劉　彪，楊曉玉，孫華鵬

(河南城建學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

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蘆葦腐解對白龜湖濕地水質(zhì)的影響研究

劉彪，楊曉玉，孫華鵬

(河南城建學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對白龜湖濕地常見的挺水植物蘆葦，在春季倒伏后的腐解過程以及其對水質(zhì)的影響進(jìn)行了研究，共設(shè)置了3個(gè)生物量密度，2 g/L、4 g/L和8 g/L，記為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組失重率分別達(dá)到了19.83%、20.53%和22.71%。三個(gè)處理組蘆葦腐解速率存在一定差異，但總體變化趨勢相似。腐解過程中，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組植物殘?bào)wTN和TP濃度的變化趨勢一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),TN含量分別為4.32 mg/g、3.88 mg/g和4.35 mg/g,TP含量分別為0.21 mg/g、0.22 mg/g和0.20 mg/g，無顯著差異，不同生物量密度的植物殘?bào)w腐解時(shí)對水質(zhì)影響程度不同。實(shí)驗(yàn)初期，植物殘?bào)w向水體中釋放大量N、P營養(yǎng)物質(zhì)，水質(zhì)因生物量密度不同而差異較大，實(shí)驗(yàn)后期，各組水質(zhì)差異減小。此外，適量植物殘?bào)w的存在有助于水體氮元素的循環(huán)，降低水體氮負(fù)荷。

挺水植物；蘆葦；腐解；營養(yǎng)鹽；水質(zhì)。

水生植物是河流、湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在生長過程中吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，為水體中微生物提供附著的載體，進(jìn)一步增強(qiáng)水體的自凈能力。目前，水生植物原位修復(fù)方法已成為富營養(yǎng)化水體治理的重要途徑[1-2]，但挺水植物進(jìn)入衰亡期后，植物殘?bào)w會逐漸腐爛分解，其體內(nèi)氮(N)、磷(P)等營養(yǎng)物質(zhì)會重新釋放到水體環(huán)境中，有可能對水體造成二次污染[3-4]。曹培培等[5]的研究表明，不同類型或不同種類的水生植物，其腐解過程均能顯著增加水體N、P含量，且腐解過程具有明顯的階段性，即前期腐解速率較快，隨后緩慢下降。這種現(xiàn)象在水生植物殘?bào)w腐解過程中具有普遍性[5-7]，這是因?yàn)榱苋芎陀袡C(jī)物分解代謝轉(zhuǎn)化速率具有明顯的差別。不同挺水植物的腐解過程及營養(yǎng)鹽釋放規(guī)律存在較大差異，且植物殘?bào)w的腐解過程與生物量密度及生存環(huán)境有很大關(guān)系。因此,針對不同湖泊水體生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢物種開展研究十分必要。

蘆葦是河南省平頂山市白龜湖濕地常見的挺水植物之一。蘆葦在秋冬季枯萎衰亡，但不會立即倒伏。一方面，冬季水溫較低，植物殘?bào)w腐解速率較慢；另一方面，蘆葦植株內(nèi)木質(zhì)素、纖維素等含量較高，性質(zhì)穩(wěn)定不宜腐解。春季來臨之后，蘆葦逐漸倒伏在水體中，導(dǎo)致水體營養(yǎng)鹽類大幅提升，造成水質(zhì)惡化。目前，對挺水植物腐解過程的研究一般是采集新鮮植物，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)過殺青、烘干后構(gòu)建試驗(yàn)系統(tǒng)[5、6、8]，這樣并不能反映蘆葦在衰亡后的自然腐解過程。

本研究在初春時(shí)節(jié)，以白龜湖濕地未倒伏的蘆葦枯萎植株為原料，構(gòu)建室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)，研究不同生物量密度條件下蘆葦枯落物的腐解過程及其對水質(zhì)的影響，為利用蘆葦對湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行原位生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1　材料和方法

