劉彪　賈碧州　朱歡歡　崔夢雨　王雅倩　胡紅偉　吳俊峰　毛艷麗　郭一飛

摘要：對濕地常見的挺水植物菖蒲進(jìn)行為期60 d的腐解試驗，對比不同生物量密度條件下菖蒲殘體的腐解過程及它對水質(zhì)的影響，共設(shè)置3個生物量密度（2、4、8 g/L），記為a、b、c組。結(jié)果表明，試驗結(jié)束時，a、b、c 3組菖蒲殘體失重率分別達(dá)到22.89%、22.15%、22.20%，三者無顯著差異，且分解速率變化趨勢相似。不同生物量密度的菖蒲殘體全氮（TN）含量和全磷（TP）含量在腐解過程中變化趨勢一致，其中TN含量變化幅度較小，TP含量在6 d時出現(xiàn)快速下降，12 d 后趨于穩(wěn)定直至試驗結(jié)束。試驗前6 d，水體pH值和溶解氧（DO）濃度快速下降，之后緩慢上升;試驗結(jié)束時，pH值和DO濃度均小于初始值。0～30 d時，水體TP含量變化趨勢在不同組中存在差異，其后變化趨勢一致。水體NH4+-N濃度、NO3-N濃度和NO2-N濃度在不同生物量密度處理下，變化趨勢相似。此外，a、b、c 3個處理組水體NH4+-N濃度在試驗結(jié)束時均低于對照組，說明適量植物殘體可以促進(jìn)水體氮素循環(huán)。

關(guān)鍵詞：挺水植物;菖蒲;腐解;環(huán)境因子;水質(zhì)

中圖分類號： X171.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）08-0306-05

水生植物是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在保護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及穩(wěn)定性方面有著不可替代的作用[1]。水生植物在生長過程中可以有效吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)元素[2-3]，與此同時，水生植物水下部分及其發(fā)達(dá)的根系還能為水體中微生物提供附著的載體[4-5]，從而進(jìn)一步增強(qiáng)水體的自凈能力。但大多數(shù)水生植物在秋冬季節(jié)逐漸枯萎、死亡，并發(fā)生腐解，向水體中釋放營養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)，造成水體的二次污染。特別是在水生植物腐解初期，由于腐解速率較快，短時間內(nèi)造成水質(zhì)惡化，致使水體pH值和溶解氧（dissolved oxygen，簡稱DO）濃度快速下降，并長時間處于較低水平，從而影響水生生物的生存。但也有研究表明，適量的植物殘體對水體的氮、磷等指標(biāo)具有改善作用[6-7]，筆者之前對蘆葦腐解過程的研究也得出類似結(jié)論[8]。水生植物腐解過程及其對水質(zhì)的影響，還與植物種類[9]、生物量密度[6]、水體溫度[3]以及底泥[10-11]等因素有關(guān)。此外，水生植物立枯和倒伏的腐解過程也有所不同[12-13]?？梢?，影響水生植物腐解過程的因素有很多，有必要針對濕地生態(tài)系統(tǒng)中常見的土著物種展開研究。

本研究以河南省平頂山市白龜湖濕地中未倒伏的菖蒲枯萎植株為研究對象，通過構(gòu)建室內(nèi)試驗系統(tǒng)，研究不同生物量密度條件下，菖蒲枯萎植株的腐解過程及其對水質(zhì)的影響，旨在為濕地生態(tài)系統(tǒng)挺水植物生態(tài)修復(fù)提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

菖蒲枯萎植株、水樣和底泥于2016年3月25日采集于河南省平頂山市白龜湖國家濕地公園（位于33°46′12.74″N，113°09′20.29″E）。選取菖蒲為優(yōu)勢群體區(qū)域作為采樣點，采集距離岸邊1 m位置未倒伏的菖蒲枯萎植株（僅采集水面之上的部分），沖洗干凈后，在65 ℃烘干至恒質(zhì)量，密封保存?zhèn)溆谩Ｊ褂?00目篩網(wǎng)過濾水樣，并置于100 L水桶中過夜。使用100目篩網(wǎng)過濾底泥，混勻后備用。新鮮菖蒲植株于2016年5月12日在同一地點采集，清洗干凈后，95 ℃殺青 15 min，65 ℃烘干至恒質(zhì)量。

1.2試驗系統(tǒng)構(gòu)建

選用12 L聚乙烯水桶作為反應(yīng)器，每桶加入2 kg底泥懸浮液和10 L處理后水樣，靜置3 d。將菖蒲枯萎植株置于200目網(wǎng)孔袋，共設(shè)3個生物量梯度（2、4、8 g/L），分別記為a、b、c組，同時設(shè)置1組對照，每組3次重復(fù)。在0、2、6、12、18、24、30、36、42、48、60 d分別測定菖蒲殘體和水樣的相關(guān)理化指標(biāo)。

