劉勇麗，余 輝，徐 軍，牛 遠(yuǎn)，沙永翠，郭子軍，田學(xué)達(dá)

(1：湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湘潭 411105) (2：中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地，北京 100012) (3：中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所，武漢 430072)

利用水生植物氮同位素作為人為氮輸入太湖的生物指標(biāo)*

劉勇麗1，2，余 輝2**，徐 軍3，牛 遠(yuǎn)2，沙永翠3，郭子軍1，2，田學(xué)達(dá)1*

(1：湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湘潭 411105) (2：中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地，北京 100012) (3：中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所，武漢 430072)

富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)全球性的環(huán)境問(wèn)題，需要更準(zhǔn)確地評(píng)估人為氮輸入對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響.而初級(jí)生產(chǎn)者的N同位素已成為一個(gè)有用的生物指標(biāo).本研究通過(guò)測(cè)定太湖和太湖周圍湖蕩水生植物的δ15N，與水體中的環(huán)境因子做GAM分析，結(jié)果表明δ15N與水體中的銨態(tài)氮、正磷酸鹽、總氮都有很顯著的相關(guān)性，而這主要是由于植物在吸收和同化過(guò)程中有較大的同位素效應(yīng).水生植物的氮同位素值與氮的有效性和植物對(duì)氮的需求有關(guān).當(dāng)?shù)獫舛扔邢迺r(shí)，植物對(duì)氮的需求變大并且減少了15N的分餾，水生植物則有較高的同位素值，而高氮濃度下，氮的可用性超過(guò)植物對(duì)氮的需求，15N分餾增大則氮同位素值較低.無(wú)錫地區(qū)和吳江地區(qū)湖蕩水生植物同位素值有顯著的差異性，無(wú)錫地區(qū)湖蕩濕地富營(yíng)養(yǎng)化最嚴(yán)重，所以水生植物的δ15N值比吳江地區(qū)高.總體來(lái)說(shuō)，水生植物氮同位素可以作為評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)人為氮輸入影響的一個(gè)有效且簡(jiǎn)單的生物指標(biāo).

水生植物δ15N；GAM；植物氮的需求；人為氮輸入；生物指標(biāo)

富營(yíng)養(yǎng)化目前是很多國(guó)家面臨的一個(gè)持久的環(huán)境難題，主要是人口增長(zhǎng)、人類活動(dòng)加快和污染排放增加等帶來(lái)的影響.由于這些區(qū)域氮、磷的增加，湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨越來(lái)越大的壓力[1-2].隨著富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)展，湖泊生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)生物多樣性下降、生物群落結(jié)構(gòu)單一化、水體質(zhì)量下降等問(wèn)題[3-5].人為氮輸入對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響，需要找到合適的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)水質(zhì)的變化[6].而穩(wěn)定同位素技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域中被認(rèn)為是很好的天然示蹤劑，在污染物遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程中組成穩(wěn)定，不造成二次污染，因此被廣泛應(yīng)用[7].

太湖流域有172條河流連通著太湖[15]，大多數(shù)污染物流入的河流位于西部或西北部，而污染物流出的河流位于南部或東南部，大約有30%～40%的氮、磷被留在湖中[3].氮、磷和其他一些元素是植物生長(zhǎng)所必需的，如果水體收到更多不必要的氮和磷，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性將改變，例如發(fā)生藍(lán)藻水華.而外源物質(zhì)的輸入是造成太湖富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[16].本研究利用同位素技術(shù)，探討水生植物δ15N與水體環(huán)境因子之間的關(guān)系，進(jìn)而評(píng)定水生植物δ15N可以作為湖泊輸入負(fù)荷的指示器，為太湖外源負(fù)荷的監(jiān)測(cè)提供一種有效且簡(jiǎn)單的方法，同時(shí)為太湖流域生態(tài)評(píng)價(jià)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太湖是我國(guó)第三大淡水湖，位于長(zhǎng)江的下游，跨江蘇無(wú)錫、蘇州和浙江湖州等城市(30°55′40″～31°32′58″N， 119°52′32″～120°36′10″E).湖泊面積2338km2，湖長(zhǎng)(從北到南) 68.5km，湖寬(從東到西)56km.平均水深1.9m，最大深度2.6m[3].

重污染的湖蕩主要集中在太湖流域西北部，即無(wú)錫、宜興、蘇州轄區(qū)，污染較輕的湖蕩主要集中在太湖流域東南部，即湖州轄區(qū)[17].近10年來(lái)，由于城市化加快、水體高密度養(yǎng)殖和污染物排放增加，太湖夏季藍(lán)藻水華頻繁暴發(fā)，湖蕩水體生態(tài)嚴(yán)重退化，水生生物多樣性全面衰退.

