近年来因污水(生活污水、 畜禽养殖废水、 工业废水等)的排放、 农业径流及点源污染等多重因素影响，导致湖泊、 水库等交换周期长、 流动性差的水体中积累了大量营养盐，水体呈现富营养化^[1]. 水体富营养化的外在表现之一就是蓝藻水华的周期性、 大规模暴发，尤其是2007年太湖蓝藻水华发生，造成无锡市200多万人饮用水的缺乏，造成了极大的不良影响. 富营养化水体中蓝藻聚集死亡引起的藻源性黑水团等水污染事件^[2,3]，使得其对水质污染产生了质的变化，对当地居民的生产、 生活和国民经济发展都造成了极大的影响. 因此，如何快速、 有效地修复污染水体，已经成为当前水环境保护的迫切需求. 针对这种情况，目前已采取了多种治理方式，如底泥疏浚^[4,5]、 引江济太工程^[6]、 种植水生植物修复水体^[7]等，在一定范围内取得了相应的效果. 其中，以生长和扩繁能力快、 适应性强，生物量大、 易于机械化打捞的凤眼莲，成为当前水体治理的热点^[8,9]，其实际治理效果也显现出明显的水质净化功能^[10]. 然而，即使采用水生植物进行水体修复，在没有完全控制住水体及内源氮磷负荷的情况下，蓝藻水华仍然是周期性、 规模性发生，而且藻华发生期间正值温度高(气温>25℃)、 光照强烈的夏季. 针对这种情况，研究在较低温度水平下(气温<25℃下)，蓝藻水华聚集后对植物生理生态的影响，结果表明不会对植物造成较大损伤，蓝藻降解后释放的营养盐可以为植物生长提供丰富的物质^[11]. 本文通过模拟实验重点研究在藻华的不同堆积程度下，在较高的温度条件下(气温>25℃下)，藻华聚集后对植物将产生哪些不良影响. 通过本研究的结果，探讨水生植物在蓝藻水华聚集后的消亡原因，以期为减轻蓝藻水华聚集的危害、 强化利用以水葫芦为代表的水生植物修复污染水体和水质净化效果提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 实验设置

本实验在江苏省农科院的温室大棚内的400 L的大塑料周转箱内开展，其编号为1~9，其中1~3号为处理实验1，4~6号为处理实验2，7~9号为对照. 实验水体采集于江苏省农科院的2号池塘，该池塘的上游来水主要是生活污水(实验区水体TN为3.90mg ·L^-1，TP为0.15mg ·L^-1，水温不低于25℃). 然后盛放在周转箱内，周转箱底部预先放入过筛的10 cm厚、 采自2号塘中的底泥. 待水体注入周转箱10 d后，开始放入规格一致、 生长健壮的水葫芦中等苗，水葫芦为单株(去除掉分蘖植株)、 带有8片新鲜叶片、 白色须根的绿色健壮植株(每个周转箱中放入50株，栽植密度等同于120株 ·m²)，静置10 d后，待水葫芦适应水体、 开始正常生长后，放入从太湖梅梁湾采集的新鲜藻体. 放入前预先用浮游植物生物网过滤掉流动的水分，然后用百分之一天平称量后，处理1中蓝藻细胞加入量为60g ·L^-1(每g新鲜藻体中含有藻细胞数量为2×10⁸个)，处理2中蓝藻加入量为120 g ·L^{-1[12, 13]}，以模拟蓝藻水华不同聚集程度以及发生藻源性黑水团时其对水葫芦的影响； 对照实验不添加，每个处理3个平行. 在蓝藻大量死亡、 水体发黑后，水葫芦生长无明显变化时视为植物受到的损伤为不可逆的，结束实验. 实验共持续两周时间. 1.2 样品采集与分析

基本指标测定：实验开始后，在实验前3 d每天用便携式水质监测仪YSI测定水体的基本指标[水温、 水体溶解氧(DO)、 水体酸碱度(pH)、 水体氧化还原电位(ORP)及水体电导率(EC)]； 第4 d后，因水体基本指标较为稳定，每2 d测定一次. 水体样品每3 d采集一次，然后带回实验室测定NH⁺₄-N的含量.