1.3植物、水質(zhì)指標(biāo)測定和數(shù)據(jù)處理

植物殘體經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，采用凱氏定氮儀測定全氮（TN）含量，采用鉬銻抗比色法測定全磷（TP）含量。植物殘體分解速率參照文獻(xiàn)[14]中的方法進(jìn)行分析。水體pH值采用雷磁PHS-3E進(jìn)行測定;水體中溶解氧濃度采用雷磁JPSJ-605S測定;水體中全磷含量、氨氮（NH4+-N）濃度、硝酸鹽氮（NO3--N）濃度和亞硝酸鹽氮（NO2--N）濃度參照文獻(xiàn)[15]中的方法進(jìn)行測定。使用SPSS 18.0進(jìn)行皮爾遜線性相關(guān)性和單因素方差分析（one-way ANOVA），使用Excel 2016編輯圖表。

2結(jié)果與分析

2.1菖蒲殘體理化參數(shù)

由圖1-A可知，a、b、c 3組菖蒲殘體失重率在6 d時分別達(dá)到18.13%、12.94%、14.62%，其中a組與b組、c組差異顯著（單因素方差分析數(shù)據(jù)未顯示，下同）。試驗結(jié)束時，3組失重率分別達(dá)到22.89%、22.15%、22.20%，3組之間的失重率無顯著差異。由圖1-B可知，菖蒲殘體分解速率在2 d時分別為0.058、0.059、0.057 d-1，三者之間無顯著性差異，在2 d后快速下降，并于12 d后趨于平穩(wěn)，3組處理菖蒲殘體的分解速率緩慢下降且保持趨勢一致。

由圖2-A可知，隨著腐解時間的增加，菖蒲植物殘體中TN含量（初始值為7.20 mg/g）并沒有發(fā)生較大變化，a、b、c 3個處理組TN含量在整個試驗周期內(nèi)始終介于6.25～8.06 mg/g 之間，最小值和最大值均出現(xiàn)在c組，時間分別為48、6 d。試驗結(jié)束時，a、b、c 3個處理組TN含量分別為7.09、7.27、7.67 mg/g，三者無顯著差異。由圖2-B可知，菖蒲植物殘體中TP含量（初始值為2.17 mg/g）在試驗初期變化幅度不大，6 d后出現(xiàn)快速下降，a、b、c 3個處理組TP含量在 12 d 時分別為1.62、1.49、1.34 mg/g，a組和c組存在顯著差異。12 d后，3組TP含量波動不大且趨勢保持一致，試驗結(jié)束時，a、b、c 3個處理組TP含量分別為1.66、1.95、1.80 mg/g，三者無顯著差異。

2.2菖蒲腐解過程中水體pH值、DO濃度和TP含量的變化

由圖3-A可知，a、b、c 3個處理組和對照組水體pH值均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，a組pH值在2 d時降到最低值（7.22），b組、c組、對照組均在6 d時降到最低值，分別為 7.01、6.59、7.82。2～24 d時，處理組pH值均低于對照組，且均與對照組存在顯著性差異。6 d后，3個處理組和對照組pH值呈緩慢上升趨勢，試驗結(jié)束時，a、b、c 3個處理組和對照組pH值分別為7.76、7.79、7.93、7.95，均低于初始值 （8.06）。此外，在試驗初期，生物量密度越高，pH值越低，并在6 d時pH值與生物量密度呈現(xiàn)顯著的線性負(fù)相關(guān)。

由圖3-B可知，a、b、c 3個處理組和對照組水體中DO濃度（初始值為7.62 mg/L）在試驗初期均快速下降，2 d時分別下降到4.31、2.65、0.33、7.21 mg/L，彼此之間呈現(xiàn)顯著性差異，且與生物量密度呈現(xiàn)顯著的線性負(fù)相關(guān)。a組和對照組DO濃度整體呈現(xiàn)先緩慢下降，并均于30 d時下降到最低值，分別為1.95、4.33 mg/L，隨后逐漸上升，試驗結(jié)束時，DO濃度分別達(dá)到6.85、7.81 mg/L。b組和c組DO濃度呈現(xiàn)快速下降、低位波動、緩慢上升3個階段，最低值分別出現(xiàn)在6（0.73 mg/L）、24 d（0.09 mg/L），試驗結(jié)束時，DO濃度分別達(dá)到7.28、6.13 mg/L。3個處理組在試驗結(jié)束時，其DO濃度均小于初始值。