1.2 樣品采集與處理

水生植物樣品用采草器在水樣采樣點(diǎn)的周圍采集，采集的植物種類包括挺水植物、沉水植物、浮葉植物、自由漂浮植物.采集的每株植物取其最新葉片放入塑料袋，帶回實(shí)驗(yàn)室處理.將其表面附著藻刮洗后，用去離子水反復(fù)沖洗3次，在60℃下烘干48 h至恒重，用研缽研磨成均勻粉末后放入細(xì)菌保存管中保存.

圖1 太湖地區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of sampling sites in Lake Taihu regions

1.3 穩(wěn)定同位素分析

植物樣品分析所用的儀器為中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所Carlo Erba EA-1110元素分析儀與Delta Plus Finnigan同位素比率質(zhì)譜連用儀.氮同位素比值以δ值的形式表達(dá)：δ15N=[(Rsample/Rstandard)-1]×1000.式中，Rsample為所測(cè)得的同位素比值，氮同位素是14N/15N；Rstandard為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的同位素比值，氮穩(wěn)定同位素測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為N2.δ值越小表示樣品重同位素15N含量越低，越大表示樣品重同位素15N含量越高.每測(cè)定10個(gè)樣品插入1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品，并隨機(jī)挑選1～2個(gè)樣品復(fù)測(cè).樣品分析精度為±0.3‰[19].

1.4 數(shù)據(jù)處理

如果數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也未能實(shí)現(xiàn)正態(tài)分布，則使用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)(秩和檢驗(yàn))差異顯著性，樣本間的多重比較則使用Kruskalmc檢驗(yàn).如果數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，則使用t檢驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)差異顯著性.

由于水生植物δ15N與水體環(huán)境因子之間的關(guān)系復(fù)雜，不能用多元線性回歸解釋它們之間的相互關(guān)系，所以用廣義可加模型GAM來(lái)探討.GAM為廣義線性模型的非參數(shù)化擴(kuò)展，其優(yōu)點(diǎn)是能直接處理響應(yīng)變量與多個(gè)解釋變量之間的非線性關(guān)系.廣義可加模型在擬合響應(yīng)變量與解釋變量之間的非線性關(guān)系過(guò)程中，需考慮曲線的擬合優(yōu)度和光滑度，還要避免或者減輕過(guò)度擬合.根據(jù)GAM中得出的各解釋變量的顯著程度(P值)和赤池信息量基準(zhǔn)(AIC值)來(lái)對(duì)模型變量進(jìn)行選擇，篩選出最優(yōu)的解釋變量.

(1)

式中，s為自然樣條平滑，ε為誤差項(xiàng).AIC值越小，表明模型的擬合效果越佳，利用P值判定各因子的顯著性是否存在差異.

2 結(jié)果

2.1 穩(wěn)定同位素分析結(jié)果

太湖水生植物的δ15N組成在3.5‰～25‰之間變化，其中水鱉的δ15N值最大(16.59‰±4.18‰)，金銀蓮花的δ15N值最小(7.29‰±0.95‰).采集到的植物中，分布較多的植物種類為沉水植物，有竹葉眼子菜、菹草、穗花狐尾藻、金魚藻等，自由漂浮植物較少，僅有少量的水鱉和槐葉蘋.挺水植物主要有蘆葦、菰、空心蓮子草(表1).不同生活型的δ15N值沒有顯著性差異(P>0.05)，黑藻的δ15N值和其他水生植物之間沒有顯著性差異(P>0.05).

表1 太湖采集植物δ15N值的概括統(tǒng)計(jì)*Tab.1 Summary statistics of δ15N values for the macrophytes collected in Lake Taihu

*表中所示有生活型2=挺水植物，1=沉水植物，3=浮葉植物，4=自由漂浮植物，n為樣品數(shù)量.

圖2 太湖水生植物樣品穩(wěn)定氮同位素比值隨 取樣時(shí)間的月變化趨勢(shì)Fig.2 Monthly trend of stable nitrogen isotope ratios in aquatic plant samples from Lake Taihu through the sampling time

由圖2可知，太湖各個(gè)月份水生植物δ15N值之間有顯著差異性(Kruskal檢驗(yàn)，P<0.05).6月份水生植物的δ15N平均值最高，而11月份δ15N最小.11月和6月水生植物的δ15N有顯著差異(P<0.05)，其余月份之間的δ15N沒有顯著差異(P>0.05).按照北半球平均氣溫將太湖地區(qū)的四季做如下劃分：11月下旬至次年2月底為冬季；3月上旬至5月中旬為春季；5月底至9月上旬為夏季；9月中旬至11月中旬為秋季[20].結(jié)果表明季節(jié)之間的δ15N沒有顯著變化(Kruskal檢驗(yàn)，P=0.334).

