沉水植物苦草對(duì)上覆水各形態(tài)磷濃度的影響

陳秋敏,王國祥,葛緒廣,王立志

(1.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210046;2.江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210046)

磷是影響湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵性限制因素之一[1-2],同時(shí)也是植物生長發(fā)育的必需元素。水體中各種磷形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化,尤其是其他形態(tài)磷化合物向正磷酸鹽轉(zhuǎn)化速率是決定湖泊營養(yǎng)狀態(tài)和上覆水生產(chǎn)力的重要因素[3-4]。

沉水植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分和主要的初級(jí)生產(chǎn)者之一,對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的循環(huán)起著重要作用,沉水植物占據(jù)了湖泊中水和沉積物的主要界面,是水體兩大營養(yǎng)庫間的有機(jī)結(jié)合,對(duì)湖泊生產(chǎn)力及湖泊生態(tài)系統(tǒng)過程具有重要的影響[5],沉水植物在生長發(fā)育、衰亡及季相交替過程中,通過光合、呼吸、殘?bào)w分解等作用,可以對(duì)上覆水的DO、pH、氧化還原電位(Eh)以及水動(dòng)力等產(chǎn)生復(fù)雜的影響,并通過這些影響因子的變化進(jìn)而影響到磷素的遷移轉(zhuǎn)化[6-9]。黑藻等根系退化較為嚴(yán)重、頂冠蓬散的沉水植物主要是從上覆水中吸收營養(yǎng)物質(zhì),而苦草等根系較為發(fā)達(dá)的沉水植物則可同時(shí)從上覆水和沉積物中吸收營養(yǎng)物質(zhì)。目前,沉水植物對(duì)于上覆水磷濃度影響主要是從水質(zhì)凈化的角度進(jìn)行了一些研究工作,王圣瑞等[10]采用蓬冠狀、根系退化的沉水植物黑藻,從沉積物-水-沉水植物系統(tǒng)的角度研究了沉水植物對(duì)上覆水中各形態(tài)磷濃度的影響。而對(duì)根系發(fā)達(dá)即深根系的沉水植物苦草研究報(bào)道較少。筆者在室內(nèi)模擬條件下,研究根系發(fā)達(dá)的苦草在生長過程中對(duì)上覆水中各形態(tài)磷的變化的影響,以期為湖泊內(nèi)源磷的控制或治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在南京師范大學(xué)水環(huán)境生態(tài)修復(fù)中試平臺(tái)中進(jìn)行,試驗(yàn)日期為2008年8月中旬至11月下旬?？嗖萑∽阅暇┦泄坛呛?在室內(nèi)馴化培養(yǎng)15 d。沉積物取自南京市玄武湖,試驗(yàn)沉積物營養(yǎng)鹽質(zhì)量比w(TN)為 3.832g/kg,w(TP)為 1.078g/kg,w(TOC)為39.580g/kg。試驗(yàn)上覆水均是通過自來水充入。將沉積物分別過100目篩去除其中的植物殘?bào)w、石塊等雜質(zhì)后,平鋪入試驗(yàn)桶(底直徑×口直徑×高=45cm×55cm×80cm),厚度為10cm。然后選取每株有4～5葉、葉長40 cm、生長狀況基本一致、長勢(shì)良好的馴化后苦草,進(jìn)行移栽,每桶30株苦草(鮮質(zhì)量75g)。植物組和對(duì)照組各設(shè)3個(gè)平行。

1.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與分析方法

試驗(yàn)開始后即監(jiān)測(cè)各項(xiàng)理化指標(biāo)。DO、pH值、溫度等物理指標(biāo)采用YSI水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè);間隙水樣收集利用專門的滲濾裝置,原位滲濾后通過一次性采樣針管吸取。

TP濃度的測(cè)定:采用過硫酸鉀氧化消煮;DTP濃度的測(cè)定:將水樣預(yù)先過0.45μ m孔徑的醋酸纖維濾膜,而后用過硫酸鉀氧化消煮;SRP濃度的測(cè)定:將水樣預(yù)先過0.45μ m孔徑的醋酸纖維濾膜。經(jīng)過以上預(yù)處理后TP、DTP、SRP均采用荷蘭SKALAR流動(dòng)水質(zhì)分析儀測(cè)定。PP濃度為TP濃度與DTP濃度之差,DOP濃度為DTP濃度與SRP濃度之差。

