胡紅偉，扶詠梅，劉盼，吳俊峰，馬愛順，胡凱耀，郭一飛，劉彪

(1.河南城建學院 市政與環(huán)境工程學院，河南 平頂山 467036;2.河南省水體污染防治與修復重點實驗室，河南 平頂山 467036)

0 引 言

濕地在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡方面具有重要作用，沉積物和植物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)中生物地球化學循環(huán)的進程。沉積物是氮、磷等營養(yǎng)元素的儲存庫，具有源頭、匯聚和轉化器的功能[1]。植物在其生長過程中通過吸收、過濾和截留等作用，改變沉積物和水體中營養(yǎng)鹽的量和存在形式，尤其是挺水植物，在這個過程中發(fā)揮著重要作用[2-3]。北方濕地生態(tài)系統(tǒng)，挺水植物在冬季會進入衰亡期，從而發(fā)生腐解。在挺水植物腐解過程中，會持續(xù)向濕地環(huán)境釋放各種營養(yǎng)鹽物質，成為濕地生態(tài)系統(tǒng)的內源污染[4]。該過程不僅影響著濕地水體環(huán)境，而且其對水體沉積物環(huán)境也有著較為明顯的影響，營養(yǎng)鹽會在水體和沉積物之間發(fā)生一系列遷移轉化。周林飛等[5]研究表明，濕地水質、沉積物營養(yǎng)鹽含量的變化與沉水植物腐解有著密切關系，且正比于生物量。但適量的植物殘體可在一定程度上促進濕地氮循環(huán)，從而減輕環(huán)境氮負荷[2,6-8]。還有研究表明[9]，植物腐解周期內磷主要以無機磷酸鹽形式，向底泥遷移轉化。葉春等[10]研究也表明，黑藻經過70 d的腐解，底泥氮、磷含量均不同程度增加。由此可見，水生植物腐解過程對濕地環(huán)境，特別是濕地沉積物的影響是一個持續(xù)的過程，且與植物類型和生物量密度相關。

白龜湖濕地位于河南省平頂山市白龜山水庫北側，菖蒲和蘆葦是白龜湖濕地常見的挺水植物。本文以菖蒲和蘆葦?shù)目菸仓隇椴牧希瑯嫿ㄊ覂仍囼炏到y(tǒng)，研究不同生物量密度條件下，菖蒲和蘆葦腐解過程對白龜湖濕地沉積物的影響，以期對濕地挺水植物的管理利用策略提供參考。

1 材料和方法

1.1 樣品采集和預處理

樣品的采集方式如文獻[2]所述：植物采集于2016年3月25日，選取植物優(yōu)勢群體區(qū)域作為采集點(33°46′12.74″N，113°09′20.29″E)，選取距離岸邊1 m未倒伏的枯萎植株(菖蒲calamus和蘆葦reed)，僅采集水面之上的部分，洗凈并烘干(65 ℃)至恒質。原位采集水體和沉積物樣品，水樣過200目篩網，沉積物過100目篩網，去除其中的植物殘體和雜物。

1.2 植物腐解試驗系統(tǒng)

采用聚乙烯水桶(12 L，桶底直徑21 cm，桶口直徑26 cm，桶高27.5 cm)作為容器，加入懸濁液：包含2 kg底泥和10 L水樣，靜置72 h。將菖蒲(CP)和蘆葦(LW)枯萎植株置于網孔袋(200目)，網袋懸浮于水中，設2，4，8 g/L，3個生物量梯度，菖蒲組記為CP2，CP4和CP8，蘆葦組記為LW2，LW4和LW8，同時設置對照組，記為C，每組3個重復。試驗在室內進行，試驗周期60 d，分別在第0，2，6，12，18，24，30，36，42，48，60 d測定沉積物相關理化指標。試驗過程中，每周使用雙蒸水補充因蒸發(fā)損失的水體。

1.3 沉積物理化指標測定和數(shù)據分析

沉積物pH采用CaCl2溶液電位法測定，氨氮(NH4—N)、亞硝酸鹽氮(NO2—N)和硝酸鹽氮(NO3—N)采用氯化鉀溶液提取——分光光度法(HJ 634-2012)測定，TP采用酸溶-鉬銻抗比色法測定。使用Excel繪制圖表、SPSS 18.0進行線性相關性和單因素方差分析。

