不同氨氮濃度和基質條件對沉水植物的影響

林超　陳煜　周珺　許明峰　華楠　韓翠敏

摘要 在室外靜態模擬條件下，通過測定黑藻、刺苦草、穗花狐尾藻的相對生長速率、分枝數、最大株高、葉綠素a、超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶的指標變化，研究沉水植物在基底和氨氮條件雙因素變化下的響應情況。結果表明，黑藻、刺苦草、穗花狐尾藻的最大氨氮耐受濃度分別為2.69、4.69、2.69 mg/L。基于各沉水植物的生長速率變化情況，除黑藻在中濃度氨氮條件下生長速率不及淤泥組外，黃土組沉水植物適應氨氮脅迫的能力都更強。不同基質下同種植物在不同氨氮濃度水體中的葉綠素a含量整體呈現先升高后下降的趨勢，且同一濃度下不同基質組無明顯差異。同種基質條件下，黑藻和穗花狐尾藻在中濃度氨氮條件以下，SOD指標變化不顯著，刺苦草呈現先上升后下降的趨勢。淤泥和黃土環境下，不同氨氮濃度對黑藻CAT指標都無顯著影響。

關鍵詞 沉水植物；氨氮；基質；相對生長速率；生理指標

中圖分類號 X 173文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2023）15-0063-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.15.015

Effects of Different Ammonia Nitrogen Concentrations and Substrate Conditions on Submerged Plants

LIN Chao1， CHEN Yu1， ZHOU Jun2 et al

（1.The Ecological Environmental Technology Co.，Ltd.，Wuxi， Jiangsu 214000;2.Wuxi River and Lake Management and Water Resources Management Center， Wuxi， Jiangsu 214000）

Abstract Under outdoor static simulation conditions， by measuring the relative growth rate， branch number， maximum plant height， chlorophyll a， superoxide dismutase， peroxidase and catalase of Hydrilla verticillata， Vallisneria spinulosa and Myriophyllum spicatum， we study the response of submerged plants to the changes of substrate and ammonia nitrogen conditions. The results showed that the maximum ammonia nitrogen tolerance concentrations of Hydrilla verticillata， Vallisneria spinulosa and Myriophyllum spicatum were 2.69 mg/L， 4.69 mg/L and 2.69 mg/L respectively. Based on the growth rate changes of submerged plants， except that the growth rate of Hydrilla verticillata is lower than that of silt group under the condition of medium concentration of ammonia nitrogen， the submerged plants in loess group have stronger ability to adapt to ammonia nitrogen stress. The chlorophyll a content of the same plant in water with different ammonia nitrogen concentrations under different substrates showed an overall trend of increasing first and then decreasing， and there was no significant difference between different substrate groups under the same concentration. Under the same substrate environment， under the medium concentration of ammonia nitrogen， the SOD index of Hydrilla verticillata and Myriophyllum spicatum did not change significantly， while the thorn bittergrass showed a trend of rising first and then declining.? In silt and loess environment， different ammonia nitrogen concentrations have no significant effect on the CAT index of Hydrilla verticillata.

Key words Submerged plant；Ammonia-nitrogen；Stroma；Relative growth rate；Physiological index

沉水植物作為完全生長于水下的大型水生植物，是水生態系統維持穩定的重要生態類群，但其沉水性特點也決定了其對水質變化的敏感性［1］。雖然沉水植物的莖、葉等各部位對營養物質具有一定的吸收富集能力，但這種能力需要水質在一定的營養程度范圍內才能保持穩定［2］。研究表明，水體長期氨氮超標會顯著抑制沉水植物的生長，被認為是引起沉水植物衰退的重要原因之一［3］。也有學者認為，氨氮污染并不會直接導致沉水植物消亡，氨氮污染引起的藻類（包括附生藻類）暴發導致的低光照條件和次生代謝產物（藻毒素等）才是引起沉水植被消亡的直接原因［4］。

目前，沉水植物對氨氮的脅迫響應研究多集中于不同濃度條件下各植物的生長變化［5-7］，然而沉水植物所處的水生生境具有復雜多變的特點，單一因素的研究已經無法準確分析沉水植物恢復的受限條件。該研究重點探究沉水植物在不同基底條件和不同水體條件2種因素變化下的響應情況，探明沉水植物對氨氮的響應是否會受到其所在底質條件的影響：即在底質營養高的條件下，沉水植物能否更耐受高氨氮脅迫（產生更多的抗逆性酶和其他代謝產物），以期了解基質類型對沉水植物耐受性的影響，同時指導水生態治理過程中不同河道對沉水植物品種以及基底條件改善措施的選擇和應用，最終保證沉水植物群落構建的穩定性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