水体叶绿素测定：水样带回实验室后，取一定量的水体用GF/C滤膜过滤后，用改进的热乙醇方法测定叶绿素a^[14]. 1.3 外界光照和温度等环境条件测定

测定光合作用时，选取上午09:00~11:00时阳光照射、 温度条件较为一致时于室外测定光温条件，用LI-6400型(美国LI-COR公司)便携式光合仪同时连续测定不同叶片连体材料的光强、 温度和相对湿度等环境条件，重复3次，每材料的测定在5 min内完成. 测定结束后，用标签纸对所测定的材料进行标记，以确保以后每次都能测定同一叶片. 1.4 叶片净光合速率测定

采用美国LI-COR公司生产的LI-6400型便携式光合测定仪，开放系统使用红蓝光源测定，光量子密度为1600 μmol ·(m² ·s)^-1，流速设为500 μmol ·s^-1，室外测定条件为自然晴天上午09:0~11:00当地光温条件，在相同的时间，用LI-6400型光合仪测定供试材料5片不同叶位叶片的净光合速率. 1.5 数据分析

采用SPSS 19软件对实验数据进行统计分析，显著性检验采用LSD法. 数据处理和图表绘制用Excel 10.0与Origin 8.5进行. 2 结果与分析 2.1 蓝藻聚集后对上覆水体基本参数的影响

蓝藻细胞会消耗掉水体大量的溶解氧，且在高温作用下，常会表现为快速消亡、 分解，从而加剧水体缺氧现象. 在本实验的周转箱中加入蓝藻细胞后，水体DO含量急剧下降，直至实验结束其含量仍不超过0.2mg ·L^-1，呈现缺氧现象(图 1). 同时水体中pH呈现下降的趋势，与对照组中相比，处理组中水体的pH下降了0.7个单位. 蓝藻在生长过程中，通过光合作用吸收水体中CO₂，致使水体中H⁺离子减少，pH值升高^[15]. 然而，在缺氧、 高温作用下，蓝藻细胞很快就会出现死亡，导致其无法利用水体中CO₂，致使水体pH值出现下降现象. 与对照组相比，处理组中水体EC含量呈现不断上升的变化趋势，这可能是因为调节水体pH值的NaHCO₃溶解平衡，NaHCO₃ Na⁺+HCO₃^-[16]； 但与刘丽贞等^[17]研究结果不同的是，水体pH值变化幅度并没有超过1个单位. 同时加入的藻华细胞中含有大量的氮磷物质，在其死亡分解后释放到水体中，造成了水体电导率升高^[18].

图 1

Fig. 1

图 1 加入藻华细胞后上覆水水体基本理化指标变化 Fig. 1 Changes of water basic physical and chemical indexes after injected algae cells

藻华细胞聚集后，很快在高温影响下出现死亡、 分解(图 2)，处理1、 2中水体叶绿素含量在实验结束时仅为初始值的7%、 26%(对照实验组中没有检测出叶绿素含量，因此在图中未显示)，表现出在高温影响下，藻细胞快速死亡现象； 而处理2中因初始添加量较高，基数较大，出现实验结束时含量仍较高的现象. 藻细胞死亡后腐解的大量细胞内含物会释放到水体中，造成水体NH⁺₄-N含量出现快速增加现象^[19]. 在本实验中，处理1、 处理2中根区NH⁺₄-N含量在实验进行3 d后，其含量分别高达15.90mg ·L^-1、 21.18 mg ·L^-1； 实验结束时高达32.99 mg ·L^-1、 51.22 mg ·L^-1，分别为对照组的根区水体的54倍和84倍. 快速死亡、 腐解的藻细胞导致水体呈现强还原、 缺氧环境，藻细胞死亡后释放大量的NH⁺₄-N于水体中，对植物根系产生毒害作 用，导致植物生长的生态环境恶化，植物会因外界恶劣的环境而死亡.

图 2

Fig. 2

图 2 水体中叶绿素和NH+4-N含量变化 Fig. 2 Concentration changes of Chl-a and NH+4-N in overlying water

