沉水和浮叶植物在浅水湖泊生态系统中的作用——以太湖为例

中国环境学会  2011年 03月31日

   雷泽湘1,4,徐德兰2,王备新3,刘雯1,刘正文4,5
  (1.仲恺农业工程学院环境科学与工程学院,手机15302215365,广州510225;2.徐州工程学院环境工程系,徐州221008;3.南京农业大学昆虫系,南京210095;4.暨南大学水生生物研究所,广州 510632; 5.中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京210008)


  摘  要:对太湖沉水和浮叶植物、底栖动物及其湖泊水质和沉积物状况等进行了调查。结果表明:沉水和浮叶植物的存在对太湖水质、沉积物特性和底栖动物的多样性均有一定影响。有草区与无草区比较:其水体透明度提高了1.12(5月)和1.99(9月)倍,TN浓度降低了1.84(5月)和0.70(9月)倍,TP浓度降低了0.99(5月)和1.58(9月)倍,叶绿素含量降低了2.17(5月)和1.54(9月)倍,有草区底栖动物的生物多样性(75种)明显高于无草区(53种),方差分析差异达显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)。表明沉水和浮叶植物是维持太湖浅水湖泊健康生态系统的重要组成部分,在浅水湖泊中的作用不可替代。
  关键词:浅水湖泊;沉水和浮叶植物;底栖动物;营养盐;太湖
   
  The Function of Submersed and Floating-Leaved Macrophytes in the Shallow Lake Ecological System--A Case Study of Taihu Lake
  LEI Ze-xiang1,4,XU De-lan2, WAN Bei-xin3,LIU Wen1,LIU Zheng-wen3,5
  (1.College of Environmental Science and Engineering, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225,China;2.Department of Environmental Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221008, China;3.Department of Entomology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;4.Institute of Hydrobiology of Jinan University, Guangzhou 510632, China; 5.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)
  Abstracts: The submersed and floating-leaved macrophytes, macrozoobenthos, water quality, and sediments in the Taihu Lake were investigated. The results showed that the existence of submersed and floating-leaved macrophytes had a significant effect on water quality, sediments’ characteristics and the index of biodiversity of the macrozoobenthos. Through the comparison of the area with macrophytes and the area without macrophytes, it was found that water transparency improve 1.12 (May) and 1.99 (Sept.) times,TN reduce 1.84 (May) and 0.70 (Sept.) times,TP reduce 0.99 (May) and 1.58 (Sept.) times,the content of chlorophyll reduce 2.17 (May) and 1.54 (Sept.) times; the biodiversity of macrozoobenthos (75 species) in the area with macrophytes was higher than that in the area without macrophytes (53 species). The Analysis of Variance shows that the difference reached significant level (P<0.05) or extremely significant level (P<0.01). The research reveals that Taihu Lake’s submersed and floating-leaved macrophytes is an important part to maintain the healthy shallow lake ecological system.
  Key words: shallow lake; submersed and floating-leaved macrophytes; macrozoobenthos; nutrients; Taihu Lake
   
  浅水湖泊是指夏季不分层并且在健康状态下能够大面积生长水生植物的湖泊。与深水湖泊不同,其水体上下经常混合,泥水界面相互作用强烈,水生植物对湖泊功能存在非常大的影响[1]。水生高等植物是浅水湖泊生态系统的重要组成部分,不仅是鱼类的主要天然饵料,而且是湖泊演化和生态平衡的重要调控者,对水生态系统的结构和功能具有决定性的影响[2]。对于水生植物在浅水湖泊生态系统中的作用,已有不少研究[3,4]。本文通过对太湖水生高等植物、底栖动物的种类、分布的调查和太湖水体、沉积物特征的分析,进一步了解水生植被对太湖水体环境的影响,以期为太湖水生植被的保护和利用提供依据和参考。


