蘆葦生長(zhǎng)對(duì)沉積物中氮磷元素地球化學(xué)形態(tài)的影響

丁卓麗

摘 要：研究了南四湖3種不同水深（5cm、30cm、90cm）沉積物中磷的地球化學(xué)形態(tài)及間隙水中NH4+、PO43-、NO3-、NO2-含量的垂向分布特征。在無(wú)蘆葦?shù)?0cm水深對(duì)照區(qū)，沉積物處于高度還原狀態(tài)，氨氮在沉積物間隙水中含量急劇增加，在表層3cm時(shí)達(dá)到最大值，間隙水中硝態(tài)氮在沉積物界面附近含量急劇下降，在2cm以下含量趨于穩(wěn)定。有蘆葦存在的情況下，在水土界面2cm處PO43-和NH4+的含量急劇增大隨后趨于穩(wěn)定。硝態(tài)氮在整個(gè)剖面的根際溶液中變化不大，上覆水和間隙水濃度相當(dāng)，僅在90cm水深時(shí)亞硝態(tài)氮在離界面2cm處急劇增加。LP（可交換態(tài)磷）在30cm水深和90cm水深中根際沉積物中含量低于非根際沉積物，這與5cm水深有著相似的規(guī)律。但30cm水深和90cm水深BD-P（鐵磷）在根際沉積物的含量高于非根際沉積物，鋁磷的根際含量低于非根際沉積物中的含量。在3個(gè)水深梯度中鈣磷無(wú)明顯的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：南四湖；水位變化；蘆葦；磷形態(tài)；間隙水

中圖分類號(hào) TV882.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2014）06-11-04

水文情勢(shì)是濕地生態(tài)系統(tǒng)最重要的環(huán)境因素之一，對(duì)土壤環(huán)境、物種分布及植被組成具有先決作用，水文情勢(shì)的變化是引起濕地群落快速演替的關(guān)鍵因素。在濕地恢復(fù)過(guò)程中，水文條件也是人為可以控制的最直接、有效的環(huán)境條件。因此，探討水文情勢(shì)對(duì)濕地植物根莖萌發(fā)及其生長(zhǎng)的影響尤為重要。湖泊、河流和水庫(kù)消落區(qū)指的是季節(jié)性水位漲落而使周邊被淹沒(méi)土地周期性地出露于水面的一段特殊區(qū)域，是水生生態(tài)系統(tǒng)和陸生生態(tài)系統(tǒng)能量、物質(zhì)輸移與轉(zhuǎn)化的活躍地帶[1]。消落區(qū)的植被由于不適應(yīng)水生生境而消亡，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)單化，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，脆弱性增強(qiáng)；水土流失加劇，岸邊污染加重。消落區(qū)環(huán)境敏感性強(qiáng)、波動(dòng)頻率大、適應(yīng)范圍窄且容易發(fā)展災(zāi)變，在人類不合理的干擾下，如消落區(qū)不合理的開(kāi)發(fā)利用，極易消弱消落區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能，甚至引發(fā)環(huán)境災(zāi)難。因此對(duì)消落區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，重建健康穩(wěn)定的濕地生態(tài)系統(tǒng)才可以解決上述問(wèn)題。其中從自然界篩選耐淹植物在水間帶種植、增加植物生物量、減少淤積是迫在眉睫的問(wèn)題。Loucks[2]提出在水位容易出現(xiàn)波動(dòng)的地區(qū)（如水庫(kù)、河岸、堤岸等濕地）種植耐淹植物可減少水土流失從而保護(hù)濕地，許多學(xué)者[3-5]對(duì)耐淹植物的篩選、植物對(duì)淹水的反應(yīng)和適應(yīng)等問(wèn)題進(jìn)行了較深入的研究，但國(guó)內(nèi)有關(guān)報(bào)道較少，經(jīng)初步研究發(fā)現(xiàn)蘆葦幼苗具有一定的耐淹能力。研究蘆葦在不同水位條件下的幼苗生長(zhǎng)、生物量、及其淹水逆境的適應(yīng)能力與其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和生理特征，可以為湖泊、河流和水庫(kù)消落區(qū)植物生態(tài)系統(tǒng)和群落的物種組成研究、濕地恢復(fù)中的植物選種提供一定的理論依據(jù)。