隨機(jī)測(cè)定本試驗(yàn)已經(jīng)馴化培養(yǎng)的苦草30株,構(gòu)建植株體鮮質(zhì)量與葉長、葉寬、葉片數(shù)的函數(shù)如下:

W=(0.023033x1+0.202922x2-0.25757)N

式中:W為植株鮮質(zhì)量,g;x1為葉長,cm;x2為葉寬,cm;N為葉片數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 苦草的生長狀況

在本研究系統(tǒng)中,苦草均能正常生長。如圖1所示,種植的苦草經(jīng)過約1周的適應(yīng),開始逐漸生長,且生長速度逐漸增加,并于試驗(yàn)進(jìn)行到約80d時(shí),生物量達(dá)到峰值,此后,隨溫度的降低,苦草趨向于衰亡,生物量開始下降。

圖1 試驗(yàn)期間苦草生物量(鮮質(zhì)量)變化

2.2 上覆水中TP的變化

如圖2所示,苦草組與對(duì)照組中的TP均呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢(shì)?？嗖萁M中的TP明顯低于對(duì)照組。上覆水中的 ρ(TP)在培養(yǎng)期間的變化范圍為0.01～0.19mg/L,平均值為0.094mg/L,其中苦草組上覆水的TP磷濃度為對(duì)照組TP濃度的62.5%。上覆水中TP濃度的變化取決于磷的收入和支出。試驗(yàn)開始時(shí),可能由于以自來水為水源使得底泥間隙水與上覆水磷存在較大的濃度差,以及植物對(duì)沉積物的擾動(dòng),上覆水中的TP表現(xiàn)為上升趨勢(shì),峰值出現(xiàn)在20d左右;而后可能隨著間隙水與上覆水中磷的濃度差逐漸減小,且苦草開始迅速生長(圖1),對(duì)磷的需求量增大,上覆水磷的收入開始小于支出,表現(xiàn)為上覆水中TP下降。

圖2 上覆水中 ρ(TP)的變化

2.3 上覆水中不同賦存形態(tài)磷的變化

圖3 上覆水中不同P形態(tài)的變化

如圖3(a)所示,整個(gè)試驗(yàn)期間,苦草組與對(duì)照組中的SRP都呈明顯的先上升后下降的趨勢(shì),其峰值出現(xiàn)在20 d左右?？嗖萁M中SRP的濃度值僅為對(duì)照組的25.4%;不同處理組的 ρ(SRP)變化范圍在1～23μ g/L,其中苦草組的 ρ(SRP)保持在 8μ g/L以下。不同處理組中的DOP基本上呈先上升后下降的變化趨勢(shì),中間有小波動(dòng),其峰值均出現(xiàn)在40d左右,苦草組中DOP的濃度值僅為對(duì)照組的58.0%,ρ(DOP)的變化范圍在0.006～0.087mg/L。PP在對(duì)照組和苦草組也呈現(xiàn)了先上升后下降的趨勢(shì),其峰值都出現(xiàn)在20d,苦草組中PP的濃度值為對(duì)照組的80.5%,ρ(PP)的變化范圍在 0.0035～0.1mg/L。在苦草種植初期,由于苦草還沒有完全適應(yīng)環(huán)境,植株長勢(shì)較差,沉積物磷釋放起了最主要的作用。沉積物早期過程主要以釋放為主,上覆水中的各形態(tài)磷濃度上升到一定值后,然后下降。然而由于沉水植物苦草對(duì)不同形態(tài)磷影響的差異,導(dǎo)致各形態(tài)磷波動(dòng)又有所不同。

由圖4可知,在本試驗(yàn)條件下的沉積物上覆水系統(tǒng)中,TP中以有機(jī)磷為主,其所占比例的變化范圍在76.42%～98.40%,其中PP在整個(gè)試驗(yàn)階段平均約占42.24%,DOP平均約占48%,SRP平均約占9.76%。在不同的采樣時(shí)間差異比較大。對(duì)于DOP和PP變化,苦草組大于對(duì)照組,而SRP的變化則是對(duì)照組大于苦草組。