1.1樣品的采集及處理

蘆葦枯落物、水樣和底泥于2016年3月25日采集于白龜湖濕地(33°46′12.74″N，113°09′20.29″E)。蘆葦選取岸邊未倒伏的枯一計(jì)劃萎植株，僅采集水面之上的部分，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后用雙蒸水漂洗干凈，65 ℃烘干至恒重，剪成0.5 cm左右大小，充分混勻后備用。將采集的水樣置于100 L水桶中過夜后，過200目篩網(wǎng)去除雜質(zhì)。將采集的表層底泥充分混合后，過100目篩網(wǎng)去除底泥中植物殘?bào)w和雜物。2016年5月12日在同一地點(diǎn)，采集新鮮蘆葦，用雙蒸水漂洗干凈，風(fēng)干后95 ℃殺青15 min，65 ℃烘干至恒重。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以12 L聚乙烯水桶作為試驗(yàn)容器，桶內(nèi)加入2 kg底泥，10 L水樣，靜置3 d。試驗(yàn)設(shè)定3個(gè)生物量密度，2 g/L、4 g/L和8 g/L，分別記為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組，同時(shí)設(shè)置1組對照，每組3個(gè)重復(fù)。將剪好的蘆葦置于200目網(wǎng)孔袋，分別加入設(shè)定質(zhì)量的樣品。在試驗(yàn)開始的第0 d、2 d、6 d、12 d、18 d、24 d、30 d、36 d、42 d、48 d和60 d，分別測定蘆葦和水樣的相關(guān)理化指標(biāo)。

1.3樣品分析和數(shù)據(jù)處理

植物總氮(TN)采用半微量凱氏法測定；總磷(TP)采用鉬銻抗比色法測定；分解速率參照文獻(xiàn)[9]方法分析。水體pH采用雷磁PHS-3E測定；溶解氧(DO)采用雷磁JPSJ-605S測定；TP采用鉬銻抗比色法測定；NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定；NO3--N采用酚二磺酸分光光度法測定；NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定。利用SPSS 18.0進(jìn)行線性相關(guān)性和單因素方差分析，采用Excel進(jìn)行圖表繪制。

2　結(jié)果與分析

2.1蘆葦失重率及分解速率的變化

為期60 d的腐解過程中，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組蘆葦殘?bào)w失重率呈現(xiàn)快速上升再緩慢上升的趨勢，見圖1(a)。前6 d失重速率較快，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組失重率分別達(dá)到了9.6%、14.37%和11.73%，3組之間失重率差異顯著，其中Ⅱ組失重率最高。第60 d時(shí)，失重率分別達(dá)到了19.83%、20.53%和22.71%，Ⅰ和Ⅱ組之間失重率無顯著差異，Ⅲ組與其余兩組之間失重率差異顯著。由圖1(b)可知，蘆葦殘?bào)w腐解速率k在前2 d最快，分別達(dá)到了0.050、0.049和0.052，k值在第6 d后快速下降，第12 d后緩慢下降并趨于平穩(wěn)，三個(gè)處理組腐解速率趨勢保持一致，且僅在第6 d時(shí)彼此存在顯著差異。

2.2蘆葦TN和TP的變化

如圖2(a)所示，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組蘆葦殘?bào)wTN均在前2 d大幅上升，由初始值0.02 mg/g分別上升到了3.93、4.35和7.83 mg/g，Ⅲ組與其余兩組之間TN含量差異顯著。第2 d至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，Ⅰ組在第12 d時(shí)有短暫升高，隨后降低并最終趨于平穩(wěn)，Ⅱ組TN含量變化幅度不大，Ⅲ組從第2 d后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，并于第12 d后趨于平穩(wěn)，第60 d時(shí)，TN含量分別為4.32 mg/g、3.88 mg/g和4.35 mg/g，三者之間無顯著差異。如圖2(b)所示，在實(shí)驗(yàn)前2 d，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組蘆葦殘?bào)wTP均有一個(gè)快速下降的過程，由初始值0.35 mg/g分別下降到0.15 mg/g、0.15 mg/g和0.14 mg/g，三者之間無顯著差異。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組TP的變化趨勢一致，第36 d時(shí)，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組TP含量彼此存在顯著差異，第42 d和48 d時(shí)，Ⅰ組與Ⅱ和Ⅲ組TP含量存在顯著差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，TP含量分別為0.21 mg/g、0.22 mg/g和0.20 mg/g，彼此無顯著差異。

圖1　蘆葦失重率(A)和分解速率(B)隨時(shí)間變化趨勢

圖2　蘆葦殘?bào)wTN和TP隨時(shí)間變化趨勢

2.3水體pH、DO和TP的變化

由圖3(a)可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和對照組pH的變化趨勢相似，在第6 d時(shí)，pH由初始值8.06分別降到了最低值，依次為7.40、7.25、6.95和7.82，呈顯著差異，隨后pH開始回升，第18 d后，pH波動(dòng)幅度變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和對照組pH分別為7.98、7.98、7.97和7.95，均略低于初始值，各組之間無顯著差異。此外，在第2至30 d，對照組pH均高于3個(gè)處理組，且差異顯著。

