苦草不同生命階段對(duì)水體、底泥中氮遷移轉(zhuǎn)化的影響

葉斌，吳蕾，李春華，張來(lái)甲，魏偉偉

苦草不同生命階段對(duì)水體、底泥中氮遷移轉(zhuǎn)化的影響

葉斌2，吳蕾3，李春華1，張來(lái)甲1，魏偉偉1

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012 2.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，北京100012 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)，北京100082

沉水植物的生長(zhǎng)發(fā)育、衰亡過(guò)程會(huì)對(duì)水體中氮循環(huán)產(chǎn)生一定影響。為了研究氮在水體-底泥-沉水植物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，構(gòu)建了人工模擬的水體-底泥-沉水植物（苦草）系統(tǒng)，連續(xù)270 d測(cè)定了苦草整個(gè)生命周期內(nèi)水體、底泥、苦草中總氮（TN）及各形態(tài)氮濃度的變化。結(jié)果表明，在苦草生長(zhǎng)期的前90 d中，苦草生物量增長(zhǎng)了近30倍，水體和底泥中的TN濃度都有所降低；90 d之后苦草陸續(xù)進(jìn)入衰減期及腐解期，整個(gè)體系的TN濃度持續(xù)下降，在第180天時(shí)苦草組的水體及底泥TN濃度都小于空白組。至試驗(yàn)結(jié)束的第270天，苦草已經(jīng)完全腐解，底泥中TN濃度比第180天下降了9.11%，但水體中的TN濃度與第90天時(shí)相當(dāng)，是第180天的2.42倍?？嗖萁M底泥及苦草中的N-N和N-N濃度在試驗(yàn)周期內(nèi)變化較大，N-N和N-N在生長(zhǎng)期由底泥遷移到苦草中，被植物吸收和利用，隨著苦草的逐漸衰亡腐解，N-N和N-N大量釋放，一部分沉積在底泥中；而空白組N-N和N-N濃度在底泥及水體中波動(dòng)不大。

沉水植物；底泥；氮；遷移轉(zhuǎn)化；生長(zhǎng)周期

葉斌，吳蕾，李春華，等.苦草不同生命階段對(duì)水體、底泥中氮遷移轉(zhuǎn)化的影響［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，5（6）：485-491.

YE B，WU L，LIC H，et al.Effect of different life stage Vallisneria natans（Lour.）hara on migration and transformation of nitrogen in water and sediment［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（6）：485-491.

沉水植物是湖泊營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的核心環(huán)節(jié)之一［1-2］，重建以沉水植物為主的水生植被對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的恢復(fù)至關(guān)重要［3-4］。然而在沉水植物的生長(zhǎng)發(fā)育、衰亡過(guò)程中，伴隨著有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)鹽的積累和釋放，會(huì)對(duì)湖泊中的氮等有機(jī)物循環(huán)產(chǎn)生影響［5］。沉水植物殘?bào)w的分解過(guò)程是否會(huì)對(duì)湖泊產(chǎn)生“二次污染”也日益受到關(guān)注［6-7］。目前對(duì)于沉水植物腐解過(guò)程中氮的遷移轉(zhuǎn)化研究已經(jīng)有陸續(xù)報(bào)道，但對(duì)于其整個(gè)生命周期內(nèi)氮的遷移轉(zhuǎn)化研究較少?？嗖荩╒allisneria natans（Lour.）Hara）屬水鱉科苦草屬多年生沉水植物，又名扁擔(dān)草、面條草、水韭菜，廣泛分布于湖泊、河流等水域，是我國(guó)最為常見(jiàn)的沉水植物之一。由于苦草有很好的生態(tài)適應(yīng)性、較強(qiáng)的吸污能力和耐污性，而常被作為富營(yíng)養(yǎng)化水體植被恢復(fù)工程的主要選用品種［8］。筆者將水體-底泥-沉水植物（苦草）視為一個(gè)系統(tǒng)，探究沉水植物生命周期內(nèi)該系統(tǒng)氮含量的變化，以及氮在各介質(zhì)中分配比例的變化，以期為湖泊中沉水植物的生態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

