外源氮磷負荷比增加對刺苦草（Vallisneria spinu losa）生長的影響?

張 雪，鄭建偉，周茂飛，殷春雨，關保華??

（1：南京信息工程大學應用氣象學院，南京210044）（2：中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，南京210008）

外源氮磷負荷比增加對刺苦草（Vallisneria spinu losa）生長的影響?

張 雪1，2，鄭建偉1，周茂飛1，2，殷春雨2，關保華2??

（1：南京信息工程大學應用氣象學院，南京210044）
（2：中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，南京210008）

磷（P）是水生態系統生產力的限制因子，因此，在水體富營養化治理的過程中，許多地方采取了有效的措施控制流域P的排放；但氮（N）來源復雜，難以有效控制，導致湖泊外源的N∶P負荷比日益擴大.植物的生長需要合適的N∶P比，因此，外源N∶P負荷比的增加可能會對沉水植物的生長產生影響.采取控制實驗，將刺苦草（Vallisneria spinulosa）栽種于塑料桶中，每隔3 d添加1次N、P營養鹽，實驗設置5個處理，P外源性負荷量固定為4mg／（m2·d），N外源性負荷量分別為0、40、80、120、160 mg／（m2·d）.實驗周期為80 d.結果顯示：隨著N∶P負荷比的增加，刺苦草的葉干重、植株總干重、根干重、葉N及總N含量、葉片數、葉P及總P含量等指標基本保持不變或略有增加，單株總根長、根莖長度、塊莖干重和無性系小株數目則呈現下降趨勢.結果表明：隨外源N∶P負荷比的增加，刺苦草個體生長指標總體呈現不變的趨勢，但與種群擴張潛力相關的指標如根莖長度、塊莖干重和無性系小株數目等則呈現下降趨勢；刺苦草體內累積的N隨外源N∶P負荷比的增加而增加，但P的累積保持不變.說明N∶P負荷比的增加對刺苦草個體生長影響不大，但對種群擴張不利；刺苦草對P的吸收也并不隨N∶P比的增加而改變.

沉水植物；氮磷負荷比；生長；形態；種群擴張潛力；刺苦草

Keywords：Submergedmacrophyte；N∶P ratio in loading；growth；morphology；population expansion potential；Vallisneria spinulosa

湖泊富營養化成為日益嚴峻的環境問題［1］.人類活動導致的入湖營養鹽增加是湖泊富營養化的主要誘因，大量含有氮（N）、磷（P）等營養物質的工業廢水和生活污水排放到湖泊中，雨水沖刷和滲透使殘留的化肥也進入湖泊水體，再加上江湖阻斷使水流速度大幅減緩，水體滯留時間增長，更新緩慢，水體自凈能力減弱［2］.湖泊富富營養化的治理已經得到重視，外源污染控制是保障湖泊生態修復的前提［3］.目前國內外都重視對外源P的控制，但N的來源比較復雜，難以有效控制，因此湖泊外源的N∶P負荷比日益擴大［4］.如鄱陽湖外源負荷中N越來越多，導致N∶P負荷比值持續增加［5］.太湖地區無論是來自降雨的濕沉降還是入湖河流帶來的外源污染，N含量都遠遠超過P［6］.

土壤中N∶P比的改變會影響植物體內生命物質的合成，從而影響植物的生長速率和死亡率［7-8］.沉水植物除了通過根部從沉積物中吸收營養鹽外，還能夠通過葉片直接從上覆水中吸收營養鹽［9］.因此，沉水植物的生長不但會受底泥N、P含量的影響，還會受到水體中N、P濃度的影響［9-10］.從生態化學計量學特征來看，沉水植物體內的N∶P比低于浮游植物［11］，因此，水體中N∶P比增加將不利于沉水植物生長但有利于浮游植物生長［12］.湖泊調查和研究發現，沉水植物能夠在N、P濃度變化范圍較大的湖泊出現，但N∶P比值增加會導致沉水植物生長受到抑制直至消失［13-15］.