水體DO濃度初始值為7.62 mg/L，其中對照組在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)變化范圍介于5.14至8.02 mg/L，見圖3(b)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和對照組，在實(shí)驗(yàn)初期均呈現(xiàn)快速下降趨勢，在第6 d分別達(dá)到了2.05 mg/L、0.24 mg/L、0.23 mg/L和5.67 mg/L，處理組均與對照組差異顯著。第6至36 d內(nèi)，Ⅰ和Ⅱ組DO先上升再下降隨后窄幅波動(dòng)。Ⅲ組DO在第6至18 d內(nèi)處于較低水平，并于第18 d達(dá)到最低值0.14 mg/L，隨后緩慢上升。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，DO分別為7.82 mg/L、7.73 mg/L、6.33 mg/L和7.81 mg/L，Ⅲ組與其余各組差異顯著。

圖3　水體pH、DO和TP隨時(shí)間變化趨勢

圖4　水體NH4+-N、NO3--N和NO2--N濃度隨時(shí)間變化趨勢

如圖3(c)所示，水體TP濃度初始值為0.26 mg/L，其中Ⅰ、Ⅱ和對照組在0至18 d內(nèi)，TP濃度窄幅波動(dòng)，并在第18 d后快速下降，第24 d時(shí)TP濃度分別為0.04 mg/L、0.05 mg/L和0.02 mg/L，此后再次進(jìn)入窄幅波動(dòng)直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束；Ⅲ組在實(shí)驗(yàn)初期，TP濃度快速上升，并在第12 d時(shí)達(dá)到最大值0.74 mg/L，與其余各組差異顯著，隨后快速下降，并于第24 d時(shí)下降至0.11 mg/L，隨后進(jìn)入窄幅波動(dòng)。

如圖4(b)所示，水體NO3--N濃度初始值為0.81 mg/L，3個(gè)處理組和對照組表現(xiàn)出相同的變化趨勢，初期快速下降，隨后交替上升和下降，最后趨于平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，Ⅰ和對照組NO3--N濃度略高于初始值，分別為0.87 mg/L和0.83 mg/L，Ⅱ和Ⅲ組NO3--N濃度均低于初始值，分別為0.71 mg/L和0.22 mg/L。

如圖4(c)所示，水體NO2--N濃度初始值為0.005 mg/L。對照組表現(xiàn)為先上升再下降的趨勢；3個(gè)處理組則有所不同，在0至24 d內(nèi)，NO2--N濃度變化趨勢與對照組類似，均表現(xiàn)為先上升再下降的變化趨勢，但Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組分別在第30 d、第36 d和第48 d突然升高，分別達(dá)到了0.66 mg/L、0.85 mg/L和0.11 mg/L，隨后迅速回落。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，Ⅰ和Ⅱ組NO2--N濃度略低于對照組，而Ⅲ組高于對照組，與其余各組差異顯著。

3　討論

3.1蘆葦腐解的影響因素

挺水植物腐解速率的影響因素有很多，如溫度[6]、植物殘?bào)w理化性質(zhì)[8、10、11]、沉積物性質(zhì)[12]以及微生物群體[13]等。其中，植物殘?bào)w理化性質(zhì)對腐解速率有較大影響。本研究中，蘆葦是2015年秋冬季節(jié)枯萎后未倒伏的植株，這些蘆葦殘?bào)w在野外暴露長達(dá)5個(gè)月左右，其TN和TP含量僅為0.02 mg/g和0.35 mg/g，而同一地點(diǎn)采集的新鮮蘆葦植株，TN和TP含量為：莖(2.53 mg/g和0.33 mg/g)；葉(26.33 mg/g和1.87 mg/g)。由此可見，蘆葦殘?bào)w大部分N、P在雨水沖刷下重新進(jìn)入到了環(huán)境中。蘆葦殘?bào)wN、P初始含量的不同，使其腐解過程中N、P的變化趨勢與他人的研究有所不同。曹勛等[6]的研究表明，蘆葦殘?bào)w在48 d內(nèi)TN含量由15.01 mg/g下降到14.26 mg/g，而曹培培等[5]的研究則發(fā)現(xiàn)，蘆葦殘?bào)w在60 d內(nèi)TN含量不降反升，由14.82 mg/g上升到17.41 mg/g。我們的數(shù)據(jù)顯示，植物殘?bào)wTN含量也表現(xiàn)為不降反升，而且該現(xiàn)象尤為明顯，微生物的固氮作用可能是最主要的原因[14-15]。楊繼松等[16]對三江平原沼澤濕地枯落物腐解過程的研究表明，N含量越低的枯落物其固定N的能力越強(qiáng)，且枯落物N含量的變化趨勢與微生物的營養(yǎng)需求相關(guān)。此外，Ⅰ和Ⅱ組TN濃度與腐解速率和水質(zhì)參數(shù)無顯著線性相關(guān)性，Ⅲ組TN濃度與腐解速率呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，與水體NH4+-N濃度也顯著正相關(guān)(p<0.05)?？梢?，枯落物在水體中生物量密度達(dá)到一定程度后對水質(zhì)NH4+-N濃度的影響是明顯的。

