苦草對水-底泥-沉水植物系統(tǒng)中氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響

孔祥龍，葉 春，李春華，張來甲，3，李永峰

（1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖泊工程技術(shù)中心，北京 100012；3.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213100）

苦草對水-底泥-沉水植物系統(tǒng)中氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響

孔祥龍1，2，葉 春2，李春華2，張來甲2，3，李永峰1*

（1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖泊工程技術(shù)中心，北京 100012；3.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213100）

通過模擬水-底泥-沉水植物（苦草）系統(tǒng)，檢測了苦草整個(gè)生命周期內(nèi)總氮及各形態(tài)氮含量的變化，以反映N在該系統(tǒng)內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)換.結(jié)果表明，在整個(gè)研究階段，空白組和苦草組系統(tǒng)氮含量（水體+底泥+苦草中氮含量）均持續(xù)降低，但苦草組（實(shí)驗(yàn)始末）氮含量降低幅度明顯高于空白組，其中苦草組系統(tǒng)中TN、-N、-N含量分別減少了41.68%、81.96%、93.34%，分別比空白組提高了11.39%、31.90%、0.28%；苦草組底泥中TN、-N、-N含量分別減少了43.45%、87.41%、96.50%，分別比空白組提高了13.78%、37.26%、1.68%.苦草的存在促進(jìn)了底泥氮的釋放，顯著提升了底泥微生物活性及氮循環(huán)菌的數(shù)量，從而加快了系統(tǒng)內(nèi)的氮素循環(huán)，并在其生命周期的不同階段明顯改變各形態(tài)氮的遷移及轉(zhuǎn)化方式.2012年7～10月，苦草組系統(tǒng)總氮（TN）減少幅度最大，到10月份，水體中氮素含量達(dá)到最少.

苦草；生命周期；氮素；遷移轉(zhuǎn)化；水生植物

湖泊富營養(yǎng)化是世界范圍內(nèi)普遍存在的環(huán)境問題［1］，其中氮循環(huán)的不平衡是導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化的一個(gè)重要因素［2-3］.近年來，恢復(fù)與重建沉水植物作為控制湖泊富營養(yǎng)化的重要途徑，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用［4-5］.但是由于沉水植物生長的周期性，其衰亡凋落的植物殘?bào)w會腐爛分解，并釋放出氮、磷等營養(yǎng)鹽而對湖泊造成二次污染［6-8］.因此，需要在沉水植物修復(fù)的過程中對其生物量進(jìn)行調(diào)控.研究沉水植物生長周期的不同階段對水-底泥-沉水植物系統(tǒng)氮素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，確定最佳的沉水植物生物量及調(diào)控時(shí)機(jī)能為湖泊中沉水植物的生態(tài)管理提供基礎(chǔ)資料.

