動(dòng)物擾動(dòng)對(duì)濕地植物根區(qū)有機(jī)碳和氮形態(tài)的影響

王琪飛,顧佳茹,徐德福,李 鑫,李映雪,張 玉

(大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/ 江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染控制高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044)

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動(dòng)物擾動(dòng)對(duì)濕地植物根區(qū)有機(jī)碳和氮形態(tài)的影響

王琪飛,顧佳茹,徐德福①,李 鑫,李映雪,張 玉

(大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/ 江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染控制高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044)

構(gòu)建復(fù)合垂直流人工濕地,分別向復(fù)合垂直流人工濕地的下行池和上行池中加入蚯蚓和泥鰍,研究泥鰍和蚯蚓對(duì)人工濕地中植物根區(qū)基質(zhì)有機(jī)碳和氮形態(tài)及含量的影響。結(jié)果表明,加入泥鰍后人工濕地植物根區(qū)基質(zhì)的總有機(jī)碳(TOC)、易氧化有機(jī)碳(EOOC)、微生物量有機(jī)碳(MBC)、可溶性有機(jī)碳(DOC)和硝態(tài)氮平均含量分別增加16.7%、10.8%、19.1%、33.8%和68.4%,但銨態(tài)氮平均含量減少14%。加入蚯蚓后TOC、EOOC、MBC、DOC和硝態(tài)氮的含量分別增加74.6%、39.7%、40.4%、45.1%和91.8%;銨態(tài)氮平均含量下降42.8%。人工濕地中加入蚯蚓后有機(jī)碳、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的變化率比單獨(dú)加入泥鰍高。相關(guān)分析表明,TOC、EOOC、MBC含量分別與硝態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),加入動(dòng)物提高了人工濕地植物根區(qū)有機(jī)碳含量,并促進(jìn)人工濕地的硝化過(guò)程,增加硝態(tài)氮含量。

人工濕地;動(dòng)物擾動(dòng);有機(jī)碳組分;硝態(tài)氮;銨態(tài)氮

濕地作為地球重要的碳匯,在陸地碳循環(huán)和全球氣候變化中起到了重要作用。濕地碳循環(huán)不僅在全球碳循環(huán)中具有極其重要的地位,而且對(duì)全球的氣候變化表現(xiàn)出較高的敏感性[1],濕地土壤有機(jī)質(zhì)是濕地植物的最主要營(yíng)養(yǎng)源,其含量直接影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力[2]。氮元素作為濕地中重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一,與土壤有機(jī)質(zhì)的循環(huán)及遷移密切相關(guān)[3],碳、氮循環(huán)作為生態(tài)系統(tǒng)重要的功能過(guò)程之一,對(duì)人工濕地的運(yùn)行起著重要作用。

蚯蚓(Eiseniafetida)在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著消費(fèi)者、分解者和調(diào)節(jié)者等多重作用,能夠增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。蚯蚓影響土壤中的碳循環(huán)。MARASHI等[4]研究表明,北美地區(qū)中Allolobophoracaliginosa和Octolasioncyaneum這2種蚯蚓每年能消化淺層土壤(15 cm)中10%的有機(jī)質(zhì)。VAN RHEE[5]報(bào)道蚯蚓活動(dòng)能提高牧草、小麥和三葉草的生物量,接種蚯蚓(A.caliginosa)處理組干物質(zhì)量比無(wú)蚯蚓對(duì)照組分別提高3.5、1.6和7倍。SHUSTER等[6]通過(guò)連續(xù)3 a(每年春季和秋季)向土壤中加入蚯蚓,結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加anecic類(lèi)蚯蚓顯著增加了土壤中0～10和10～20 cm平均有機(jī)碳含量。于建光等[7]指出接種蚯蚓和施用秸稈條件下能顯著增加土壤碳的庫(kù)存量。可見(jiàn)，蚯蚓對(duì)土壤有機(jī)碳有重要影響。濕地中有機(jī)碳含量受濕地類(lèi)型和植物類(lèi)型的影響。張文菊等[8]研究了洞庭湖濕地土壤有機(jī)碳垂直分布特征,得出洞庭湖3類(lèi)濕地間有機(jī)碳的分布與組成存在一定差異。鐘春棋等[9]對(duì)閩江口鱔魚(yú)灘原生蘆葦沼澤濕地進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)蘆葦沼澤地的易氧化碳穩(wěn)定性高,蘆葦沼澤濕地受到人類(lèi)活動(dòng)影響后,輕組物質(zhì)含量和有機(jī)碳含量均有不同程度的減少。目前,有關(guān)濕地土壤碳和氮的研究多集中于不同水分條件、植被類(lèi)型、圍墾年限和利用方式等環(huán)境因素[10]。有關(guān)動(dòng)物擾動(dòng)對(duì)于人工濕地有機(jī)碳及氮形態(tài)的影響則鮮見(jiàn)報(bào)道。該研究通過(guò)向人工濕地中加入蚯蚓和泥鰍(Misgurnusanguillicaudatus),研究動(dòng)物對(duì)人工濕地碳氮含量及形態(tài)的影響,以期為動(dòng)物擾動(dòng)對(duì)人工濕地中碳、氮遷移轉(zhuǎn)化的影響提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 人工濕地系統(tǒng)