采用彼得遜采泥器采集太湖竺山灣湖區(qū)（31°26＇55.07″N，120°2＇29.47″E）的底泥，去除粗粒及動(dòng)植物殘?bào)w，冷凍干燥，研磨過(guò) 100目（0.149 mm）篩后，充分混勻作為試驗(yàn)用土?？嗖莘N子取自西太湖宜興市新莊街道農(nóng)業(yè)生態(tài)園（31°18＇23.08″N，119°55＇35.48″E），在步入式模擬實(shí)驗(yàn)室（HSR-100D，無(wú)錫市泰諾試驗(yàn)設(shè)備有限公司）內(nèi)培育成苦草幼苗，作為試驗(yàn)用苦草。試驗(yàn)用水采用超純水（出水電阻率為18.2 MΩ·cm）。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取30個(gè)聚乙烯塑料桶（直徑150 mm，高500 mm；預(yù)先經(jīng)過(guò)5%的HCl處理后用超純水沖洗干凈），將充分混勻的底泥等量（1 647.20 g，厚約8 cm）裝入塑料桶內(nèi)，加入1 L超純水，浸泡3 d，以使底泥充分濕潤(rùn)，與水均勻混合；將培育好的苦草幼苗（株高5 cm左右）以簇為單位移植至塑料桶內(nèi)（每簇8株，共5簇），移植過(guò)程中先將苦草幼苗用超純水洗凈，避免外部營(yíng)養(yǎng)鹽的帶入，移植完成后，向塑料桶內(nèi)添加超純水至剛沒(méi)過(guò)苦草幼苗，穩(wěn)定3 d后加水至45 cm處。共移植15桶苦草，剩余15桶作為空白對(duì)照，其加水流程與苦草組相同。為減少人為不可控因素的影響，整個(gè)裝置始終置于步入式模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，溫度為28℃，相對(duì)濕度為85%，光照強(qiáng)度為8 000 lx，光照時(shí)間為12 h。每隔2周向試驗(yàn)裝置內(nèi)添加超純水，以保證裝置內(nèi)水平面穩(wěn)定在45 cm處。

1.3取樣與分析

測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)作為試驗(yàn)初始值，之后每90 d采集一次樣品，采樣時(shí)間均為上午10：00，至第270天裝置內(nèi)苦草完全腐解，試驗(yàn)結(jié)束，共采集4次樣品。每次采樣均隨機(jī)選取3桶苦草組及3桶空白組，將試驗(yàn)裝置內(nèi)的水、泥、植物全部采出。采用虹吸法將上覆水吸出并精確計(jì)量其體積；苦草分離出底泥后用少量超純水洗凈植株上附著的底泥（洗凈水倒入試驗(yàn)裝置內(nèi)）并測(cè)量其生物量；底泥采集后留取10 g用于檢測(cè)微生物，其他全部冷凍干燥，研磨過(guò)100目篩后用于營(yíng)養(yǎng)鹽的測(cè)定。

測(cè)定項(xiàng)目包括水體pH及溶解氧（DO）、葉綠素a（Chl-a）、TN、N-N、N-N濃度；底泥TN、N-N、N-N、TOC濃度，及菌活性、氨化菌、硝化菌、反硝化菌的數(shù)量；苦草生物量及株高。DO濃度采用HQ30熒光溶解氧儀（HACH，美國(guó)）測(cè)定；pH采用SG23-SevenGo DuoTMpH/電導(dǎo)率儀（METTLER TOLEDO，瑞士）測(cè)定；Chl-a濃度采用90%丙酮法測(cè)定。水體中TN濃度采用堿性過(guò)硫酸鉀消解法測(cè)定；N-N濃度采用納氏試劑比色-分光光度法測(cè)定；N-N濃度采用紫外分光光度法測(cè)定［9］。微生物計(jì)數(shù)檢測(cè)采用MPN法［10］。根據(jù)Kim S.等所述方法測(cè)定底泥中菌活性值，即用碘硝基氯化四氮唑藍(lán)（INT）加入到懸菌液中，2 h后測(cè)定其代謝產(chǎn)物INTF的濃度［11-13］。底泥中 TN濃度采用凱氏法測(cè)定；TOC濃度采用K2CrO7-H2SO4消化法測(cè)定；前處理采用H2SO4-H2O2氧化法［14］。

采用SPSS19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1苦草生物量及株高的變化

圖1為苦草在生長(zhǎng)周期內(nèi)植物株高和生物量的變化。由圖1可見(jiàn)，生物量和株高最大值分別出現(xiàn)在試驗(yàn)的第90天和第180天，分別為初始值的29.35和13.47倍。180～270 d，苦草的株高仍有增長(zhǎng)，但苦草生物量卻有所下降，主要原因是苦草進(jìn)入衰亡期，葉片變薄，體內(nèi)部分不穩(wěn)定有機(jī)物分解釋放致使其生物量減少［15］。到第270天，水體發(fā)黑，底泥表層也無(wú)苦草殘?bào)w覆蓋，說(shuō)明苦草已完全腐解。