由圖3-C可知，3個處理組和對照組水體中TP含量（初始值為0.26 mg/L）變化趨勢分為2個階段：0～30 d為第1階段，其中a組和b組先下降再上升隨后緩慢下降，在30 d時，水體中TP含量分別為0.02、0.03 mg/L。c組和對照組則表現(xiàn)為先上升再緩慢下降，30 d時，水體中TP含量分別為0.07、0.01 mg/L。30 d至試驗結(jié)束為第2階段，a組、b組、c組和對照組水體中TP含量均表現(xiàn)為窄幅波動，試驗結(jié)束時，TP含量分別為0.04、0.03、0.04、0.02 mg/L。此外，c組水體中TP含量在試驗初期顯著高于a組、b組和對照組。

筆者對水體中TP含量與水體pH值和DO濃度進(jìn)行皮爾遜線性相關(guān)性分析，結(jié)果（表1）表明，對照組水體中TP含量與pH值和DO濃度無顯著相關(guān)性，但a、b、c 3個處理組水體中TP含量均與水體pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），b組和c組水體TP含量均與DO濃度呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。

2.3菖蒲腐解過程中水體中NH4+-N濃度、NO-3-N濃度和NO-2-N濃度的變化

由圖4-A可知，a、b、c[KG*2]3個處理組與對照組水體中NH4+-N 濃度在試驗初期（初始濃度為0.05 mg/L）均表現(xiàn)為快速上升，其中a組、b組、c組2 d時達(dá)到最大值，分別為1.42、2.41、3.96 mg/L，且彼此之間存在顯著性差異;2 d后緩慢下降，試驗結(jié)束時，NH4+-N濃度分別為0.23、0.29、0.45 mg/L，均不存在顯著性差異;對照組則在6 d時達(dá)到最大值（1.91 mg/L），隨后趨于平穩(wěn)，試驗結(jié)束時，NH4+-N濃度為1.80 mg/L。值得注意的是，a、b、c 3個處理組水體中NH4+-N濃度在試驗結(jié)束時均低于對照組，且差異顯著。此外，從表2可以看出，a、b、c 3個處理組水體中NH4+-N濃度與植物失重率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與腐解速率呈顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05 或P<0.01）。

由圖4-B可知，a、b、c 3個處理組水體中NO3--N濃度（初始值為0.81 mg/L）均表現(xiàn)為交替升高和下降的變化趨勢，18 d時，a組達(dá)到了次高值（2.05 mg/L），僅次于2 d時的值（2.17 mg/L），b組和c組則達(dá)到了最大值，分別為4.15、4.95 mg/L。相較于處理組，對照組變化幅度較小，在整個試驗周期內(nèi)都介于0.32～1.39 mg/L之間。試驗結(jié)束時，a、b、c 3個處理組和對照組水體中NO3--N濃度分別為0.21、0.67、1.47、0.83 mg/L。

由圖4-C可知，在試驗初期，對照組與處理組水體中 NO2--N 濃度變化趨勢相似，其中對照組在6 d時達(dá)到最大值（0.090 mg/L），隨后交替下降和上升，試驗結(jié)束時，水體中NO2--N濃度僅為0.002 mg/L。a、b、c 3個處理組水體中NO2--N濃度則在24 d后表現(xiàn)出不同于對照組的變化，分別于36、42、48 d突然升高，分別達(dá)到0.710、0.606、0.103 mg/L，隨后迅速下降，試驗結(jié)束時，最終濃度分別為0.009、0.002、0.007 mg/L。此外，皮爾遜線性相關(guān)性分析結(jié)果表明，3個處理組水體中NH4+-N濃度、NO3-N濃度和NO2--N濃度之間無顯著的線性相關(guān)性。

3討論

3.1菖蒲腐解過程及其營養(yǎng)鹽釋放規(guī)律

對于水生植物，影響其腐解速率的因素有很多，如溫度[3]、植物成分組成[15-17]、沉積物性質(zhì)[18]以及微生物群落結(jié)構(gòu)[19]等，但腐解規(guī)律基本一致，分為快速溶解和緩慢分解2個階段[3，20-22]。本研究構(gòu)建的試驗系統(tǒng)與之前的研究略有不同，筆者選取的菖蒲樣品在枯萎后，暴露在野外5個月左右，植物殘體中TN和TP初始含量分別為7.20、2.17 mg/g。春季采集的新鮮菖蒲，TN含量和TP含量分別為18.97、7.36 mg/g。試驗樣品與新鮮植物相比，TN含量和TP含量僅為新鮮植株的37.95%、29.48%，表明植株體內(nèi)大部分氮（N）、磷（P）在雨水的淋溶作用下已經(jīng)重新進(jìn)入到了環(huán)境中。然而本研究數(shù)據(jù)表明，不同生物量密度梯度的處理組其腐解速率依然分為2個階段，表現(xiàn)為先快后慢（圖1）。