由于光合作用是植物生长发育的基础，它为植物的生长发育提供所需的物质和能量； 外界胁迫作用会对植物产生伤害作用，抑制生长发育和限制光合作用，从而限制作物产量的提高^[20]. 叶片某一时刻的光合能力是其形成时间(季节)和叶龄的综合反映，但叶片结构和生理的发育进程与叶龄紧密相连^[21]. 在藻华细胞加入到水葫芦生长的水体2 d后，水葫芦叶片的光合能力呈现下降趋势，其下降的幅度与蓝藻细胞加入量成正相关关系[图 3(a)]，尤其是在处理2在实验3 d后降为25.35μmol ·(m² ·s)^-1，在实验进行到5 d后，叶片的光合作用能力下降的更为明显，处理1和处理2的叶片光合能力为25.48μmol ·(m² ·s)^-1、 15.76μmol ·(m² ·s)^-1，处理2叶片光合能力仅为对照组的65%. 随着藻细胞死亡、 缺氧持续和胁迫的加重，此后处理2的叶片光合能力一直呈现下降趋势，且在实验进行5 d后，部分水葫芦开始死亡，表现为叶片发焦、 枯黄； 实验结束时其光合能力仅为3.95μmol ·(m² ·s)^-1，为对照实验组的35%，而藻华细胞添加量为60 g ·L^-1的处理组1中，其光合能力呈现出先下降、 后又增加的变化趋势，这是因为在前期藻细胞的胁迫作用，导致其光合作用能力降低； 这可从胞间CO₂浓度变化数值得到验证[图 3(b)]. 但在藻华细胞死亡、 分解后，植物抵消了这种不良影响后，又重新恢复到以前状态，光合作用能力呈正常状态.

图 3

Fig. 3

图 3 藻华细胞聚集对叶片光合作用变化的影响 Fig. 3 Changes of leaf photosynthesis after algae bloom cells gathered

加入藻华细胞3 d后，叶片气孔导度出现明显下降趋势，处理1、 2中由初期的0.8208μmol ·(m² ·s)^-1、 0.8348μmol ·(m² ·s)^-1降低为0.6805μmol ·(m² ·s)^-1、 0.5195μmol ·(m² ·s)^-1，同期对照组中为0.7764 μmol ·(m² ·s)^-1，表现出藻细胞聚集越严重，其对植物的胁迫作用越明显[图 3(c)]. 实验继续到第5d时，处理2中叶片的气孔导度急剧下降，为0.1859 μmol ·(m² ·s)^-1，仅为同期对照组的21.4%. 叶片的气孔导度下降，会导致胞间CO₂含量、 叶片蒸腾速率均出现下降[图 2(b)、 2(d)].

胞间CO₂浓度(c_i)是光合生理生态研究中经常用到的一个参数，特别是在光合作用的气孔限制分析中，c_i(细胞间的CO₂的浓度)的变化方向是确定光合速率变化的主要原因和是否为气孔因素的必不可少的判断依据^[22]. 藻华细胞聚集后，因溶氧消耗、 高温作用引起藻细胞的快速死亡(图 1)，加重了水葫芦根区水环境的恶化，加剧了对植物的胁迫作用，植物气孔关闭[图 3(b)]. 在本研究中可以发现，叶片气孔导度、 胞间CO₂含量与叶片净光合速率呈正相关关系. 这种正相关说明，光合速率的降低是气孔导度降低引起的c_i降低的结果，所以叶片光合速率的降低应当主要归因于气孔因素，而不是非气孔因素^[23]. 这也表明在藻华细胞聚集后产生的胁迫作用下，植物叶片的气孔关闭后，植物体内部仍在进行光合作用，会消耗掉细胞内的CO₂，因此而导致叶片胞间CO₂含量降低.

图 4

Fig. 4

图 4 藻华细胞聚集后叶温变化 Fig. 4 Changes of leaf temperature after algae cells gathered

在一定范围内较高温度作用下，植物叶片随气温增加，光合作用变强； 同时，较高的气温作用下，植物会出现叶片温度升高现象，导致气孔关闭，光合作用可利用的光合底物CO₂减少而积累较高水平的活性氧，造成P_n降低[图 3(a)]； 在本实验中，处理组中叶片的温度明显高于对照组，且高于外界气温(图 4). 出现这种现象，除了上文讲到的因阳光照射、 外界气温影响等因素外，还有可能水葫芦较短的根茎，通过蒸腾作用输送水分并带走部分热量的通道也较短^[24]； 在藻细胞聚集后对植物形成胁迫，植物体内产生了大量还原性物质积累在植物叶片处，热量无法有效的排散而致使叶温升高. 但其深层叶片升温异常的深层原因仍有待深入研究.