2 試驗結果

2.1 沉積物pH和TP變化趨勢

如圖1(a)所示，在為期60 d的試驗過程中C組pH介于7.40～7.68間，最低點出現(xiàn)在第6 d，最高點出現(xiàn)在第24 d，二者差異顯著(p< 0.05)。CP三組變化趨勢相似，最高點均出現(xiàn)在第24 d，CP8>CP2>CP4，無顯著差異(p> 0.05)。LW4和LW8組變化趨勢與CP組趨勢相似，最高點出現(xiàn)在第24 d，LW8>LW4，無顯著差異(p> 0.05)。與其他組相比，LW2的pH變化趨勢略有不同，在第0～36 d，其pH窄幅波動(7.50～7.58)，隨后持續(xù)下降，在第60 d達到最低,為7.15。如表1所示，試驗結束時，各組pH均顯著小于初始pH(C0=7.58)(p< 0.05)。第60 d時，沉積物理化參數(shù)的單因素方差分析顯示，CP組和LW組分別與C組相比，除LW8，其余各組均顯著小于C組pH(p< 0.05)；同等生物量密度條件下，CP組均低于LW組，但僅CP8與LW8存在顯著差異(p< 0.05)。此外，LW組內不同生物量密度條件下，均呈現(xiàn)顯著差異(p< 0.05)。

如圖1(b)所示，沉積物TP在為期60 d的試驗過程中窄幅波動，7個試驗組在48 d內均未超過400 mg/kg。如表1所示，試驗結束時，各組TP均大于初始值(C0=338.97 mg/kg)，但C，LW4和LW8與初始值不存在顯著差異(p> 0.05)。

表1 沉積物理化參數(shù)單因素方差分析

圖1 沉積物pH和TP隨時間變化趨勢

第60 d時，CP2，CP4,LW2與C組存在顯著差異(p< 0.05)；同等生物量密度條件下，CP組均大于LW組，但僅CP4與LW4存在顯著差異(p< 0.05)。

2.2 沉積物NH4—N、NO3—N和NO2—N變化 趨勢

各試驗組沉積物NH4—N整體變化趨勢相似(圖2(a))，在試驗初期(0～6 d)上升較快，隨后呈緩慢上升趨勢，試驗結束時，各組NH4—N質量分數(shù)均顯著高于初始值(C0=8.58 mg/kg，表1)(p< 0.05)。C組，CP組,LW4最高點均出現(xiàn)在第42 d，LW2和LW8最高點分別出現(xiàn)在第30 d和第12 d。第60 d時(表1)，CP8，LW4與C組存在顯著差異(p< 0.05)；同等生物量密度條件下，CP2LW8，且CP4和LW4，CP8和LW8均存在顯著差異(p< 0.05)。

圖2 沉積物NH4—N、NO2—N和NO3—N隨時間變化的趨勢

CP組和LW組沉積物NO2—N變化趨勢相似(圖2(b))，0～6 d快速上升，隨后(12 d)下降，第18 d再次上升，隨后窄幅波動，試驗結束時各組NO2—N質量分數(shù)均顯著高于初始值(C0=18 mg/kg，表1)(p< 0.05)。此外，LW組最大值均出現(xiàn)在第18 d，CP2和CP4最大值出現(xiàn)在第18 d，CP8最大值出現(xiàn)在第6 d。C組波動較大，最大值出現(xiàn)在第2 d，達到208.00 mg/kg。第60 d時(表1)，僅有LW2與C組不存在顯著差異(p> 0.05)；同等生物量密度條件下，CP組均大于LW組，僅CP2和LW2存在顯著差異(p< 0.05)。

CP組和LW組沉積物NO3—N變化趨勢不同(圖2(c))，在兩天內，各試驗組均出現(xiàn)快速下降，第6 d時，CP組和LW組出現(xiàn)分化，CP組整體上升，LW組整體下降，隨后各組變化趨勢類似，呈窄幅波動。與此同時，C組變化趨勢與LW組類似，但第6～30 d間，變化幅度較大。試驗結束時，各組均顯著低于初始值(C0=741 mg/kg，表1)(p< 0.05)。第60 d時，僅CP4與C組不存在顯著差異(p> 0.05)；同等生物量密度條件下，CP組均大于LW組，且LW和CP組均表現(xiàn)出顯著差異(p< 0.05)。此外，LW組內不同生物量密度條件下，均不呈現(xiàn)顯著差異(p> 0.05)。