對(duì)于湖泊濕地中水生植物而言，水是一個(gè)重要的生態(tài)因子。不僅直接影響濕地植物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且影響濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能的穩(wěn)定性。水的不同作用方式、時(shí)間、強(qiáng)度和理化性質(zhì)等對(duì)植物會(huì)產(chǎn)生不同影響，這些影響包括生命周期、存活力、繁殖策略、形態(tài)可塑性、對(duì)淹水、干旱及鹽分的忍耐等。水是濕地生態(tài)系統(tǒng)中最為敏感的環(huán)境因子[6-8]。水資源的盈虧豐欠、質(zhì)量品質(zhì)、時(shí)空組合等將制約植被的空間布局、生態(tài)過(guò)程的順暢運(yùn)行與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的正常發(fā)揮。濕地與水關(guān)系的定量分析是合理利用和保護(hù)濕地生物多樣性，保證濕地結(jié)構(gòu)與功能的完整性，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要手段[9-11]。當(dāng)前研究多局限于微觀試驗(yàn)研究和宏觀生態(tài)需水量的計(jì)算，本文就水環(huán)境梯度對(duì)植物群落和典型物種的影響進(jìn)行了研究，有助于理解濕地植物對(duì)水環(huán)境適應(yīng)的生態(tài)對(duì)策，揭示水對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)影響的部分機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本研究以拌勻后性質(zhì)相對(duì)均一的沉積物為研究對(duì)象，在現(xiàn)場(chǎng)濕地中采用根袋培養(yǎng)方法研究根際微環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)利用根袋內(nèi)插入peeper獲得根際沉積物溶液，在根袋外插入peeper來(lái)獲得非根際沉積物的間隙水。采用3種不同水位：沉積物中上覆水5cm水位種植蘆葦、沉積物中上覆水30cm水位種植蘆葦、沉積物上覆水90cm種植蘆葦。

水位控制采用毛竹搭成三腳架上繩子吊桶方法來(lái)控制水位高低。蘆葦種植在桶中的根袋里，同時(shí)在根袋里插入peeper，蘆葦緊貼peeper種植在其兩旁。每桶2個(gè)根袋來(lái)獲得重復(fù)樣。同時(shí)在根袋外面插入peeper做無(wú)植物種植對(duì)照。實(shí)驗(yàn)安排在2013年7月5日種植蘆葦，25d的緩苗期。

3 結(jié)果與討論

3.1 淹水條件對(duì)沉積物間隙水中營(yíng)養(yǎng)鹽的影響 從圖1可看出，在不種蘆葦?shù)那闆r下，淹水對(duì)間隙水中可溶性PO43-的影響是不同的，5cm水深和90cm水深間隙水的分布均為沉積物高于上覆水，磷酸鹽有順著濃度梯度向表層界面擴(kuò)散的趨勢(shì)。在30cm水深處間隙水界面附近的沉積物中可溶性PO43-含量低于上覆水，PO43-有從上覆水向間隙水?dāng)U散的趨勢(shì)，表現(xiàn)為由PO43-的匯向源的功能轉(zhuǎn)化。氨氮在剖面的分布5cm水深和30cm水深有大致相同的分布規(guī)律，沉積物間隙水中高于上覆水中含量，但90cm水深處氨氮在沉積物間隙水中含量急劇增加，在表層3cm時(shí)達(dá)到最大值。5cm水深和30cm水深間隙水中硝態(tài)氮的分布和氨氮分布基本一致，但在90cm水深處間隙水中硝態(tài)氮在沉積物界面附近含量急劇下降，在2cm以下含量趨于穩(wěn)定。亞硝態(tài)氮在5cm水深和30cm水深間隙水中要遠(yuǎn)高于上覆水，也是在距水土界面2cm左右時(shí)含量有個(gè)較大的跳躍，在2cm層面以下的沉積物間隙水中分布趨于穩(wěn)定。

從圖2所示，可以看出有個(gè)明顯的趨勢(shì)，在根際溶液中4種營(yíng)養(yǎng)鹽的含量均高于上覆水，可溶性磷酸鹽和氨氮的分布特征最為明顯，即在水土界面2cm處，PO43-和NH4+的含量急劇增大隨后便趨于穩(wěn)定。90cm水深處蘆葦根際溶液中PO43-的含量要高于5cm水深和30cm水深處。根際溶液中氨氮含量卻是30cm水深處高于其它2種水位。這可能與此水位較適宜蘆葦?shù)纳L(zhǎng)有關(guān)。硝態(tài)氮在整個(gè)剖面的根際溶液中變化不大，上覆水和間隙水濃度相當(dāng)，僅在90cm水深時(shí)亞硝態(tài)氮在離界面2cm處急劇增加。這可能與在此水位條件下蘆葦根部急劇缺氧高度還原的環(huán)境有關(guān)。