圖4 各形態(tài)P在不同培養(yǎng)時(shí)間不同處理下占TP的比例

3 討 論

3.1 苦草生長對(duì)沉積物磷釋放速率的影響

沉水植物的生長狀況以及生長特性會(huì)影響沉積物的釋放與吸收,同時(shí)也直接影響到上覆水中各形態(tài)磷的變化。為此,本研究采用相對(duì)釋放速率來定量描述各形態(tài)磷在其上升和下降階段的不同釋放速率。苦草處理中,將苦草和底質(zhì)看作為一個(gè)統(tǒng)一的整體,來計(jì)算其向上覆水體釋放總磷的相對(duì)速率;對(duì)照組中,計(jì)算底質(zhì)(沉積物)向上覆水體釋放總磷的相對(duì)速率[11]。計(jì)算公式如下:

式中:R為磷釋放速率,mg/(m2?d);V為試驗(yàn)桶中上覆水體積,L;ρn為第n次采樣時(shí)磷的質(zhì)量濃度,mg/L;ρ0為磷初始值,mg/L;ρj-1為第j-1次采樣時(shí)磷的質(zhì)量濃度,mg/L;Vj-1為第j-1次采樣體積,L;ρa(bǔ)為補(bǔ)償采樣量而添加自來水中磷的質(zhì)量濃度,mg/L;Vm為第m次添加自來水體積,L;ρm為補(bǔ)償蒸發(fā)量而添加的第m次自來水中磷的質(zhì)量濃度,mg/L;ρz為蒸餾水中磷的質(zhì)量濃度,mg/L;A為水-沉積物界面接觸面積,m2;t為釋放時(shí)間,d。

如表1所示,在植物種植初期,由于植物還沒有完全適應(yīng)環(huán)境,植物長勢(shì)較差,沉積物磷釋放起到最主要的作用,加上前期種植植物和加入上覆水對(duì)沉積物的擾動(dòng)造成了沉積物磷的快速上升。對(duì)照組在早期過程主要以釋放為主且釋放相對(duì)速率高于苦草組,其中PP釋放速度最高。上覆水的磷濃度上升到一定值后,然后下降。在下降階段,不同處理組中各個(gè)形態(tài)磷的相對(duì)釋放速率均呈現(xiàn)負(fù)釋放,其中苦草組由于苦草生理代謝旺盛,對(duì)不同形態(tài)磷的吸收、吸附作用下導(dǎo)致其磷的負(fù)釋放速率(吸收速率)高于對(duì)照組。對(duì)照組中TP的負(fù)釋放主要由于顆粒態(tài)磷(PP)的沉降作用,SRP、DOP的負(fù)釋放可能由于其上覆水中藻類的吸收所致。整個(gè)試驗(yàn)過程中苦草組上覆水的各形態(tài)磷濃度值均低于無沉水植物的對(duì)照組,這與通常認(rèn)為沉水植物對(duì)水質(zhì)具有凈化作用的結(jié)果一樣[12-13]。本試驗(yàn)結(jié)果與王圣瑞等[10]對(duì)黑藻影響上覆水磷形態(tài)研究結(jié)果有所差異,可能原因是黑藻與苦草不同的生長特性與吸收釋放強(qiáng)度所致,同時(shí)也可能與所選取的沉積物不同有關(guān)。

表1 各形態(tài)磷的相對(duì)釋放速率 mg/(m2?d)

一般來說,湖泊中的總磷絕大部分為有機(jī)磷(＞90%),其中70%以上是懸浮態(tài)顆粒有機(jī)磷,剩下部分是溶解態(tài)及膠體態(tài)有機(jī)磷。而作為能被生物直接利用的無機(jī)態(tài)的溶解性正磷酸鹽,其比例較小,不足湖水總磷的5%[14]。而本試驗(yàn)中PP(懸浮態(tài)顆粒磷)所占比例比自然水體要小,DOP為48%、SRP為9.76%,所占比例比自然水體高,這與本試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行、水體環(huán)境受外界干擾較小有關(guān)。

