初春馬來(lái)眼子菜分解對(duì)水體和底泥碳、氮和磷積累及釋放的影響

王 博, 李法云, 范志平

(遼寧石油化工大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究院, 遼寧 撫順 113001)

沉水植物在湖泊水環(huán)境中具有特殊的生態(tài)功能，在污染水體的凈化和湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的生物防治等方面有重要作用，還被廣泛應(yīng)用于生物修復(fù)工程和生態(tài)濕地的建設(shè)[1-2]。經(jīng)過(guò)水生態(tài)修復(fù)后，沉水植物生物量逐漸恢復(fù)，但經(jīng)過(guò)恢復(fù)的沉水植物衰亡分解會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生較大的影響[3-4]。因此，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)沉水植物分解已開展較多研究，主要研究方向?yàn)槌了参锓纸忉尫艅?dòng)力學(xué)[5]和沉水植物衰亡分解對(duì)水體影響[6]2個(gè)方面。目前對(duì)沉水植物的分解過(guò)程及其釋放對(duì)水體影響的系統(tǒng)性研究較少，對(duì)沉水植物分解過(guò)程中氣體產(chǎn)生的研究報(bào)道也較少，并且大部分實(shí)驗(yàn)研究是在模擬冬季溫度的條件下進(jìn)行。而中國(guó)南部大部分水域的沉水植物在秋、冬寒冷季節(jié)開始衰亡，此時(shí)植物體分解較為緩慢，大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)仍保留在植物殘?bào)w中，至翌年初春回暖，植物體才開始迅速進(jìn)行腐敗分解，大量營(yíng)養(yǎng)鹽釋放至水體中[7]。因此，了解初春沉水植物的分解特征及其影響效應(yīng)，對(duì)水體生物修復(fù)及生態(tài)濕地建設(shè)具有重要意義。

作者采用分解袋法，在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬初春溫度條件，研究太湖原位沉水植物馬來(lái)眼子菜(PotamogetonmalaianusMiq.)腐爛、分解過(guò)程中其自身和水體以及底泥中碳、氮和磷含量的變化狀況；同時(shí)，水環(huán)境中的氮以氮?dú)?N2)及溫室氣體氧化亞氮(N2O)的形式逸出，因此對(duì)馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程中水體中這2種氣體的釋放情況也進(jìn)行了研究，以期為衰亡期沉水植物的精細(xì)化管理提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試馬來(lái)眼子菜以及底泥于2010年9月末采自江蘇太湖區(qū)域(北緯31°01′50″、東經(jīng)120°20′18″)，采樣現(xiàn)場(chǎng)水生植物茂密，沉水植物、浮葉植物和挺水植物生物量均較大，底泥肥厚、水體清澈。

1.2 方法

1.2.1 處理及取樣方法 實(shí)驗(yàn)前將新鮮馬來(lái)眼子菜放入6 ℃冰箱中處理1周，以模擬沉水植物在衰亡分解時(shí)的狀態(tài)，然后使用微米濾布(孔徑20 μm)包裹植物體(便于實(shí)驗(yàn)期間將植物殘?bào)w回收)。在5 L塑料圓桶內(nèi)裝入200 g底泥，將微米濾布包裹的25 g馬來(lái)眼子菜置于底泥表面，然后加入4 L人工湖水。人工湖水的氮、磷含量參照沉水植物采集區(qū)域水體進(jìn)行配制：硝態(tài)氮含量1 mg·L-1、銨態(tài)氮含量0.3 mg·L-1、總磷含量0.05 mg·L-1?？瞻捉M只放入底泥以及人工湖水，不放馬來(lái)眼子菜。實(shí)驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)。

實(shí)驗(yàn)在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度17 ℃，光照時(shí)間12 h。實(shí)驗(yàn)采用破壞法進(jìn)行取樣，分別在實(shí)驗(yàn)的0、7、14、21、28、35、42、49、56、63和70 d從水桶中取水樣，每次取3個(gè)桶進(jìn)行采樣，即為3次重復(fù)。分別測(cè)定水體溶解氧含量、氧化還原電位以及有機(jī)碳、總氮、總磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。同時(shí)，用不透氣塑料薄膜蓋住各取樣桶，6 h后用針筒抽取空氣，供N2和N2O釋放通量的測(cè)定。

