摘要
恢复沉水植被是城市富营养化湖泊生态修复的重要手段，了解沉水植物的生境需求是实现沉水植被有效恢复的重要基础。为探讨亚热带城市湖泊中沉水植物的生境需求，本研究选择武汉东湖、南湖和沙湖开展野外调查，以优势物种密刺苦草（Vallisneria denseserrulata Makino）为研究对象。研究测定了植物中长期生长（如生物量）、短期生理（如碳水化合物含量）、瞬时荧光共16个指标以及水体和底泥17个相关指标，通过结合广义加性模型（GAM）和植物性状网络分析（PTN）综合判断密刺苦草在武汉城市湖泊中的生境需求范围。结果表明：（1）3个城市湖泊的43个采样点中53.5%处于轻度富营养化，46.5%处于中度富营养化。（2）环境对密刺苦草生物量积累的影响比较显著。水深约为1.1 m、水体总氮浓度约为1 mg/L的条件最有利于密刺苦草的生长和生物量积累。底泥总氮含量在0.16~2.50 g/kg之间以及底泥总有机碳含量在0.19%~13.70%范围内会促进密刺苦草生物量的增加。（3）密刺苦草组织内的N∶P比值（平均值为3）表现出密刺苦草受环境养分中的氮限制。GAM结果表明密刺苦草的生长受水体总磷以及底泥总磷的影响很小，城市湖泊中的氮源对密刺苦草的重要性要大于磷源。（4）较高的水体营养水平往往会促进密刺苦草的短期碳氮积累，抑制密刺苦草的生长，而底泥有机碳含量对密刺苦草生长和繁殖的负面效应较弱。研究认为，未来在应用密刺苦草对亚热带城市湖泊进行修复时，需要更关注对水体生境条件的控制，尤其是氮源，从而最大化密刺苦草的生态效益，更有效地促进湖泊生态修复。
Abstract
The restoration of submerged vegetation plays an important role in the ecological restoration of eutrophic urban lakes, and the study on the habitat requirements of submerged vegetation is essential for their effective restoration. In order to investigate the habitat requirements of submerged macrophytes in subtropical urban lakes in China, three typical urban lakes in Wuhan, namely Lake Donghu, Lake Nanhu and Lake Shahu, were selected for field investigation in this study. Vallisneria denseserrulata Makino, a dominant species, was selected as the research object. The study measured 16 indicators of V. denseserrulata Makino including medium to long-term growth (e.g. biomass), short-term physiology (e.g. carbohydrate content), and instantaneous fluorescence, along with 17 indicators related to water and sediment properties. By integrating generalized additive models (GAM) and plant trait network analysis (PTN), the study comprehensively assessed the habitat requirements of V. denseserrulata Makino in urban lakes of Wuhan. Results showed that: (1) 53.5% of the 43 sampled sites in three urban lakes were mildly eutrophic, while 46.5% were moderately eutrophic. (2) Environmental factors significantly affected the biomass accumulation of V. denseserrulata Makino. Conditions such as a water depth of approximately 1.1 m and a total nitrogen concentration of around 1 mg/L were most favorable for the growth and biomass accumulation of V. denseserrulata Makino. Total nitrogen in the sediment ranging from 0.16 to 2.50 mg/kg and total organic carbon (TOC) in the sediment from 0.19% to 13.70% could promote biomass increase. (3) The N∶P ratio (average 3) in V. denseserrulata Makino tissue indicated that its growth was limited by nitrogen. GAM analysis showed that the growth of V. denseserrulata Makino was minimally affected by total phosphorus in the water and sediment, and that nitrogen sources in urban lakes were more important to V. denseserrulata Makino than phosphorus sources. (4) Higher nutrient levels in the water often stimulated the short-term carbon and nitrogen metabolism of V. denseserrulata Makino, but inhibited its long-term growth. The negative effect of sediment organic carbon content on the growth and reproduction of V. denseserrulata Makino was relatively weak. The research suggests that in the future, when applying V. denseserrulata Makino for the restoration of subtropical urban lakes, there should be a greater focus on controlling the aquatic habitat conditions, especially nitrogen sources, in order to maximize its ecological benefits and more effectively promote lake ecological restoration.