溫達(dá)志等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)的P極易被淋溶而損失，這是因?yàn)镻主要以磷酸根離子或化合物的形式存在于植物體內(nèi)。許多研究也表明，植物枯落物腐解過程中釋放磷的速率非?？靃6、8、18]。本研究發(fā)現(xiàn)，雖然枯萎植株體內(nèi)TP含量已經(jīng)很低，但依然在腐解前期失去了大部分P。后期植物殘?bào)wTP的變化趨勢呈現(xiàn)上升和下降交替狀態(tài)，可能是由于P相關(guān)微生物的活動(dòng)造成的[19]。

有研究表明，植物體內(nèi)有機(jī)氮濃度較高時(shí)易分解，且C/N比越高腐解越慢[10]，木質(zhì)素含量越高腐解越慢[11]。唐金艷等[8]的研究表明，不同生物量密度間植物干重?fù)p失率差異不顯著，而不同植物處理間差異顯著。本研究以蘆葦枯落物為研究對象，各處理組的差別在于生物量密度，結(jié)果顯示腐解速率僅在第6 d和12 d存在顯著差異，其余時(shí)間段不存在顯著差異。由此可見，蘆葦殘?bào)w的腐解速率受生物量密度的影響較小。此外，在三個(gè)生物量密度處理組中，Ⅰ和Ⅱ組的腐解速率與植物理化參數(shù)不存在顯著的線性相關(guān)性；Ⅲ組的腐解速率與植物體內(nèi)TN呈顯著正相關(guān)(p<0.01)。

3.2蘆葦腐解對水質(zhì)的影響

生物量密度不同對水體產(chǎn)生的影響也不相同[8]。三個(gè)處理組和對照組pH變化趨勢相似，但各自變化范圍因生物量密度不同而有所差異，在實(shí)驗(yàn)前期，生物量密度越大，pH下降的幅度也越大，并且在第6 d和12 d，pH值與生物量密度顯著負(fù)相關(guān)，且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和對照組之間差異顯著。這是因?yàn)椋孩傧趸^程消耗了大部分堿度；②隨著DO的消耗，水體呈缺氧或厭氧狀態(tài)，有機(jī)質(zhì)厭氧分解產(chǎn)生有機(jī)酸；③植物殘?bào)w在分解過程中，會產(chǎn)生CO2，這些原因與生物量密度均有著密切關(guān)系。此外，有研究表明[20-21]，適量的植物殘?bào)w不會引起水質(zhì)惡化。本研究中，雖然在實(shí)驗(yàn)前期Ⅰ和Ⅱ組水體NH4+-N濃度超過了對照組，但是隨著植物殘?bào)w的腐解，在個(gè)別時(shí)段，水體NH4+-N濃度反而低于對照組(圖4(a))，而Ⅲ組由于生物量密度較大，其水體NH4+-N濃度始終大于對照組(圖4(a))?？梢姡谒w中保留一定生物量密度的植物殘?bào)w，可在一定程度上促進(jìn)水體氮循環(huán)，減輕水體氮負(fù)荷，這一結(jié)論在之前的研究中也得到印證[6、8]。