在實(shí)驗(yàn)初始(0 d)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后(70 d)測(cè)定底泥中總磷、總氮和有機(jī)碳的含量。在實(shí)驗(yàn)初始稱取新鮮馬來(lái)眼子菜25 g，測(cè)定其干質(zhì)量；在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定馬來(lái)眼子菜的剩余干質(zhì)量以及有機(jī)碳、總氮和總磷的含量。實(shí)驗(yàn)均重復(fù)2次。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定方法 水體中溶解氧含量采用YSI DO200型溶氧儀(美國(guó)YSI公司)測(cè)定，氧化還原電位采用SG-2型ORP儀(瑞士METTLER TOLEDO公司)測(cè)定，有機(jī)碳含量采用TOC-VCPH型總有機(jī)碳分析儀(日本島津公司)測(cè)定，總氮含量采用堿性過(guò)硫酸鉀消解法[8]255-257測(cè)定，總磷含量采用鉬酸銨分光光度法[8]246-248測(cè)定，銨態(tài)氮含量采用納氏試劑光度法[8]279-281測(cè)定，硝態(tài)氮含量采用紫外分光光度法[8]266-268測(cè)定。

底泥中有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法[9]102-104測(cè)定，總氮含量采用凱氏定氮法[9]156-158測(cè)定，總磷含量采用SMT法[9]189-190測(cè)定。

馬來(lái)眼子菜干質(zhì)量采用烘干法(105 ℃～110 ℃)測(cè)定，有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測(cè)定，總氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，總磷含量采用氫氟酸-硫酸溶鉬銻抗比色法測(cè)定[10]。

N2O釋放通量采用Agilent 6890N型氣相色譜儀(美國(guó)Agilent公司)測(cè)定；色譜條件：電子捕獲檢測(cè)器ECD，HP-PLOT Q分離柱，載氣為高純度N2，流速8 mL·min-1，分離柱工作溫度50 ℃，檢測(cè)器工作溫度350 ℃[11]。N2釋放通量采用HF-800型N2檢測(cè)儀(濟(jì)南航帆商貿(mào)有限公司)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理

采用SPSS 18.0和Orgin 8.6統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD法進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。

2 結(jié)果和分析

2.1 馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程中自身碳、氮和磷的釋放量分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在70 d的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)馬來(lái)眼子菜分解率較高，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束其失重率達(dá)86.92%。實(shí)驗(yàn)初始和結(jié)束時(shí)馬來(lái)眼子菜的有機(jī)碳、總氮和總磷含量分別為205.35、57.15、2.06和190.33、28.36、2.14 mg·g-1，實(shí)驗(yàn)初始和結(jié)束時(shí)其體內(nèi)有機(jī)碳量、總氮量和總磷量分別為328.55、91.45、3.29和37.74、10.12、0.44 mg。由此可見(jiàn)，在70 d的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)馬來(lái)眼子菜體內(nèi)的碳、氮和磷大部分已礦化并釋放，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)其體內(nèi)的有機(jī)碳量、總氮量和總磷量較實(shí)驗(yàn)初始時(shí)分別減少了88.51%、88.93%和86.63%。

2.2 馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程中底泥有機(jī)碳、總氮和總磷含量的變化

測(cè)定結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)初始時(shí)放入馬來(lái)眼子菜的處理組中底泥的有機(jī)碳、總氮和總磷含量分別為15.841、1.231和0.506 mg·g-1；至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，其底泥中的有機(jī)碳、總氮和總磷含量分別為16.721、1.441和0.517 mg·g-1，分別較實(shí)驗(yàn)初始時(shí)增加了5.56%、17.06%和2.17%。

2.3 馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程中水體溶解氧含量和氧化還原電位的變化

馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程(70 d)中水體溶解氧含量和氧化還原電位的變化分別見(jiàn)圖1-A和圖1-B。由圖1-A可知：因馬來(lái)眼子菜分解導(dǎo)致處理組水體溶解氧含量在實(shí)驗(yàn)初期迅速下降，至第14天降至最低，隨后逐漸上升；整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中處理組水體溶解氧含量均低于空白組，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，空白組水體溶解氧含量為處理組的1.16倍。