3.2 淹水對(duì)沉積物磷組分的影響 從沉積物各種形態(tài)磷含量來(lái)看（表1），5cm水深根際沉積物交換態(tài)磷含量表層明顯高于下層，但低于非根際沉積物中的含量。一般認(rèn)為交換態(tài)磷與溶解態(tài)磷呈顯著正相關(guān)[14-16]，這一現(xiàn)象可為表層間隙水中可溶性磷酸根含量極高提供很好的解釋。5cm水深BD-P（鐵磷）根際沉積物中含量低于非根際沉積物，而NaOH-P（鋁磷）則與此相反，根際中含量相對(duì)較高，在總磷占的比例也高于非根際沉積物。LP（可交換態(tài)磷）在30cm水深和90cm水深根際沉積物中含量低于非根際沉積物，這與5cm水深有著相似的規(guī)律。但30cm水深和90cm水深BD-P（鐵磷）在根際沉積物的含量高于非根際沉積物，鋁磷的含量根際低于非根際沉積物中的含量。在3個(gè)水深梯度中鈣磷無(wú)明顯的變化規(guī)律，另外它一般很難被植物利用。

4 結(jié)論

濕地沉積物間隙水中磷酸鹽有順著濃度梯度向表層界面擴(kuò)散的趨勢(shì)。在90cm水深時(shí)，沉積物處于高度還原狀態(tài)，氨氮在沉積物間隙水中含量急劇增加，在表層3cm時(shí)達(dá)到最大值。在90cm水深時(shí)間隙水中硝態(tài)氮在沉積物界面附近含量急劇下降，在2cm以下含量趨于穩(wěn)定。在有蘆葦存在的情況下，在水土界面2cm處PO43-和NH4+的含量急劇增大隨后便趨于穩(wěn)定。硝態(tài)氮在整個(gè)剖面的根際溶液中變化不大，上覆水和間隙水濃度相當(dāng)，僅在90cm水深時(shí)亞硝態(tài)氮在離界面2cm處急劇增加。LP（可交換態(tài)磷）在30cm水深和90cm水深中根際沉積物中含量低于非根際沉積物，這與5cm水深有著相似的規(guī)律。但30cm水深和90cm水深BD-P（鐵磷）在根際沉積物的含量高于非根際沉積物，鋁磷的根際含量低于非根際沉積物中的含量。在3個(gè)水深梯度中鈣磷無(wú)明顯的變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

[1]王學(xué)雷，蔡述明，任憲友，等.三峽庫(kù)區(qū)消落帶濕地生態(tài)建設(shè)與保護(hù)利用[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2004，13（2）：149-152.

[2]Loucks W L.Flood to lerant tress[M].J.For.，1987，85：36-40.

[3]Kozlow ski T T.Plant responses to flooding of soil[J].Bio Science ，1984，34：162-167.

[4]Hook D D.Waterlogging to lerance of low land tree species of the south.South[J].J.Appl.For ，1984，8：136-149.

[5]Missouri department of conservation.The effect of flooding on tree[J].Missouri forest management notes，1993，5：1-2.

[6]王海洋，陳家寬，周進(jìn).水位梯度對(duì)濕地植物生長(zhǎng)、繁殖和生物量分配的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，1999，23（3）：269-274.

[7]HardejM，Ozimek T.The effect of sewage sludge flooding on growth and morphometric parameters of Phragm ites australis （Cav.） Trin.exSteudel[J].Ecol Engin，2002，18 （3）：343-350.

[8]Vretare V，Stefan EB，Weisner JA，GranéliW.Phenotypic plasticity in Phragmites australis as a functional response to water depth[J].Aquat Bot，2001，69 （2-4）：127-145.

[9]White SD，George G.A comparison of themorphology，gas space anatomy and potential for internal aeration in Phragmites australis under variable and static water regimes[J].Aquat Bot，2002，73（2）：115-127.

[10]Grace JB.Effects of water depth on Typha latifolia and Typha dom in gensis[J].Am J Bot，1989，76（5）：762-768.

[11]Hayball N，PearceM.Influences of simulated grazing and water-deep thon the growth of juvenile B olboschoenus caldwellii，Phragm ites australisand Schoenoplectus validus plants[J].Aquat Bot，2004，78（3）：233-242.

[12]Kopp itz H，Kuhl H，Kohl JG.Differences inmorphology and C/N balance between clones of Phragm ites australiswithin a plantation at a degraded fen[J].Folia Geobot，2000，35：389-402.

[13]EnglonerA I.Annual growth dynamics and morphological differences of reed （Phragmites australis[Cav.]Trin.ex Steudel） in relation to water supply[J].Flora，2004，199（3）：256-262.

[14]王建軍.湖泊疏浚后新生表層生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)內(nèi)源回復(fù)的影響[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2004.

[15]王圣瑞，金相燦，趙海超，等.沉水植物黑藻對(duì)上覆水中各形態(tài)磷濃度的影響[J].地球化學(xué)，2006，35（2）：179-186.

[16]張路，范成新，池俏俏，等.太湖及其主要人湖河流沉積磷形態(tài)分布研究[J].地球化學(xué)，2004，33（4）：423-432.

（責(zé)編：施婷婷）