沉水植物在水生态系统中承担着重要作用，不仅是系统的初级生产者，还通过自身的生态功能对生态系统的物质循环和能量转换起着重要调控作用，维持水生态系统的平衡及稳定^{[1, 2, 3, 4]}. 研究沉水植物修复富营养化水体的报道很多，结果表明沉水植物能够降低水体营养盐含量^[5]、 抑制藻类滋长^[6]、 提高水体透明度等^[7]； 然而沉水植物死亡后也会引起水体恶化现象，沉水植物腐烂分解释放体内大量的有机质和营养物质，导致水体营养盐含量增加^[8]、 藻类暴发等^[9]，对水体产生“二次污染”^[10,11]. 利用单一季节沉水植物修复水体，待沉水植物死亡后，为防止引起“二次污染”，近年来有研究提出打捞、 收割等应对措施和治理方法^[12,13]，形成“修复-污染-再修复”过程. 目前多集中于研究单一季节沉水植物对水质的改善效果或污染影响，针对季相交替过程中沉水植物与水质的相互影响研究较少^[14,15]，而在自然湖泊中死亡腐解的植物残体作为营养供体提供碳氮磷等营养物质，促进新生植物生长，从而推动物质转化及能量循环，实现水生生态系统的“自我修复”过程，因而沉水植物季相交替过程对维持水生态系统的长期稳定性有着重要作用.

金鱼藻 (Ceratophyllum demersum) 是一种较耐受营养盐胁迫，春末夏初开始生长的沉水植物； 菹草 (Potamogeton crispus) 是冬春生长，夏季衰亡的沉水植物，两者是季相交替过程中典型的沉水植物，具有一定延续性. 因此选用金鱼藻和菹草残体模拟沉水植物夏秋季相交替过程，分析在金鱼藻生长期，不同菹草残体量腐解水质的变化及不同残体量腐解对金鱼藻生长的影响，以探讨季相交替过程中菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用的对水质及植物生长的影响，以期为沉水植物修复水环境提供理论依据.

2014年6月在实验室采集长势一致的成熟期菹草并洗净，在105℃ 杀青10 min，于60℃ 烘干至恒重，将茎叶剪碎 (长度＜1 cm)，每袋尼龙袋5 g，干燥保存备用. 采集金鱼藻，去除异物洗净后培养驯化3周. 同时采集底泥，去除腐叶、 碎石和大颗粒物后过2 mm筛，搅拌均匀，静置备用.

选用Φ 52×75 cm圆形塑料桶，均匀铺置10 cm厚的底泥，加入各50 L的自来水和经浮游生物网 (Φ0.064 mm) 过滤的池塘水，以引入微生物. 实验用水的可溶性总氮 (DTN)、 总氮 (TN)、 可溶性总磷 (DTP)、 总磷 (TP)、 有机碳 (TOC) 和水体叶绿素a (Chl-a) 分别为0.272、 0.308、 0.009、 0.011、 13.140和1.164 mg ·L^-1，实验系统稳定7 d. 设置菹草残体量梯度为10、 20、 40 g，实验设计如表 1所示，金鱼藻选取长势良好的植株，残体尼龙袋捆绑碎石沉入桶底. 实验开始前测定水样作为第0 d，24 h后采样作为第1 d，实验周期为2个月，隔时采集水样和植株，测定水质、 金鱼藻生理指标以及实验前后金鱼藻和菹草残体的生物量.

表 1(Table 1)

表 1 实验设计 Table 1 Experimental design 项目 处理组Ⅰ 处理组Ⅱ 处理组Ⅲ 对照组Ⅳ 对照组Ⅴ 空白组 金鱼藻/g 300 300 300 — — — 菹草残体/g 10 20 40 20 40 —

表 1 实验设计 Table 1 Experimental design

将水样分为上、 中、 下3层，用50 mL注射器进行分层采样，混合于300 mL的塑料采样瓶，设置3个平行. 现场用便携式测定仪测定系统水体的pH、 溶解氧 (DO)； 水样总氮 (TN)、 总磷 (TP)、 可溶性总氮 (DTN)、 可溶性总磷 (DTP)、 水体叶绿素a (Chl-a) 和有机碳 (TOC) 的分析方法见文献^[16]. 选取金鱼藻顶株，设置3个平行，植株的叶绿素 (Chl)、 可溶性蛋白和丙二醛 (MDA) 的分析方法采用丙酮-乙醇提取法、 硫代巴比妥酸法和紫外吸收法.