由圖1-B可見(jiàn)：馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程中水體氧化還原電位的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)與溶解氧含量近似。在實(shí)驗(yàn)初期因馬來(lái)眼子菜分解導(dǎo)致處理組水體氧化還原電位迅速降低，在第7天時(shí)降至最低，隨后逐漸上升，第49天后波動(dòng)變化但變化幅度較小。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中處理組水體氧化還原電位均低于空白組。

—●—： 對(duì)照 Control； —○—： 馬來(lái)眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

2.4 馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程中水體有機(jī)碳、總氮和總磷含量的變化

2.4.1 水體有機(jī)碳含量的變化 馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程(70 d)中水體有機(jī)碳含量的變化見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：因馬來(lái)眼子菜分解導(dǎo)致處理組水體有機(jī)碳含量在實(shí)驗(yàn)初期迅速上升并在第7天達(dá)到最大值，穩(wěn)定一段時(shí)間后從第21天開始下降并從第49天開始處于穩(wěn)定水平；而空白組水體有機(jī)碳含量則在實(shí)驗(yàn)前期略有升高且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持穩(wěn)定。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中處理組水體有機(jī)碳含量均明顯高于空白組。

2.4.2 水體總氮含量的變化 馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程(70 d)中水體總氮含量的變化見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：因馬來(lái)眼子菜分解導(dǎo)致處理組水體總氮含量在實(shí)驗(yàn)初期迅速上升并在第7天達(dá)到峰值，隨后逐漸下降并于第63天后接近空白組的水平，整體變化幅度大?？瞻捉M水體總氮含量略有下降但變化幅度很小。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中處理組水體總氮含量均明顯高于空白組。

—●—： 對(duì)照 Control； —○—： 馬來(lái)眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

—●—： 對(duì)照 Control； —○—： 馬來(lái)眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

2.4.3 水體總磷含量的變化 馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程(70 d)中水體總磷含量的變化見(jiàn)圖4。由圖4可知：與水體總氮含量的變化趨勢(shì)一致，馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程中處理組水體總磷含量在實(shí)驗(yàn)初期迅速升高并在在第7天達(dá)到峰值，隨后逐漸下降并在實(shí)驗(yàn)后期(第49天以后)趨于穩(wěn)定。而空白組水體總磷含量則無(wú)明顯變化。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中處理組水體總磷含量均高于空白組，差異極顯著(P<0.01)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)處理組水體總磷含量為空白組的15.86倍。

2.5馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程中水體無(wú)機(jī)態(tài)氮含量的變化

馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程(70 d)中水體銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的變化分別見(jiàn)圖5-A和圖5-B。由圖5-A可見(jiàn)：馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程中處理組水體銨態(tài)氮含量的變化趨勢(shì)與總磷和總氮含量的變化趨勢(shì)相似，在實(shí)驗(yàn)初期銨態(tài)氮含量迅速升高并在第14天達(dá)到峰值，隨后逐漸下降并于第42天后趨于穩(wěn)定。空白組水體銨態(tài)氮含量在實(shí)驗(yàn)初期略有上升，之后逐漸下降，第21天后空白組水體中幾乎不含銨態(tài)氮。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中處理組水體銨態(tài)氮含量均明顯高于空白組。

—●—： 對(duì)照 Control； —○—： 馬來(lái)眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

—●—： 對(duì)照 Control； —○—： 馬來(lái)眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

由圖5-B可見(jiàn)：實(shí)驗(yàn)初期處理組水體硝態(tài)氮含量迅速下降并在第7天至第21天時(shí)維持在最低水平，在第21天至第35天持續(xù)上升，之后逐漸下降?？瞻捉M水體硝態(tài)氮含量在實(shí)驗(yàn)初期小幅上升并在第7天達(dá)到峰值，隨后逐漸降低并在第56天后趨于穩(wěn)定。整體上看，在實(shí)驗(yàn)初期至第28天，處理組硝態(tài)氮含量明顯低于空白組，而在實(shí)驗(yàn)的第35天至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，處理組的硝態(tài)氮含量明顯高于空白組。

2.6 馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程中水體N2和N2O釋放通量的變化

馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程(70 d)中水體N2和N2O釋放通量的變化分別見(jiàn)圖6-A和圖6-B。