城市湖泊在储存水资源、调节气候、排洪防涝、旅游观光及维持城市水生生物多样性等方面发挥着重要作用[1]。随着城市快速发展，越来越多城市湖泊面临着富营养化问题[2]，水体中氮磷及其他污染物浓度升高[3]，浮游藻类和附着藻类随之增多，导致水体透明度和溶解氧浓度的下降，造成水生生物多样性显著降低，对湖泊生物群落结构产生显著影响[4]，最终影响城市居民的生活质量和健康[5]。
武汉是长江中游地区的中心城市，气候属亚热带季风区。据《武汉湖泊志》记载，武汉市列入保护名录的湖泊有166个，被誉为“百湖之市”。据2023年武汉市生态环境状况公告[6]显示，武汉市有约3/4的湖泊处于富营养化状态，湖泊中的沉水植物严重退化甚至消亡[7]，近年来，越来越多的研究开始探索高效的生态修复技术，其中沉水植物修复因其生态友好性而受到特别关注[8-10]。
苦草属（Vallisneria）植物因其克隆扩繁能力强和适应范围广的特性，已成为开展沉水植物修复工程常用的先锋物种。目前，大多数研究多关注于单维度环境因子对苦草属植物生长的影响，探讨了苦草属植物对某一种或两种环境因子的需求范围[11-13]。例如，Yuan等研究了光照强度对不同大小的沉水植物刺苦草（V. spinulosa Yan）生长和繁殖的影响[14]。Cao等研究了水体中较高的氨氮浓度对沉水植物苦草（V. natans（Lour）Hara）的胁迫作用[15]。然而，沉水植物在生长过程中往往会受到多种环境因子（包括水体和底泥）的综合影响，并且对城市湖泊环境因子的响应与适应也是多维度的。因此本研究选择武汉市已实施沉水植物重建的3个湖泊——东湖、南湖、沙湖，探究修复区的密刺苦草（V. denseserrulata Makino）生境特征，分析密刺苦草的中长期生长指标（如生物量）、短期生理指标（如碳水化合物含量）、瞬时指标（叶片的叶绿素荧光参数）与环境因子的关系，最终综合判断密刺苦草在亚热带城市湖泊中的适合度。本研究有助于了解苦草属植物对不同生境的需求范围，从而为富营养化湖泊的修复提供科学指导。
1 材料与方法
1.1 研究区域与采样点布设
武汉东湖（30°28′~30°37′N，114°19′~114°31′E）现水域面积约为33.63 km2，周围人口密集。武汉南湖（30°28′~30°30′N，114°20′~114°23′E）现水域面积约为7.67 km2，附近高校、居民区聚集。武汉沙湖（30°33′~30°34′N，114°18′~114°20′E）现水域面积约为2.71 km2，周边工业区众多[16]。
于2023年5—6月份在武汉东湖、南湖、沙湖布设采样点，分别设置了22、13和8个样点，共设置43个。采样点均是在已实施沉水植物重建的修复区内，多以密刺苦草为优势种，盖度大约达到90%，伴生种以穗状狐尾藻（Myriophyllum spicatum L.）和黑藻（Hydrilla verticillata（L. f.）Royle）为主。采集的植物生长水域水深在0.5~2.0 m左右（平均值为1.1 m），透明度大约为0.2~1.3 m（平均值为0.6 m）。
图1武汉市东湖、南湖和沙湖的采样点分布
Fig.1Distribution of sampling sites in Lake Donghu, Lake Nanhu and Lake Shahu in Wuhan City
1.2 样品采集及测定
1.2.1 水质和底泥指标
现场使用便携式水质参数分析仪（YSI Pro Plus，US）测定各点位的溶解氧（DO）浓度、氧化还原电位（ORP）、总溶解固体（TDS）和pH等水质参数，并用测深杆测量水深（WD），使用塞氏盘测定水体透明度（SD），计算得到两者的比值（SD/WD）。测定不同水深的光强强度，从水面直至水深1.25 m，水深间隔为0.25 m，根据水柱光衰减曲线计算得到水体光衰减系数（K）[17]。用采水器采集各个点位的水样，每个点位采集3个重复水样，采集的水样灌装于棕色瓶中，保存在4℃的保温箱内带回实验室，测定总氮（TN-w）、总磷（TP-w）、氨氮（NH3-N）、化学需氧量（CODCr）和浮游植物叶绿素a浓度（Chl.a）。水样的测定方法遵循《水和废水监测分析方法（第四版）》（2002）。在每个点位使用开放式柱状采泥器采集底泥样品，带回实验室处理后测定底泥含水率（WC）、总氮（TN-s）、总磷（TP-s）和总有机碳（TOC）。TN-s含量测定采用凯氏法，TP-s含量测定采用碱熔-钼锑抗分光光度法，底泥WC测定采用重量法，TOC测定采用重铬酸钾氧化-分光光度法。
