蘆葦和香蒲地上部N和P積累動(dòng)態(tài)及適宜收獲時(shí)期分析

熊 霞, 孫慶業(yè)

(安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

濕地植物是人工濕地處理系統(tǒng)中不可缺少的組成部分[1]，在人工濕地處理污水過程中起著至關(guān)重要的作用。濕地植物一方面可同化吸收污染物質(zhì)并將其積累在體內(nèi)達(dá)到去除水體中污染物的目的，另一方面通過為微生物提供良好的根區(qū)環(huán)境,促進(jìn)微生物轉(zhuǎn)換降解污染物[2]。濕地植物蘆葦〔Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud.〕和香蒲(TyphaorientalisPresl)生長繁殖快且生物量大，能高效去除水體中N、P和重金屬等污染物，常被用于人工濕地的構(gòu)建。

不少學(xué)者對(duì)蘆葦和香蒲等濕地植物去除水體中N和P的能力進(jìn)行了研究，通過植物體內(nèi)N和P的積累量確定其對(duì)人工濕地脫N除P的貢獻(xiàn)，但并未考慮不同生長發(fā)育階段植物對(duì)養(yǎng)分的吸收釋放規(guī)律[3-5]。吳統(tǒng)貴等[6]認(rèn)為：杭州灣濱海濕地中蘆葦?shù)厣喜可锪吭谏L期內(nèi)呈先增加后降低的趨勢，在9月份達(dá)到最大；各器官的N和P含量在整個(gè)生長季節(jié)呈波動(dòng)變化。郭長城等[7]認(rèn)為：在南四湖濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)，香蒲體內(nèi)N和P含量變化具有季節(jié)性規(guī)律。可見，濕地植物蘆葦和香蒲對(duì)人工濕地脫N除P具有重要貢獻(xiàn)，但它們對(duì)N和P的吸收受其生長時(shí)期的影響。

濕地植物能有效吸收利用污水中的N和P等養(yǎng)分進(jìn)行生長并達(dá)到去除水體中N和P的目的[8]，但大量的植物殘?bào)w如不及時(shí)收獲和移除，其腐敗過程則會(huì)導(dǎo)致水體二次污染和水質(zhì)惡化[9]。濕地植物通過自身的生長代謝吸收水體中的N和P，其吸收能力隨季節(jié)不同而存在差異。盛婧等[10]的研究結(jié)果顯示：富營養(yǎng)化水體中鳳眼蓮〔Eichhorniacrassipes(Mart.)Sloms〕的采收季節(jié)、采收量、采收比例及采收頻率與其生長和生物量相關(guān)，對(duì)富營養(yǎng)化水體中N和P的清除效率也有明顯影響。因此，選擇合理的采收時(shí)間對(duì)濕地植物有效吸收N和P有關(guān)鍵作用[11]。

作者對(duì)濕地植物蘆葦和香蒲的地上部生物量及N和P含量和積累量的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究，確定蘆葦和香蒲的適宜收獲時(shí)期，以期最大限度發(fā)揮蘆葦和香蒲對(duì)水體中N和P去除的效率，為富營養(yǎng)化水體修復(fù)過程中蘆葦和香蒲的科學(xué)應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽大學(xué)磬苑校區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯30°45′、東經(jīng)117°10′；多年平均氣溫15.7 ℃，最冷月1月份均溫2.6 ℃，最熱月7月份均溫28.0 ℃，多年平均降水量997 mm。該校區(qū)內(nèi)有多處池塘濕地，主要植物群落為蘆葦群落和香蒲群落；本研究選擇其中一處池塘為研究區(qū)，面積1 000 m2。

1.2 樣品采集

于2012年5月至11月每月采樣1次，共7次，采樣時(shí)間為當(dāng)月20日至23日。在研究區(qū)內(nèi)選取長勢和高度大體一致的蘆葦和香蒲群落，分別布設(shè)3個(gè)“V”字形的樣方進(jìn)行采樣，每個(gè)樣方面積1 m×1 m；參照文獻(xiàn)[12]采用收獲法采集植物地上部分。

1.3 樣品測定

植物地上部生物量(干質(zhì)量)采用烘干-稱重法測定。樣品于105 ℃條件下殺青30 min，然后置于70 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，粉碎過篩。樣品中的C和N含量采用元素分析儀(Elementar Vario MACRO)測定；P含量采用硫酸-高氯酸消解、釩鉬黃比色法[13]測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)蘆葦和香蒲地上部生物量及N和P含量分別計(jì)算N和P積累量，計(jì)算公式為：N或P積累量=地上部N或P含量×單位面積生物量。

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行One-Way ANOVA方差分析(采用LSD法進(jìn)行多重比較)和Pearson相關(guān)性分析；采用EXCEL 2003數(shù)據(jù)處理軟件制作圖表。