苦草是我國最為常見的沉水植物之一，廣泛分布于湖泊、河流等水域.在自然條件下，苦草的整個(gè)生命周期大致可分為萌芽期、快速生長期、穩(wěn)定期、枯萎衰亡期及腐敗分解期，每年3～4月份，苦草種子或者球莖開始萌發(fā)；6～7月份是苦草分蘗生長的快速期；9～10月份苦草穩(wěn)定生長，生物量達(dá)到最大值；10月份以后，苦草逐步枯萎衰亡，至來年3～4月份，苦草迅速腐解，并向水體及底泥釋放大量營養(yǎng)鹽［7-8］.目前國內(nèi)外對于苦草凈化富營養(yǎng)水體，修復(fù)污染環(huán)境方面的研究大多集中在苦草生命周期的某一個(gè)階段（如生長期、腐解期等）或?qū)ο到y(tǒng)的某一部分（如水體、沉積物或者泥水界面等），而系統(tǒng)研究苦草的整個(gè)生命周期對水環(huán)境的影響卻很少［9-12］.本研究從苦草種子培育開始，歷經(jīng)了春、夏、秋、冬再到次年春季這一完整的苦草生命周期，以水體-沉積物-沉水植物組成的系統(tǒng)為研究主體，全面探究沉水植物生命周期內(nèi)該系統(tǒng)氮素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以期為湖泊中沉水植物的生態(tài)管理提供參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)苦草種子取自宜興市新莊街道農(nóng)業(yè)生態(tài)園，在步入式模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培育成苦草幼苗（株高約為5cm）作為實(shí)驗(yàn)用苦草（因?yàn)樵谧匀粭l件下苦草種子的萌發(fā)率不易控制，直接在裝置內(nèi)播種，不能保證苦草的成活率，所以選擇先在溫室中利用苦草種子培育幼苗，再將幼苗移栽至實(shí)驗(yàn)裝置中，移栽時(shí)選擇基本大小一致的苦草幼苗，最大程度上保證實(shí)驗(yàn)組初始氮含量一致）；底泥采自太湖竺山灣湖區(qū)，使用彼得遜采泥器采集，鮮泥經(jīng)過冷凍干燥、去除粗粒及動植物殘?bào)w、研磨過篩（100目篩）后，充分混勻作為實(shí)驗(yàn)用底泥；實(shí)驗(yàn)用水采用超純水.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置選用圓柱形聚乙烯塑料桶（直徑：15.00cm，高：50.00cm，預(yù)先經(jīng)過5%的HCl 處理后用超純水沖洗干凈），30個(gè).將充分混勻后的等量底泥（1647.20g）裝入塑料桶內(nèi)，泥厚約8cm，加入1L超純水浸泡3d，以使底泥充分濕潤，與水均勻混合；而后將培育好的苦草幼苗（株高5cm左右）以簇為單位移植至塑料桶內(nèi)（每簇8株，共5簇），移植過程中先將苦草幼苗用超純水洗凈，避免外部營養(yǎng)鹽的帶入，移植完成后，向塑料桶內(nèi)添加超純水至剛沒過苦草幼苗，穩(wěn)定3d后加水至45cm處.共移植15桶苦草，剩余15桶作為空白對照，其加水流程與苦草組相同.苦草幼苗移植及裝置加水工作于2012年4月2日完成.實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)每隔2周向?qū)嶒?yàn)裝置添加超純水，以保證裝置內(nèi)水平面穩(wěn)定在45cm左右.實(shí)驗(yàn)在太湖研究基地內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置置于一大玻璃棚罩下，該棚四周通透，棚頂透光性良好，且能避免降雨對實(shí)驗(yàn)造成的破壞.

1.3 取樣與分析

2012年4月5日進(jìn)行第一次采樣，測定各項(xiàng)指標(biāo)作為實(shí)驗(yàn)初始值，之后每隔3個(gè)月采集一次樣品，至2013年4月，共采集5次樣品，采樣時(shí)間均為上午10時(shí).每次采樣均隨機(jī)選取3桶苦草及3桶空白，將實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的水、泥、苦草全部采出.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（洗凈水倒入實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)）；底泥采集后充分混勻，留取20g用于檢測微生物及含水率，其他全部冷凍干燥，研磨過篩（100目篩）用于營養(yǎng)鹽的測定.

數(shù)據(jù)用SPSS19.0軟件進(jìn)行線性回歸分析，用Origin8.0作圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 苦草生物量及株高變化

由圖1可見，苦草生物量及株高均是先上升后下降，于2012年10月份取得最大值.從2012年4月～7月苦草快速生長，其生物量及株高分別增長了10.47倍和14.90倍.2012年7月～10月間苦草株高增速明顯放緩，主要原因是由于實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)水體深度有限，限制了苦草株高的增長.2012年10月以后，苦草逐漸進(jìn)入衰亡期，部分苦草被分解，其生物量相應(yīng)減少，至2013年4月苦草生物量僅剩24.64g，其腐解率為67.20%.