  1 太湖概况


  太湖位于长江三角洲南翼坦荡的太湖平原上,介于30°55′40″-31°32′58″N,119°52′32″-120°36′10″E之间,是我国第三大淡水湖泊。太湖平均水深1.9m,最大水深2.6m,是一个典型的浅水湖泊[5]。太湖富营养化从20世纪80年代开始,每隔10年上升一个等级,目前处于富营养到重富营养状态,湖泊水质属于劣五类[5]。从2000年以来,太湖夏季水华暴发的范围越来越大,从2000年以前的梅梁湾、竺山湾及部分湖西区为主,发展到2006年的整个西太湖,夏季暴发水华的面积占太湖总面积的一半以上[6]。
                            
  基金项目:国家863计划项目(2002AA601011);广东省自然科学基金(8451022501000016)资助
  作者简介:雷泽湘(1965-),男,湖南澧县人,教授,主要从事水环境生态的教学与研究。E-mail:leizexiang@sina.com
  20世纪60年代前,太湖湖区水生高等植物繁茂[7,8],60年代后,水生高等植物开始衰退,到70年代,除东太湖及西太湖局部岸边有少量水生植物分布外,大湖区内水生高等植物绝迹,“水下森林”消失,生态系统失去平衡[9]。太湖现有的水生植物主要分布在东太湖,其它仅见于少数湖湾和沿岸区[10,11]。


  2 研究方法


  2.1.1 采样点设置
  于2004年 5和 9月分别对太湖进行了两次环湖采样调查。根据太湖的历史资料[8,10],共设32个采样点(见图1),用GPS定位布设调查样方(采样点的经纬度范围为:119.923°-120.536°E, 30.941°-31.504°N)。


  2.1.2 水生植物、底栖动物采集
  依据采样点的植物盖度和多样性,各设立5-10个样方,每样方为一长0.5 m、宽0.4 m、面积为0.2 m2的带网铁框;采集时将框内植物连根拔起,按种类现场称其鲜重生物量,取其平均值。底栖动物采用1/16的彼得逊采泥器在每个样点采2个平行样,用40目网筛洗后,两样合并,用8%的福尔马林液保存。室内挑拣所有标本,尽量鉴定至最低分类水平种,并记录各分类单元的个体数。
      
  2.1.3 水样、沉积物样的采集和测定
  采样前先测定水深和透明度,采集的水样,带回室内测pH值、电导率、总磷、总氮、叶绿素、悬浮质和有机碳含量等指标。测定方法见《水和废水监测分析方法》[12]。用柱状采样器采集沉积物,自上而下(厚度为3、3、5cm)分层,装入塑料袋中回实验室分析,自然风干,磨细100目过筛,TN用凯氏法,TP用ICP-AES原子发射光谱测定,有机质(OM)采用对Tam等[13]稍作改进的方法,通过烧失量计算其含量。


  3 结果与分析


  3.1 太湖有草区和无草区的水体理化性状比较
  根据调查结果,将全湖分为有草区(1, 2, 5-16, 共14个样点)和无草区(3, 4, 17-32, 共18个样点),有草区的平均生物量为1424.3 g·m-2(5月)和2150.7 g·m-2(9月),无草区的生物量趋近为0。水样统计结果见表1。对水体环境进行比较,发现水生植物对水环境的改善作用表现在以下方面:

  1  20045月和9月太湖水体理化指标(平均值±标准误)

测定项目

 

5

 

 

 

9

 

 

全湖

有草区

无草区

 

全湖

有草区

无草区

水深(m)

1.86±0.041

1.74±0.064

1.95±0.043

 

1.87±0.042

1.72±0.055

1.99±0.039

透明度(cm)

57.16±8.263

81.57±15.829﹡﹡

38.17±4.884

 

64.06±7.158

102.43±7.731﹡﹡

34.22±2.399

pH

8.23±0.094

8.53±0.178

8.00±0.050

 

8.51±0.053

8.37±0.073

8.62±0.060

电导率(ms·cm-1)

0.400±0.025

0.337±0.021

0.448±0.038

 