圖1　苦草生物量及株高的變化Fig.1　Changes of biomass and plant height in life cycle

2.2水體中pH及DO、Ch l-a濃度的變化

圖2為水體pH及DO、Chl-a濃度的變化。由圖2可見(jiàn)，苦草組水體DO濃度與pH變化趨勢(shì)基本一致；而空白組pH在第90天略有升高，其余時(shí)間較為穩(wěn)定；水體DO濃度一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

pH主要受水體中CO2濃度的影響，而苦草組水體中CO2濃度主要受植物生長(zhǎng)過(guò)程的影響。在試驗(yàn)的前90 d，苦草幼苗迅速生長(zhǎng)，光合作用消耗了水體中的CO2，并釋放出大量O2，促使水體DO濃度及pH明顯上升，且在第90天達(dá)到最大值。第180天，苦草逐漸進(jìn)入衰亡期，其體內(nèi)部分不穩(wěn)定有機(jī)物進(jìn)入水體［15］，被微生物快速分解，并釋放出CO2，同時(shí)光合作用逐漸減弱，造成水體DO濃度及pH顯著下降。而水體DO濃度和pH的急劇改變，也加劇了苦草的衰亡，最終致使其完全腐解。

由圖2（c）可知，苦草組及空白組水體中Chl-a濃度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)不斷增加，苦草組增幅大于空白組，180～270 d苦草組水體Chl-a濃度有極為明顯的增加。由于底泥本身存在豐富的種子庫(kù)，雖對(duì)底泥進(jìn)行了相應(yīng)的處理，但隨著時(shí)間的增加仍有少量殘存的浮游植物的種子萌發(fā)并生長(zhǎng)，導(dǎo)致空白組水體Chl-a濃度的增加，但增幅有限，試驗(yàn)周期內(nèi)Chl-a濃度最高僅為3.93 mg/m3。180～270 d，苦草衰亡并腐解，有大量葉綠素釋放到水體，致使水中Chl-a濃度急劇增加，第270天時(shí) Chl-a濃度達(dá)到73.70 mg/m3。

圖2　水體中pH及DO、Ch l-a濃度的變化Fig.2　The changes of pH，dissolved oxygen，Chl-a in water

2.3系統(tǒng)中氮的變化

2.3.1系統(tǒng)及各介質(zhì)中TN的變化

圖3為系統(tǒng)及各介質(zhì)中TN質(zhì)量的變化。由圖3可見(jiàn)，苦草組及空白組系統(tǒng) TN質(zhì)量（水體 +底泥+苦草中 TN質(zhì)量）降幅分別為4.03%和 8.84%，90～180 d TN質(zhì)量減少速率最快，后期減少速率明顯放緩。底泥TN質(zhì)量變化趨勢(shì)與系統(tǒng)TN變化趨勢(shì)極為相似?？嗖萁M水體中TN質(zhì)量在0～90 d時(shí)急劇減少；90～180 d時(shí)雖然仍在減少，但下降速度減緩；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，又略有增加。空白組水體TN質(zhì)量在0～90 d內(nèi)明顯減少，而后趨于穩(wěn)定，至試驗(yàn)結(jié)束無(wú)明顯波動(dòng)。植物中的TN質(zhì)量在第90天達(dá)到峰值，而后不斷減少直至為0。苦草組底泥中TN質(zhì)量的降幅小于空白組，這表明苦草殘?bào)w分解過(guò)程中TN不僅向系統(tǒng)外遷移，而且還向底泥中遷移。至試驗(yàn)結(jié)束，遷移量約占苦草TN質(zhì)量的39.38%。大量有關(guān)沉水植物腐解的研究［6-7，16-17］表明，腐解結(jié)束時(shí)，底泥TN含量均有不同程度的增加。

圖3　系統(tǒng)及各介質(zhì)中TN質(zhì)量的變化Fig.3　The content changes of total nitrogen in the system，sediment，water and plant in life cycle