采用SPSS 18.0 统计分析软件对数据进行分析，用Bivariate检验相关性的显著水平 (P)，用one-way ANOVA检验差异的显著水平 (P)，P＜0.05 为显著相关，P＜0.01为极显著相关； 用Matlab拟合方程.

不同处理组的水体DTN和TN在实验期间均不同程度降低且保持在相对较低水平 (图 1)，其中处理组Ⅲ 的DTN下降速率最快，与相应对照组相比，处理组Ⅱ 和Ⅲ 对DTN的去除率分别为52.51%和45.82%，对TN的去除率分别为89.67%和81.45%. 最终处理组Ⅰ、 Ⅱ 和Ⅲ 的DTN分别为0.464、 0.514和0.509 mg ·L^-1，TN分别为0.513、 0.554和0.559 mg ·L^-1. 对DTN和TN的去除效果为处理组Ⅱ＞处理组Ⅲ.

图 1

Fig. 1

图 1 实验组DTN和TN的变化 Fig. 1 Changes of total dissolved nitrogen and total nitrogen in different experimental groups

不同实验组DTP的变化趋势大致相似均先增后降 (图 2)，11 d后又不同程度回升再下降. 与相应对照组相比，处理组Ⅱ 和Ⅲ 对DTP的去除率分别为27.08%和51.95%，最终处理组Ⅰ、 Ⅱ 和Ⅲ 的DTP分别为0.010、 0.010和0.014 mg ·L^-1. 其中处理组Ⅱ 的藻密度较大，对DTP有明显吸收作用，因此DTP的去除效果处理组Ⅱ＜处理组Ⅲ. 处理组的TP整体呈波动性下降趋势，实验结束时处理组Ⅰ、 Ⅲ 有藻类出现，TP均有回升. 处理组Ⅱ 和Ⅲ 对TP去除率分别为94.99%和74.35%,最终处理组Ⅰ、 Ⅱ 和Ⅲ 的TP分别为0.045、 0.022和0.080 mg ·L^-1，TP的去除效果为处理组Ⅱ＞处理组Ⅲ.

图 2

Fig. 2

图 2 实验组DTP和TP的变化 Fig. 2 Changes of total dissolved phosphorous and total phosphorous in different experimental groups

处理组的TOC在实验前期均快速下降 (图 3)，14 d后处理组Ⅰ、 Ⅱ 和Ⅲ 的TOC均有小幅度回升且变化波动较大，可能由于水体中有机物的相互转化，及金鱼藻脱叶、 老叶分解产生了新的有机物，其中处理组Ⅰ 的部分金鱼藻衰退分解，26 d后TOC接近处理组Ⅱ,最终处理组Ⅰ、 Ⅱ 和Ⅲ 的TOC分别为11.98、 13.94和13.72 mg ·L^-1. 处理组Ⅱ 和Ⅲ 的TOC去除率分别为55.59%和44.94%，去除效果为处理组Ⅱ>处理组Ⅲ.

图 3

Fig. 3

图 3 实验组TOC的变化 Fig. 3 Changes of organic carbon in different experimental groups

菹草残体腐解释放营养盐，促进沉水植物及藻类的生长，处理组水体Chl-a均呈先增加后降低趋势 (图 4)，实验后期由于处理组Ⅰ 和Ⅲ 的金鱼藻脱叶分解引起藻类滋长，导致Chl-a增加. 与相应对照相比，处理组Ⅱ 和Ⅲ 对Chl-a去除率分别为98.55%和96.88%，最终处理组Ⅰ、 Ⅱ 和Ⅲ 的水体Chl-a分别为26.546、 9.983和13.683 mg ·L^-1，去除效果处理组Ⅱ>处理组Ⅱ,其中处理组Ⅱ 的抑藻作用最明显.

图 4

Fig. 4

图 4 金鱼藻各生理指标的变化 Fig. 4 Changes of Chl-a in water in different experimental groups

初始生物量均为 300 g [图 5(a) ]，8 d 后处理组Ⅰ 的金鱼藻衰退，生物量快速降低，29 d 后新株生长，生物量增加； 处理组Ⅱ 的金鱼藻植株健康并逐渐增大； 处理组Ⅲ 在实验第 1~23 d 生长旺盛，后期生长缓慢. 最终生物量处理组Ⅰ 降低50.07%，处理组Ⅱ 和Ⅲ 分别增加7.92%和18.75%.