人工濕地系統(tǒng)位于南京信息工程大學(xué)生態(tài)園,采用由高低2個(gè)池子組合而成的復(fù)合垂直流人工濕地(圖1)。高池為長(zhǎng)60 cm、寬60 cm、高90 cm的進(jìn)水池,稱(chēng)為下行池;低池為長(zhǎng)60 cm、寬60 cm、高90 cm的出水池,稱(chēng)為上行池;上行池和下行池底部使用2個(gè)直徑為5 cm的聚氯乙烯管相連接,在出水池外側(cè)自上而下安裝4個(gè)排水閥。用紗網(wǎng)分別將下行池和上行池分隔成3個(gè)區(qū)域,且分別在下行池和上行池區(qū)域1種植8株茭白,區(qū)域2種植6株美人蕉,區(qū)域3種植9株水菖蒲。實(shí)驗(yàn)用水為模擬的生活污水,采用硫酸銨、磷酸二氫鉀、蛋白胨和葡萄糖配制而成,CODCr、ρ(氨氮)、ρ(TN)和ρ(TP)分別為191.8～249.9、10.9～17.4、13.9～27.5和1.7～3.8 mg·L-1。

圖1 人工濕地示意

分別模擬4種復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng):(1)由基質(zhì)〔V(細(xì)沙)∶V(水稻秸稈)=97∶3〕和植物構(gòu)成(人工濕地Ⅰ)(CK);(2)基質(zhì)〔V(細(xì)沙)∶V(水稻秸稈)=97∶3〕和植物組成,于上行池池中加入10條泥鰍(人工濕地Ⅱ);(3)基質(zhì)〔V(細(xì)沙)∶V(水稻秸稈)=97∶3〕和植物組成,于上行池中加入10條泥鰍,下行池中加入1.5 kg蚯蚓(人工濕地Ⅲ);(4)基質(zhì)〔V(細(xì)沙+青沙)∶V(水稻秸稈)=97∶3〕和植物組成,在上行池中加入10條泥鰍,下行池中加入1.5 kg蚯蚓(人工濕地Ⅳ)。

1.2 樣品采集和分析

實(shí)驗(yàn)于2014年3月建設(shè)并運(yùn)行,2014年12月中旬,分別取不同人工濕地不同植物種植區(qū)基質(zhì)。取樣前,將人工濕地中的水排干,一段時(shí)間后用小鏟挖出整株植物,輕輕抖動(dòng)植物根系,從根系上掉落下的基質(zhì)為根區(qū)基質(zhì),剔除基質(zhì)中的植物殘?bào)w和其他雜物,并將基質(zhì)樣品分成2部分,一部分用于測(cè)定不同形態(tài)的有機(jī)碳含量;另一部分用于測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。有機(jī)碳分別測(cè)定總有機(jī)碳(TOC)、易氧化有機(jī)碳(EOOC)、微生物量有機(jī)碳(MBC)和可溶性有機(jī)碳(DOC),其測(cè)定方法分別為:TOC含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[11]107-109,EOOC含量采用高錳酸鉀氧化法[12],DOC含量采用水浸提-有機(jī)碳分析儀[13],MBC含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[11]231-232。銨態(tài)氮含量采用2 mol·L-1的KCl浸提,靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[11]159-160;硝態(tài)氮含量采用2 mol·L-1的KCL浸取,紫外分光光度法測(cè)定[14]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

不同形態(tài)有機(jī)碳與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮之間的相關(guān)性采用SPSS 19.0軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)TOC含量

在加入蚯蚓初期有少量蚯蚓死亡,7月人工濕地Ⅲ和Ⅳ蚯蚓密度分別為2 300和2 500條·m-2;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中除人工濕地Ⅱ有2條泥鰍死亡外,其他均正常生長(zhǎng)。如圖2所示,人工濕地Ⅱ上行池中TOC平均含量較人工濕地Ⅰ增加16.7%,說(shuō)明泥鰍的擾動(dòng)有利于提高人工濕地TOC含量。人工濕地Ⅲ下行池中TOC平均含量較人工濕地Ⅱ高74.6%。人工濕地Ⅳ上行池和下行池TOC平均含量較人工濕地Ⅲ分別增加48.2%和35.7%。

