陳芃利， 張婷， 楊濤， 張晨， 溥麗華， 張建利,2,3*， 龍秀琴

(1.貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025； 2.貴州民族大學(xué)喀斯特濕地研究中心， 貴陽(yáng) 550025； 3.貴州省工程地質(zhì)災(zāi)害防治工程研究中心， 貴陽(yáng) 550025； 4.貴州省植物園， 貴陽(yáng) 550004)

空心蓮子草[Alternantheraphiloxeroides(Mart.)Griseb]屬于多年生宿根草本植物，通常生長(zhǎng)在水生和陸地的交界線，適生性和迅速繁殖能力強(qiáng)，是最早入侵中國(guó)的物種之一，是世界公認(rèn)的惡性雜草之一[1-2]。20世紀(jì)30年代，空心蓮子草作為飼料引入中國(guó)，而后在江浙地區(qū)蔓延，隨后入侵到云貴川地區(qū)[3]。2002年，威寧草海引進(jìn)家禽養(yǎng)殖，空心蓮子草也被帶入威寧草海濕地。當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)物種無(wú)法與其競(jìng)爭(zhēng)，空心蓮子草在草海短時(shí)間內(nèi)大量繁殖[4]。目前，空心蓮子草已在草海形成入侵趨勢(shì)，破壞濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，使草海濕地的生物多樣性降低，嚴(yán)重威脅草海濕地生態(tài)安全。

濕地生態(tài)系統(tǒng)作為地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，有“自然之腎”之稱，其具有調(diào)蓄水量、調(diào)節(jié)氣候、凈化水質(zhì)及生物多樣性保育等功能。然而自20世紀(jì)70年代以來(lái)，濕地環(huán)境不斷遭到破壞從而引起大量退化，其中生物入侵是造成濕地退化的重要原因之一[5]。貴州草海濕地是中國(guó)西南地區(qū)最大的喀斯特高原典型濕地，是重要鳥(niǎo)類的重要越冬地和遷徙中轉(zhuǎn)站，其中包括許多特別珍稀的鳥(niǎo)類如黑頸鶴、灰鶴等228種鳥(niǎo)類[6]。草海濕地在1958年、1972年兩次大規(guī)模排水，因此，出現(xiàn)了氣候失常、候鳥(niǎo)他遷、濕地退化等問(wèn)題，于1982年重新恢復(fù)，后又建立了草海自然保護(hù)區(qū)[4]。草海濕地受到人為嚴(yán)重破壞，而后又經(jīng)人為努力而恢復(fù)，因此，對(duì)草海濕地的研究，是分析人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境影響的重要參考，對(duì)于保護(hù)和改善人類生存環(huán)境具有重要意義。草海自然保護(hù)區(qū)成立初期，中國(guó)大力發(fā)展工業(yè)，處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)的意識(shí)薄弱，濕地的經(jīng)濟(jì)價(jià)值也未得到重視，因此，草海濕地受到工業(yè)、農(nóng)業(yè)及城鎮(zhèn)生活污水的污染導(dǎo)致水質(zhì)惡化[7-8]，從而加重了其富營(yíng)養(yǎng)化程度，水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致一系列的生態(tài)安全問(wèn)題。秦趣等[9]研究表明，草海濕地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)處于不健康等級(jí)。作為典型的高原濕地，長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)和研究草海的水環(huán)境質(zhì)量十分重要。

為此，以草海濕地空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)及水質(zhì)時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，探討空心蓮子草入侵對(duì)草海濕地水質(zhì)的影響，為降低草海濕地空心蓮子草入侵區(qū)域水體富營(yíng)養(yǎng)化程度及水生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

草海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(26°47′32″N～26°52′52″N，104°10′16″E～104°20′40″E)位于貴州省威寧彝族回族苗族自治縣，海拔2 200～2 250 m，該地區(qū)屬于典型的亞熱帶半濕潤(rùn)氣候，冬干夏濕特征分明，年平均溫10 ℃，年平均降水量950～1 000 mm。草海蓄水面積約為20.98 km2，最大水深5 m，水體整體偏堿性。草海濕地是由喀斯特盆地積水演變而來(lái)的高原典型濕地，是我國(guó)Ⅰ級(jí)重要保護(hù)濕地[10]。草海屬長(zhǎng)江水系湖泊，主要靠降雨補(bǔ)給水源，降雨主要集中在夏季，是貴州省降雨最少的地區(qū)[11-12]。

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置

分別于2018年1月(冬)、2018年4月(春)、2018年7月(夏)及2018年10月(秋)，在草海濕地上游、中游、下游，按照空心蓮子草入侵狀態(tài)設(shè)置濕地水樣采集區(qū)，分別為上游輕度入侵(S-Mi)、上游中度入侵(S-Mo)、上游重度入侵(S-Se)、中游輕度入侵(Z-Mi)、中游中度入侵(Z-Mo)、中游重度入侵(Z-Se)、下游輕度入侵(X-Mi)、下游中度入侵(X-Mo)、下游重度入侵(X-Se)，共計(jì)9個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)鄰近采集3個(gè)水體樣品，采用保鮮箱保存樣品帶回室內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