圖1 苦草生物量及株高的變化Fig.1 Changes of biomass and Plant height of submerged macrophytes

2.2 水體溫度和光照的變化

溫度是影響植物季節(jié)性生長的重要環(huán)境因子［16-17］.實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)水溫先上升后下降，分別在2012年7月及2013年1月取得最大值32.21℃和最小值7℃.另外，溫度對沉水植物殘?bào)w的腐解也有很大的影響［6-8，18］.光照能夠?yàn)橹参锕夂献饔锰峁┍匦璧哪茉?，是影響植物生長的重要環(huán)境因素之一［39］.水環(huán)境中的光因子對沉水植物的生存、生長及分布有十分顯著的影響［40］，而大部分沉水植物的光補(bǔ)償點(diǎn)均較低，約26～137lx［41］；也有實(shí)驗(yàn)表明，在強(qiáng)光照和高營養(yǎng)鹽水平下，苦草生長受到抑制［38］.由圖2可以看出，在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，光照強(qiáng)度隨季節(jié)有較明顯的變化，夏季光照強(qiáng)度（2012年7月）是冬季光照強(qiáng)度的（2013年1月）1.73倍.

圖2 水體溫度和光照強(qiáng)度的變化Fig.2 Changes of water temperature and light intensity

2.3 水體pH值及ρ（DO）的變化

由圖3可見，苦草組水體pH值及ρ（DO）在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)均先升高后下降，空白組水體pH值前期有所上升，2012年7月之后變化不大，空白組水體ρ（DO）一直較為穩(wěn)定.實(shí)驗(yàn)開始的3個(gè)月內(nèi)，溫度開始升高，苦草幼苗迅速生長，其光合作用消耗了水體中的CO2，并釋放出大量O2，促使水體pH值及ρ（DO）明顯上升.2012年7～10月，苦草生長放緩，進(jìn)入10月份后苦草逐漸開始衰亡，光合作用減弱，導(dǎo)致水體ρ（DO）略有下降.2012年10月至2013年1月間，苦草大量衰亡，其體內(nèi)部分不穩(wěn)定有機(jī)物進(jìn)入水體［19］，被微生物快速分解，并釋放出CO2，造成水體pH值及ρ（DO）的顯著下降；隨著來年春天水溫的升高，苦草殘?bào)w大規(guī)模腐解，致使水體pH值及ρ（DO）繼續(xù)下降.

圖3 水體pH值及ρ（DO）的變化Fig.3 Changes of water environmental physical factors

2.4 水體中葉綠素a含量的變化

由圖4可見，實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)空白組水體葉綠素a的含量在實(shí)驗(yàn)初期有所增長，2012年10月份后基本維持穩(wěn)定，苦草組水體葉綠素a的含量一直升高，2012年10月份后，苦草組水體葉綠素a的增量較大.

由于本實(shí)驗(yàn)用水為超純水，所以實(shí)驗(yàn)開始時(shí)水體葉綠素a的含量為0.由于底泥中本身有少量殘留的植物種子，在環(huán)境適宜情況下會萌發(fā)生長，進(jìn)而導(dǎo)致空白組水體葉綠素a含量的增加，但增幅有限.苦草進(jìn)入10月份后開始衰亡，苦草葉片斷裂，造成苦草部分組織進(jìn)入水體，引起水體葉綠素a的含量的升高；隨著苦草殘?bào)w被大規(guī)模分解，更多的植物組織進(jìn)入水體，促使水體葉綠素a的含量不斷增加.對前6個(gè)月（2012年4～10月）水體中葉綠素a的含量（Y）與實(shí)驗(yàn)時(shí)間（X）做線性回歸分析，得出空白組：Y = 0.446X - 1.868，R2 = 0.989；苦草組：Y = 0.78X - 3.053，R2 = 0.998.可見，實(shí)驗(yàn)前6個(gè)月內(nèi)水體中葉綠素a的含量與實(shí)驗(yàn)時(shí)間呈顯著線性正相關(guān).