為了解N∶P負荷比升高對沉水植物生長的影響，本實驗參考太湖入湖河流負荷情況，通過每隔3 d添加1次外源營養液，設置P負荷穩定在4 mg／（m2·d），而N負荷設置0、40、80、120和160 mg／（m2·d）梯度，測定刺苦草（Vallisneria spinulosa）的生長和種群擴張與維持潛力相關指標，揭示外源N∶P負荷比增加對沉水植被的影響，為沉水植物保護和水生態修復提供理論支撐.

1 材料與方法

1.1 實驗設計及處理

實驗于2008年5月17日-8月6日在中國科學院南京地理與湖泊研究所太湖“863”實驗基地（31°28′19.19″N，120°13′28.14″E）開展.將20只塑料桶統一放置在一塊土壤平臺上，桶底端埋入10 cm土，以保持其穩定.塑料桶上內徑41 cm、下內徑35 cm（下底面積約0.1m2）、深56 cm.每只塑料桶中鋪設6 cm沉積物；沉積物于5月17日前采自太湖梅梁灣的蘆葦帶，揀出沉積物中的螺螄、雜物和植物殘體，混勻后鋪入塑料桶中.每只桶中加入40 cm深的水（約40 L）（水來自太湖，泵入湖邊的水泥池中澄清1周后使用）.沉積物和水放入實驗桶中之后，蓋上桶蓋，遮光靜置24 h，避免附著和浮游藻類生長.實驗桶放置在梅梁灣岸邊的一處開闊平臺上，處于自然光照和溫度條件.

刺苦草是水鱉科苦草屬沉水草本植物，在長江中下游湖泊中廣泛分布［16］.隨著長江中下游湖泊富營養化，刺苦草分布面積逐漸縮?。?7］.實驗開始時，在每只桶中種植10株來源相同、大小一致的刺苦草（干物質含量為0.0605±0.0080 g／株，葉片末端至根末端的長度為16.74±1.90 cm；葉片數8±1），刺苦草為塊莖萌發的幼苗.10株刺苦草均勻分配空間.取刺苦草源苗測定初始總氮（TN）、總磷（TP）含量.實驗處理如表1所示，每組4個重復.

表1 實驗處理Tab.1 Experimental treatment

本研究根據太湖等湖泊的外源負荷特征設置入湖N、P負荷量［23-24］.實驗系統上覆水的氮本底濃度為0.94mg／L，磷本底濃度為0.11mg／L.每3 d添加1次營養鹽（NH4Cl與KH2PO4），用N、P添加量除以實驗桶底面積（0.1m2）和天數（3 d），獲得N、P入水負荷量.實驗分5個處理（表1）.在添加營養鹽之前定時測定水柱pH值和水溫.實驗過程中每天刷洗桶壁，避免附著生物生長；定期添加蒸餾水補充蒸發掉的水分；下雨時用雨布遮蓋，防止過多雨水進入引起溢水.用塑料繩標記每桶中種入的10株刺苦草，以便在實驗后期與無性系分株區別開來.

1.2 樣品分析

實驗結束時，將用塑料繩標記的刺苦草植物完整取出，沖洗干凈，數葉片數目；每桶隨機取一棵整株，另外隨機取一株將根、葉以及根莖和塊莖等部分分開，將刺苦草的須根全部拔下，等分成4份，隨機取一份測量每根的長度，相加后乘以4，計算每株刺苦草的總根長.整株和各部分分開后的樣品放入60℃烘箱中烘干至恒重，測植物整株和各部分干重以及葉片和整株植物的TN、TP含量.收獲每桶中所有的刺苦草，測量所有根莖的長度，相加后除以10，獲得每桶中單株刺苦草的根莖長.同樣的方法獲得每桶中單株刺苦草的塊莖干重和無性系小株數目.

1.3 數據處理

實驗數據運用SPSS 19.0統計軟件進行方差分析，采用單因素方差分析，P＜0.05為差異性顯著.用平均值±標準誤在Excel軟件中作圖.

圖1 刺苦草生物量隨N∶P負荷比升高的變化Fig.1 Changes of V.spinulosa biomasswith increasing nitrogen and phosphorus ratio loading

2 結果

2.1 刺苦草生物量隨N∶P負荷比升高的變化

葉干重、總干重和根干重各處理組間無顯著差異（P＞0.05）.隨著N∶P負荷比的增加，葉干重和總干重在變動中略呈增加趨勢，根干重的增加趨勢比較明顯（圖1）.