針對河道中2種常見的基質條件，從河道中取底泥、硬質黃土分別作為試驗基質材料，然后分別栽種3種本土沉水植物：黑藻（Hydrilla verticillata）、刺苦草（Vallisneria spinulosa）、穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum），植物材料采集自無錫市新吳區河道，供試植株生物量接近，不同種等數量種植。

1.2 試驗設計

試驗開展時間為2021年5月15—6月9日，為期25 d，該時間段是試驗植物生長的旺盛期［8-9］。試驗采用雙因素設計，處理因素分別為不同氨氮濃度和基質類型，其中氨氮處理為空白對照和氨氮富增（1.69 mg/L，2.69 mg/L，4.69 mg/L；氨氮來源為NH4Cl）。用于培養的基質分別為河道內底泥和近岸黃土，基質的各項指標見表1。試驗水體均為無錫市新吳區某治理后的河道水（氨氮0.69 mg/L、總磷 0.12 mg/L、COD 11.5 mg/L）。

試驗基質和植物材料分別置于90 L塑料桶中，每種基質材料分別對應4種處理模式（空白組，1.69 mg/L，2.69 mg/L，4.69 mg/L），每個處理均重復3次。試驗統一安排在室外自然光照和溫度條件下進行，不同氨氮處理的水樣每周監測1次，并按需添加NH4Cl以保證所設定的水體氨氮指標前后保持統一。另外，過程中排除藻類暴發對沉水植物生長的影響。

1.3 測定方法

植物各項指標的測定需等沉水植被群落完全占滿整個水體空間（25 d）后進行。首先是從植物材料中取少量植株體用于生理指標的測定，包括葉綠素、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT），具體測定方法參照金相燦等［10-11］的方法。后進行植物生長相關指標的測定，收獲后先將各物種分離，測定植株的最大株高、分枝數，最后將植株洗凈烘干進行相對生長速率的計算。相對生長速率（RGR）的計算公式如下：

RGR＝（lnW2-lnW1）/t

式中：W1和W2分別代表植物試驗前后的生物干質量；t代表試驗總天數d。

1.4 數據處理

數據采用Excel進行記錄統計，數據經過SPSS Statistics軟件進行差異顯著性分析，數據最終通過Orgin8.0進行作圖處理。

2 結果與分析

2.1 不同基質條件和氨氮濃度對供試植物相對生長速率及生物量的影響

試驗周期結束后，高濃度組只有刺苦草存活，黑藻和穗花狐尾藻都已經死亡。單從氨氮耐受性角度進行比較，刺苦草＞黑藻＞穗花狐尾藻。從圖1可以看出，從淤泥條件下植物相對生長速率的變化趨勢來看，除穗花狐尾藻對氨氮濃度反應較為敏感外，其他2種植物在適當的氨氮濃度條件下（低濃度和中濃度），生長速率較對照組都有一定的提升。

通過對氨氮和基質雙因素分析發現，黃土組沉水植物適應氨氮脅迫的能力都有所提升，除黑藻在中濃度氨氮條件下生長速率不及淤泥組外，刺苦草和穗花狐尾藻在低濃度、中濃度氨氮條件下，黃土組植物的生長速率均優于淤泥組試驗植物，其中刺苦草的效果最佳，即使在高濃度氨氮條件下，黃土組刺苦草的生長速率依然維持在較高的水平，是淤泥組高濃度氨氮條件下刺苦草生長速率的3.8倍。

從圖2可以看出，黑藻在低濃度和中濃度氨氮條件下，分枝數多于對照組，且黃土環境下生長的黑藻在低濃度氨氮條件下分枝數最多，達到30枝，說明黃土基質能夠促進黑藻在低濃度氨氮條件的營養生長。刺苦草在不同氨氮濃度下的分枝數，總體上也是多于對照組，且黃土環境下的刺苦草在高濃度氨氮條件依然生長旺盛，達到14枝，是淤泥環境高氨氮組的1.4倍。穗花狐尾藻相較于其他2種植物，分枝數在一定氨氮濃度條件下（低濃度和中濃度）有所下降，但不顯著，這說明穗花狐尾藻對氨氮具有敏感性，且黃土環境也無法顯著改善穗花狐尾藻不耐氨氮的特性。

