沉水植物是指大部分生活周期内营养体全部沉没水中，有性繁殖部分可沉水、浮水或者挺立于水面，植株扎根基底的一类植物^[1]。研究表明，沉水植物具有直接吸收水体营养盐、降低水体浊度、吸附/吸收重金属、抑制藻类生长、与微生物和水生动物协同共生等生态功能^[2]。利用沉水植物修复受损水体，尤其是富营养化水体，也得到广泛应用^[3-5]。

目前关于沉水植物修复富营养化水体的研究大多集中在不同种类沉水植物对水生态系统某一方面的影响^[6-8]，而且研究多在微宇宙^[9-11]或示范工程^[12-14]等条件下进行，关于城市湖库自然演替的沉水植物的生态功能鲜有报道。本研究通过对比徐州九里湖有、无沉水植物区水质参数、沉积物中磷形态含量及浮游植物组成，探究沉水植物自然演替过程对城市湖泊水生态环境的改善作用，为城市湖泊富营养化治理提供参考。

1 研究区域概况

徐州市九里湖湿地公园建设于2007年，由徐矿集团在王庄矿、拾屯煤矿长年开采造成的采煤塌陷区改造而成^[4]。公园总面积250.62 hm²，主要包括北湖、东湖、小北湖、西湖4个湖区及其湖滨带。由于周边区域仍处于持续塌陷过程中^[15]，九里湖区域水系目前较为混乱。九里湖湖区组成示意见图 1。

2 研究方法 2.1 采样点位

以九里湖湿地公园的西湖和东湖作为研究区，补充水源来自塌陷区渗出的地下水、管网补给河水以及自然降水，2个湖区之间有连通的管网。分别在无沉水植物区(点位1—6、8)和有沉水植物区(点位7、9)设置采样点(图 1)。沉水植物主要生长于东湖靠近岸边的浅水区，以穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum L.)为绝对优势物种，混有少量金鱼藻(Ceratophyllum demersum L.)和菹草(Potamogeton crispus L.)。

2.2 样品采集及测定方法

于2021年9月—2022年8月，每月中下旬调查1次水质参数和藻类变化情况，每季度采集1次沉积物。水质样品的采集参照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)相关要求进行，水质分析和评价参照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的规定。

利用彼得逊采泥器采集表层0~30 cm的沉积物，按照沉积物全磷测量(SMT)法^[16]测定沉积物中的总磷(TP)、无机磷(IP)、有机磷(OP)、氢氧化钠提取磷(NaOH-P)以及盐酸提取磷(HCl-P)5种磷形态，NaOH提取方法提取出来的主要是铁/铝-磷(Fe/Al-P)，HCl提取方法提取出来的主要是钙-磷(Ca-P)。其相互间关系为：TP为OP和IP之和，IP又等于NaOH-P和HCl-P之和。沉积物烧失率(LOI)测定参照刘奕^[17]的方法。

浮游植物样品采集和计数依据《水质浮游植物的测定0.1 mL计数框-显微镜计数法》(HJ 1216—2021)中的规定，参照Algae-Hub数据库^[18]进行样品的物种分类鉴定。依据McNaughton优势度指数(Y)确定浮游植物优势种^[19]，计算公式如下：

$ Y=P_i \times f_i $

(1)

式中：P_i——第i种浮游植物丰度与样品中浮游植物总丰度的比值; f_i——第i种浮游植物在各采样点出现的频率; Y≥0.02则为优势种^[20]。

2.3 数据处理

利用Excel 2013软件作图和计算平均值，SPSS Statistics 20软件进行Pearson相关性分析，RStudio 4.2.1软件计算浮游植物的香农-维纳(Shannon-Wiener)多样性指数(H)，评价标准如下：H=0，为很差; 0＜H＜1.0，为较差; 1.0≤H＜2.0，为中等; 2.0≤H＜3.0，为良好; H≥3，为优秀。

采用综合营养状况指数(TLI)^[21]评价各点位的水体富营养化状况。评价标准如下：TLI＜30，为贫营养; 30≤TLI≤50，为中营养; 50＜TLI≤60，为轻度富营养; 60＜TLI≤70，为中度富营养; TLI＞70，为重度富营养。

3 结果与分析 3.1 沉水植物对水质指标的影响

九里湖沉水植物分布区水质指标较无沉水植物区变化率见表 1。水质指标变化率计算公式如下：

$ E=\frac{C_1-C_0}{C_0} \times 100 \% $

(2)

式中：E——水质指标变化率，%; C₁——有沉水植物区不同理化指标数值; C₀——无沉水植物区不同理化指标数值。

由表 1可见，九里湖沉水植物对水质pH值、COD_Cr、I_Mn的影响较小，但是能够增加水体的SD和DO，对TN有一定程度的削减，对NH₃-N、TP和TUB改善能力最大。沉水植物生长季节对氮、磷的削减主要通过直接吸收利用完成^[22-24]，另外植株的伸长和分支，可以降低水体浊度，使水体扰动时沉积物中TN、TP释放通量降低^[25-27]。

2021年9月—2022年8月有、无沉水植物区综合营养状况指数见图 2。

由图 2可见，有、无沉水植物区全年综合营养状况指数变化趋势与水温整体趋势相同，冬季水体富营养化程度较低。除2021年11月外，有沉水植物区的富营养化状况均优于无沉水植物区。整体看来，自然生长的沉水植物群落能够一定程度削减水体中的营养盐，改善湖泊的富营养化程度。