處理

2.2 基質(zhì)EOOC含量

EOOC可用于指示土壤有機(jī)碳在短期內(nèi)的變化特征[15],是反映土壤有機(jī)碳有效性和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo),EOOC占TOC的比例越大,表明土壤有機(jī)碳越高,穩(wěn)定性越低[16]。人工濕地基質(zhì)EOOC含量如圖3所示,下行池EOOC含量總體高于上行池。人工濕地Ⅱ上行池中EOOC平均含量較人工濕地Ⅰ高10.8%,說(shuō)明加入泥鰍可提高EOOC含量。人工濕地Ⅲ下行池中EOOC平均含量較濕地Ⅱ高39.7%。另外,濕地Ⅳ上行池和下行池中EOOC平均含量分別比人工濕地Ⅲ高27.2%和41.8%。

2.3 基質(zhì)MBC含量

土壤微生物活性可以用來(lái)反映土壤污染程度,MBC是評(píng)價(jià)土壤的重要指標(biāo)之一[17]。MBC是土壤有機(jī)碳中最活躍的部分,影響MBC的因素有溫度、水分和植被類(lèi)型等[18]。從圖4可知,不同人工濕地MBC含量差異顯著,最低為38.13 mg·kg-1,最高達(dá)174.87 mg·kg-1。人工濕地Ⅱ上行池中MBC平均含量較人工濕地Ⅰ高19.1%,說(shuō)明泥鰍擾動(dòng)也能提高人工濕地MBC含量。人工濕地Ⅲ下行池中MBC平均含量較人工濕地Ⅱ高40.4%,表明加入蚯蚓和泥鰍的復(fù)合影響大于泥鰍的單獨(dú)影響。人工濕地Ⅳ上行池與下行池中MBC平均含量較人工濕地Ⅲ分別增加41.2%和30.1%。

處理

處理

2.4 基質(zhì)DOC含量

由圖5可以看出,人工濕地Ⅱ上行池中DOC平均含量較人工濕地Ⅰ高33.8%。人工濕地Ⅲ下行池中DOC平均含量比人工濕地Ⅱ高45.1%,可見(jiàn)加入蚯蚓同樣可以增加人工濕地DOC含量,并且對(duì)DOC含量的影響較單獨(dú)加入泥鰍更顯著。濕地Ⅳ上行池中DOC平均含量較濕地Ⅲ高46.4%,濕地Ⅳ下行池中較濕地Ⅲ低22.3%。DOC主要來(lái)源于近期的植物枯枝落葉和土壤有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì),不穩(wěn)定,易淋失,并且易受季節(jié)變化影響[19]。因此，人工濕地Ⅳ下行池中DOC平均含量低于人工濕地Ⅲ,上行池中則高于人工濕地Ⅲ,這可能與復(fù)合垂直流人工濕地Ⅳ中更多的DOC從下行池流入上行池有關(guān)。有研究表明,有10%～40%的可溶性有機(jī)物能夠被微生物直接吸收利用[20],因此,DOC含量的增加可能與加入動(dòng)物后微生物數(shù)量增加有關(guān)。

處理

2.5 基質(zhì)硝態(tài)氮含量

從圖6可以看出,人工濕地基質(zhì)硝態(tài)氮含量范圍在0.001～0.291 g·kg-1之間,硝態(tài)氮含量低的原因可能有2個(gè)方面：一是采用的基質(zhì)為砂,對(duì)硝態(tài)氮的吸附能力弱;二是實(shí)驗(yàn)用水氨氮含量高,硝態(tài)氮含量低。人工濕地Ⅱ上行池硝態(tài)氮平均含量比人工濕地Ⅰ高68.4%,加入泥鰍顯著增加了人工濕地硝態(tài)氮含量。人工濕地Ⅲ下行池硝態(tài)氮平均含量較人工濕地Ⅱ高91.8%,蚯蚓和泥鰍的共同擾動(dòng)對(duì)硝態(tài)氮含量的影響較泥鰍單獨(dú)擾動(dòng)更大。人工濕地Ⅳ上行池和下行池中硝態(tài)氮平均含量比人工濕地Ⅲ分別增加33.2%和59.2%。

處理

2.6 基質(zhì)銨態(tài)氮含量

從圖7可知,人工濕地基質(zhì)ρ(銨態(tài)氮)為1.143～11.534 mg·kg-1,人工濕地Ⅱ上行池銨態(tài)氮平均含量較人工濕地I減少14%,人工濕地Ⅲ下行池較人工濕地Ⅱ減少42.8%。同樣地,人工濕地Ⅳ上行池和下行池銨態(tài)氮平均含量比人工濕地Ⅲ分別減少37%和43.6%。賀慧等[21]認(rèn)為蚯蚓活動(dòng)形成的洞穴為硝化細(xì)菌提供生長(zhǎng)發(fā)育的空間,能提高土壤的硝化速率。王霞等[22]報(bào)道蚯蚓處理后的土壤硝態(tài)氮和礦質(zhì)總氮明顯增加。因此，動(dòng)物擾動(dòng)使基質(zhì)銨態(tài)氮含量下降,其原因可能與動(dòng)物擾動(dòng)促進(jìn)硝化而使銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮有關(guān)。