2 結(jié)果和分析

2.1 蘆葦和香蒲地上部生物量的動(dòng)態(tài)變化

不同月份蘆葦和香蒲地上部生物量見表1。在整個(gè)生長時(shí)期(5月至11月)，蘆葦和香蒲地上部生物量的動(dòng)態(tài)變化均呈典型的單峰型曲線，且各月份蘆葦?shù)厣喜可锪烤鶚O顯著高于香蒲(P<0.01)。蘆葦?shù)厣喜可锪?月份前基本呈直線增長，月平均生長速率為538.69 g·m-2，8月份的生長速率最大(631.23 g·m-2)；9月至11月，蘆葦葉片開始枯黃凋落，植株逐漸枯死，地上部生物量逐漸下降，蘆葦?shù)厣喜可锪吭?月份達(dá)到最大值(2 482.80 g·m-2)，顯著高于其他月份(P<0.05)。5月至10月，香蒲地上部生物量持續(xù)增加，月平均生長速率309.17 g·m-2，9月份的生長速率最大(672.63 g·m-2)，10月份以后地上部生物量開始下降，地上部生物量最大值出現(xiàn)在10月份，為1 723.22 g·m-2，顯著高于其他各月份。

表1 不同月份蘆葦和香蒲地上部生物量

2.2 蘆葦和香蒲地上部N和P含量的動(dòng)態(tài)變化

不同月份蘆葦和香蒲地上部N和P含量見表2。由表2可見：蘆葦和香蒲地上部N含量范圍為6.13～14.70和7.23～18.70 mg·g-1，平均值分別為10.09和13.74 mg·g-1；蘆葦和香蒲地上部P含量分別為0.31～1.63和0.59～1.85 mg·g-1，平均值分別為0.88和1.35 mg·g-1；2種植物地上部N含量均極顯著高于P含量(P<0.01)，說明2種植物在生長過程中(5月至11月)對(duì)N的吸收強(qiáng)于對(duì)P的吸收。分析結(jié)果表明：香蒲地上部N和P含量在生長過程中均極顯著高于蘆葦?shù)厣喜縉和P含量，且蘆葦?shù)厣喜縉含量與P含量間的相關(guān)方程為y=0.109 4x-0.220 8(R2=0.524 3)，香蒲地上部N含量與P含量間的相關(guān)方程為y=0.106 0x-0.108 5(R2=0.630 8)，均呈極顯著正相關(guān)。

表2 不同月份蘆葦和香蒲地上部N和P含量

2.3 蘆葦和香蒲地上部N和P積累量的動(dòng)態(tài)變化

不同月份蘆葦和香蒲地上部N和P積累量見表3。由表3可以看出：蘆葦?shù)厣喜縉和P的積累量在生長發(fā)育階段(5月至11月)呈先增加后降低的趨勢，其最大值出現(xiàn)在8月份，分別為(22.23±0.84)和(1.85±0.08) g·m-2。在生長發(fā)育初期，蘆葦對(duì)養(yǎng)分的需求較大、體內(nèi)N和P含量較高，但由于其生長緩慢、生物量較低，因此其N和P積累量較少；6月份后，N和P積累量急劇增加。方差分析結(jié)果表明：7月至9月蘆葦生長中期地上部的N和P積累量顯著高于生長前期的5月和6月和生長后期的10月和11月(P<0.05)。由表3還可以看出：香蒲地上部N和P積累量動(dòng)態(tài)變化趨勢與蘆葦一致，呈典型的單峰型曲線，其N和P積累量的最大值出現(xiàn)在9月份，分別為(21.83±1.35)和(1.90±0.16) g·m-2，且與其他各月份N和P積累量差異顯著。此外，2種植物地上部N積累量極顯著大于P積累量(P<0.01)，說明蘆葦和香蒲在初級(jí)生產(chǎn)中對(duì)N的需求要高于P。研究結(jié)果表明：在整個(gè)生長過程中，蘆葦?shù)厣喜縉積累量顯著大于香蒲地上部N積累量，但蘆葦?shù)厣喜縋積累量與香蒲地上部P積累量差異不顯著(P>0.05)。推測原因是：雖然蘆葦?shù)厣喜可锪繕O顯著高于香蒲地上部生物量，但蘆葦?shù)厣喜縋含量極顯著低于香蒲地上部P含量。相關(guān)性分析結(jié)果表明：蘆葦?shù)厣喜縉積累量與P積累量間的相關(guān)方程為y=0.071 3x+0.076 2(R2=0.775 1)，香蒲地上部N積累量與P積累量間的相關(guān)方程為y=0.080 8x+0.068 2(R2=0.947 5)，均呈極顯著正相關(guān)。

2.4 蘆葦和香蒲地上部N和P積累量與生物量及N和P含量的相關(guān)性分析

蘆葦和香蒲地上部N和P積累量與生物量及N和P含量的相關(guān)性分析結(jié)果見圖1至圖3。結(jié)果表明：蘆葦?shù)厣喜縉和P積累量與生物量的相關(guān)方程分別為yN=0.006 5x+ 4.375 2 (R2= 0.554 0)和yP=0.000 3x+0.587 6(R2=0.222 8)，呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。香蒲地上部N和P積累量與其生物量的相關(guān)方程分別為yN=0.009 4x+2.290 5(R2=0.649 9)和yP=0.000 8x+0.257 4(R2=0.607 0)，也均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表3 不同月份蘆葦和香蒲地上部N和P積累量

●: N積累量N accumulation; ——: N積累量與地上部生物量的擬合直線 Fitting line between N accumulation and biomass of above-ground part;

○: N積累量N accumulation; ——: N積累量與N含量的擬合直線 Fitting line between N accumulation and N content.