九里湖主要水质指标相关性分析结果(表 2)显示，表征水质营养情况的I_Mn、COD_Cr、NH₃-N、TP、TN之间，都呈显著正相关，多数水质指标与水温(WT)显著相关。这是由于九里湖相对封闭，营养盐主要来源于湖底沉积物的释放，而温度的上升对于沉积物中氮、磷的释放起促进作用^[28-30]。

3.2 沉积物磷形态对比

参考李振国^[30]沉积物TP污染程度分级：ω(TP)＜420 mg/kg，为无污染状况; ω(TP)为420~535 mg/kg，为轻度污染状况; ω(TP)为535~650 mg/kg，为中度污染状况; ω(TP)＞650 mg/kg，为重度污染状况。九里湖有、无沉水植物区沉积物TP全年都处于中度污染水平。有、无沉水植物区九里湖沉积物磷形态分布情况见图 3。由图 3可见，九里湖沉积物中IP(HCl-P+NaOH-P) 对TP质量分数的贡献值最大，占比为64.2%~93.2%。其中，HCl-P质量分数对TP的贡献值最大。该种形态磷主要指与自生磷灰石、湖泊沉积碳酸钙以及生物骨骼等的含磷矿物有关的沉积磷存在形态，主要来自陆源输入的变质岩或者火成岩碎屑态磷灰石^[31-32]。有沉水植物区沉积物的TP质量分数整体略高于无沉水植物区，说明沉水植物对上覆水中的磷元素沉降有一定的促进作用。

在沉积物磷形态中，OP主要来自生物残体。不同采样点位沉积物中磷形态年均值见图 4。由图 4可见，沉水植物分布区(点位7、9)的OP质量分数较高。这是因为沉水植物生长过程中需要吸收水中磷元素，合成有机物存储在各器官内，随着生物体的衰亡，植物残体重新进入生物地球化学的矿化过程，未来得及矿化的有机碎屑沉降进入沉积物中，增加了沉积物中OP的质量分数。该部分磷能够通过化学和生物转化作用释放进入上覆水被生物利用，从而对湖泊富营养化进程产生影响^[33]。因此，应该注意保护沉水植物区，防止人为打捞等情况搅动该区域的沉积物，释放积累的OP进入水体，致使九里湖的富营养化情况出现反复。

烧失率(LOI)在一定程度上表征沉积物的有机质(OM)质量分数。沉积物与水质因子相关性见表 3。由表 3可见，LOI同沉积物中总磷(TP-S)、水中总磷(TP-W)显著正相关，可见沉水植物营养器官凋落对沉积物中磷元素的固定有正相关作用。WT同HCl-P显著正相关，这是由于温度升高会增加微生物的活性，使得其他磷形态向HCl-P转化。

3.3 浮游植物群落组成对比

九里湖浮游植物群落组成情况见图 5。由图 5可见，九里湖全年共检出硅藻门、甲藻门、金藻门、蓝藻门、裸藻门、绿藻门和隐藻门共7门63属93种浮游植物，密度为2.94×10⁶~7.0×10⁷个/L。除水温较低的1—4月外，蓝藻门中的假鱼腥藻(Pseudanahaena sp.)是浮游植物的优势种，该物种是富营养湖库的常见藻类^[34]。低温情况下，浮游植物整体密度大幅降低，但是绿藻门和硅藻门占比明显提升。多数月份里，有沉水植物区的浮游植物群落密度低于无沉水植物区，特别是在2022年7月，有沉水植物区的浮游植物群落密度比无沉水植物区低60.2%，显示出沉水植物对浮游植物生长具有很好的抑制作用。

浮游植物优势度指数对比见表 4。由表 4可见，九里湖全年共出现4门22个优势种(Y≥0.02)，其中蓝藻10种，绿藻5种，硅藻6种，隐藻1种。沉水植物对蓝藻门的微囊藻属某种和宽松灰螺旋藻有较好的抑制作用，但是在其区域内拉氏拟柱胞藻数量有所增加。沉水植物能够抑制绿藻门的链带藻属某种和栅藻属某种生长，而增加了硅藻门的舟形藻属某种和尖状肘形藻的优势度。

沉水植物对浮游植物的抑制作用，一方面是在生长过程中直接吸收水体中的营养物质与浮游植物竞争; 另一方面是沉水植物能够分泌化感物质，抑制浮游植物生长^[35]。因此，在有沉水植物存在的情况下，即使水体的营养盐浓度较高，也不一定发生藻类水华。本研究中，沉水植物并不是对所有种类浮游植物都具有抑制作用，抑制的程度也不相同，主要受抑制的为蓝藻门和绿藻门的部分物种，这可能与沉水植物的组成有关。

有、无沉水植物区浮游植物的Shannon-Wiener多样性指数结果见图 6。由图 6可见，除2021年11月和2022年4月外，有沉水植物区的浮游植物的多样性指数均低于无沉水植物区，表明沉水植物降低了浮游植物的多样性。

4 结论

通过对比徐州九里湖沉水植物分布对水质、沉积物总磷和浮游植物的影响，证实自然生长状态下，九里湖沉水植物能够增加水体的SD和DO，对TN有一定程度的削减，对TP、NH₃-N和TUB的改善效果最明显; 沉水植物生长能够有效降低九里湖的富营养化水平。沉水植物能够促进水体颗粒态磷的沉降，从而增加沉积物总磷质量分数。沉水植物分布对浮游植物暴发具有很好的抑制作用，有沉水植物区的浮游植物密度绝大多数月份低于无沉水植物区，对蓝藻门的微囊藻属某种、宽松灰螺旋藻和绿藻门的链带藻属某种、栅藻属某种有较好的抑制作用，增加硅藻门的舟形藻属某种、尖状肘形藻的优势度，但沉水植物的存在也降低了区域浮游植物群落的多样性。