0.424±0.009

0.387±0.013

0.452±0.008

总磷(mg·L-1)

0.104±0.009

0.067±0.008﹡﹡

0.133±0.011

 

0.094±0.011

0.050±0.005﹡﹡

0.129±0.015

总氮(mg·L-1)

4.668±0.525

2.297±0.326﹡﹡

6.512±0.611

 

2.773±0.263

1.993±0.329﹡﹡

3.380±0.320

正磷酸盐(mg·L-1)

0.009±0.002

0.005±0.001

0.011±0.005

 

0.012±0.002

0.007±0.001

0.016±0.003

氨氮(mg·L-1)

0.189±0.041

0.096±0.012

0.262±0.069

 

0.533±0.102

0.311±0.015

0.706±0.173

亚硝态氮(mg·L-1)

0.129±0.029

0.023±0.014

0.211±0.041

 

0.072±0.019

0.027±0.018

0.106±0.028

硝态氮(mg·L-1)

1.56±0.143

1.01±0.201

1.99±0.132

 

0.69±0.088

0.359±0.097

0.95±0.099

叶绿素(μg·L-1

22.99±4.531

10.35±1.187

32.82±7.263

 

25.46±3.124

13.65±2.508

34.64±4.004

悬浮质(g·L-1)

0.05±0.005

0.04±0.006

0.05±0.007

 

0.04±0.005

0.02±0.003

0.05±0.003

有机碳含量(%)

0.23±0.016

0.22±0.021

0.23±0.025

 

0.39±0.024

0.42±0.038

0.36±0.028

  注:﹡P<0.05, ﹡﹡P<0.01


  3.1.1透明度、悬浮物和电导率
  从表1可知,有草区的透明度要明显高于无草区,在5月和9月的透明度比无草区分别提高了1.12和1.99倍;而有草区的悬浮物和电导率等则低于无草区。


  3.1.2 水体中的氮、磷营养盐
  从表1可知,有草区水体中的总磷、总氮、正磷酸盐、氨氮、亚硝态氮、硝态氮等含量均低于无草区,有草区的TN、TP含量分别比无草区降低1.84、0.99倍(5月)和0.70、1.58倍(9月)。


  3.1.3 水体中的叶绿素与藻类
  在有草区,水体透明度较高,水生植物生长繁茂,藻类少,叶绿素含量低,如贡湖、东太湖等,其叶绿素含量要比无草区降低2.17(5月)和1.54(9月)倍;而无草区的藻类多,叶绿素含量高,如西太湖部分水域,5月开始出现藻华,7、8、9月时藻华则十分严重。


  3.2太湖有草区和无草区的沉积物特点
  有草区沉积物中TN和有机质含量均高于无草区(表2),而有草区沉积物的最表层(0-3cm)TP1与次表层(3-6cm)TP2的含量均低于无草区,说明水生植物的存在有助于吸收沉积物中的磷。有草区沉积物P含量为5月低于9月,可能主要是由于
  表2 太湖沉积物TN、TP和有机质特征(mg·g-1)

  项目

 

5

 

 

 

9

 

Item

有草区

无草区

全太湖

 

有草区

无草区

全太湖

TN

0.010±0.002

0.007±0.001 

0.846±0.141

 

表层TP1

0.399±0.090 

0.513±0.058

0.460±0.052

 

0.576±0.089

0.553±0.021

0.566±0.050

次表层TP2

0.338±0.045

0.513±0.060

0.425±0.040

 

0.491±0.035

0.589±0.043

0.533±0.028

表层有机质

7.402±0.627

5.755±0.516

6.523±0.423

 

6.502±0.472

5.455±0.452

6.041±0.341

次表层有机质

6.638±0.474

6.118±0.454

6.378±0.326

 