3.2 環(huán)境因子對(duì)上覆水磷濃度的影響

水體中的DO、pH值、溫度等環(huán)境因子是影響沉積物磷釋放的重要因素[15]。本試驗(yàn)中,苦草通過影響試驗(yàn)水體中的DO、pH值,進(jìn)而間接影響到底泥磷的釋放速率,最后可能導(dǎo)致上覆水各形態(tài)磷的差異。如圖5(a)、(b),苦草組中的DO由于植物的光合作用釋放氧氣而明顯高于對(duì)照組;同樣的,由于植物吸收了CO2,苦草組的pH值小于對(duì)照組。水體中較高的溶解氧能提高水-沉積物界面的氧化還原電位(Eh),Eh的升高,導(dǎo)致Fe3+與磷酸鹽結(jié)合成不溶的磷酸鐵,可溶性磷也被氫氧化鐵吸附而逐漸沉降,于是降低了底泥磷的釋放速率[16]。pH值的升高,在弱堿條件下,沉積物輕微吸收磷,吸收量和吸收速率隨pH值升高而升高[17],如圖2、3所示,苦草組中上覆水中的TP、SRP、DOP的濃度均小于對(duì)照組,這與DO、pH值的影響不無關(guān)系。試驗(yàn)期間的環(huán)境溫度如圖5(c),前期溫度一直持續(xù)在27～28℃左右,后期降至14～15℃,而較高溫度會(huì)導(dǎo)致沉積物磷的釋放,較低溫下,水體中的磷向沉積物沉降[18]如圖3,這與上覆水中各形態(tài)磷,尤其是與PP磷前期升高、后期下降的變化趨勢(shì)是一致的。

3.3 間隙水對(duì)上覆水各形態(tài)磷濃度的影響

圖5 上覆水中DO、pH值及溫度的變化

如圖5所示,間隙水中各形態(tài)磷濃度隨培養(yǎng)時(shí)間的變化較為明顯。比較圖3與圖6結(jié)果可見,總體上來講,整個(gè)試驗(yàn)期間各處理間隙水中各形態(tài)磷濃度均高于上覆水,這表明了在整個(gè)試驗(yàn)期間各形態(tài)磷在上覆水與間隙水間存在較為明顯的濃度梯度。苦草組間隙水中各形態(tài)磷濃度均低于對(duì)照處理組,這是由于苦草主要通過根部吸收間隙水中的可溶性磷[19],間隙水中DTP與SRP濃度與上覆水中DTP、SRP濃度的變化呈顯著正相關(guān)(R2=0.75)。間隙水磷濃度的變化直接影響上覆水磷的濃度。在試驗(yàn)初期,苦草組間隙水中的DTP和SRP濃度為增加趨勢(shì)并在40d左右達(dá)到峰值,而后為下降趨勢(shì)。這可能與當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度較高(如圖5(c)所示)、沉積物磷釋放起了最主要的作用有關(guān)[20]。此后,TDP、SRP濃度降低,其原因可能為環(huán)境溫度的降低,減弱了微生物解磷活性[21],導(dǎo)致沉積物中釋放磷的減少進(jìn)而使間隙水中磷濃度表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

圖6 間隙水中不同磷形態(tài)的變化

4 結(jié) 語

本試驗(yàn)條件下,沉水植物苦草對(duì)上覆水各形態(tài)磷影響明顯。在苦草生長過程中因其對(duì)磷營養(yǎng)的需求和對(duì)環(huán)境因子DO、pH值的影響減緩了沉積物磷的釋放速率,使得上覆水中TP、SRP 、DOP、PP均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì),其濃度值小于無沉水植物的對(duì)照組。上覆水各形態(tài)磷以DOP為主,這與本試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行,受外界干擾效小有關(guān)。間隙水對(duì)上覆水各相態(tài)磷濃度的影響主要與環(huán)境溫度的變化以及苦草根部直接吸收間隙水中的磷有關(guān)。

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