2.2 水生植物穩(wěn)定同位素與環(huán)境因子的GAM模型分析

圖3 水生植物δ15N與水體環(huán)境因子GAM分析(實(shí)線表示氮同位素與各因子關(guān)系的加性函 數(shù)，虛線表示擬合加性函數(shù)逐點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.3 Relationship between aquatic plants nitrogen isotopic signatures and its environmental parameters in water column from GAM

3 討論

研究結(jié)果表明，不同生活型的水生植物δ15N沒有顯著差異，可能是由于采集的都是水里的新葉，在吸收同化過(guò)程中都發(fā)揮了等同的同位素效應(yīng).Madsen等[21]發(fā)現(xiàn)沉水植物去掉根部后，葉子也可以對(duì)水中營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)行吸收，并且葉子對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物的吸收能力強(qiáng)于沉積物[22].已有研究表明，黑藻具有典型的C4型光合作用途徑[23]，但是其δ15N值與其他C3途徑植物比較沒有顯著性差異，也說(shuō)明了水生植物氮同位素不受其生活型和光合反應(yīng)途徑的影響.

水體中TN的濃度與δ15N呈負(fù)相關(guān).可能有以下幾個(gè)原因：(1)氮源發(fā)生變化，不同來(lái)源的δ15N不同，污水或者動(dòng)物糞便的δ15N為10‰～22‰，化肥污水的δ15N為-3‰～3‰，同化過(guò)程中的分餾程度隨氮的來(lái)源變化[25].吸收氮源中重的15N導(dǎo)致水生植物δ15N值偏高，吸收貧化的15N導(dǎo)致水生植物δ15N偏低；(2)隨著TN濃度的升高，氮的可用性超過(guò)了氮的需求，不是所有可利用的氮都能被植物吸收，氮的吸收則會(huì)更傾向14N而不是15N，15N分餾從而導(dǎo)致水生植物δ15N值減小.濕生植物[26]、浮游植物[27]、水生植物和紅樹林[28-29]植物葉子的δ15N與氮的有效性和植物對(duì)氮的需求之間的關(guān)系已經(jīng)被研究，結(jié)果都表明植物的氮同位素特征與氮的可用性和植物對(duì)氮的需求有關(guān).

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，水生植物氮同位素值不受生活型和光合反應(yīng)途徑的影響，主要與氮的有效性和植物對(duì)氮的需求有關(guān)[35-36].利用水生植物δ15N值作為指示器可以成功地評(píng)估人為氮輸入對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響，這個(gè)研究結(jié)果提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的工具去評(píng)價(jià)外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響，而不是用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的方法，為評(píng)價(jià)太湖流域水環(huán)境提供理論依據(jù).

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Stable nitrogen isotope in aquatic macrophytes as an indicator of anthropogenic nitrogen inputs to Lake Taihu

LIU Yongli1，2， YU Hui2， XU Jun3， NIU Yuan2， SHA Yongcui3， GUO Zijun1，2& TIAN Xueda1

(1：CollegeofChemicalEngineering，XiangtanUniversity，Xiangtan411105，P.R.China)(2：ResearchCenterofLakeEnvironment，ChineseResearchAcademyofEnvironmentalScience，Beijing100012，P.R.China)(3：InstituteofHydrobiology，ChineseAcademyofSciences，Wuhan430072，P.R.China)

Facing the global problem of eutrophication， accurate assessment of the effect of anthropogenic nitrogen inputs to the aquatic ecosystem is needed. The nitrogen isotope in primary producers has become a useful biological index. In our study， we measured the δ15N of aquatic plants in Lake Taihu and surrounding regions， and examined its relationship with water nutrient concentrations with the GAM technique. It is concluded that the δ15N and ammonium， phosphate， total nitrogen in the water column have significant correlations. This is because aquatic plants have larger isotope fractionation during nitrogen absorption and assimilation. The δ15N of aquatic plants is related to plant nitrogen demand and nitrogen availability. When the concentration of nitrogen is limited， the plant demands increase and plants have higher δ15N values consistent with constrained discrimination against the heavier15N isotope. When the concentration of nitrogen is higher， where nitrogen availability exceeds plant demand and plants discrimination against the heavier15N isotope， the plants have lower δ15N values. There is an extremely significant difference in the δ15N of aquatic plants between Wuxi region and Wujiang region. The water pollution of lakes in Wuxi region was the highest so that the latter have lower δ15N values than the former. The nitrogen isotopes of aquatic plant can be used as an effective and simple biological indicator to evaluate the effect of anthropogenic nitrogen inputs into ecological systems.

δ15N of aquatic plants； GAM； plant nitrogen demand； anthropogenic nitrogen inputs； biological indicator

*國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07101-001)資助.2014-05-19收稿；2014-07-03收修改稿.劉勇麗(1989～)，女，碩士研究生；E-mail： liuyl1026@126.com.

**通信作者；E-mail： yuhui@craes.org.cn；snowy@xtu.edu.cn.