由圖6-A可見(jiàn)：因馬來(lái)眼子菜分解，在實(shí)驗(yàn)的0～28 d處理組水體N2釋放通量逐漸上升，之后N2釋放通量逐漸降低并在第56天達(dá)到最低值，隨后僅小幅上升并趨于穩(wěn)定，其中處理組第7天至第35天的N2釋放通量明顯大于其余各時(shí)間段。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中空白組水體N2釋放通量均很低且變化幅度不大，且均明顯低于處理組。

由圖6-B可見(jiàn)：處理組水體N2O釋放通量在實(shí)驗(yàn)前期逐漸上升并在第21天達(dá)到峰值，隨后N2O釋放通量降低，并在實(shí)驗(yàn)后期(第42 天后)趨于穩(wěn)定。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中空白組水體N2O釋放通量均很低且變化幅度不大，且均明顯低于處理組。

—●—： 對(duì)照 Control； —○—： 馬來(lái)眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

3.1 馬來(lái)眼子菜分解及碳、氮和磷的釋放機(jī)制分析

經(jīng)過(guò)70 d的實(shí)驗(yàn)，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)馬來(lái)眼子菜的最終失重率達(dá)到86.92%，這與沉水植物體內(nèi)的碳、氮和磷含量水平密切相關(guān)。Wider等[12]以及Moore等[13]均指出，植物的化學(xué)組分直接影響其分解過(guò)程，低碳氮比有利于植物分解；但Chimney等[14]則認(rèn)為，高氮含量以及低木質(zhì)纖維含量有利于植物快速分解，分解速率較大程度上取決于碳、氮和磷含量。

Thomaz等[15]認(rèn)為，木質(zhì)素以及纖維素是沉水植物分解的重要指標(biāo)，沉水植物的分解取決于植物體內(nèi)難以腐爛的纖維素和木質(zhì)素部分。大量研究結(jié)果[3,16]表明：沉水植物的分解率由其化學(xué)組成決定，木質(zhì)素和纖維素含量較高則腐爛率較低，因而，狐尾藻(MyriophyllumverticillatumLinn.)等沉水植物的腐爛率較高，而苦草〔Vallisnerianatans(Lour.) H. Hara〕等沉水植物的腐爛率較低。木質(zhì)素以及纖維素是植物體內(nèi)碳的主要形態(tài)，馬來(lái)眼子菜植株分解率較高，與其體內(nèi)碳含量相對(duì)較低有關(guān)。

3.2 水環(huán)境中碳、氮和磷的遷移規(guī)律

在水體中，有機(jī)碳和總氮含量均呈先上升后下降的趨勢(shì)；而在底泥中，有機(jī)碳和總氮的含量均有所增加，同時(shí)一部分氮以N2和N2O等形式逸出水體。說(shuō)明碳和氮的流動(dòng)是部分由水體向底泥、部分由水體向大氣進(jìn)行的。在本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)馬來(lái)眼子菜體內(nèi)的碳進(jìn)入底泥中的比例最高，而其體內(nèi)的氮?jiǎng)t是進(jìn)入大氣中的比例最高。

本研究中，水體中總磷含量的變化過(guò)程與有機(jī)碳和總氮近似，也經(jīng)過(guò)了先上升后下降的過(guò)程，說(shuō)明在水體生態(tài)系統(tǒng)中馬來(lái)眼子菜、底泥和上覆水中總磷進(jìn)行了再分配。馬來(lái)眼子菜體內(nèi)的總磷釋放至水體中導(dǎo)致水體總磷含量升高，然后水體中的總磷隨時(shí)間推移逐步遷移至底泥中，導(dǎo)致水體中總磷滯留量減少，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)水體和底泥中的總磷含量均較實(shí)驗(yàn)初始時(shí)有一定程度增加；并且由于底泥對(duì)水體總磷的吸附，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)其分配比例更高，馬來(lái)眼子菜體內(nèi)的大部分總磷遷移至底泥中。前人的研究結(jié)果表明[17-18]：沉積物對(duì)上覆水中的磷有很強(qiáng)的積聚及吸附作用，磷在湖泊水環(huán)境系統(tǒng)中的循環(huán)是不完整的，是一個(gè)單向流動(dòng)的過(guò)程，因此大多數(shù)磷均會(huì)因沉淀作用進(jìn)入底泥而使得水體中磷含量降低。

