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随着经济高速发展,工业、农业、生活污水排放日益增加,我国水污染问题加剧,水体富营养化严重,生物多样性减少,生态系统功能退化,严重制约了经济社会发展,危害了人民健康,影响了环境安全。利用水生植物,尤其是沉水植物进行水生态修复是一种经济有效的方法,已经越来越受到重视。但是,沉水植物易受各类环境因子的影响,研究适宜的恢复条件是沉水植被成功恢复的关键。氨氮是河流污染中的最主要污染物,因此前人开展了大量污染水体高氨氮浓度对水生植物的胁迫作用。但是,污染水体中氨氮对水生植物的胁迫作用也会受到其他环境因子(诸如营养因子、物理因子、化学因子和胁迫因子)的影响,这些环境因子与水体氨氮对水生植物的综合影响则较少受到关注。 为了揭示氨氮与环境因子对沉水植物的综合影响,本文以沉水植物苦草(Vallisneria natans)为研究对象,分别通过底质营养、光照强度、化学需氧量(COD)和底质铜含量与氨氮交互作用下的室外控制实验,研究沉水植物的生长和生理对实验处理的综合响应,阐述氨氮与营养因子、物理因子、化学因子和胁迫因子对沉水植物的影响,探讨实现沉水植物成功修复的环境条件。研究结果如下: (1)氨氮与营养因子(底质营养)交互实验表明:在水体氨氮浓度为0-4mgL-1的条件下,苦草的总生物量随着处理时间增加而增加,苦草根、叶、花的生物量均较高,苦草叶片总叶绿素(包括叶绿素a和叶绿素b)、丙二醛(MDA)和游离脯氨酸含量随着水体氨氮浓度的升高而上升;而在水体氨氮浓度为8-16mgL-1的条件下,苦草的总生物量随着处理时间增加而降低,苦草根、叶、花的生物量显著降低,苦草叶片总叶绿素、丙二醛和游离脯氨酸含量随着水体氨氮浓度的升高而下降(p<0.05)。高营养底质中(0.11%TN)苦草的总生物量、根、叶、花的生物量和总叶绿素含量显著高于低营养底质中(0.04%TN)的植株(p<0.05)。在高营养底质中,生物量分配更多给地上部分,而在低营养底质中,生物量分配更多给地下部分。高营养底质中苦草叶片叶绿素含量显著高于低营养底质中的植株。随氨氮浓度升高,两种底质条件下的苦草总生物量、根、叶、花的生物量和叶片叶绿素、游离脯氨酸、丙二醛含量的变化趋势相同。 (2)氨氮与物理因子(光照强度)交互实验表明:氨氮对苦草相对生长率(p<0.001)、总叶绿素含量(p<0.01)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)(p<0.001)有显著影响。随着氨氮浓度升高,苦草相对生长率显著下降,SOD活性和POD活性显著升高。在水体氨氮浓度为0和3mg L-1的条件下,苦草相对生长率为正值,叶片总叶绿素含量上升;在水体氨氮浓度为6mg L-1的条件下,苦草相对生长率为负值,叶片总叶绿素含量降低。光照强度对苦草相对生长率(p<0.001)、总叶绿素含量(p<0.05)、SOD和POD活性(p<0.001)也有显著的影响。随着水下光照强度的减弱(从100%到0.75%的对照水下光强),苦草相对生长率下降,但均为正值,叶片叶绿素含量、SOD活性和POD活性的显著升高。光照条件和氨氮浓度对沉水植物苦草的综合影响显著(p<0.05)。高浓度氨氮(6mg L-1)和水下弱光照(0.75%的对照水下光强)处理下的苦草相对生长率和叶片总叶绿素含量最低,SOD活性和POD活性最高。中浓度氨氮(3mg L-1)和低水下光照强度(0.75%的对照水下光强)处理下的苦草相对生长率为负值。 (3)氨氮与化学因子(COD)交互实验表明:氨氮对苦草相对生长率、总叶绿素含量、SOD和POD活性的影响与实验(2)-氨氮与光照强度交互实验的研究结果一致。COD对苦草相对生长率(p<0.001)、总叶绿素含量(p<0.001)、SOD(p<0.001)和POD(p<0.01)活性有显著影响。COD浓度的升高(0-160mg L-1)使苦草RGR显著降低,SOD活性和POD活性的显著升高;在中低浓度的COD(0-80mg L-1)条件下相对增长率为正值,叶绿素含量升高,在高浓度的COD(160mg L-1)条件下相对增长率为负值,叶绿素含量显著降低。氨氮和COD浓度对沉水植物苦草的综合影响显著(p<0.05)。高浓度氨氮(6mg L-1)和高浓度COD(160mgL-1)处理下的苦草相对生长率和叶片总叶绿素含量最低,SOD活性和POD活性最高。中浓度氨氮(3mg L-1)和高浓度COD(160mg L-1)处理下的苦草相对生长率为负值。 (4)氨氮与胁迫因子(底质铜)交互实验表明:氨氮对苦草相对增长率,地上生物量,叶绿素,非蛋白巯基和游离脯氨酸影响显著(p<0.001);随着氨氮浓度升高,苦草相对生长率,地上生物量显著下降,非蛋白巯基和游离脯氨酸含量显著升高。在水体氨氮浓度为0和3mg L-1的条件下,苦草相对生长率为正值,叶片总叶绿素含量上升;在水体氨氮浓度为6mg L-1的条件下,苦草相对生长率为负值,叶片总叶绿素含量降低。底质铜对苦草相对生长率,地下生物量,叶绿素和非蛋白巯基影响显著(p<0.05)。随着底质铜浓度的升高(0-225.75mg kg-1),苦草相对生长率下降,但均为正值;地下生物量,叶片叶绿素含量显著下降;非蛋白巯基含量显著升高。氨氮和底质铜浓度对沉水植物苦草的综合影响不显著(p>0.05)。高浓度氨氮(6mg L-1)和高浓度底质铜(225.75mg kg-1)处理下的苦草相对生长率和叶片总叶绿素含量最低,非蛋白巯基和游离脯氨酸含量最高。中浓度氨氮(3mg L-1)和中高浓度底质铜(≥125.75mg kg-1)处理下的苦草相对生长率为负值。 基于本文的研究成果,作者认为沉水植物苦草可耐受的单因子条件为:水体氨氮浓度<6mg L-1;水体COD浓度<160mg L-1;底质总氮含量≤0.11%;底质铜浓度<225.75mg kg-1;光照条件≥0.75%的水下光强。而底质营养的高低不影响苦草的氨氮耐受性,水下光照减弱,COD浓度升高,底质铜浓度升高影响苦草的氨氮耐受性。低水下光照强度(≤0.75%的对照水下光强),高浓度的COD(≥160mg L-1),高浓度底质铜(Cu≥125.75mg kg-1)均会导致苦草的氨氮耐受范围的显著降低。采用苦草进行水生态修复,水质应该至少满足氨氮含量<6mg L-1的条件;而在光照条件≤0.75%的水下光强时,或水体COD浓度≥160mg L-1时,或底质铜浓度≥125.75mg kg-1时,水质应该满足氨氮含量<3mgL-1的条件。