3 討 論

3.1 挺水植物腐解對沉積物理化參數(shù)的影響

在自然環(huán)境條件下，植物腐解是一個復雜且漫長的過程，特別是挺水植物在未倒伏狀態(tài)下，其可長時間存在于自然環(huán)境中，成為濕地營養(yǎng)鹽成分的潛在來源。挺水植物倒伏后，其腐解過程受到植物C，N含量[11]及其結構組成[6]的影響，一般而言，w(C)/w(N)值越高,其腐解速率越慢[12]。菖蒲w(C)/w(N)值要低于蘆葦，且蘆葦?shù)睦w維素含量較高，因此蘆葦?shù)母馑俾实陀谳牌?。由于植物結構組成和腐解速率的不同，導致同等生物量密度條件下，CP與LW組沉積物理化參數(shù)的差異，試驗周期內，CP組對沉積物理化參數(shù)的影響要大于LW組。但CP和LW組差異性分析表明，并非所有差異均呈現(xiàn)顯著性。植物腐解一般分為快速溶解和緩慢分解[13]兩個階段。快速溶解階段主要是植物體內易溶的有機顆粒和無機鹽類通過淋溶作用進入環(huán)境系統(tǒng)，緩慢分解階段主要是難溶物質在微生物以及酶作用下的分解過程。大量研究表明[2,5,7-9]，在試驗初期，植物發(fā)生快速溶解，大量營養(yǎng)鹽物質進入水體環(huán)境導致水質波動較為劇烈。這些營養(yǎng)鹽物質最終會以沉積物的形式貯存在水底，僅有少量會以化合物的形式存留在水體中[14]。值得注意的是，本研究中采集的植物在枯萎后直立野外長達5個月，在自然環(huán)境條件下，經過淋溶已損失了大部分營養(yǎng)鹽成分[2]。盡管如此，在試驗初期，依然觀察到沉積物理化參數(shù)的巨大變化。試驗結束時，絕大部分沉積物理化參數(shù)與初始值相比呈現(xiàn)顯著差異，表明未倒伏的枯萎菖蒲和蘆葦植株對濕地沉積物環(huán)境依然能夠造成顯著影響。與此同時，不同生物量密度條件下，植物腐解引起的沉積物理化參數(shù)變化趨勢雖然類似，但是差異依然明顯，該結論與唐金艷等[8]的研究結果類似。

3.2 沉積物理化參數(shù)與水體和植物相關性分析

植物腐解速率除與其結構組成有關以外，還與所處水體環(huán)境也有著密切聯(lián)系[15-17]，而水體環(huán)境與沉積物之間的影響又是相互的、持續(xù)的和復雜的[6,8]。徐也等[18]研究表明，沉積物中有機物和氮含量變化受到水生植物生長和腐解影響。

表2 沉積物總磷和氨氮含量皮爾遜線性相關性分析

本研究中，皮爾遜線性相關性分析如表2所示。各組沉積物TP質量分數(shù)與水體及植物腐解速率并未呈現(xiàn)出具有規(guī)律性的顯著相關性。CP組TP質量分數(shù)均與腐解天數(shù)呈現(xiàn)顯著的正相關(p< 0.05)，LW2和LW4組與腐解天數(shù)呈正相關(p> 0.05)，LW8組則呈負相關(p> 0.05)。CP各組與水體TP和NH4—N均呈負相關，但僅CP8組的相關性為顯著(p> 0.01)。此外，CP8組還與水體pH呈顯著正相關(p> 0.05)，與沉積物NH4—N呈顯著正相關(p> 0.01)。LW組僅有LW2與沉積物pH呈顯著負相關(p> 0.05)，其余均不顯著。由此可見，各處理組并未呈現(xiàn)出具有規(guī)律性的顯著相關性。由單因素方差分析可知(表1)，第60 d時，各處理組沉積物理化參數(shù)與初始值相比區(qū)別明顯，表明植物腐解對沉積物理化參數(shù)的影響是明顯且復雜的過程。