從圖3可以看出，中、低濃度氨氮條件下水體在不同基質條件下對黑藻、刺苦草、穗花狐尾藻的最大株高都沒有顯著影響。而高濃度條件下，雖然刺苦草在株高指標上依然表現出相較于其他2種植物更強的耐受性，但高濃度氨氮對刺苦草株高的反向影響依然很顯著，說明高濃度氨氮會顯著抑制刺苦草的縱向生長，從而轉向橫向生長。黃土環境下，黑藻和刺苦草的最大株高普遍高于淤泥組（同等濃度對比），說明黃土基質一定程度會促進黑藻和刺苦草縱向的營養生長。

2.2 不同基質條件和氨氮濃度對供試植物生理指標的影響

從圖4可以看出，不同基質下同種植物在不同氨氮濃度水體中的葉綠素a含量趨勢整體一致。低濃度和中濃度水體中黑藻和穗花狐尾藻葉綠素a含量均高于對照組，表明二者在中、低濃度氨氮條件下，葉綠素a指標不受影響，高濃度條件下光合作用則受到破壞；刺苦草葉片葉綠素a含量隨氨

氮濃度升高逐漸下降，且在高濃度時，差異顯著（P<0.05），表明其在高濃度條件下光合作用開始受到抑制；穗花狐尾藻

在低氨氮濃度水體中葉綠素a含量最高，表明穗花狐尾藻在低濃度氨氮條件下葉綠素a含量不受影響，中濃度條件下光合作用開始受到抑制。

從圖5中SOD指標可知，不同基質同種氨氮濃度處理下，黑藻、刺苦草、穗花狐尾藻各處理組間SOD無明顯差異。同種基質條件下，黑藻和穗花狐尾藻在低濃度氨氮條件下，SOD指標與對照組差異不顯著；刺苦草則呈現先上升后下降的趨勢，說明其在氨氮濃度提升的過程中作出應激反應。

從POD指標可知，淤泥環境下黑藻、刺苦草、穗花狐尾藻POD指標衰減相較于黃土環境更早，說明相較于淤泥環境，黃土基質條件下沉水植物表現出的過氧化物酶（POD）活性更高，這有利于保護植物免受逆境脅迫的傷害。

從CAT指標可知，淤泥和黃土環境下，不同氨氮濃度對黑藻CAT指標都無顯著影響，但刺苦草和穗花狐尾藻各處理組差異較大，且刺苦草在淤泥和黃土條件下，趨勢不一致，黃土環境下，刺苦草的CAT活性在中濃度和高濃度條件下明顯高于淤泥環境；穗花狐尾藻整體表現為下降趨勢，都隨著氨氮濃度增加而下降，且與對照組差異顯著（P<0.05），同種濃度條件下，黃土環境生長的穗花狐尾藻CAT值普遍低于淤泥組。

3 討論與結論

沉水植物對富營養水體的應激反應原理一直存在爭議，一種觀點是沉水植物在水中的生長主要取決于水體透明度，

透明度下降（水色渾濁或藻類泛濫）會導致植物光合作用受到影響，而水體中的氮、磷含量不是影響沉水植物生長最關鍵因素，一定濃度的營養元素反而會幫助植物更好地進行營養生長［12］。另一種觀點認為，水體中氮、磷元素超標對沉水植物是一種逆境脅迫，與陸生植物的鹽脅迫性質類似，當水中的氮磷超過沉水植物能夠吸收的正常范圍，植物會慢慢退化直至消亡［13］。綜合沉水植物生長指標數據變化，可以看出氨氮是沉水植物生長的限制因子之一，研究中的供試植物黑藻、刺苦草、穗花狐尾藻最大氨氮耐受濃度分別為2.69、4.69、2.69 mg/L，這與徐景濤等［14-15］對苦草和黑藻的研究結果基本一致，其內容表明苦草和黑藻氨氮分別在4和2 mg/L時，脅迫對植物影響可逆，而超過相應指標后，對植物的傷害則不可逆。當然，沉水植物的生長對水體氨氮濃度的要求也并非越低越好，一定濃度氨氮反而更有利于植物的營養生長，且不同植物所表現出的濃度最適性也有所差異，該研究中刺苦草最適宜的氨氮濃度明顯要高于黑藻和穗花狐尾藻。