圖4 水體中葉綠素a含量的變化Fig.4 Change of Chl-a concentration in water

2.5 水-底泥-沉水植物系統(tǒng)中N的遷移轉(zhuǎn)化

2.5.1 系統(tǒng)及各介質(zhì)中TN含量的變化 苦草組系統(tǒng)氮含量由水體、底泥及沉水植物中的氮含量組成，空白組系統(tǒng)氮含量由水體及底泥中的氮含量組成.由圖5a可以看出，苦草組及空白組系統(tǒng)TN含量在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)一直在降低，截止實(shí)驗(yàn)結(jié)束，空白組TN較起始降低了30.29%，苦草組降低了41.68%，比空白組提高11.39%，說明苦草的存在促進(jìn)了系統(tǒng)內(nèi)氮的去除.2012年4～7月，空白組系統(tǒng)TN含量減少了12.80%，而苦草組系統(tǒng)降幅僅有8.66%，這主要是由于該階段苦草快速生長，水體及底泥中的無機(jī)氮被苦草大量吸收并同化，并以有機(jī)氮的形式儲存于植物體內(nèi)，所以系統(tǒng)TN降幅小于空白組；2012年7月～10月的時(shí)間段，苦草組TN減少量最大，此階段，苦草穩(wěn)定生長，葉片變濃綠、寬大，其生物量及株高達(dá)到最大，由于白天強(qiáng)烈的光合作用，使系統(tǒng)DO過飽和，系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)氮迅速礦化，夜晚由于強(qiáng)烈的呼吸作用使系統(tǒng)內(nèi)DO迅速下降，系統(tǒng)反硝化反應(yīng)劇烈，這種由于沉水植物造成的氧化還原環(huán)境的變化，提高了系統(tǒng)TN的去除效率.2012年4～10月，苦草生物量及株高持續(xù)增長（圖1），植物生長吸收水體及底泥中的氮素，使水體TN含量（圖5c））持續(xù)降低，到2012年10月份，水體中總氮含量達(dá)到了最低值，2013年1月，苦草將衰亡腐解，并向水體釋放大量營養(yǎng)鹽，導(dǎo)致水體氮含量升高，如果在2012年10月份將部分苦草移出系統(tǒng)，既可以達(dá)到凈化水體的目的，又能降低秋冬季節(jié)苦草的衰亡腐解對水體產(chǎn)生的二次污染.另外，雖然2012年10月份苦草的生物量及株高（圖1）均達(dá)到了最大值，但是其含氮量卻低于2012年7月份，計(jì)算2012年7月和10月苦草的單位質(zhì)量含氮量分別為28.51、20.70mg/g，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是苦草從10月份開始逐步進(jìn)入枯萎衰亡期，其體內(nèi)部分有機(jī)物會游離出苦草個(gè)體，進(jìn)入其他介質(zhì)［19］，Cisternas［20］的研究表明，葉片凋落物N減少的原因主要有3個(gè)：最初是死葉片的N濾去，然后是固定N細(xì)菌或真菌的遷移作用；最后是由于反硝化細(xì)菌、負(fù)責(zé)分解的中間動物群、氨揮發(fā)和淋溶的作用；2012年10月～2013年1月，苦草組及空白組系統(tǒng)TN含量減少率分別為6.14%、0.16%，較前一時(shí)期，減少率明顯放緩.其主要原因是隨著溫度的降低，微生物活性及氮循環(huán)菌數(shù)量均隨之降低（圖7），氮循環(huán)速率減緩；2013年1月～4月，苦草開始大量腐解，導(dǎo)致水體含氮量明顯升高.對從2012年10月～2013年4月，植物TN（Y1）及水體TN（Y2）與苦草生物量（X）進(jìn)行先行回歸分析，得出線性回歸方程分別為：Y1= 0.75X - 7.447，R2 = 0.999，Y2= -0.437X + 29.093，R2 = 0.911，說明植物腐解期，生物量與植物TN含量顯著正相關(guān)，與水體TN含量負(fù)相關(guān).