3 讨论

受水体营养盐过度积累作用，蓝藻水华的暴发已不受水体营养盐的限制^[25]，每年发生的水华现象、 尤其是在高温作用下的快速死亡、 以至形成湖泛现象^[26]，对湖泊等水体的影响产生了质的变化. 而在以水生植物进行水体治理的生态修复过程中，不可避免地要面对蓝藻水华问题. 在本实验中，水华快速聚集后在2 h内就会消耗掉水体溶氧(图 5)，同时在高温作用下，藻华细胞会出现快速死亡、 分解，反过来加剧了水体缺氧现象，造成水体呈现缺氧、 还原的环境条件[图 1(b)]，对水葫芦产生了严重的环境胁迫作用，导致水葫芦气孔导度、 蒸腾速率下降，从而使得水葫芦的光合作用能力下降. 已有实验结果表明，植物在外界胁迫作用下，会大大增强呼吸作用强度，使得呼吸作用的电子传递速率提高，导致植物体内积累的物质大量消耗，加之环境条件的恶化，从而加速了植物的死亡^[27].

图 5

Fig. 5

图 5 藻华聚集后根区DO含量变化 Fig. 5 Concentration changes of DO in root zone after algae cells gathered

刘丽贞等^[17]通过蓝藻腐解液对狐尾藻的影响研究，结果表明蓝藻死亡腐解后产生的一系列化感物质与水体水质的剧变(如浊度增加、 溶解氧降低等)的协同作用，是致使沉水植物狐尾藻快速死亡的原因. 而在本实验中以漂浮植物为材料，其根系在水体中，叶片直接可从空气中呼吸CO₂，其适应能力和抗胁迫能力较强，虽然没有在2 d内出现植物死亡现象，但从植物的光合作用效果来看，仍出现了光合效果快速下降现象，表明植物受到了严重的伤害. 通过研究藻华聚集对植物胁迫乃至造成植物死亡的现象的发现具有重大生态意义. 本研究表明藻华细胞大量聚集后，引起的水体缺氧、 物质分解、 还原性物质的产生而造成的水生态的恶化及藻华死亡后释放的细胞内含物，对植物产生了严重胁迫作用，从而导致植物无法抵消这种不良影响而死亡. 因此，本研究结果可以让研究者从新的角度考虑，水体营养盐过量累积引起的蓝藻暴发导致水生植物消亡，其对水体中溶氧消耗、 腐解液及造成的生态环境恶化对水生植物的生理变化起着极其重要的破坏作用.

因此，在当前太湖、 滇池等重污染水体中开展的以控养水葫芦为代表的水生植物进行水体生态净化工程实践中，必须要考虑到在高温下受风向、 湖流等作用下蓝藻水华的严重聚集造成的环境恶化，从而对水葫芦产生损伤作用，弱化了污染水体的生态净化功能和效率. 如何减轻或避免水华蓝藻聚集乃至其引起的植物不可逆的伤害，充分发挥植物的生态修复和水体净化功能，是环境工作者需要进行考虑的一个问题.

4 结论

(1)藻华聚集后，会在2 h内消耗掉水体中溶解氧，并受高温影响会出现快速腐解现象，实验结束时处理1、 2实验组水体叶绿素含量仅为初始含量的7%、 26%，水体ORP达-200 mV、 pH比对照组低0.7个单位.

(2)藻细胞分解释放了大量细胞内含物于水体中，导致水体电导率EC比对照组高2.76倍，水体NH⁺₄-N含量高达32.99 mg ·L^-1、 51.22 mg ·L^-1，分别为对照组根区水体的54倍和84倍，藻华聚集导致水体呈缺氧、 强还原环境，造成水生植物生长的水环境严重恶化.

(3)藻华聚集对水葫芦产生了严重的环境胁迫，在实验结束时，处理1、 处理2实验组水葫芦的气孔导度、 蒸腾速率仅为对照的84%、 18%； 处理1基本恢复到正常状态，处理2中水葫芦受到不可逆的伤害，其光合作用能力仅为3.95 μmol ·(m² ·s)^-1，为同期对照组的18%. 表明因藻华聚集后溶氧消耗、 高温作用及藻细胞分解释放的内含物等多重作用，对植物产生了不可逆的损伤，从而造成植物死亡.

(4)在较高温度(不低于25℃)下，藻华聚集后5 d内即可对水葫芦造成不可逆的损伤，导致植物出现死亡，揭示了严重富营养化水体中蓝藻严重聚集造成的环境恶化是植物消亡的一个重要机制.