6.576±0.531

5.767±0.342

6.224±0.339

  注:表层为沉积物最上部分0-3cm,次表层为沉积物3-6cm。
  5月是植物生长旺盛期,水生植物生长对磷需求量较大,从而使部分磷通过根系吸收进入植物体内。而9-10月一般为水生植物生长高峰期,植物的生理活性开始减弱,植物代谢残体也开始增加,从而也增加沉积物有机质及磷含量。且湖泊根际微生物也因时间发生相应变化[14],从而形成9月份沉积物磷含量高于5月份。无草区沉积物TP含量的动态变化特征与有草区基本相同。
  有草区沉积物有机质含量的变化与TP的变化不同,有草区沉积物中有机质含量为5月份高于9月份。造成这一现象主要原因是由于水生植物在水体中分解较慢[15],从而形成9月有机质含量低于5月。同时,外源有机质输入也是造成沉积物表层偏高的原因。无草区沉积物有机质含量的动态变化特征与有草区亦相同。


  3.3 太湖有草区和无草区的底栖动物群落结构
  整个太湖共采集到92种底栖动物(图2),多样性指数最高的3个类群分别为昆虫纲(48种)、软体动物门(19种)和寡毛纲(8种)。其中有草区的底栖动物多样性明显好于无草区。有草区的物种数(75种)明显高于无草区(53种),但有草区底栖动物密度(452 ind·m-2)明显低于无草区(2937 ind·m-2)。从物种组成看,有草区和无草区的优势种都为霍甫水丝蚓,但在两个区的平均密度差异极大,有草区为60 ind·m-2,无草区为2312 ind·m-2。物种组成方面的差异主要体现软体动物方面,有草区软体动物种的种类(20种)明显高于无草区(8种),有草区软体动物的优势种为纹沼螺,出现频率85.71%,平均密度27 ind·m-2,无草区软体动物优势种为河蚬,出现频率55.56%,平均密度31 ind·m-2。有草区另有一些以水生植物为食的伴生水生昆虫,如两种水螟Neoschoenobia sp.,Parapoyax sp.和1种叶甲幼虫Donacia sp.,以及对水质敏感的毛翅目多距石蛾科的幼虫Neureclipsis sp.。


  4 讨论


  在淡水生态系统中,水生植被是整个水生生物群落的重要组分。水生植物在生长过程中吸收同化湖水和底泥中的氮、磷等矿质营养,通过促进湖水含磷物质的沉降和抑制表层沉积物的再悬浮而起到促进磷沉积,从而降低了水体磷含量,水生植物将湖水中的氮传输到底泥中,促其进入地球化学循环的功能,这对于降低湖水中的氮含量,防止湖泊富营养化起了重要作用。
  关于水生植被的重建与消失对生态系统和生物多样性的影响已有若干报道[16,17]。水生植物是许多周丛生物生存的基础,生活在上面的细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、线虫等构成周丛生物群落,形成一个错综复杂的食物网[18]。水生植物的消失也就意味着大部分周丛生物生存基础的破坏。水生植物是整个水生动植物群落结构的基础,水草的消失除导致草食性鱼类等自身种群的崩溃外,还带来物种的次生灭绝[19]。水生植物的消失对水生生物群落多样性亦产生影响,最显著的是导致浮游生物群落多样性明显下降[20]。宋碧玉等[21]利用围隔这一人工生态系统重建水生植被,分析水体中原生动物种类、密度及多样性指数的变化,结果表明:与对照湖区相比,围隔中原生动物种类较多;对照湖区优势种类均为富营养化水体中常见的浮游纤毛虫;重建水生植被的围隔中,原生动物密度降低10多倍,而多样性指数增高了近2倍。水生植物通过增加水生态系统的空间生态位,提高了系统的生物多样性[22]。本调查结果亦表明有草区底栖动物的多样性指数明显提高,水生高等植物增加了系统的生物多样性,提高了系统对外界干扰的缓冲能力,使水生态系统结构更加稳定。通过水生高等植物对太湖富营养化水质、沉积物中氮磷营养盐、有机质含量和底栖动物的多样性指数影响的探讨,对水生高等植物在浅水湖泊中的作用有了进一步的了解和认识。关于水生高等植物在维持浅水湖泊健康生态系统的其他重要作用,有待更进一步的研究与探讨。