图 5

Fig. 5

图 5 台州市路桥区河流鲫鱼和菜市场鲫鱼来源 Fig. 5 Changes of physiological indices of Ceratophyllum demersum

实验初期金鱼藻长势良好 [图 5(b) ]，11 d后处理组Ⅰ 的金鱼藻Chl含量降至最低，29 d后新株生长，Chl含量增加； 处理组Ⅱ 的Chl含量持续增加； 处理组Ⅲ 的Chl含量第23 d达到最高，分别是处理组Ⅰ 和Ⅱ 的1.88和1.27倍，后期植株Chl含量逐渐降低. 3个处理Chl含量均比初始值增加，三者差异显著 (P＜0.01)，且处理组Ⅱ 的Chl最终含量分别是处理组Ⅰ 和Ⅲ 的1.23和1.39倍.

处理组Ⅰ 的金鱼藻可溶性蛋白含量11 d后明显增加 [图 5(c) ]，第23 d的含量分别是处理组Ⅱ 和Ⅲ 的1.68和1.52倍，后期含量下降； 其他两个处理组的可溶性蛋白含量逐渐增加. 可溶性蛋白最终含量为处理组Ⅱ>处理组Ⅲ>处理组Ⅰ,三者差异显著 (P＜0.01).

实验第1~29 d [图 5(d) ]，处理组Ⅰ 的金鱼藻MDA含量第11 d明显增高，分别是处理组Ⅱ 和Ⅲ 的1.35和1.58倍，随后含量有所降低； 处理组Ⅱ 的MDA含量缓慢增加； 处理组Ⅲ 的MDA含量第17 d降至最低其后缓慢增加. 29 d后3个处理组的MDA含量均缓慢增加并逐渐保持稳定. MDA最终含量为处理组Ⅲ＞处理组Ⅰ＞处理组Ⅱ,三者差异显著 (P＜0.01). 3 讨论 3.1 菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用对水质的影响

菹草残体内不稳定的有机物分解释放到水体中，各实验组的残体生物量均比初始值减少了50%以上 (表 2). 有研究表明，沉水植物的腐解分解率不高，且分解过程短暂，其中植残体内的C、 N分解过程较滞后^[10]，而植物残体内的P主要存在生物活性物质中易于分解释放^[17]，同时底泥内源磷释放也引起水体P含量增加^[18]，因而在实验期间C、 N含量释放强度不大，而P含量均有不同程度的回升. 不同残体量条件下，菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用均对水体营养盐有着显著去除效果，实验第29 d后，各处理组的营养盐浓度基本保持稳定，实验结束时均处于较低水平. 原因可能是，其一，沉水植物的吸收同化作用^[6]，其二，植物附着生物吸收作用^[19]，其三，周生环境条件的改善并促进微生物的活动^[20]. 其四，沉水植物的化感作用^[9]. 在整个培养阶段残体腐释放营养盐，金鱼藻通过吸收同化营养盐，一部分促进植株生长，一部分贮存在植物体内； 金鱼藻植株上有少量的丝状藻等附着藻类生长，可直接吸收利用水体营养盐^[6]； 金鱼藻的生长改善残体腐解的水环境条件，溶解氧高，pH保持弱碱性，水体透明度高，微生物活动增强，促进系统中N、 P营养元素的迁移、 转化，通过硝化-反硝化作用去除氮，转化含磷化合物去除磷. 同时残体释放的有机质能够为微生物提供碳源，提高微生物活性，进而有效去除水体有机物^{[11, 21]}，使TOC 以CH₄、 CO₂的形式逸出系统^[22]，另外通过吸附作用和悬浮物质的沉降^[13]，也使水体TOC逐渐降低. 处理组水体Chl-a与菹草残体投加量成反比，这与成小英等^[23]的实验结果一致. 水体Chl-a与TN、 TP显著相关 (P＜0.01)，与TOC也呈相关性 (P＜0.05)，表明藻类生长或死亡后被微生物分解转化均增加了水体有机质和营养盐. 因此金鱼藻的他感作用抑制藻类生长，间接降低了水体有机质及营养盐.

表 2(Table 2)

表 2 实验前后菹草残体生物量变化 Table 2 Decomposed biomass changes of Potamogeton crispus before and after the experiment 项目 金鱼藻+10 g残体 金鱼藻+20 g残体 金鱼藻+40 g残体 20 g残体 40 g残体 实验初/g 10.00±0.00 20.00±0.00 40.00±0.00 20.00±0.00 40.00±0.00 实验末/g 4.65±0.41 8.37±0.21 15.64±0.16 8.00±0.29 18.28±0.18 损失量/% 53.54 58.14 60.91 60.00 61.80

表 2 实验前后菹草残体生物量变化 Table 2 Decomposed biomass changes of Potamogeton crispus before and after the experiment

菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用对不同残体量条件下的水质改善效果存在差异. 10 g残体处理组金鱼藻受到胁迫衰退，叶片脱落，残叶分解释放出C、 N、 P元素，导致实验中期水体营养盐及有机质浓度小幅度回升，随着新株快速生长及藻类滋长，营养盐及有机质浓度与其他处理组相近； 20 g残体处理组水体营养盐及有机质浓度持续下降，水体Chl-a达到最低，去除率高于其他处理组； 40 g残体处理组水体营养盐及有机质浓度的下降速率最快，实验后期金鱼藻受到环境胁迫及藻类滋长，水体营养盐及有机质浓度有所回升. 结果表明在20 g残体条件下，菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用对去除水体营养盐及有机质浓度的效果显著.

菹草残体腐解过程对水环境产生影响，在实验初期不同残体量腐解均不同程度降低了水体溶解氧、 pH、 透明度等，后随着金鱼藻的生长环境条件改善水体溶解氧、 pH、 透明度均升高，这与易文利等^[15]实验结果相似，且残体释放的营养盐及有机物含量也会对植物的生理特性造成胁迫，抑制植物生长，引起金鱼藻的生理响应. 生物量是反映植物生长状态的重要指标. 10 g残体处理组金鱼藻受营养胁迫，生物量下降； 20 g残体处理组营养盐浓度适量，环境条件适宜，金鱼藻生长健壮，植株油绿； 40 g残体处理组营养盐释放量大，耗氧较多，较高浓度促进金鱼藻生长，生物量快速增大竞争激烈，生长受到抑制，植株颜色逐渐发暗.

光合作用是植物体内极为重要的代谢过程,其强弱对植物生长及抗逆性具有十分重要的影响. 光合色素是光合作用的物质基础，叶绿素含量高低反映了植株的营养及生长状况和光合作用能力^[24]，含量越高，光合作用越强^[15]，缺乏营养元素，叶绿素形成受阻. 10 g残体处理组营养盐低，金鱼藻叶绿素合成受阻，植株衰退残叶分解释放营养盐，促进新株生长含量逐渐增加； 20 g残体处理组的金鱼藻长势良好，叶绿素含量持续增高，光合作用最强. 40 g残体处理组金鱼藻在高营养盐浓度中快速生长，叶绿素含量激增，随着竞争及营养盐胁迫，叶绿素含量降低.

植物叶片中的可溶性蛋白多是参与各种代谢、 光合作用的关键酶，可溶性蛋白含量是了解植物体总代谢的一个重要指标^[25]. 逆境胁迫导致植物蛋白质分解，合成降低，引起可溶性蛋白含量增加，同时缺乏或过多摄取氮素营养，可溶性蛋白质含量减少. 10 g 残体处理组缺乏营养盐，植物受到胁迫，可溶性蛋白含量激增，随着生物量减少及残叶腐解释放营养促进新株生长，恢复正常蛋白合成功能； 20 g 残体处理组的营养盐促进蛋白质合成，提高可溶性蛋白含量，利于植株生长. 40 g 残体处理组由于竞争作用及营养胁迫导致生长减缓，蛋白合成减少，可溶性蛋白含量相应减少.

丙二醛是膜脂过氧化作用的产物，可以作为细胞膜受损的标志^[26]. 当水体营养盐浓度较低或较高时，植物受到胁迫活性氧自由基积累，体内活性氧产生与清除系统的动态平衡被打破，促使膜脂过氧化，MDA含量增加，细胞膜系统受损^[27]. 10 g 残体处理组营养盐释放量低，金鱼藻逆境下产生自由基，引起 MDA 含量增加，植株受到迫害叶片脱落，金鱼藻产生胁迫响应，促使保护酶增加清除自由基，随着环境条件适宜，金鱼藻生出新枝，MDA 含量相应下降，后随植株生长含量渐增； 20 g 残体处理组金鱼藻生长受到胁迫较小，MDA 含量随植株生长逐渐增加且显著低于其他处理组，植物生长旺盛. 40 g 残体处理组金鱼藻初期快速生长 MDA 含量降低，后期竞争及营养盐胁迫生长受到抑制含量缓慢增加. 结果表明本实验中 300 g 金鱼藻在 20 g 菹草残体条件下生长最好.

将不同处理组随时间变化的DTN、 TN、 DTP、 TP和TOC这5个水质指标进行主成分分析，结果如图 6，不同处理组对于时间的散点分布具有一定差异，通过对主成分进行分析，第一成分指标为TOC，第二成分指标为TN，第三成分指标为其他水质指标，其中DTP、 TP具有相关性.