1.2.2 植物指标
使用面积0.2 m2的采草器在每个点位原位采集沉水植物密刺苦草，用湖水洗净称量植物鲜重并记录生物量（B），每个样方重复采集3次，并从每个样点获取9株完整的密刺苦草植株，共采集387株密刺苦草样品。将采集的密刺苦草植株放在原位水中黑暗保存，带回实验室后将待测叶片洗净，利用植物效率分析仪（Handy PEA，Hansatech，UK）测定荧光参数，用叶夹夹住暗处理10 min后，打开叶夹测定初始荧光产量（F0）、最大荧光产量（Fm）和光系统Ⅱ最大光合效率（Fv/Fm）3个指标。随后将植物洗净，测定单株分株数（R）、叶片数（LN）、根长（RL）、株高（H）和鲜重（FW）。将样品烘干称量干重（DW）后，经粉碎研磨过100目筛（150 μm）后，采用元素分析仪测定样品的碳（C）和氮（N）含量，样品的磷（P）含量采用钼锑抗吸光光度法测定。分别采用蒽酮比色法、碘-碘化钾法和分光光度法测定样品的可溶性总糖（soluble carbohydrate，SC）、淀粉（starch，S）和总酚（total phenolic content，TPC）含量。
1.3 数据处理与分析
1.3.1 基本统计描述
数据分析前，对所有数据进行正态性和方差齐性检验。3个湖泊的水质、底泥以及植物指标存在不同程度的变异，通过计算极值、平均值以及变异系数对3个湖泊水质、底泥和植物指标进行基本统计描述。利用变异系数（CV）的大小对不同变异程度进行粗略分级：CV＜0.2则变异程度较小，0.2≤CV≤0.5则变异程度较大，CV＞0.5则变异程度极大。本研究依据中国环境监测总站发布的《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》（总站生字 [2001]090号），采用综合营养状态指数（TLI（Σ））对3个湖泊的营养状态进行评价。对湖泊（水库）营养状态进行分级: TLI（Σ）＜30为贫营养，30＜TLI（Σ）≤50为中营养，50＜TLI（Σ）≤60为轻度富营养，60＜TLI（Σ）≤70为中度富营养，TLI（Σ）＞70为重度富营养。
1.3.2 广义加性模型分析（GAM）
广义加性模型是一种灵活的非参数统计模型，它属于广义线性模型（generalized linear model，GLM）的扩展。该模型是在不假设变量之间的关系是线性的前提下，基于原始数据，通过平滑函数来拟合解释变量与响应变量之间的关系，可灵活地捕捉变量之间复杂且非线性的关系[18]。本研究使用GAM模型分析密刺苦草的每个植物性状与每个环境因子之间的关系，着重研究单一植物性状对各类环境因子的响应，其中分别以植物的B、R、LN、H、FW、DW、F0、Fm、Fv/Fm、C、N、P、SC、S和TPC 16个性状作为响应变量，水体的WD、SD、SD/WD、DO、ORP、TDS、pH、TN-w、TP-w、NH3-N、CODCr、K、Chl.a和底泥的TN-s、TP-s、TOC、WC分别作为解释变量，逐个构建GAM模型。
1.3.3 植物性状网络分析（PTN）
植物性状网络被定义为由多种功能性状间相互关系构成的多维度网络，在PTN中，每个节点代表一个植物性状，节点之间的边表示性状之间的相关性或相互作用。它具有多维度捕获和可视化植物多性状间关系的潜力，通过构建PTN可以更好地理解植物如何通过不同性状之间的相互作用来适应环境变化和应对生态压力。本研究测定了密刺苦草的多维性状指标以及不同尺度的环境理化指标，依据GAM分析的结果，选择WD、NH3-N、CODCr和底泥TOC作为4个主要的环境影响因子。同时根据样本量的平均分配分为较高和较低两个环境因子水平（表1），构建植物性状网络并提取平均加权度以及模块性两个网络拓扑参数用于量化对比不同网络特征以及多性状复杂关系，着重研究植物多性状相互作用对环境因子的响应。较高的平均加权度往往表示网络中的性状之间存在较强的相互作用，网络连接的更紧密，意味着植物能够更高效地实现功能和获取利用资源。模块性有助于确定性状网络中性状的聚类系数。较高的模块性意味着系统由执行特定功能的模块构成，往往能使植物在面对环境变化时具有更高的适应性和灵活性[19]。