  参 考 文 献
  年跃刚,宋英伟,李英杰,等。富营养化浅水湖泊稳态转换理论与生态恢复探讨[J]。环境科学研究,2006, 19(1): 67-70.
  Engel S. The ro1e and interactions of submersed macrophytes in a sha11ow Wisconsin Lake[J]. Freshwat. Ecol., 1998, 4: 329-341.
  于丹,于洪贤,宋连发,等。红旗泡水生植物群落结构与功能的研究[J]。水生生物学报,1994,18(1):50-58.  
  曹昀,王国祥。水生高等植物对悬浮泥沙的去除研究[J]。长江流域资源与环境,2007,16(3): 340-344.
  秦伯强,罗潋葱。太湖生态环境演化及其原因分析[J]。第四纪研究,2004, 24(5): 561-568.
  朱广伟。太湖富营养化现状及原因分析[J]。湖泊科学, 2008, 20(1): 21-26.
  伍献文。五里湖1951年湖泊学调查[J]。水生生物学集刊,1962, (l): 63-113.
  中国科学院南京地理研究所。太湖综合调查报告[M]。北京:科学出版社,1965: 1-84.
  张圣照, 王国祥, 濮培民。太湖藻型富营养化对水生高等植物的影响及植被的恢复[J]。植物资源与环境, 1998, 7(4): 52-57.
  鲍建平,缪为民,李劫夫,等。太湖水生维管束植物及其合理开发利用的调查研究[J]。大连水产学院学报,1991,6(1):13-20.
  胡志新,胡维平,张发兵,等。太湖梅梁湾生态系统健康状况周年变化的评价研究[J]。生态学杂志,2005, 24(7): 763-767.
  国家环境保护局,水与废水监测分析方法编委会编。水与废水监测分析方法(第四版)[M]。北京:中国环境科学出版社,2002.
  Tam N F Y, Wong Y S. Spatial variation of heavy metals in surface sediments of Hong Kong mangrove swamps[J]. J. Environmental Pollution, 2000, 110: 195-205.
  Moore B C, Lafer J E, Funk W H. Influence of aquatic macrophytes on phosphorus and sediment porewater chemistry in a freshwater wetland[J]. Aquat Bot, 1994, 49: 137-148.
  李文朝,陈开宁,吴庆龙,等。东太湖水生植物生物质腐烂分解实验[J]。湖泊科学,2001, 13(4): 331-336.
  Comin F A, Menendez M and Lucena J K. Proposal for macrophyte restoration in eutrophic coast allagoons[J]. Hydro-biologia, 1990, 200/201: 427-436.
  刘建康主编。东湖生态学研究(二) [M]. 北京:科学出版社,1995: 302-311.
  Sand-Jensen K, Jeppesen E, Nielsen N S. Growth of macrophytes and ecosystem consequence in lowland Danish stream[J]. Freshwat Biol, 1989, 22: 15-32.
  Xie P, Chen Y Y. Degeneration of biological diversity in freshwater eco-system[J]. The Effect of Sci on Society, 1995, 4: 15-23.
  Gumbricht T. Nutrient removal processes in freshwater submerged macrophyte systems[J]. Ecol Eng, 1993, 2: 1-30.  
  宋碧玉,曹明,谢平。沉水植被的重建与消失对原生动物群落结构和生物多样性的影响[J]。生态学报,2000, 20(2): 270-277.
  Pokorny J, Kvet J and Ondok J P. Functioning of the plant component in densely stoked fishpods[J]. Bull. Ecol., 1990, 21(3): 44-48.

 
污染防治与管理更多>>
循环经济与绿色产业发展 更多>>
低碳经济与可持续发展更多>>
中国面临的主要环境问题及对策 更多>>