圖4為系統(tǒng)中各介質(zhì)TN所占比例。其中，空白組TN數(shù)據(jù)為底泥和水體TN數(shù)據(jù)之和；苦草組中的TN數(shù)據(jù)為底泥、水體和苦草三者TN數(shù)據(jù)之和。由圖4可見(jiàn)，在試驗(yàn)初期，水體向底泥釋放少量的氮，之后兩介質(zhì)TN比例趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在苦草生命的不同階段，各介質(zhì)中TN所占比例有較大差異，在試驗(yàn)初期的0～90 d，水體和底泥TN比例都有所降低，說(shuō)明TN被苦草吸收和利用，在90～270 d，底泥TN比例逐漸增加，而苦草TN比例逐漸減少直至為0，水體中TN比例幾乎無(wú)變化，說(shuō)明隨著苦草的逐漸衰亡，TN從苦草體內(nèi)釋放后，大部分又回到底泥中。

圖4　系統(tǒng)各介質(zhì)中TN所占比例Fig.4　The proportion of TN in the system，sediment，water and plant

圖5為系統(tǒng)及各介質(zhì)中NH4+-N和N-N質(zhì)量的變化。由圖5可見(jiàn)，苦草組系統(tǒng)NH4+-N質(zhì)量在試驗(yàn)周期內(nèi)一直減少，但其減少速率隨著時(shí)間的推移不斷降低；空白組系統(tǒng)N-N質(zhì)量在試驗(yàn)前期明顯減少，之后無(wú)明顯變化?？嗖萁M系統(tǒng)N-N質(zhì)量在試驗(yàn)開(kāi)始的90 d內(nèi)明顯減少，之后穩(wěn)定在較低水平，至試驗(yàn)結(jié)束無(wú)明顯變化?？瞻捉M系統(tǒng)N-N質(zhì)量的變化趨勢(shì)與苦草組幾乎相同，只是減少幅度較小。底泥N-N和N-N質(zhì)量的變化類(lèi)似于系統(tǒng)形態(tài)氮濃度的變化，也是前期明顯減少，之后較為穩(wěn)定。試驗(yàn)初期，水體N-N質(zhì)量處于較高水平（圖5（c）），主要是由于底泥中部分氮解吸并遷移至水體所致?？瞻捉M與苦草組N-N的初始質(zhì)量略有偏差，這主要是由于苦草幼苗移植過(guò)程中，破壞了苦草組底泥尤其是泥-水界面的穩(wěn)定，使得水體DO濃度略高于空白組（圖3）。水體N-N質(zhì)量在試驗(yàn)周期內(nèi)波動(dòng)較大，且空白組N-N質(zhì)量始終大于苦草組。水體N-N質(zhì)量前期下降明顯，之后趨于穩(wěn)定。植物形態(tài)氮質(zhì)量前期迅速增長(zhǎng)并在第90天達(dá)到最大值，之后不斷減少直至為0。

圖5　系統(tǒng)及各介質(zhì)中N-N及N-N質(zhì)量的變化Fig.5　The content changes of N-N and N-N in the system，sediment，water and plant in life cycle

2.4底泥中微生物活性及氮循環(huán)菌數(shù)量的變化

圖7為底泥中微生物活性及氮循環(huán)菌數(shù)量的變化。由圖7可見(jiàn)，試驗(yàn)初期底泥微生物活性較低，而后明顯增強(qiáng)，隨后略有減弱。與空白組相比，苦草組底泥微生物活性變化幅度較大?？嗖萁M氨化菌數(shù)量在試驗(yàn)的前90 d增加了4個(gè)數(shù)量級(jí)，隨后逐步下降；空白組氨化菌數(shù)量在試驗(yàn)的前90 d也有明顯的增長(zhǎng)，而后基本穩(wěn)定，至試驗(yàn)結(jié)束無(wú)明顯變化。在苦草生長(zhǎng)階段由于光合作用釋放氧氣到水體，致使該階段的DO濃度高于空白組（圖3），從而有利于氨化菌的生長(zhǎng)［18］。硝化菌數(shù)量的變化與氨化菌類(lèi)似，只是其數(shù)量級(jí)總體偏小。苦草組反硝化菌數(shù)量在0～180 d內(nèi)逐步增長(zhǎng)，而后有所下降；空白組反硝化菌數(shù)量在試驗(yàn)的前90 d增幅較大，而后趨于穩(wěn)定。

圖6　系統(tǒng)中各介質(zhì)N-N、N-N所占比例Fig.6　The proportion of N-N and N-N in the system，sediment，water and plant

圖7　底泥中微生物活性及氮循環(huán)菌數(shù)量的變化Fig.7　The changes of activity and amount of nitrogen cycle bacteria in sediment in life cycle