2.5.2 系統(tǒng)及各介質(zhì)中形態(tài)氮含量的變化 各形態(tài)氮可在植物及微生物的作用下相互轉(zhuǎn)化，而這種轉(zhuǎn)化是N在各介質(zhì)之間遷移的主要驅(qū)動力［21-22］.另外，氨揮發(fā)、N沉降、底泥粘粒的吸附和解析等方式也促進(jìn)了N在各介質(zhì)間的遷移.由圖6a可以看出，空白組系統(tǒng)內(nèi)含量在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)一直減少，苦草組系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)一直降低，而含量在2013年1月之前一直減少，2013年1月～4月有小幅增加.總體來看，苦草組系統(tǒng)減少量明顯高于空白組無顯著差別.

2012年4月～7月，溫度逐漸升高，苦草快速生長，底泥中不斷有氮素釋放出來，一部分在氮循環(huán)菌作用下以氣體形式遷出系統(tǒng)，另一部分進(jìn)入水體或被植物同化進(jìn)入植物體內(nèi).水體及底泥中的-N和-N均減少.2012年7月～10月，溫度較高，微生物活性劑及數(shù)量均達(dá)到最大，底泥中氮素的礦化速率也最大，同時(shí)反硝化菌n（MPN）也達(dá)到最大（圖7d），氮素遷出系統(tǒng)的速率最高，底泥中-N和底泥及水體中-N均有所減少，水體中略有增加是由底泥中氮素礦化生成的-N釋放到水體中所致，而此時(shí)的硝化菌n（MPN）比氨化菌n（MPN）及反硝化菌n（MPN）低2～3個(gè)數(shù)量級（圖7）也能解釋這一現(xiàn)象.2012年10月～2013年1月，溫度逐漸降低，微生物活性也逐漸減弱，底泥和水體中的-N均沒有明顯變化，說明此階段-N的產(chǎn)生與消耗處于平衡階段，而與空白組相比，苦草組底泥的礦化速率扔明顯高于空白組.2013年1～4月苦草大量腐解，向水體釋放大量的營養(yǎng)鹽，導(dǎo)致水體中-N及-N迅速升高，部分遷移至底泥中，進(jìn)而底泥中-N含量有所提高，而-N的減少數(shù)量與空白組相比也有所降低.

圖6 系統(tǒng)及各介質(zhì)中形態(tài)氮含量的變化Fig.6 Changes of-N and-N content in the system， sediment， water and plant

2.5.3 底泥中微生物活性及氮循環(huán)菌數(shù)量的變化 電子受體活性（ETS）主要是通過測定微生物細(xì)胞內(nèi)脫氫酶（DHA）的活性來間接的反應(yīng)微生物群落的活性［23-24］.實(shí)驗(yàn)初期，由于底泥經(jīng)過冷凍干燥，其微生物大部分處于休眠狀態(tài)，活性較低；隨著溫度升高，苦草組及空白組微生物在2012年7～10月均處于較高活性，且苦草組微生物活性明顯高于空白組；進(jìn)入秋冬季節(jié)以后，苦草組及空白組活性明顯減弱，主要是1月份水溫較低，微生物活性受到抑制［25］，至來年春季，底泥微生物活性又有所回升.苦草組及空白組氨化菌n（MPN）在2012年4～7月有明顯的增長，苦草組增長了近5個(gè)數(shù)量級；隨后氨化菌n（MPN）較為穩(wěn)定；2013年1月有所下降，而后在4月份又逐步回升.硝化菌n（MPN）及反硝化菌n（MPN）的變化趨勢與氨化菌n（MPN）基本類似，但是反硝化菌n（MPN）是在2012年10月份取得最大值，而且，硝化菌n（MPN）在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)偏少，較氨化菌n（MPN）及反硝化菌n（MPN）小了2～3個(gè)數(shù)量級.