2.2 刺苦草形態隨N∶P負荷比升高的變化

葉片數各處理間無顯著性差異（P＞0.05）.隨著N∶P負荷比的增加，葉片數基本保持不變.單株總根長0N+4P和40N+4P顯著高于其他處理（P＜0.05），單株總根長隨著N∶P負荷比的升高呈現下降趨勢（圖2）.

2.3 刺苦草氮磷含量隨N∶P負荷比升高的變化

葉氮含量160N+4P處理組顯著高于0N+4P處理組（P＜0.05），隨著N∶P負荷比的升高，葉氮含量呈現上升趨勢；總氮含量160N+4P處理組顯著高于其他處理組（P＜0.05），總體也呈現上升趨勢.葉磷含量和總磷含量各處理間無顯著性差異（P＞0.05），總體保持不變趨勢（圖3）.

2.4 刺苦草種群擴張潛力隨N∶P負荷比升高的變化

根莖長度、塊莖干重和無性系小株數各處理間均無顯著性差異（P＞0.05），隨著N∶P負荷比的升高均呈下降趨勢（圖4）.

3 討論

隨著流域P排放措施的實施，匯入湖泊的P含量逐步得到控制，N含量相對較高，外源N∶P負荷比的升高導致許多湖泊的富營養化趨勢越來越表現出N∶P比升高的趨勢［4-6］.如天目湖N∶P比由2001-2002年的18變為2006年的25［18］.鄱陽湖、巢湖和太湖水體入湖N∶P負荷比近年也呈現出升高趨勢［5，19-20］.水生植物體內的N∶P比介于4∶1～13∶1之間，而浮游植物體內的N∶P比值高達16∶1，因此，水體N∶P比提高將會利于浮游植物生長［11-12］.在本實驗中，經過90 d持續不斷的營養鹽輸入，0N+4P和40N+4P處理組的實驗水體N∶P比低于13∶1，而其他外源N∶P負荷比增加的處理組，最終上覆水中N∶P比都超過13∶1（圖5）.吳紅飛等［21］研究發現，N∶P比升高會導致浮游和附著植物生物量增加，但對沉水植物個體生物量沒有顯著影響.這與本研究得到的結論相似.隨外源N∶P負荷比升高，刺苦草的葉干重、葉片數和植株總干重（主要由葉干重組成）等個體指標保持不變甚至略呈增加趨勢.

圖2 刺苦草形態隨N∶P負荷比升高的變化Fig.2 Changes of V.spinulosa morphology with increasing nitrogen and phosphorus ratio loading

圖3 刺苦草氮磷含量隨N∶P負荷比升高的變化Fig.3 Changes of nitrogen and phosphorus contents in V.spinulosa with increasing nitrogen and phosphorus ratio loading

但以往的研究對沉水植物繁殖方面的關注較少，因此把水體富營養化導致的沉水植物消失，歸因于浮游植物大量生長后對水生植物生長的制約［12］.實際上，由于沉水植物體內的N∶P比不超過13∶1，因此，水體N∶P比超過此值可能會不利于沉水植物生長.沉水植物以無性繁殖為主，其無性繁殖器官主要由莖及其衍生物形成［22］.一般通過克隆生長，不斷增加分枝或分株數目來擴大分布面積，維持種群數量；在生長末期，則形成休眠越冬繁殖體，等生長條件合適時發芽生長［22-23］.因此，當沉水植物分枝或分株生長受到制約時，種群擴張能力受到抑制［24］；而當休眠體生長受到制約時，未來的種群維持能力受到抑制［25］.刺苦草葉基生，無直立莖，生長季節集中在春、夏季，通過根狀匍匐莖上分生多數無性系分株拓展分布區域；秋季開花結實，但種子發芽率不高，主要靠越冬塊莖在來年發芽維持種群.隨著水體N∶P比升高，刺苦草無性系分株數量下降，地下塊莖數量和質量（干重）都呈現下降趨勢，導致其在長江中下游湖泊的分布面積大量萎縮［16-17］.