表14种环境因子的两种水平
Tab.1 Two levels of four environmental factors
数据处理与分析采用R 4.3.1完成。利用“ggplot2”和“mgv”包对每个植物性状与水质指标和底泥指标使用GAM分析，PTN由“igraph”和“psych”包实现。
2 结果
2.1 水质、底泥及植物参数的含量特征
采样点水体水质指标WD、SD、WD/SD、DO、ORP、TDS、pH、K、TN-w、TP-w、NH3-N、CODCr和Chl.a的均值分别为1.09 m、0.57 m、0.56、7.15 mg/L、140.18 mV、241.08 mg/L、8.85、2.67 m-1、0.96 mg/L、0.07 mg/L、0.32 mg/L、21.92 mg/L和27.15 μg/L（表2）。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），43个采样点的DO、pH、TN-w、TP-w、NH3-N和CODCr指标均值均符合地表Ⅳ类标准。水体的TDS和pH变异程度较低，变化相对稳定。WD、SD、WD/SD、DO、ORP、K和TP-w属于中等变异，变化虽然不大，但存在一定的波动性。而TN-w、NH3-N、CODCr和Chl.a的变异程度极强，反映了这些指标在不同点位上的高度动态性和复杂性。根据综合营养指数计算得到3个城市湖泊的43个采样点中53.5%处于轻度富营养化，46.5%处于中度富营养化。
表2密刺苦草生长区的水质参数统计
Tab.2 Statistical analysis of water quality parameters in the growth areas of V. denseserrulata Makino
采样点底泥指标TN-s、TP-s、TOC和WC的均值分别是1.58 g/kg、0.55 g/kg、6.01%和40.98%（表3），WC属于中等变异，TN-s、TP-s和TOC变异程度较强。
表3密刺苦草生长区的底泥参数统计
Tab.3 Statistical analysis of sediment parameters in the growth areas of V. denseserrulata Makino
采样点密刺苦草的B、R、LN、RL、H、FW、DW、F0、Fm、Fv/Fm、C、N、P、C/N、C/P、N/P、SC、S和TPC的均值分别为2.29 kg/m2、1.37、8.24、8.29 cm、53.20 cm、13.13 g、1.11 g、261.43、1365.25、0.81、306.75 mg/g、10.73 mg/g、3.89 mg/g、42.60、94.60、2.98、14.43 mg/g、56.89 mg/g和10.83 mg/g（表4）。其中，植物指标中Fm、Fv/Fm和C的变异程度较小，CV值均小于0.2，R、LN、RL、H、FW、F0、P、C/P和TPC属于中等变异程度，B、DW、N、C/N、N/P、SC和S处于强变异状态。
2.2 GAM分析
GAM分析结果显示，密刺苦草的荧光参数F0、Fm和Fv/Fm与水质及底泥各项指标的拟合结果并不显著（表5），这说明密刺苦草的这些瞬时生理指标受环境因素的影响较小。
密刺苦草的生长及生理指标主要受到WD、TN-w、NH3-N、CODCr以及TOC等的影响。密刺苦草的单位面积生物量与TN-w浓度呈单峰趋势（图2b），在水体TN浓度约为1 mg/L时，生物量最大；单株叶片数与水体光衰减系数呈正相关（图2a），与水体NH3-N浓度呈负相关；单株干重与水深呈单峰趋势，干重最大值在水深1.1 m左右出现。密刺苦草的氮含量与水体NH3-N和CODCr浓度呈正相关，其他生长生理指标与TN-w、NH3-N、CODCr和TOC指标之间也有显著的相关性，但密刺苦草的单株分株数、株高、叶绿素荧光参数以及淀粉含量与环境因子之间的关系并不显著。