水體中正磷酸鹽的主要存在形態(tài)是HPO42-和H2PO4-，在中性偏堿性環(huán)境下易于金屬離子結(jié)合，并最終進(jìn)入沉積物。線性相關(guān)性分析表明，Ⅰ組pH和DO濃度與水體TP成負(fù)相關(guān)但不顯著(p>0.05)，而Ⅱ和Ⅲ組pH和DO濃度與水體TP呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。pH和DO濃度的降低，有利于沉積物中P向水體中遷移，而隨著pH和DO濃度的回升，水體中P逐漸向底泥中遷移，這里P的遷移轉(zhuǎn)化涉及復(fù)雜的生物化學(xué)過程[22]。

水體中NH4+-N、NO3--N和NO2--N三者之間的轉(zhuǎn)換主要是通過硝化作用、反硝化作用以及厭氧氨氧化作用來完成的，這個(gè)過程由微生物主導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)初期水體NH4+-N濃度的上升可能是由于沉積物中有機(jī)氮的分解引起的。而NO3--N濃度在實(shí)驗(yàn)初期的下降則是由于水體呈厭氧或缺氧狀態(tài)，發(fā)生了反硝化作用，線性相關(guān)性分析表明，Ⅰ和Ⅱ組NO3--N與DO濃度呈負(fù)相關(guān)但不顯著(p>0.05)，Ⅲ組NO3--N與DO濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。對于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組在試驗(yàn)后期，NO2--N濃度的突然增加，可能與氨氧化細(xì)菌的活性有關(guān)[23]，但具體反應(yīng)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

4　結(jié)論

(1)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組腐解速率僅在第6 d和12 d存在顯著差異，前12 d腐解速率較快，隨后進(jìn)入緩慢腐解期。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，植物殘?bào)w失重率分別為19.83%、20.53%和22.71%。數(shù)據(jù)表明，在春季時(shí)，大量枯萎植株倒伏在水中后，會造成水質(zhì)惡化。建議在秋冬季蘆葦枯萎后及時(shí)收割，避免其體內(nèi)大部分N、P在雨水的沖刷下重新進(jìn)入到水體環(huán)境，從而造成水質(zhì)動(dòng)蕩。

(2)植物腐解對水質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在初期階段，生物量密度對水質(zhì)的影響較大，隨著生物量密度的增加，DO濃度在長時(shí)間內(nèi)處于較低水平，pH降幅也越大，營養(yǎng)鹽的濃度也越大。但在水體中保留一定生物量密度的植物殘?bào)w，可在一定程度上促進(jìn)水體氮循環(huán)，減輕水體氮負(fù)荷。

(3)蘆葦殘?bào)w腐解對水體中各營養(yǎng)鹽的存在形態(tài)有一定影響，并在植物-水-沉積物三者間遷移轉(zhuǎn)化，這一過程主要由微生物主導(dǎo)，具體反應(yīng)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

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Decomposition of Phragmites australis and its influence on water quality of Baigui Lake wetland

LIU Biao,YANG Xiao-yu,SUN Hua-peng

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

An indoor experiment was carried out to study the decomposition process of Phragmites australis,typical emergent plant in Baigui Lake wetland,in spring after lodging in water and subsequent influence on water quality.Three different biomass densities,2,4 and 8 g/L,were set and marked asⅠ,Ⅱ and Ⅲ group,respectively.At the end of experiment,the weight loss of Ⅰ,Ⅱ and Ⅲ group was 19.83%,20.53% and 22.71%,respectively.Among the three groups,the decomposition rate has some differences,but its trend was similar.During the decomposition process,the dynamics of TN and TP concentration of plant residues showed the same variation trend among the Ⅰ,Ⅱ and Ⅲ groups.At the end of experiment,the value of TN was 4.32,3.88 and 4.35 mg/g,respectively,and the value of TP was 0.21,0.22 and 0.20 mg/g,respectively.And all of these showed no significant difference.The different effects on water quality due to different biomass density of plant residues.Initially,the plant residues released a lot of N and P nutrients into the water,a large difference was observed in water quality among the Ⅰ,Ⅱ, Ⅲ and control group.And the differences were disappeared at the end of the experiment.Especially,the existence of moderate plant residues could effectively promote the N cycles in water and decrease the water N load.

emergent plant;Phragmites australis;decomposition;nutrient;water quality.

2016-06-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51509083)

劉彪(1981—)，男，河南平頂山人，博士研究生，講師。

1674-7046(2016)05-0061-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.011

X524

A