沉積物-水界面中可交換態(tài)氮對(duì)不同菹草密度的響應(yīng)

燕文明,麻　林,向　龍,楊家亮

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京　210098;2.湖南省水利廳,湖南 長(zhǎng)沙　410007; 3.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南 長(zhǎng)沙　410007)

沉積物-水界面中可交換態(tài)氮對(duì)不同菹草密度的響應(yīng)

燕文明1,麻林2,向龍1,楊家亮3

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210098;2.湖南省水利廳,湖南 長(zhǎng)沙410007; 3.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南 長(zhǎng)沙410007)

摘要：為了認(rèn)清沉水植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊沉積物-水界面可可交換態(tài)氮的影響,通過(guò)模擬試驗(yàn),利用連續(xù)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定了-N、NH3-N等指標(biāo),并結(jié)合其他環(huán)境指標(biāo),研究了沉積物-水界面中-N、NH3-N對(duì)不同菹草量(0 g、150 g、300 g)的響應(yīng)。結(jié)果表明,菹草的存在增加了間隙水氧化還原電位(Eh),降低了pH,且菹草量越大,間隙水中Eh、pH 值變化越明顯;利用單因素方差分析,得出300 g菹草組與對(duì)照組的間隙水TN質(zhì)量濃度有顯著差異(P<0.05);菹草量越大,間隙水中-N和NH3-N以及表層沉積物中固定態(tài)銨、有機(jī)氮、NH3-N和-N的去除效果越好。

關(guān)鍵詞：菹草;沉積物;間隙水;硝氮;氨氮

沉水植物可以為底棲動(dòng)物提供棲息場(chǎng)所,促進(jìn)懸浮物的物理過(guò)濾過(guò)程,抑制浮游植物的生長(zhǎng)[1],其根系可以吸收沉積物和間隙水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。沉水植物對(duì)沉積物中氮的形態(tài)和遷移過(guò)程都有一定的影響[2-3]。有研究[4-5]指出,沉水植物的生長(zhǎng)能夠明顯降低間隙水中的NH3-N,并抑制氮素釋放。沉水植物的根系可以固持底泥,減少沉積物的再懸浮;還可為根際好氧微生物輸送氧氣,改變根際附近氧化還原電位(Eh)和pH值,影響氮的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程[1]。沉水植物死亡腐爛會(huì)增加沉積物中的有機(jī)質(zhì)含量,并將從上覆水中吸收到自身體內(nèi)的氮轉(zhuǎn)移到沉積物中,這一過(guò)程也在氮的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中起到了重要作用。

1試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

1.1材料與設(shè)計(jì)

將采集的湖泊沉積物自然風(fēng)干后過(guò)100目篩,去除粗粒及動(dòng)植物殘?bào)w,混勻后鋪設(shè)在整理箱中(預(yù)先經(jīng)過(guò)5%的HCl處理后用蒸餾水沖洗干凈),鋪設(shè)厚度為10 cm,每箱的沉積物干重為9 820 g,注入100 L暴曬3 d后的上覆水。試驗(yàn)設(shè)置總計(jì)9箱,其中6箱種植沉水植物菹草,其余3箱作為對(duì)照組。菹草用蒸餾水浸泡,自然光照下培養(yǎng)馴化一周,將性狀均一的植株種植于6個(gè)整理箱中,其中3箱的種植密度為0.4 kg/m2,每箱種植150 g菹草,為150 g菹草組;另外3箱的種植密度為0.8 kg/m2,每箱種植300 g菹草,為300 g菹草組。常規(guī)培養(yǎng)2個(gè)月。每個(gè)整理箱中埋設(shè)4個(gè)1 m長(zhǎng)的陶土頭滲濾裝置,用細(xì)鐵絲固定陶土頭。用虹吸法往桶里添加上覆水,水深30 cm。暴雨和大風(fēng)天氣將其收到室內(nèi)。

1.2取樣與分析

1.3數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析,p<0.05為差異性顯著,p<0.01為差異性極顯著,試驗(yàn)數(shù)據(jù)用“平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差”。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1間隙水中可交換態(tài)氮含量的變化

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),150 g菹草組、300 g菹草組和對(duì)照組的間隙水pH差別很小。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中150 g菹草組和300 g菹草組的pH整體上減小,但變幅較小;對(duì)照組在整個(gè)試驗(yàn)期間變化不大(圖1)。3個(gè)處理組的間隙水pH平均值大小順序?yàn)?對(duì)照組>150 g菹草組>300 g菹草組。利用單因素方差分析,得出150 g菹草組與300 g菹草組的間隙水 pH無(wú)顯著差異(P>0.05),150 g菹草組與對(duì)照組、300 g菹草組與對(duì)照組的間隙水 pH有顯著差異(P<0.05)。

圖1　沉積物間隙水中的pH值和Eh值隨時(shí)間變化情況

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),150 g菹草組、300 g菹草組和對(duì)照組的Eh基本一致。有研究[8]指出沉積物間隙水的氧化還原特性與Eh的關(guān)系為:①Eh值在400～650 mV變化,沉積物表現(xiàn)為氧化性;②Eh值在200～400 mV,沉積物表現(xiàn)為弱氧化性;③Eh在0～200 mV變化,表現(xiàn)為弱還原;④Eh值在Eh在-200～0 mV變化,沉積物表現(xiàn)為還原性。本研究中,150 g菹草組、300 g菹草組和對(duì)照組的間隙水Eh值變化表現(xiàn)出相似的規(guī)律,呈先降后升的趨勢(shì),呈弱還原性,最小值出現(xiàn)在第50天。且在前30 d Eh的變化較大,在后30 d Eh變化較小。對(duì)照組間隙水的Eh也呈先降后升的趨勢(shì),但至第30天起,Eh值小于0,至第50天時(shí)最低。3個(gè)處理組的間隙水中的Eh平均值大小順序?yàn)?300 g菹草組>150 g菹草組>對(duì)照組。利用單因素進(jìn)行方差分析,結(jié)果表明3個(gè)處理組的間隙水Eh相互之間均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