1為上游輕度入侵；2為上游中度入侵；3為上游重度入侵； 4為中游輕度入侵；5為中游中度入侵；6為中游重度入侵； 7為下游輕度入侵；8為下游中度入侵；9為下游重度入侵圖1 草海采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of sampling points in Caohai

1.3 水體理化指標(biāo)測(cè)定

1.4 富營(yíng)養(yǎng)化分析

選用湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范中綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法(comprehensive nutrition index method，TLI)對(duì)草海水體進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化分析[17]，其表達(dá)式為

TLIChl a=10×(2.5+1.086 lnChl a)

(1)

TLITP=10×(9.46+1.624lnTP)

(2)

TLITN=10×(5.453+1.694lnTN)

(3)

TLISD=10×(5.118-1.94lnSD

(4)

TLICODMn=10×(0.109+2.661lnCODMn)

(5)

(6)

(7)

以Chl a作為基準(zhǔn)參數(shù)，按照表1計(jì)算各指標(biāo)的Wj。

表1 中國(guó)湖泊的Chl a與其他參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlation between Chl a of Chinese lakes and other parameters

湖泊(水庫(kù))營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)：<30.00為貧營(yíng)養(yǎng)；30.00～50.00為中營(yíng)養(yǎng)；50.00～60.00為輕度富營(yíng)養(yǎng)；60.00～70.00為中度富營(yíng)養(yǎng)；>70.00為重度富營(yíng)養(yǎng)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析，采用SPSS 25對(duì)草海濕地水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行單因子方差分析(采用Turkey 進(jìn)行顯著性檢驗(yàn))，利用Origin 2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草海不同季節(jié)空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)變化特征

不同小寫(xiě)字母表示在各采樣點(diǎn)不同季節(jié)之間差異顯著(P<0.05)圖2 草海空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)季節(jié)性特征Fig.2 Seasonal characteristics of water quality in the invasion site ofAlternanthera philoxeroides in Caohai

2.2 草海不同水域空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)變化特征

不同小寫(xiě)字母表示在各季節(jié)不同采樣點(diǎn)之間差異顯著(P<0.05)圖3 草?？招纳徸硬萑肭舟E地水質(zhì)指標(biāo)空間變化特征Fig.3 Spatial variation characteristics of water quality indexes of Alternanthera philoxeroides invaded sites in Caohai

2.3 草?？招纳徸硬萑肭舟E地水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分析

對(duì)草海濕地空心蓮子草入侵跡地各季節(jié)水體TLI及氮磷比分析如圖4所示。

春季，上游輕度入侵水體為重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(70.49)，下游水體為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(54.77～58.20)，其余水體均為中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(63.05～68.97)。夏季，上游、中游水體均為中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(61.03～63.14)，下游水體為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(54.87～56.70)。秋季，上游輕度入侵水體為中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(62.86)，下游水體為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(48.13～49.76)，其余均為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(51.73～54.50)。冬季中上游水體為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(50.46～59.00)，下游水體處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(40.36～44.84)。草海濕地相同水域空心蓮子草入侵跡地水體TLI隨季節(jié)變化呈逐漸降低趨勢(shì)，春季水質(zhì)最差；從上游到下游TLI呈降低趨勢(shì)，上游水質(zhì)最差。

ρTN為總氮的含量；ρTP為總磷的含量圖4 草海富營(yíng)養(yǎng)化季節(jié)變化趨勢(shì)及ρTN/ρTP值Fig.4 Seasonal trend of eutrophication and the value of ρTN/ρTP in Caohai

草?？招纳徸硬萑肭舟E地水體氮磷比最小為6.71(秋季上游輕度入侵水域)，最大為56.56(秋季下游重度入侵水域)，秋、冬兩季氮磷比高(20.23～56.56)，春、夏兩季氮磷比低(8.23～39.17)。

3 討論

3.1 草海不同季節(jié)空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)變化特征

春季水體中的TP含量較高，TN含量不高。草海地區(qū)春季降水少，水力停留時(shí)間較長(zhǎng)。因此，土壤中的氮元素進(jìn)入草海量少，且此時(shí)大氣氮沉降低，這一結(jié)果與周晨等[18]的研究結(jié)論一致。草海濕地空心蓮子草入侵跡地水體中的CODMn含量較高，由于春季水溫低，微生物活性低，因此，水體中營(yíng)養(yǎng)元素的利用率低，這與李興等[19]的研究結(jié)果相似。