氮的遷移轉(zhuǎn)化離不開氮循環(huán)菌群的作用［26］，相關(guān)研究表明，氮循環(huán)微生物對外界環(huán)境的要求不一［25］，由于敞水區(qū)水質(zhì)及底泥的勻質(zhì)性，氮循環(huán)微生物很難同時(shí)形成優(yōu)勢種群并發(fā)揮作用［27］；水生高等植物的存在能夠在其根部形成“根際氧化帶”，又由于植物的覆蓋及其呼吸代謝作用，氧化帶之外往往處于缺氧狀態(tài)，從而在水生高等植物根區(qū)形成了這樣一個(gè)富氧-缺氧的氧化還原微環(huán)境，因而，反硝化菌、硝化菌、氨化細(xì)菌等微生物能夠同時(shí)出現(xiàn)并發(fā)揮其作用［27-29］.空白組和苦草組氮循環(huán)菌的變化規(guī)律明顯，兩系統(tǒng)均在2012年7月～10月份氮循環(huán)菌達(dá)到較大值，到2013年一月份達(dá)到最低，然后到2013年4月份有所回升，但苦草組氮循環(huán)菌的數(shù)量明顯高于空白組，說明苦草的存在促進(jìn)了氮循環(huán)菌群的繁殖，進(jìn)而促進(jìn)了氮的遷移轉(zhuǎn)化的力度與速率.在苦草生長周期的不同階段，氮循環(huán)菌群處于不同的動態(tài)平衡狀態(tài)，該狀態(tài)隨溫度、DO、pH值及植物生長狀況等外界條件不斷發(fā)生改變，從而導(dǎo)致各形態(tài)氮在水、底泥及植物之間的相互遷移轉(zhuǎn)化.

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

2.5.4 底泥及水體中各形態(tài)氮比例的變化 由圖8a，圖8b可以看出，空白組和苦草組底泥中不同形態(tài)氮含量的順序?yàn)橛袡C(jī)氮＞NH4+-N＞ NO3--N，即使沉水植物的存在也未能改變這種格局.空白組和苦草組底泥中NO3--N含量總體上來說一直相對較低，所占比例變化不大，主要變化體現(xiàn)在2012年7月份，此時(shí)溫度較高，菌活性較強(qiáng)，底泥中NO3--N釋放較快；空白組底泥NH4+-N比例在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)變化不大，說明空白組底泥中的NH4+-N的生成與消耗處于動態(tài)平衡狀態(tài)，苦草組底泥NH4+-N比例在實(shí)驗(yàn)前期（2012年4月～2013年1月）一直降低，是因?yàn)榈啄嗤ㄟ^礦化進(jìn)入上層水中的-N含量較高［30-31］，2013年1～4月，苦草組底泥中-N比例有所回升，是因?yàn)槌醮褐参锔庀蛩w中釋放大量的氮素，由于底泥中無機(jī)顆粒對-N具有較強(qiáng)的吸附作用［32］，使得底泥中-N含量升高.這也證明了苦草的存在打破了空白組狀態(tài)下的動態(tài)平衡，明顯改變了-N的遷移及轉(zhuǎn)化.

水生植物主要通過影響pH值和DO等水質(zhì)參數(shù)［33］，吸收營養(yǎng)鹽［34-35］，為浮游動物提供棲息地［34］，分泌抑制藻類生長的物質(zhì)［34］和改變底泥理化性質(zhì)［36］等而影響水環(huán)境，改變水體水質(zhì).空白組水體（圖8c）中由于沒有植物，無機(jī)氮不能被吸收，有機(jī)氮?jiǎng)t不斷被分解，只是有機(jī)氮比例逐步降低，同時(shí)，空白組水體ρ（DO）一直處于較高水平，為硝化作用提供了條件，所以空白組水體中-N比例穩(wěn)步增加.苦草組水體（圖8d）各賦存形態(tài)的氮所占比例均變化較大，這也表明，沉水植物的存在影響了各賦存形態(tài)氮的分配比例，且這種影響在其不同的生長階段不同.