2.3 植物性状网络分析（PTN）
从植物性状网络图中（图3）提取网络参数，结果表明较高水平下的WD、NH3-N和CODCr的网络平均加权度比较低水平下的数值大，密刺苦草性状之间存在较强的相互作用，网络连接的更紧密，能够更高效地实现功能和获取利用资源。较高水平下的底泥TOC比较低水平下的网络模块性数值大，密刺苦草的性状功能分化更强，面对环境变化时具有更高的适应性和灵活性（图4）。
3 讨论
本研究发现水体总氮和水深对密刺苦草的生物量有显著的影响。水体TN浓度的增加对于密刺苦草生物量的增长呈现单峰趋势，在水体总氮浓度为1 mg/L左右时，密刺苦草的生物量达到最大。有研究表明过高或过低的水体总氮浓度都不利于苦草的生长[20-22]。林超等[23]研究不同水体营养条件对密刺苦草生长的影响，结果表明密刺苦草在水体总氮为0.4~4 mg/L范围内时适应性较强，生物量在水体总氮为1.5 mg/L时最大。较高的水体营养水平往往会促进密刺苦草的短期碳、氮积累，抑制密刺苦草的生长。较高的NH3-N和水体CODCr浓度会促进密刺苦草体内碳、氮的积累，但同时也会降低密刺苦草的干重和叶片数，这可能是因为：1）沉水植物的“奢侈利用”能力，地上部分可以直接吸收铵态氮[24]；2）富营养化会促进浮游植物和附着藻类的生长，对沉水植物产生遮光效应，抑制植物的生长[25]。同时，随着水深的增加，密刺苦草叶片的氮、磷含量也随着增加，这与李威等[26]对云南洱海苦草的研究结果一致。本研究发现密刺苦草的生物量存在一个最适水深区（约1.1 m），水深过浅密刺苦草的生长空间受限而且会暴露于过强的光辐射环境进而产生光抑制[27]，而较深的水体与低透明度会显著降低密刺苦草的光合速率，从而影响其生物量的累积[28]。
表4密刺苦草生长区的植物参数统计
Tab.4 Statistical analysis of plant parameters in the growth areas of V. denseserrulata Makino
本研究发现底泥中丰富的营养物质对密刺苦草的生长主要起到促进作用，尤其体现在生物量的积累上。Short发现沉水植物生物量与底泥总氮含量之间呈现显著正相关[29]。Chen等在研究外部营养盐和沉积物营养增加对密刺苦草的综合影响时发现，营养丰富（TN: 2.1 g/kg）的底泥相比于营养贫瘠（TN: 0.05 g/kg）的底泥更有利于密刺苦草的生长和繁殖[30]。王瑞等的研究表明底泥总氮含量在1.84~2.37 g/kg范围内，总氮含量的增加可以促进密刺苦草的生长[31]，本研究也发现，底泥总氮含量在0.16~2.5 g/kg范围内密刺苦草生物量与底泥总氮含量呈正相关，这与Rogers等的发现也是一致的[32]，也体现了密刺苦草的根系对底泥中的氮具有较高的耐受阈值[33]。除此之外，本研究GAM分析发现底泥TOC含量的增加（0.19%~13.70%）能促进密刺苦草生物量的增加。但TOC含量高的底泥中，低氧浓度和低氧化还原电位可能抑制植物生长，尤其是根部；此外，有害微生物代谢物的积累也可能加剧这种抑制[34]。而Barko等在研究底泥对沉水植物生长影响中发现，能限制植物生长的有机质含量阈值为20%[35]，由Van Bemmelen转化系数（0.58）[36]可得TOC含量阈值为11.6%。本研究中底泥TOC含量最大值与该阈值接近，因此没有成为限制密刺苦草生物量的因子。
表5植物性状与环境因子间的GAM分析显著性汇总
Tab.5 Summary of significance tests for the GAM analysis between plant traits and environmental factors
“*”表示显著性：*表示P＜0.05，**表示P＜0.01，***表示P＜0.001；a、b、c表示相关性的规律：a表示呈上升趋势，b表示呈下降趋势，c表示呈单峰趋势。
图2植物性状与环境因子的GAM分析结果（仅展示部分具有代表性趋势的结果）： （a）单株叶片数与水体光衰减系数；（b）生物量与水体总氮；（c）总糖含量与底泥总有机碳