有研究表明[9]，狐尾藻、菱角和荷花3種植物經過120 d腐解，沉積物中TP質量分數(shù)上升了240%以上，而水體中TP與初始值相差不大。本研究在試驗結束時，各試驗組沉積物TP含量均高于初始值，而水體TP含量低于初始值[2]。一方面，隨著植物腐解過程進行，水體中顆粒物增多，使磷的吸附沉淀作用增強[19-20]，另一方面，在碳源充足且好氧的情況下，微生物迅速繁殖，進一步促進了磷向沉積物遷移[9]。

同樣，沉積物NH4—N質量分數(shù)與水體和植物腐解速率也未發(fā)現(xiàn)規(guī)律性的顯著相關性。各組與腐解天數(shù)及水體pH均呈正相關，CP2，CP8和LW4呈顯著的相關性(p< 0.05)。CP和LW組均與水體NH4—N呈負相關，其中CP8呈現(xiàn)顯著性(p< 0.01)。CP和LW組與植物腐解速率均呈正相關，其中CP2和CP8呈呈顯著性(p< 0.05)。此外，CP2與水體NO3—N呈顯著負相關(p< 0.01)，CP4與水體NO2—N呈顯著正相關(p< 0.01)，CP8和LW4分別與水體TP顯著負相關(p< 0.01)，LW2與沉積物NO2—N呈顯著負相關(p< 0.05)。濕地環(huán)境中的無機氮分為NH4—N，NO3—N和NO2—N，而植物腐解和沉積物中有機氮分解會為系統(tǒng)持續(xù)提供無機氮源，在碳源充足的條件下，微生物通過硝化、反硝化反應以及厭氧氨氧化，使氮素在沉積物和水界面遷移和交換，最終生成N2等氣體擴散到空氣中，該過程是濕地生態(tài)系統(tǒng)氮素遷移轉化的主要途徑。研究也表明[6]，適量的植物腐解可促使?jié)竦厮w無機氮負荷減少，但對于沉積物而言，植物進入衰亡期后，其腐解將產生大量有機氮并儲存于沉積物中，進而成為濕地的內源污染。

濕地沉積物營養(yǎng)鹽成分含量受到諸多因素的影響，如植物組織結構、生物量密度、水體溫度、降雨量、微生物以及濕地水文狀況等。此外，相對于水體環(huán)境，沉積物成分更為復雜，表層和深層沉積物的微環(huán)境也存在差異，必然導致其微生物群落結構的不同。同時，在野外環(huán)境條件下，植物生長和根系分泌物都會對微生物產生影響，進而影響到沉積物理化特性。此外，外源營養(yǎng)鹽的輸入對濕地物質循環(huán)也有一定影響[21-24]。由于濕地沉積物的復雜性，未能發(fā)現(xiàn)植物腐解過程中沉積物理化參數(shù)變化的規(guī)律性。李家兵等[1]在研究pH對閩江河口濕地沉積物氮素轉化過程時，也未發(fā)現(xiàn)規(guī)律性，說明濕地沉積物環(huán)境的變化是在多種因素影響下進行的。

4 結 論

(1)在為期60 d的試驗周期內，各試驗組沉積物理化參數(shù)相較于初始值均發(fā)生了較大變化，其中，pH和w(NO3—N)顯著變小(p<0.05)；w(NH4—N)和w(NO2—N)顯著變大(p>0.05)；CP2，CP4和LW2組的TP顯著變大(p<0.05)，其余各組TP變化無顯著差異。

(2)不同植物殘體腐解過程對沉積物理化性質影響不同，并且與植物生物量密度相關。各試驗組沉積物TP和w(NH4—N)與水體理化參數(shù)和植物腐解速率的皮爾遜線性相關性分析并未發(fā)現(xiàn)普遍的規(guī)律性。

(3)挺水植物枯萎后對濕地沉積物理化性質的影響具有持續(xù)性，對濕地挺水植物的生物量應進行有效控制和科學管理，避免造成潛在的二次污染。