90～180 d空白組水體DO濃度依然較高，有利于淺層底泥中有機(jī)氮的礦化，但是由于硝化菌數(shù)量比氨化菌和反硝化菌數(shù)量低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，使得底泥中的N-N不能被及時(shí)硝化，造成底泥N-N的富集并迫使其向水體中遷移，導(dǎo)致水體N-N濃度增加（圖5（b）、（c））；而反硝化作用從硝化作用中得到的N-N有限，從而加劇了水體及底泥中的N-N質(zhì)量的減少。這一階段，空白組系統(tǒng)TN質(zhì)量降低了9.96%，略高于前180 d的8.84%（圖3（a）），這主要是由于硝化菌數(shù)量的增加所致（圖7（c）），另外水體N-N濃度較高有利于氨揮發(fā)?？嗖菰谶@一階段開(kāi)始進(jìn)入衰亡期，同化作用大大減弱，而此時(shí)，苦草組底泥中各類(lèi)微生物活性較強(qiáng)、數(shù)量較多（圖7（a）），使得這一時(shí)期苦草組系統(tǒng)TN急劇減少，降幅高達(dá)14.67%（圖3（a）），反硝化作用致使底泥及水體N-N質(zhì)量維持在極低的水平（圖5（b）、（c））。第180～270天，空白組系統(tǒng)TN濃度繼續(xù)降低，其原因仍然是反硝化作用以及氨揮發(fā)［19-21］。這一時(shí)期，苦草被完全腐解，生物量降至0（圖1），這是由于持續(xù)性的高溫及大量高活性微生物的存在，苦草腐解率高達(dá)100%。由于微生物對(duì)苦草殘?bào)w的分解，加速了苦草組的系統(tǒng)氮循環(huán)速率［22-23］，致使該階段苦草組系統(tǒng)TN質(zhì)量的降幅高于空白組（圖2）。

3　結(jié)論

（2）苦草的存在有利于系統(tǒng)中微生物活性及數(shù)量的提高，在苦草生長(zhǎng)階段氨化菌數(shù)量較高，在其衰亡階段，反硝化作用致使底泥及水體N-N質(zhì)量維持在極低水平。氮循環(huán)菌中不同菌種數(shù)量的多少隨著苦草不同生命周期而波動(dòng)，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)氮循環(huán)產(chǎn)生影響。

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Effect of Different Life Stage Vallisneria natans（Lour.）Hara on M igration and Transformation of Nitrogen in Water and Sediment

YE Bin2，WU Lei3，LIChun-hua1，ZHANG Lai-jia1，WEIWei-wei1
1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China 2.Appraisal Center for Environment&Engineering，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100012，China 3.Chinese Society for Environmental Sciences，Beijing 100082，China

The growth and decomposition of submerged macrophytes affects the nitrogen cycle in water body.In order to investigate themigration and transformation rule of nitrogen in the water-sediment-submerged macrophytes system，a simulated system was constructed.The changes of nitrogen in water，sediment and submerged macrophytes（Vallisneria natans（Lour.）Hara，V.natans）as well as itsmigration and transformation in the life cycle of V.natans were studied for 270 days.The results show that the biomass of V.natans increased by more than 30 times in the first threemonths，and the total nitrogen（TN）amount in water and sediment decreased.After 90 days，V.natans grew slowly and stepped into decaying stage and TN of the whole system decreased gradually. TN in both water and sediment from the group with V.natans was less than that of the control group in the 180th day.In the 270th day，the decomposition rate of V.natans reached 100%and TN in sediment decreased by 9.11%compared with that in the 180th day，while the content of TN in waterwas similar to that of the 90th day，and was 2.42 times as that in the 180th day.N-N and N-N in water and sediment of the control group fluctuated slightly，whereas those in sediment and plant of the group with V.natans changed greatly.During the growth period，N-N and N-N in sediment transferred into V.natans，while they were released in a large amount during decomposition process of V.natans，some ofwhich deposited into sediment.

submerged macrophytes；sediment；nitrogen；migration and transformation；growth cycle

X173

1674-991X（2015）06-0485-07doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.06.076

2015-04-28

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2012ZX07101-009）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40971277）

葉斌（1974—），女，工程師，碩士，主要從事環(huán)境影響評(píng)估方面研究，yebin@acee.org.cn

*責(zé)任作者：李春華（1977—），女，副研究員，博士，從事湖泊水生態(tài)修復(fù)、微生物降解方面研究，lich@craes.org.cn