夏、秋兩季水體中TN含量高，夏、秋兩季為草海地區(qū)的豐水期，降水多，因此，大氣氮沉降較高，且土壤中的氮磷元素隨地表徑流進(jìn)入草海。Chl a含量相較于春季并未增加，這可能是大量泥沙隨地表徑流進(jìn)入草海，水體透明度降低，從而影響藻類生長(zhǎng)導(dǎo)致的。CODMn含量隨季節(jié)變化持續(xù)降低，水體溫度升高，微生物活性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致CODMn含量下降[20]。

冬季，Chl a、TP、TN及CODMn含量降低?？赡苡捎谒疁剌^低，藻類生長(zhǎng)緩慢導(dǎo)致Chl a含量下降。冬季為草?？菟?，降水少，地表徑流輸入的氮磷元素減少；水體pH呈堿性，限制了底質(zhì)中不溶性磷轉(zhuǎn)化為可溶性磷的速度；冬季水力停留時(shí)間長(zhǎng)，水體驅(qū)動(dòng)力減弱，氮磷元素沉積進(jìn)入底質(zhì)的速度大于其釋放速度，這些都會(huì)導(dǎo)致TP、TN含量降低。盡管冬季微生物活性低，但沒(méi)有新的、大量的有機(jī)污染物在冬季輸入草海，這可能是造成冬季水體中CODMn含量較低的原因。

3.2 草海不同水域空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)變化特征

從上游到下游，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的濃度均降低，這與張珍明等[20]的研究結(jié)果相似。入湖河流向草海輸送了大量的農(nóng)業(yè)及生活廢水，上游采樣點(diǎn)處于旅游碼頭附近，人類活動(dòng)影響較多，碼頭航運(yùn)及人類活動(dòng)在一定程度會(huì)影響水質(zhì)[21]。因此，靠近入湖口區(qū)域的水體污染較為嚴(yán)重。隨著水域的變化，污染物向下游遷移，在此過(guò)程中，一部分污染物會(huì)因水體的自凈作用被凈化，污染物濃度降低。

空心蓮子草的入侵程度對(duì)水體的pH無(wú)影響，中度入侵、重度入侵水體中TN、TP、Chl a含量降低。空心蓮子草作為入侵植物，比土著植物有更高的生長(zhǎng)速率，更強(qiáng)的營(yíng)養(yǎng)繁殖，更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，其大量生長(zhǎng)會(huì)降低生長(zhǎng)水域光照、溶解氧及生物多樣性，破壞草海的植物群落結(jié)構(gòu)[22-24]，但其生物量的增加，從水體中吸收的養(yǎng)分量也會(huì)增加。因此，空心蓮子草中度入侵、重度入侵區(qū)域的TN、TP、Chl a含量低，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度輕，水質(zhì)良好。

3.3 草海空心蓮子草入侵跡地水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分析

本研究表明，2018年間，草?？招纳徸硬萑肭舟E地水體基本處在富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，春季水質(zhì)最好，冬季最差。結(jié)合周晨等[18]、王燦等[25]的研究結(jié)果來(lái)看，2014—2018年，草海水體富營(yíng)養(yǎng)化逐漸加重。草海周邊居民在生產(chǎn)中長(zhǎng)期使用化肥，農(nóng)村地區(qū)生活污水分散，不能收集統(tǒng)一處理，威寧縣城污水處理系統(tǒng)不完善等，致使大量污染物進(jìn)入草海，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化逐漸加重[10,20]。污染物的持續(xù)增加，超出了草海的環(huán)境容量，同時(shí)受季節(jié)影響，水體的自凈能力也會(huì)有變化，水體不能完全凈化污染物時(shí)，草海水體污染物會(huì)累積，使得氮磷元素含量及Chl a含量升高，加劇了其富營(yíng)養(yǎng)化程度[26]。

根據(jù)本研究區(qū)域內(nèi)的氮磷比，草海濕地空心蓮子草入侵跡地屬于磷限制型，磷元素是影響藻類植物生長(zhǎng)的主要因素。劉小波等[27]、王振強(qiáng)等[28]研究表明，氮磷元素是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的限制因子，氮磷比對(duì)水生植物的生長(zhǎng)有重要影響，氮磷比超過(guò)或低于12∶1～13∶1時(shí)藻類生長(zhǎng)會(huì)受影響。因此通過(guò)限制磷元素的輸入可有效降低草海空心蓮子草入侵跡地水體富營(yíng)養(yǎng)化程度。

4 結(jié)論

對(duì)草海濕地空心蓮子草入侵跡地2018年水質(zhì)時(shí)空變化特征及水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(3)草海濕地空心蓮子草入侵跡地水體呈中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，隨時(shí)間變化呈降低趨勢(shì)，從上游到下游呈降低趨勢(shì)。草海濕地空心蓮子草入侵跡地屬于磷限制型，通過(guò)限制磷元素的輸入可有效降低水體富營(yíng)養(yǎng)化程度。