本研究中，菖蒲殘體中TN含量在整個試驗周期內(nèi)變化幅度較小，與前人的研究結(jié)果[3，6，15，21]不同。研究普遍認(rèn)為，水生植物腐解過程中N含量變化趨勢與初始值相關(guān)。楊繼松等的研究表明，植物殘體中N含量越低其固定N的能力就越強(qiáng)[23]，這是因為微生物能夠?qū)χ車浇榈仄鸬焦潭ㄗ饔肹24]，筆者之前對蘆葦腐解過程的研究也得出類似結(jié)論[8]。而在本研究中，菖蒲殘體中TN含量在整個試驗周期內(nèi)無明顯變化，筆者認(rèn)為這是菖蒲殘體成分組成和微生物的共同作用結(jié)果。一方面，菖蒲殘體氮素大部分在淋溶作用下流失到環(huán)境中，剩余氮素以復(fù)雜的結(jié)構(gòu)存在，其分解速率較慢;另一方面，微生物附著在植物殘體表面，存在一定的固氮作用，二者相對平衡可能是主要原因。此外，曹培培等研究了6種不同水生植物殘體腐解過程，數(shù)據(jù)表明，植物殘體中N含量的變化趨勢與植物種類有關(guān)，而與生物量密度無顯著相關(guān)性[6]。本研究中，菖蒲殘體中TN含量變化與生物量密度梯度也沒有顯著相關(guān)性，這與筆者之前的研究結(jié)論[8]一致。

植物體內(nèi)磷的存在形式主要以磷酸根離子或化合物形態(tài)為主，在淋溶作用下極易損失[25]。李燕等的研究顯示，在植物腐解2 d時，磷的釋放就達(dá)到了最大值[26]。本研究中，菖蒲樣品在野外環(huán)境下TP含量已損失70%以上（相較于新鮮植株），但腐解試驗進(jìn)地12 d時，3個處理組菖蒲殘體中TP含量相較于剛開始又下降30%左右，且三者之間無顯著性差異，可見植物磷素的損失受生物量密度影響較小，而與菖蒲殘體中可溶性物質(zhì)的淋失有關(guān)。與此同時，微生物的活動對于植物殘體中TP含量變化也有一定影響[27]。本研究中，12 d后TP含量的變化可能是由于體系中磷相關(guān)微生物活動引起的。

植物殘體中N和P的含量對腐解速率有著十分重要的影響，曹勛等的研究表明，植物殘體腐解速率與殘體中TN含量和TP含量均呈現(xiàn)顯著的線性正相關(guān)[3]。類似的結(jié)果在許多研究中也都得到了印證[6，15，28]。此外，唐金艷等的研究結(jié)果表明，植物腐解過程中其失重率因植物種類不同而差異顯著，但與生物量密度無關(guān)[15]。本研究結(jié)果顯示，僅在6 d時b組和c組分別與a組存在顯著差異，可見，菖蒲殘體的腐解速率受生物量密度的影響較小。

3.2菖蒲腐解過程對水質(zhì)的影響

本研究中，比較不同生物量密度菖蒲腐解過程對水質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢較為相似，但因生物量密度不同而存在較大差異。研究表明，水生植物腐解過程中，水體pH值一般先降低再升高，最后進(jìn)入穩(wěn)定階段[3，9，28]。本研究也得出類似結(jié)論，水體pH值在初期下降，一方面是因為水體中DO濃度較高，系統(tǒng)處于好氧環(huán)境，且由于植物腐解速率較快，植物體內(nèi)大量有機(jī)物進(jìn)入水體，在微生物作用下分解并釋放出CO2，導(dǎo)致水體pH值降低，并消耗了水體中DO[9，29];另一方面，進(jìn)入水體的氨氮等物質(zhì)，在氨氧化微生物共同作用下，堿度會降低[9，30-31]，并進(jìn)一步促使水體pH值下降以及DO消耗。隨著腐解過程的進(jìn)行，一方面，植物腐解速率逐漸降低，進(jìn)入水體的有機(jī)物隨之減少，微生物活性降低，CO2的產(chǎn)生量減少，DO消耗速率也逐漸降低;另一方面，DO濃度較低時，在反硝化細(xì)菌的作用下將產(chǎn)生一定的堿度，綜合作用下促使水體pH值逐漸回升，并恢復(fù)到初始水平。此外，本研究數(shù)據(jù)表明，在試驗初期，水體pH值和DO濃度變化與生物量密度有著密切關(guān)系，這與單位時間進(jìn)入水體有機(jī)物的量相關(guān)。生物量密度不同，單位時間進(jìn)入水體中有機(jī)物的量不同，這些有機(jī)物為水中微生物提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，增強(qiáng)了呼吸作用，從而影響了pH值的變化、促進(jìn)了氧的消耗[28]，進(jìn)而與生物量密度梯度呈現(xiàn)顯著的線性相關(guān)性。在試驗后期，腐解接近尾聲，pH值和DO濃度也逐漸恢復(fù)到初始水平。