此外，隨著外源N∶P負荷比的升高，刺苦草干物質中P含量不變，但N含量提高，即刺苦草干物質中N∶P比升高.N∶P比提高會導致植物出現P限制，植物傾向于分配較多的碳水化合物到根部去獲取充足的P，導致葉片中光合效能相對不足，葉片光合作用受到限制，影響植物的初級生產力，影響植物的種間關系和優勢度，導致植物競爭力下降［7-8，26］.

圖4 刺苦草種群擴張潛力隨N∶P負荷比升高的變化Fig.4 Changes of population expansion potential of V.spinulosa with increasing nitrogen and phosphorus ratio loading

圖5 各處理組上覆水N∶P比Fig.5 Nitrogen and phosphorus ratio in overlying water in different treatments

沉水植物是維持淺水湖泊清水穩態的關鍵生物種類，沉水植物覆蓋度降低或消失會導致水體從清水穩態向濁水穩態轉換［27］.因此，在富營養化水體生態修復的過程中，大面積種植沉水植物是一個重要的手段［28］.刺苦草是長江中下游水生態修復中常常使用的工具種［27］.外源N∶P負荷比的提高會導致湖泊水體N∶P比升高，促進浮游植物生長，抑制沉水植物的種群擴張潛力，不利于沉水植物建群和擴張分布面積；同時也促使沉水植物體內N∶P比提高，影響植物光合作用和碳水化合物流向.因此，控制N負荷、降低N∶P負荷比應該在湖泊保護和生態修復中引起關注.

［1］ Qin Boqiang，Yang Liuyan，Chen Feizhou et al.Themechanism and control technology of lake eutrophication and its application.Chinese Science Bulletin，2006，16：1857-1866.［秦伯強，楊柳燕，陳非洲等.湖泊富營養化發生機制與控制技術及其應用.科學通報，2006，16：1857-1866.］

［2］ Qin Boqiang，Gao Guang，Zhu Guangwei et al.Lake eutrophication and its ecosystem response.Chinese Science Bulletin，2013，10：855-864.［秦伯強，高光，朱廣偉等.湖泊富營養化及其生態系統響應.科學通報，2013，10：855-864.］

［3］ Conley DJ，Paerl HW，Howarth RW et al.Controlling eutrophication：Nitrogen and phosphorus.Science，2009，323（5917）：1014-1015.

［4］ Wu Yali，Xu Hai，Yang Guijun et al.Progress in nitrogen pollution research in Lake Taihu.J Lake Sci，2014，26（1）：19-28.DOI：10.18307／2014.0103.［吳雅麗，許海，楊桂軍等.太湖水體氮素污染狀況研究進展.湖泊科學，2014，26（1）：19-28.］

［5］ Hu Chunhua.The water environmental characteristic and its evolutionary trends of Poyang Lake［Dissertation］.Nanchang：Nanchang University，2010.［胡春華.鄱陽湖水環境特征及演化趨勢研究［學位論文］.南昌：南昌大學，2010.］

［6］ Wang Xiaozhi，Yin Weiqin，Chan Yuhua et al.Nitrogen and phosphorus input from wet deposition in Taihu Lake region：A case study in Changshu ecological Experimental station.Journal ofApplied Ecology，2009，20（10）：2487-2492.［王小治，尹微琴，單玉華等.太湖地區濕沉降中氮磷輸入量——以常熟生態站為例.應用生態學報，2009，20（10）：2487-2492.］

［7］ Venterink H O，Güsewell S.Competitive interactions between twomeadow grasses under nitrogen and phosphorus limitation.Functional Ecology，2010，24（4）：877-886.

［8］ Güsewell S.N∶P ratios in terrestrial plants：Variation and functional significance.New phytologist，2004，164（2）：243-266.

［9］ Denny P.Sites of nutrient absorption in aquatic macrophytes.The Journal ofEcology，1972，60（3）：819-829.