圖8 底泥及水體中各賦存形式氮的比例變化Fig.8 Changes of the proportion of various forms of nitrogen in the sediment and water

實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，空白組底泥中各形態(tài)氮所占比例基本變化不大，說明底泥中各形態(tài)氮等比減少，整個(gè)階段處于平衡狀態(tài).釋放到水體中各賦存形式的氮，受環(huán)境溫度、pH值、DO、光照及微生物等因素的影響，不斷發(fā)生變化，趨向于平衡.苦草組由于苦草的加入，打破了原有平衡.在2012年4月～7月，底泥和水體中-N所占比例均不斷降低，關(guān)于利用水生物作為有機(jī)碳源，降低水體硝酸鹽含量的報(bào)道［37］證實(shí)了反硝化作用強(qiáng)度與有機(jī)碳源的供給密切相關(guān).底泥中-N比例不斷下降，而水體中卻不斷上升，說明該階段底泥中氮素不斷礦化，并以-N形式不斷釋放到水體中.在2012年10月～2013年4月，苦草經(jīng)歷了衰亡期和腐解期，有研究［18］認(rèn)為沉水植物在秋、冬寒冷季節(jié)雖然進(jìn)入衰亡期，但低溫環(huán)境下植物體腐解比較緩慢，營養(yǎng)物質(zhì)釋放量也較為有限，大量的營養(yǎng)物質(zhì)保留在植物殘?bào)w中，短時(shí)間內(nèi)不會對水質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，待翌年初春天天氣回暖，才向水體大規(guī)模釋放營養(yǎng)物質(zhì).2012年10月～2013年1月份，水體和底泥中-N比例基本無變化-N比例下降，有機(jī)氮比例升高，這是因?yàn)榇穗A段溫度較低，氨化菌n（MPN）減少，其活性變?nèi)酰袡C(jī)氮的礦化作用減少.2013年1～4月，由于溫度回升，苦草開始大量腐解，導(dǎo)致水體中-N和-N含量增加，圖8d中-N比例并沒有增加是因?yàn)榈啄鄬λw中-N的強(qiáng)吸收作用［32］，使水體中-N比例沒有增加而底泥中-N比例升高.

2.6 底泥中C/N的變化

為更深入的分析實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)N的變化，計(jì)算底泥中TOC和TN的比值作圖9.試驗(yàn)周期內(nèi)，空白組底泥C/N比略有波動，但基本穩(wěn)定在8～10之間，苦草組底泥C/N一直減小，在2013年1～4月的時(shí)間段內(nèi)降幅最大，達(dá)到39.27%.相關(guān)研究表明［42-44］，底泥中C/N比的大小對土壤中有機(jī)氮的礦化和礦質(zhì)氮微生物的固持2個(gè)過程有較為明顯的影響.當(dāng)C/N＞ 30時(shí)，礦質(zhì)氮的生物固持作用大于有機(jī)氮的礦化作用，表現(xiàn)為礦質(zhì)氮的凈生物固持；當(dāng)C/N ＜20時(shí)，有機(jī)氮的礦化作用大于礦質(zhì)氮的生物固持作用，表現(xiàn)為有機(jī)氮的凈礦化；當(dāng)C/N比處于20～30之間時(shí)，兩個(gè)過程強(qiáng)度均等，既不表現(xiàn)礦質(zhì)氮的凈生物固持也不表現(xiàn)有機(jī)氮的凈礦化.同時(shí)，當(dāng)C/N＜14時(shí)，植物才能從外界環(huán)境大量吸收氮.實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，空白組和苦草組底泥中的C/N比一直小于20，最大值僅為10.22.這時(shí)的C/N比使底泥中的氮主要表現(xiàn)為有機(jī)氮的礦化.這一點(diǎn)從圖7b底泥中氨化菌n（MPN）的變化上得到了驗(yàn)證，氨化菌n（MPN）在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)均處于高水平.而由于底泥中的溶解氧較低，反硝化作用明顯（圖7d），導(dǎo)致空白組及苦草組底泥TOC及TN含量持續(xù)減少.其中，苦草組微生物活性較高，促使其系統(tǒng)TOC及TN的減少量較大；另外，底泥中的C/N比，十分有利于苦草從底泥中吸收營養(yǎng)鹽，這也加劇了底泥中TOC及TN含量的減少.