本研究數(shù)據(jù)顯示，a、b、c 3個處理組水體中TP含量與pH值呈顯著線性負(fù)相關(guān)（表1）。這是因為水體中溶解態(tài)的磷酸鹽在中性或偏堿性的環(huán)境下容易形成沉淀，并進(jìn)入沉積物。蔡景波等的研究表明，在厭氧狀態(tài)下水體中TP含量是好氧狀態(tài)下的15倍[32]。張來甲等的研究表明，水體中TP含量與DO濃度存在顯著線性負(fù)相關(guān)[33]。本研究也得出類似結(jié)論（表1），這可能與聚磷菌的作用有關(guān)。而對照組水體中TP含量與pH值、DO濃度不存在顯著線相關(guān)性，但在試驗初期，水體中TP含量上升表明，沉積物中的磷也可以向水體釋放，成為內(nèi)源污染。此外，也有研究表明，沉積物對水體中的磷也有著明顯的吸附作用[9，10，33]。

對于本研究構(gòu)建的試驗系統(tǒng)而言，氮素主要來源于植物腐解和沉積物的釋放，試驗初期，處理組和對照組水體中 NH4+-N 濃度上升的原因也是由此引起的，并且處理組水體中NH4+-N濃度與植物腐解速率和失重率存在顯著或極顯著的線性關(guān)系（表2）。對于濕地生態(tài)環(huán)境，水體中無機(jī)氮以 NH4+-N、NO3--N、NO-2-N等3種形式存在，脫氮機(jī)制則主要通過水生植物吸收、微生物作用、氮的揮發(fā)等途徑來實現(xiàn)，其中微生物作用是最主要的途徑。本研究中，水體中無機(jī)氮的變化也正是通過微生物的氨氧化、硝化和反硝化作用完成的。試驗后期，a、b、c 3個處理組水體中NH4+-N濃度均低于對照組，這一現(xiàn)象與曹勛等的研究結(jié)果[3]相似，再次驗證了適量的植物殘體可在一定程度上降低水體中NH4+-N濃度。這是因為植物在腐解過程中向水體釋放了大量碳源，從而促進(jìn)了植物的反硝化作用[34]。此外，對于處理組在試驗后期NO2--N濃度突然增加，筆者認(rèn)為這與氨氧化微生物的活動有關(guān)，此現(xiàn)象在其他環(huán)境中也有發(fā)生[35]，但具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

4結(jié)論

（1）試驗結(jié)束時，a、b、c 3個處理組失重率分別為 22.89%、22.15%、22.20%，3組之間的失重率無顯著差異，表明生物量密度對菖蒲腐解速率的影響較小。

（2）菖蒲殘體腐解對水質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在快速分解階段，不同生物量密度條件下，水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢相似，但在數(shù)值上存在較大差異。試驗初期，pH值和DO濃度快速下降，且與生物量密度顯著負(fù)相關(guān)，試驗結(jié)束時，pH值和DO濃度逐漸恢復(fù)到初始水平。處理水體中TP含量與水體pH值、DO濃度關(guān)系緊密，磷素在化學(xué)和生物共同作用下遷移轉(zhuǎn)化。水體中無機(jī)氮的變化及脫氮過程在微生物的氨氧化、硝化和反硝化作用下完成，試驗結(jié)束時，a、b、c 3個處理組水體中NH4+-N濃度均低于對照組，說明適量的植物殘體有助于減輕水體氮負(fù)荷。

（3）菖蒲植株在秋季枯萎后并未倒伏，植株體內(nèi)大部分N、P通過淋溶作用進(jìn)入水體，春季時，大量菖蒲植株倒伏在水中，短時間內(nèi)會造成水質(zhì)惡化，特別是造成水體pH值和DO濃度長時間處于較低水平，從而影響水生生物的生存。

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