图 6

Fig. 6

图 6 金鱼藻组水质指标主成分分布 Fig. 6 Scatter plot of the scores of the first three principal components in the Ceratophyllum demersum groups

处理组的水质指标DTN、 TN、 DTP、 TP、 TOC和水体Chl-a及金鱼藻生理指标Chl、 可溶性蛋白、 MDA通过Matlab拟合方程，结果如表 3所示，可以看出不同处理组均可以建立多元线性回归拟合方程，且相关性均显著，说明藻类及金鱼藻的生长与腐解水质状况有较大关系，其中20 g残体处理组相关性最好. 选取实验不同天数的水质指标数据代入多元线性回归拟合方程进行计算，得出的数值与实际数值误差均不超过20%，可满足模型计算要求. 因此通过测定水质指标DTN、 TN、 DTP、 TP和TOC，即可对水体Chl-a及金鱼藻各生理指标进行快速估算，提高现场预测能力.

表 3(Table 3)

表 3 金鱼藻组的多元线性回归拟合方程 1) Table 3 Multiple linear fitting regression equation of Ceratophyllumdemersum groups 项目 处理组 拟合方程 R2 P 显著性水平 金鱼藻+10 g残体 *y=-17.24+87.03x1-21.08x2-83.99x3+41.39x4-0.35x5 0.6924 <0.01 极显著 水体Chl-a 金鱼藻+20 g残体 y=-4.08+87.27x1+25.37x2+27.34x3+114.76x4-3.71x5 0.8587 <0.001 极显著 金鱼藻+40 g残体 *y=0.32+53.17x1-21.76x2-51.73x3+110.61x4-0.68x5 0.7613 <0.01 极显著 金鱼藻+10 g残体 y=-0.90+4.91x1-1.56x2-3.81x3-7.56x4+0.05x5 0.6301 <0.01 极显著 植物Chl 金鱼藻+20 g残体 y=1.22+0.72x1-1.90x2-1.51x3+2.21x4+0.05x5 0.9624 <0.001 极显著 金鱼藻+40 g残体 y=0.47-0.38x1-1.10x2-3.51x3-1.07x4+0.10x5 0.5297 <0.05 显著 金鱼藻+10 g残体 y=14.73-119.54x1-4.35x2+6.51x4+7.17x4-0.03x5 0.8225 <0.001 极显著 植物可溶性蛋白 金鱼藻+20 g残体 y=5.09+8.98x1-4.24x2-31.10x3-7.02x4-0.12x5 0.8953 <0.001 极显著 金鱼藻+40 g残体 y=2.79+4.81x1-7.43x2-38.64x3+8.97x4+0.25x5 0.8124 <0.001 极显著 金鱼藻+10 g残体 y=7.09+7.72x1-4.20x2-23.40x3-3.37x4-0.22x5 0.9025 <0.001 极显著 植物MDA 金鱼藻+20 g残体 y=9.37-1.14x1-1.56x2-42.07x3+6.83x4-0.19x5 0.9313 <0.001 极显著 金鱼藻+40 g残体 y=11.26-4.13x1-1.23x2-42.11x3+22.10x4-0.26x5 0.8309 <0.001 极显著 1) x1~x5分别为水质指标DTN、 TN、 DTP、 TP和TOC (mg ·L-1)； *为剔除两个异常点后所得拟合方程

表 3 金鱼藻组的多元线性回归拟合方程 1) Table 3 Multiple linear fitting regression equation of Ceratophyllumdemersum groups

(1) 不同残体量条件下水体DTN、 TN、 DTP、 TP、 TOC和Chl-a均处于较低水平，且实验第29 d后基本保持稳定，其中DTN<0.514 mg ·L^-1，TN<0.559 mg ·L^-1，TP<0.080 mg ·L^-1，DTP<0.014 mg ·L^-1，TOC<13.94 mg ·L^-1，Chl-a<26.546 mg ·L^-1，表明菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用对水质的改善作用明显. 其中在20 g残体条件下改善效果好，对水体TN、 DTN、 TP、 TOC和Chl-a的去除率分别达到89.67%、 52.51%、 94.99%、 55.59%和98.55%.

(2) 整个培养阶段，不同残体量条件下金鱼藻的叶绿素、 可溶性蛋白、 丙二醛含量均比初始值增加，残体释放的营养盐促进了金鱼藻生长. 其中在10 g和40 g残体条件下，菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用的对金鱼藻生长的促进作用较小，而在20 g残体条件下其对金鱼藻生长的促进作用最好. 表明在菹草残体20 g条件下菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用对水质改善及促进植物生长的效果最显著.