再兴等[50]研究发现，生物炭最佳添加量为33 mg·g-1，苦草的根长、叶长明显增加，生物量与初始相比增加了142%。张瑄文等[47]研究发现，生物炭可以降低水中硝态氮的含量，小粒径(0.25～0.50 mm)生物炭有助于苦草种子的萌发，萌发率达到80%以上。

表2生物炭对苦草生长的影响

此外，生物炭可以吸附底泥中的营养盐、重金属以及有机物[51]，从而在一定程度上降低底泥的营养水平，这对苦草的生长有着促进作用，但是随着生物炭添加量的增加，生物炭中富集的营养盐、重金属、有机质又会对苦草的根部生长产生抑制作用[48-50]。

2.2 各类碎石、矿石及复合物质

碎石、矿石自身基本不含营养盐及有机质成分，与底泥混合后不仅可以降低底泥的营养水平，还可以改善底泥松软的结构，更有利于植物根系的生长(表3)。钱珍余等[52]研究发现，5 cm厚的磨石不仅可以提高苦草的生物量，还可以有效去除水体中的氨氮及TP。天然矿石往往含有微量元素，其对植物的生长也有着促进作用，麦饭石是一种硅酸盐矿物，含有Fe、Al等元素，有助于基质中P元素的去除。骆凤等[53]研究发现，1 cm厚的麦饭石可以提高苦草的叶绿素及可溶性蛋白质的含量，对麦饭石进行硫酸改性后，这种促进作用得到了进一步增强。复合物质，如锁磷剂是改性粘土和稀土镧混合而成的物质，可以对环境基质中的P元素进行有效的固定。董百丽等[54]研究发现，锁磷剂的存在一定程度上促进了苦草根部的生长，但是同时会影响苦草地上组织的生长。总之，在湖库底泥中添加适量的碎石、矿石可以促进苦草的生长，添加复合物质如锁磷剂也有一定效果，但整体效果不及碎石、矿石。

表3 各类碎石、矿石及复合物质对苦草生长的影响

3 总结

综上所述，沉水植物苦草虽然在不同基质中均可生长，但是过高或过低的营养环境都会对苦草的生长产生抑制作用。在湖库底泥中添加适量的生物炭、碎石、矿石以及复合物质等可以促进苦草的生长。生物炭材料可以改善苦草的生长环境，但是生物炭含量过高同样会对苦草的根组织产生负面影响。适量的碎石、矿石可以改变基质松软的结构，从而更有效地对苦草的根部进行固着，其中矿石还可以为苦草生长提供一些微量元素，但是如果碎石、矿石含量过高，会让基质原本充足的营养环境变得相对贫瘠，苦草的生长也就没有足够的营养供给。关于复合物质的研究相对较少，复合物质锁磷剂是通过固定环境基质中的P元素给苦草根部提供一个比较合适的生长环境，但是同时它也会对苦草的地上组织生长产生一定的抑制作用。目前这些基质改良方法有的还处于室内研究阶段，但在实际应用中其长期生态效应需要进一步谨慎评估。因此，探讨不同基质类型对苦草生长的影响，为选择最佳底质改良剂在原位生态修复领域中的应用提供了技术参考与理论依据。