［10］ Wang Bin，LiWei.Physiological reactionsof Potamogetonmalaianus to different N and P concentrations in the growthmedium.Journal of Ecology，2002，10：1616-1621.［王斌，李偉.不同N、P濃度條件下竹葉眼子菜的生理反應.生態學報，2002，10：1616-1621.］

［11］ Xing Wei，Liu Han，Liu Guihua.Ecological stoichiometry in aquatic ecosystems：Studies and applications.Journal of Plant Science，2015，（5）：608-619.［邢偉，劉寒，劉貴華.生態化學計量學在水生態系統中的研究與應用.植物科學學報，2015，（5）：608-619.］

［12］ Sagrario G，María A，Jeppesen E et al.Does high nitrogen loading prevent clear-water conditions in shallow lakesatmoderately high phosphorus concentrations？Freshwater Biology，2005，50（1）：27-41.

［13］ Hu Mianhao，Yuan Juhong，Xiang Lücheng et al.Influence of different nitrogen：phosphorus on growth characteristic of perennial aquatic plant.Journal of Environmental Engineering，2011，5（11）：2487-2493.［胡綿好，袁菊紅，向律成等.不同氮磷比對多年生水生植物生長特性影響的研究.環境工程學報，2011，5（11）：2487-2493.］

［14］ James C，Fisher J，Moss B.Nitrogen driven lakes：The Shropshire and Cheshire Meres？Archiv für Hydrobiologie，2003，158（2）：249-266.

［15］ Jensen JP，Kristensen P，Jeppesen E.Relationships between nitrogen loading and in-lake concentrations in shallow Danish lakes.International Association of Theoretical and Applied Limnology，Proceedings，1990.

［16］ Chen Lei.Population dynamics and persistence of Vallisneria spinulosa in lakes of themiddle-lower reaches of the Yangtze River revealed by molecular markers［Dissertation］.Wuhan：Wuhan Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，2007.［陳磊.基于分子標記的刺苦草在長江中下游湖泊的種群動態與維持研究［學位論文］.武漢：中國科學院武漢植物園，2007.］

［17］ Meng Fanjuan.Effects of eutrofication and changing water level on biomass of submerged macrophytes［Dissertation］. Hefei：China University of Science and Technology，2011.［孟凡娟.湖泊富營養化和水位變化對沉水植被生物量的影響［學位論文］.合肥：中國科學技術大學，2011.］

［18］ Gao Yongxia，Zhu Guangwei，He Ranran et al.Variation ofwater quality and trophic state of Lake Tianmu.EnvironmentalScience，2009，（3）：673-679.［高永霞，朱廣偉，賀冉冉等.天目湖水質演變及富營養化狀況研究.環境科學，2009，（3）：673-679.］

［19］ Wang Shunli，Zhang Hongcai，Wei Hefen et al.Eutrophication current situation and research of the east-half of Chaohu Lake.Journal of Biology，2016，（2）：13-17.［汪順麗，張宏才，魏荷芬等.巢湖東半湖富營養化現狀的研究.生物學雜志，2016，（2）：13-17.

［20］ Zhu Guangwei.Eutrophic statusand causing factors for a large，shallow and subtropical Lake Taihu.JLake Sci，2008，20（1）：21-26.DOI：10.18307／2008.0103.［朱廣偉.太湖富營養化現狀及原因分析.湖泊科學，2008，20（1）：21-26.］

［21］ Wu Hongfei，Guan Baohua，Yao Sipeng etal.Influence ofN：P ratio on primary producersofshallow lakes.Ecological Science，2014，33（6）：1041-1046.［吳紅飛，關保華，姚思鵬等.氮磷負荷比對淺水湖泊初級生產者的影響.生態科學，2014，33（6）：1041-1046.］

［22］ Yuan Longyi，Xue Xinghua，Jing Bohan.Advances in the growth pattern and reproduction characteristics of aquatic plants. Northern Gardening，2013，24：191-195.［袁龍義，薛興華，經博翰.水生植物生長格局和繁殖特點研究進展.北方園藝，2013，24：191-195.］

［23］ Grace JB.The adaptive significance of clonal reproduction in angiosperms：An aquatic perspective.Aquatic Botany，1993，44（2／3）：159-180.