3.3 水體氮形態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)律

本研究結(jié)果表明：水體銨態(tài)氮含量在實(shí)驗(yàn)初期迅速升高，之后緩慢下降；而硝態(tài)氮含量在實(shí)驗(yàn)初期迅速下降，在實(shí)驗(yàn)中期則逐漸上升并在實(shí)驗(yàn)后期趨于穩(wěn)定。

在實(shí)驗(yàn)初期由于反硝化作用引起硝態(tài)氮含量下降，通過(guò)反硝化作用，將水環(huán)境中的氮素以N2和N2O等氣體形態(tài)去除；而影響反硝化作用的主要因素是水體O2含量以及有機(jī)碳含量[19-20]。

在本實(shí)驗(yàn)中，因馬來(lái)眼子菜分解導(dǎo)致水體中有機(jī)碳大量增加的同時(shí)也使水體形成低氧環(huán)境，促進(jìn)水環(huán)境反硝化作用的進(jìn)行，因此，實(shí)驗(yàn)初期水體硝態(tài)氮含量迅速下降；而在實(shí)驗(yàn)中期硝態(tài)氮含量逐漸上升是由于馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程的需氧量降低，導(dǎo)致水中溶解氧濃度上升、硝化作用增強(qiáng)、反硝化作用減弱，分解產(chǎn)生的銨態(tài)氮通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮引起水體硝態(tài)氮含量的上升。

3.4 馬來(lái)眼子菜分解對(duì)水環(huán)境的影響

Jewell[21]認(rèn)為，水體保留適量的沉水植物有助于促進(jìn)底泥和水體中氮素的移出以及水系統(tǒng)中氮素負(fù)荷總量降低。這是因?yàn)榉聪趸饔檬亲匀凰w中氮去除的主要途徑，在水生態(tài)系統(tǒng)中具有重要生態(tài)意義，因此，沉水植物的分解可促進(jìn)水體的反硝化作用。同時(shí)，由于沉水植物衰亡分解階段很長(zhǎng)，因而對(duì)減緩水環(huán)境系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)速率、控制“水環(huán)境營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷”和推遲淡水水體的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程具有一定的意義[5]。

但是，水體中滯留大量水生植物也易使水體缺氧并向水體釋放大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致水體發(fā)黃發(fā)臭，有可能成為春季水華爆發(fā)的誘因[21]。另外，由于水體中沉水植物的分解使水體反硝化作用增強(qiáng)，促使N2O逸出水體，而N2O是除CH4和CO2之外的另一種重要的溫室氣體[22]，對(duì)大氣環(huán)境也有一定的影響。因此，用沉水植物可以改善水體水質(zhì)并修復(fù)受損的水體環(huán)境，但須控制水體中沉水植物的種植量并適時(shí)收割，以避免水體中滯留的沉水植物在溫度升高時(shí)分解，消除對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)。

3.5 結(jié)論

通過(guò)以上研究和分析可以得出以下結(jié)論：在70 d的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，在模擬初春溫度條件下馬來(lái)眼子菜分解率較高，導(dǎo)致其失重率達(dá)86.92%；其體內(nèi)碳、氮和磷釋放速率均較快且釋放量較大，有機(jī)碳量、總氮量和總磷量較實(shí)驗(yàn)初期分別減少了88.51%、88.93%和86.63%。在馬來(lái)眼子菜分解過(guò)程中水體中總氮和總磷含量均出現(xiàn)先上升后下降的變化過(guò)程，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中期出現(xiàn)N2和N2O的釋放高峰。在初春的溫度條件下因馬來(lái)眼子菜分解向水體釋放大量氮和磷，隨時(shí)間推移水體中的磷大部分沉積到底泥中，而水體中的氮?jiǎng)t部分沉積到底泥中、部分以氣體形式逸出水體。馬來(lái)眼子菜分解導(dǎo)致水體O2減少，并使大量有機(jī)碳釋放進(jìn)入水體，有助于促進(jìn)水體中的反硝化作用并降低水體硝態(tài)氮含量。馬來(lái)眼子菜分解期過(guò)多的植物殘?bào)w將對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)并釋放較多的溫室氣體，因此必須控制分解期沉水植物在水環(huán)境中的殘留量。

參考文獻(xiàn)：

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