根據不同基質條件下植物生長狀況對比發現，植物在淤泥和黃土2種不同基質條件下的生長情況存在差異，黃土環境下黑藻、刺苦草、穗花狐尾藻的相對生長速率、分枝數、最大株高大多數情況下都要優于淤泥組，這可能與淤泥自身已經具備滿足甚至超過植物吸收所需的氮素需求有關［16］。該結論與陳開寧等［17］的研究結果并不一致，這可能與2種試驗所用基質理化性質差異有關。

前人的研究指出，沉水植物的根系具有重要的吸收功能，所需磷素、氮素和微量元素可以通過根系從底質中進行吸收，基質中營養水平直接影響沉水植物對氨氮的耐受濃度［18-19］。因此，淤泥環境下過高的水體氨氮只會加重沉水植物吸收代謝這些養分的負擔，最終對植物生長產生負面影響。另外，底泥中有機質含量高，底泥成為還原性腐泥時，也會對植物造成脅迫作用［20］。在沉水植物恢復工程實踐中，對于富營養化水體的河道或者濕地類項目，需要根據沉水植物適應基質的差異性來構建沉水植物群落，針對不良的底質條件進行適當疏浚，從而創造合適的生境來減輕水體富營養對沉水植物造成的負面影響。

過量的氨氮對沉水植物生理脅迫的原因有很多，包括減少碳水化合物的形成、葉綠素含量降低、酶活性降低、抑制呼吸等［21-22］。該研究中，不同沉水植物在自身最大氨氮耐受濃度范圍內，一些生理指標的變化存在差異性。就葉綠素a而言，刺苦草作為氨氮耐受性較好的植物，其葉綠素a指標在高濃度氨氮條件下最終呈現最低值，說明高濃度氨氮也影響到了刺苦草植物體內葉綠素的合成，這會進一步影響植物的光合作用和葉片吸收合成氮素的能力［23］。就酶活性而言，王斌等［24］研究表明，在相對高濃度氨氮處理下，沉水植物仍具有抗逆能力，但長期脅迫將使植物生長受到抑制，酶活性逐漸下降或消失，這可能是因為植物體內的碳水化合物已逐漸消耗殆盡，因而無法維持酶的響應活力。該研究中，黑藻、穗花狐尾藻在氨氮脅迫過程中，POD和CAT對于氨氮的響應相較于SOD更敏感，而刺苦草在氨氮脅迫過程中，SOD、POD、CAT都會隨氨氮濃度的升高而產生變化，高濃度下各指標基本高于對照組。但也有持續下降的情況，如穗花狐尾藻CAT指標的變化，這可能與氨氮設置的濃度梯度不夠有關。

通過以上研究可以得出：①高氨氮環境對沉水植物生長有著強烈的抑制作用。3種沉水植物中，刺苦草最耐高氨氮，其他2種植物在高濃度氨氮處理下均死亡，單從氨氮耐受性角度進行比較，刺苦草＞黑藻＞穗花狐尾藻。②黃土組沉水植物適應氨氮脅迫的能力都有所提升，除黑藻在中濃度氨氮條件下生長狀況不及淤泥組外，刺苦草和穗花狐尾藻在低濃度、中濃度氨氮條件下，黃土組植物的生長狀態都要優于淤泥組試驗植物，其中刺苦草的效果最佳。該研究主要是在靜態模擬的環境下進行，由于沉水植物實際所處的自然環境非常復雜，包括底泥條件、水流速度、光照條件、水質狀況、水體透明度等，這些都會對植物長勢造成綜合影響，因此該研究在模擬條件下的研究結論還不足以全方位解釋限制沉水植物生長的因素機理，但仍可為富營養化水體中沉水植物的退化機理和沉水植被的恢復重建提供科學依據。

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基金項目 無錫市水利局太湖入湖河道水污染與藍藻水華治理技術研究（JSXXCG2022-007）。

作者簡介 林超（1988—），女，江蘇無錫人，碩士，從事水生態工程研究。

*通信作者，碩士，從事水域生態規劃研究。

收稿日期 2022-07-12；修回日期 2022-09-09