［24］ Wang Wei.Characteristics of reproduction and spread for Aconitum leucostomum Worosch population in Nalati Mountain Meadow［Dissertation］.Urumchi：Xinjiang Agricultural University，2012.［王衛.那拉提山地草甸草地白喉烏頭種群繁殖及蔓延特性研究［學位論文］.烏魯木齊：新疆農業大學，2012.］

［25］ Jiao Dezhi，Me Lu，Huang Zhaoyue et al.Bud population dynamics of Phragmites australis in heterogeneous habitats of Northeast grassland.Journal ofApplied Ecology，2015，26（2）：404-410.［焦德志，么璐，黃曌月等.東北草地異質生境蘆葦芽種群動態.應用生態學報，2015，26（2）：404-410.］

［26］ Wang Qi，Xu Chengyang.Affects of nitrogen and phosphorus on plant leaf photosynthesis and carbon partitioning.Journal of Shandong Forestry Science and Technology，2005，（5）：59-62.［王琪，徐程揚.氮磷對植物光合作用及碳分配的影響.山東林業科技，2005，（5）：59-62.］

［27］ Liu Zhengwen.Ecosystem recovery and water quality improvement of lakes.China Water Conservancy，2006，17：30-33.［劉正文.湖泊生態系統恢復與水質改善.中國水利，2006，17：30-33.］

［28］ Liu Congyu，Liu Pingping，Liu Zhengwen et al.Study on the functions of submerged macrophytes in ecological restoration and water quality improvement.Anhui Agricultural Sciences，2008，36（7）：2908-2910.［劉從玉，劉平平，劉正文等.沉水植物在生態修復和水質改善中的作用——以惠州南湖生態系統的修復與構建（中試）工程為例.安徽農業科學，2008，36（7）：2908-2910.］

Effect of increasing nitrogen／phosphorus ratio in loading on the grow th of Vallisneria spinulosa

ZHANG Xue1，2，ZHENG Jianwei1，ZHOU Maofei1，2，YIN Chunyu2＆GUAN Baohua2??
（1：College of Applied Meteorology，Nanjing University of Information Science＆Technology，Nanjing 210044，P.R.China）
（2：State Key Laboratory of Lake Science and Environment，Nanjing Institute ofGeography and Limnology，Chinese Academy ofSciences，Nanjing 210008，P.R.China）

Phosphorus（P）is a limiting factor for productivity in aquatic ecosystems.In order to control lake eutrophication，many effectivemeasures are taken to control the P effluent in the basin，but nitrogen（N）is difficult to control due to its complex sources.Thus，the situation of low P but yethigh N effluent results in a high ratio of N∶P in loading inmany lakes.Plantsneed a suitable N∶P ratio to sustain their growth，therefore，the increasing of the N∶P ratio in effluentsmight affect the growth of submerged macrophytes.To acquire an insight into the influence of increasing N∶P ratios on the submerged plants，we carried out an outdoor control experiment.Vallisneria spinulosa was planted in plastic bucketswith N and P added to the bucketsevery 3 days.We set up five treatments with an unchanging P loading dose of 4 mg／（m2·d），with a range of nitrogen loading dose including 0，40，80，120 and 160 mg／（m2·d）.The experiment lasted for 80 days.Results showed thatwith an increase of the N∶P ratio in the loading，some indicatorswere nearly stable，such as leaf dry weight，total plant dry weight，leaf N and total N content，leaf number，leaf P and total P content，while some other indicators，such as plant total root length，cloning stem length，stem dry weight and ramet numbers decreaed.The results above revealed thatwith an increasing N∶P ratio in loading，individual growth indicators of V.spinulosa would remain stable or exhibit a minor increase，but that the indicators of population expansion ability，such as cloning stem length，tuber dry weightand rametnumbers，would decline，while the P absorption would not changewith increasing N∶P ratio in loading.

DOI 10.18307／2017.0411

?2017 by Journal of Lake Sciences

?國家自然科學基金項目（31270409）資助.2016-05-18收稿；2016-10-07收修改稿.張雪（1992～），女，碩士研究生；E-mail：evonneshary＠163.com.

??通信作者；E-mail：bhguan＠niglas.ac.cn.