處理

2.7 基質(zhì)氮含量與各有機(jī)碳組分的關(guān)系

基質(zhì)中不同形態(tài)有機(jī)碳含量與硝態(tài)氮的相關(guān)分析如圖8所示?；|(zhì)TOC、MBC、EOOC與硝態(tài)氮之間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。該結(jié)果與張景等[23]研究結(jié)果相似,即森林土壤中有機(jī)碳含量與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)。氮的轉(zhuǎn)化包括有機(jī)氮礦化、形成銨態(tài)氮、銨態(tài)氮通過(guò)硝化作用形成硝態(tài)氮以及硝態(tài)氮可進(jìn)一步通過(guò)反硝化作用形成氮?dú)獾?。硝態(tài)氮與有機(jī)碳含量呈正相關(guān)，可能與有機(jī)碳為硝化細(xì)菌提供碳源、有利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)、促進(jìn)硝化過(guò)程有關(guān)。蚯蚓能提高人工濕地的硝化潛力[24],因此,加入動(dòng)物后,基質(zhì)硝態(tài)氮含量增加可能與動(dòng)物促進(jìn)硝化反應(yīng)、增加硝態(tài)氮含量有關(guān)。

3 結(jié)論

復(fù)合垂直流人工濕地加入泥鰍和蚯蚓后均能增加上行流和下行流人工濕地中有機(jī)碳和硝態(tài)氮含量,降低銨態(tài)氮含量,且蚯蚓和泥鰍的復(fù)合擾動(dòng)對(duì)有機(jī)碳、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響均高于單獨(dú)泥鰍。加入泥鰍和蚯蚓后,基質(zhì)中硝態(tài)氮含量與TOC、EOOC、MBC含量呈極顯著正相關(guān),這表明動(dòng)物擾動(dòng)增加了人工濕地有機(jī)碳含量,促進(jìn)了硝化過(guò)程,導(dǎo)致濕地中硝態(tài)氮含量增加。

圖8 硝態(tài)氮與各有機(jī)碳組分的相關(guān)性

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(責(zé)任編輯： 陳 昕)

Effect of Animal Disturbance on Organic Carbon and Form of Nitrogen in Wetland Plant Root Zone.

WANG Qi-fei, GU Jia-ru, XU De-fu, LI Xin, LI Ying-xue, ZHANG Yu

(Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology/ Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control, Nanjing 210044, China)

A complex vertical-flow wetland consisting of an upstream flow cell and a downstream flow cell was constructed in an experiment for exploration of effects of addition of earthworms and loaches into the two cells on organic carbon and nitrogen in form and content in the plant root zone of the constructed wetland. Results show that the addition of loaches increased the average content of total organic carbon (TOC), easily oxidized organic carbon (EOOC), microbial biomass carbon (MBC), dissolved organic carbon (DOC) and nitrate nitrogen by 16.7%, 10.8%, 19.1%, 33.8% and 68.4% , respectively, and decreased the average content of ammonia nitrogen by 14%, while the addition of earthworms increased the content of TOC, EOOC, MBC, DOC and nitrate nitrogen by 74.6%, 39.7%, 40.4%, 45.1% and 91.8%, respectively, and decreased the content of ammonia nitrogen by 42.8%. Obviously the effects of the addition of earthworms were higher than those of loaches on organic matter, nitrate nitrogen and ammonia nitrogen. Correlation analysis shows that the content of TOC, EOOC and MBC was significantly related to the content of nitrate nitrogen (P<0.01). All the findings indicate that introduction of animals into wetlands increases organic carbon content in the plant root zone of the constructed wetland, and stimulates nitrification process in the wetland, thus increased the content of nitrate nitrogen in the soil.

constructed wetland;animal disturbance;organic carbon fractions;nitrate nitrogen;ammonia nitrogen

2015-10-08

江蘇省自然科學(xué)基金(BK20141477)；江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目(201610300037);國(guó)家自然科學(xué)基金(40901257);江蘇高校“青藍(lán)工程”(20161507)；教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金(20145048)

X52

A

1673-4831(2016)05-0813-05

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.05.019

王琪飛(1991—),男,江蘇揚(yáng)中人,碩士生,主要研究方向?yàn)槲廴舅w生態(tài)修復(fù)。E-mail: 403446121@qq.com

① 通信作者E-mail: defuxu1@163.com