Fig.2The results of GAM analysis for plant traits and environmental factors (only show part of the analyses) : (a) leaf number versus water extinction coefficient; (b) biomass versus total nitrogen concentration of water; (c) total sugar content versus total organic carbon of sediment
图34种不同环境因子在两种水平下的植物性状网络图：a、b：较高和较低水深； c、d：较高和较低水体NH3-N水平；e、f：较高和较低水体CODCr水平；g、h：较高和较低底泥TOC水平
Fig.3Plant trait network diagram under two levels of four environmental factors: a, b: high and low water depth; c, d: high and low NH3-N levels in water; e, f: high and low CODCr levels in water; g, h: high and low TOC levels in sediment
图4植物性状网络平均加权度和模块性参数
Fig.4Average weighted degree and modularity parameter in plant trait networks
水体和底泥对植物的短期生理代谢以及长期生长有着重要影响，但大部分环境因子对密刺苦草荧光参数的影响并不显著，可能是密刺苦草的荧光参数具有瞬时性以及密刺苦草对外界环境变化的快速自身调节作用，导致野外采样中难以准确捕捉到植物对外界环境的响应。宋玉芝等[37]的研究认为，苦草叶片的叶绿素荧光参数对水体营养盐的响应很快，并且植物可以通过自身调节使Fv/Fm恢复至初始水平。SD/WD是衡量水体透明度和评估水质的一个重要指标，被广泛运用到自然湖泊评估管理和植被生态恢复[38-40]等工作中，但本研究发现，与自然湖泊相比，城市湖泊中的SD/WD对密刺苦草生理生长的影响并不大，可能是因为城市湖泊的透明度一般较低，而植物主要分布在岸边附近，水深对植物生长和分布的影响会更大。GAM结果表明，密刺苦草的生长受水体总磷以及底泥总磷的影响很小，城市湖泊中的氮源对密刺苦草的重要性大于磷源。这可能是因为本研究所选取的武汉城市湖泊中水体的平均氮磷比（14）较小，处于氮限制有关。文明章等的研究表明，苦草在水体中TN/TP为25时生物量的增长率最大，生长状态最好；当TN/TP＜25时，氮是限制苦草生长的因子；而TN/TP＞25时，磷成为限制因子[41]。此外，根据植物组织内的N∶P比来判断环境中的养分状况，当植物N∶P＜14时，表现为N限制；当N∶P＞6时，表现为P限制。本研究中的密刺苦草的N∶P比平均值为3，同样也表现为N限制[42]。
本研究通过多维度指标（如生理适应性、环境耐受性等）为苦草属植物在湖泊修复中的应用提供了定量依据，可指导种植区域优选与管理策略制定，进而优化生态修复效益。具体而言，武汉的3个亚热带城市湖泊环境中，水深约1.1 m、水体总氮浓度约1 mg/L的条件下最有利于密刺苦草生物量的增加；在底泥总氮含量为0.16~2.5 g/kg以及底泥TOC含量在0.19%~13.70%范围内不会抑制密刺苦草的生长；而在利用密刺苦草进行生态修复时，需要更加关注水体中的氮源控制，因为与磷源相比，氮源对密刺苦草生长的影响更为显著。本研究也存在一定的局限性，例如对于密刺苦草的生境需求分析主要是关注水质和底泥中的相关理化参数。在自然环境中，密刺苦草的生长还受到水流速度、风浪、动物取食以及与其他生物（如浮游植物、附着藻类等）的相互作用在内多种环境因素的影响，因此研究结论尚有一定的局限性。除此之外，很多环境参数可能存在一定程度的自相关，未来对环境因素重要性的诠释会通过原位修复项目开展时同步进行原位受控实验来验证。