圖9 底泥中TOC/TN比的變化Fig.9 Changes of TOC/TN in sediment

3 結(jié)論

3.1 苦草的存在明顯加強(qiáng)了“水-底泥-沉水植物”系統(tǒng)氮素的遷移轉(zhuǎn)化，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，系統(tǒng)TN、含量共減少了41.68%、81.96%、 93.34%，分別比空白組提高了11.39%、31.90、 0.28%；苦草組底泥含量分別減少了43.45%、87.41%、96.5%，分別比空白組提高了13.78%、37.26%、1.68%.

3.2 苦草的存在明顯改變了底泥電子受體活性及氮循環(huán)菌的數(shù)量，2012年7月～10月，電子受體活性及各氮循環(huán)菌數(shù)量均比空白組升高，促進(jìn)了氮的遷移轉(zhuǎn)化的力度與速率，明顯改變形態(tài)氮的遷移及轉(zhuǎn)化方向.

3.3 苦草整個(gè)生命周期內(nèi)，系統(tǒng)TN含量持續(xù)降低，并沒有因?yàn)榭嗖荽嬖诙蚱七@一格局，但在不同階段苦草的存在能改變形態(tài)氮的遷移方向和遷移速率.2012年4月～7月，苦草快速生長，系統(tǒng)內(nèi)部分氮素被苦草同化而進(jìn)入苦草體內(nèi)，與空白組相比，移出系統(tǒng)的氮減少；2012年7月～10月，溫度較高，微生物活性及數(shù)量均達(dá)到最大值，苦草組系統(tǒng)氮減少量最大，2012年10月，水體中總氮含量最低；2012年10月～2013年4月，苦草經(jīng)歷衰亡和腐解期，苦草中的氮素進(jìn)入水體，部分遷移至底泥中.

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Effect on nitrogen transfer and migration by Vallisneria natans （Lour.） Hara in water-sediment-submerged macrophytes system.

KONG Xiang-long1，2， YE Chun2， LI Chun-hua2， ZHANG Lai-jia2，3， LI Yong-feng1*
（1.School of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment， Centre of Lake Engineering and Technology， Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012， China；3.School of Environment and Safety Engineering， Changzhou University， Changzhou 213100，China）.

China Environmental Science， 2015，35（2）：539～549

The changes of nitrogen in water， sediment and submerged macrophytes （Vallisneria natans （Lour.） Hara） as well as its migration and transformation in the life cycle of V. natans were studied. The results indicated that the total nitrogen content was reducing continuously in V. natans and control treatments during the research stage， and the removing rate of total nitrogen in V. natans treatments was obviously higher than that in control treatments. The content of TN、-N、-N in the water-sediment-submerged macrophytes system decreased by 41.68%， 81.96% ， 93.34%， and the removal rates increased by 11.39%， 31.90， 0.28% than that in control treatment， respectively. In this system， the content of TN-N，-N in sediment decreased by 43.45%， 87.41%， 96.50%， and the removal rates are increased 13.78%， 37.26%， 1.68% than that in control treatment， respectively. V. natans contributed to nitrogen nutrients release in the sediment. The sediment microorganisms activity and the amount of nitrogen cycling bacteria were improved significantly. Therefore， the nitrogen cycle speed would be accelerated. The direction of transfer and transformation of nitrogen would be changed in the different stage of life cycle of V. natans. Compared with other stages， the nitrogen content in experiment group with V. natans decreased most during July to October of 2012. To October， the nitrogen content in water reached a minimum value.

Vallisneria natans；lifecycle；nitrogen；transfer and transformation；aquatic plant

X171

A

1000-6923（2015）02-0539-11

孔祥龍（1987-），男，山東日照人，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院碩士研究生，主要從事湖泊富營養(yǎng)化治理和生態(tài)恢復(fù)理論與技術(shù)研究.

2014-6-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40971277）；國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2012ZX07101-009）

* 責(zé)任作者， 教授， dr_lyf@163.com