由圖2可見(jiàn)，3組試驗(yàn)的間隙水TN變化表現(xiàn)出相似的規(guī)律,呈現(xiàn)先降后增再降的趨勢(shì);TN在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)分別下降為9.5 mg/L、7.9 mg/L和11.2 mg/L;TN平均質(zhì)量濃度大小順序?yàn)?對(duì)照組>150 g菹草組>300 g菹草組。利用單因素方差分析,得出300 g菹草組與對(duì)照組的水體TN有顯著差異(P<0.05),而150 g菹草組與對(duì)照組、150 g菹草組與300 g菹草組的間隙水TN無(wú)顯著差異(P>0.05)。

圖2　沉積物間隙水中TN質(zhì)量濃度的變化

圖3　沉積物間隙水中的NH3-N和-N質(zhì)量濃度變化

由圖3可見(jiàn),試驗(yàn)期間150 g菹草組、300 g菹草組和對(duì)照組的間隙水NH3-N整體上呈現(xiàn)減小的狀態(tài),沒(méi)有明顯的規(guī)律性。150 g菹草組、300 g菹草組和對(duì)照組的間隙水NH3-N最小值出現(xiàn)在第40天。3個(gè)處理組的間隙水NH3-N平均質(zhì)量濃度大小順序?yàn)?對(duì)照組>150 g菹草組>300 g菹草組。利用單因素方差分析,得出3個(gè)處理組的間隙水NH3-N相互之間均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.2沉積物可交換態(tài)氮質(zhì)量比的變化

圖4　沉積物中的TN和有機(jī)氮質(zhì)量比變化

圖5　沉積物中的-N和固定銨質(zhì)量比變化

2.3沉水植物對(duì)TN和可交換態(tài)氮的影響機(jī)制

3組間隙水NH3-N呈下降趨勢(shì),且相互之間均無(wú)顯著差異(P>0.05)。在試驗(yàn)初期,對(duì)照組的上覆水中NH3-N明顯低于間隙水NH3-N,由于濃度差,間隙水NH3-N向上覆水釋放,上覆水的NH3-N增大,間隙水的NH3-N降低;到了試驗(yàn)中期,對(duì)照組上覆水體中的浮游藻類(lèi)大量生長(zhǎng),消耗掉了水體中的NH3-N,明顯降低了水體NH3-N;到試驗(yàn)后期,懸浮物增大導(dǎo)致了光合作用減弱,藻類(lèi)部分死亡后分解的有機(jī)碎屑和膠體吸附了水中的NH3-N。

試驗(yàn)結(jié)束后,3組沉積物有機(jī)氮差別較小,與初始值相比,菹草組的有機(jī)氮減小量更明顯,且300g菹草組的減小量大于150g菹草組的減小量。沉水植物根系釋放出的有機(jī)酸、酚類(lèi)、糖類(lèi)和酶等物質(zhì)改變了沉積物的物理性狀和根際環(huán)境,為微生物的生長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境。可見(jiàn),沉水植物的存在加快了沉積物有機(jī)氮的礦化。

3結(jié)語(yǔ)

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Effects of different densities ofPotamogetoncrispusL. on exchangeable nitrogen at sediment-water interface

YAN Wenming1, MA Lin2, XIANG Long1, YANG Jialiang3

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.DepartmentofWaterResourcesofHunanProvince,Changsha410007,China;3.HunanHydro&PowerDesignInstitute,Changsha410007,China)

Abstract：In order to investigate the effects of submerged plants on the exchangeable nitrogen across the interfaces between sediments and water in eutrophic shallow lakes, the concentrations of -N and NH3-N were detected with the continuous flow-injection analyzer through simulation experiments. With other environmental indicators taken into account, the effects of different densities of Potamogeton crispus L. (0 g, 150 g, and 300 g, respectively) on TN, -N, and NH3-N at the sediment-water interface were examined. The experimental results show that Patamogeton crispus L. increased the oxidation-reduction potential (Eh) and decreased the pH of the interstitial water. Moreover, the higher the density of Patamogeton crispus L. was, the more significantly the Eh and pH in the interstitial water changed. According to the results of one-way analysis of variance, there was a significant difference (p<0.05) in TN in the interstitial water with 0g and 300g of Patamogeton crispus L. The higher the density of Patamogeton crispus L. was, the greater the amounts of TN, -N, and NH3-N in the interstitial water, and the greater the amounts of fixed ammonium, organic nitrogen, NH3-N, and -N that were removed from surface sediments.

Key words：Potamogeton crispus L.; sediments; interstitial water; nitrate nitrogen; ammonia nitrogen

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.024

基金項(xiàng)目:湖南省水利基金(201524507);國(guó)家自然科學(xué)基金(41301531)

作者簡(jiǎn)介:燕文明(1982—),女,實(shí)驗(yàn)師,博士,主要從事環(huán)境水文及水環(huán)境保護(hù)研究。E-mail:ywm0815@163.com 通信作者:麻林,助理研究員,博士。E-mail:155327259@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：X171

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)02-0119-04

(收稿日期：2015- 12- 28編輯：徐娟)