○: P積累量P accumulation; ——: P積累量與P含量的擬合直線 Fitting line between P accumulation and P content.

蘆葦?shù)厣喜縉和P積累量與其N和P含量的相關(guān)方程分別為yN=0.429 9xN+10.034 0(R2=0.041 2)和yP=0.107 2xP+1.006 4 (R2=0.008 9)，香蒲地上部N和P積累量與其N和P含量間的相關(guān)方程分別為yN=0.078 5xN+8.416 1(R2=0.001 9)和yP=-0.254 4xP+1.177 6(R2=0.051 7)，相關(guān)性均不顯著(P>0.05)，說明蘆葦和香蒲地上部N和P積累量主要受其生物量的影響。

2.5 蘆葦和香蒲地上部C/N、C/P和N/P比的動(dòng)態(tài)變化

不同月份蘆葦和香蒲地上部的C/N、C/P和N/P比見表4。由表4可見：蘆葦和香蒲地上部C/N、C/P和N/P比在不同生長時(shí)期差異較大。蘆葦和香蒲地上部C/N比在整個(gè)生長季節(jié)(5月至11月)內(nèi)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，C/P比總體呈逐漸升高的趨勢，N/P比則呈波動(dòng)變化。當(dāng)N/P比在合適范圍(14～16)內(nèi)時(shí)，表明植物生長不受養(yǎng)分N和P的限制[14]。蘆葦?shù)厣喜縉/P比表現(xiàn)為生長末期(10月份和11月份)較高，其N/P比高于16，且顯著高于其他各月份(P<0.05)；只有7月份N/P比在合適范圍內(nèi)，其他月份N/P比均低于14。香蒲地上部N/P比在11月份高于16，與其他各月份差異顯著；其他各月份N/P比均低于14，整個(gè)生長季節(jié)其N/P比均不在合適范圍內(nèi)。總體來看，蘆葦和香蒲的生長在生長初期和中期受N限制，在生長末期受P限制。

表4 不同月份蘆葦和香蒲地上部的C/N、C/P和N/P比

3 討論和結(jié)論

生物量增長是植物通過吸收無機(jī)養(yǎng)分進(jìn)行光合作用實(shí)現(xiàn)的，濕地植物地上部生物量的大小是衡量濕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要標(biāo)志之一[15-16]。蘆葦和香蒲地上部生物量隨季節(jié)變化而變化，蘆葦?shù)厣喜可锪繌?月份開始迅速增加，9月份地上部生物量達(dá)到峰值，之后隨著降雨量的減少和溫度的降低蘆葦生物量逐漸降低。而香蒲地上部生物量從7月份起增長速率加快，10月份地上部生物量最大，之后迅速降低。供試2種濕地植物地上部生物量的季節(jié)變化趨勢基本一致，都為典型的單峰型曲線。蘆葦?shù)厣喜可锪孔畲笾? 480 g·m-2，這一結(jié)果與閩江河口濕地[16]和杭州灣濱海濕地[6]相近，但遠(yuǎn)低于夢(mèng)清園人工濕地[17]；香蒲地上部生物量最大值1 720 g·m-2，略低于劉宵等[8]在人工濕地植物生長特性的研究結(jié)果。

蘆葦和香蒲地上部N含量分別為6.13～14.70和7.23～18.70 mg·g-1，蘆葦?shù)厣喜縉含量略低于崇明東灘濕地的蘆葦[18]，香蒲地上部N含量高于南四湖濕地的香蒲[7]。蘆葦和香蒲地上部P含量分別為0.31～1.63和0.59～1.85 mg·g-1，蘆葦?shù)厣喜縋含量略低于夢(mèng)清園人工濕地的蘆葦[17]，香蒲地上部P含量低于南四湖濕地的香蒲[7]。蘆葦和香蒲地上部P含量隨著季節(jié)推移呈逐漸降低的趨勢，與吳愛平等[19]對(duì)長江中游淺水湖泊水中蘆葦和香蒲P含量變化趨勢的研究結(jié)果一致；特別是在春季P含量顯著高于其他季節(jié)，說明濕地植物在生長初期對(duì)P的需求較高。與地上部P含量變化趨勢不同的是，在生長季節(jié)內(nèi)蘆葦和香蒲地上部N含量呈波動(dòng)變化。劉穎等[20]認(rèn)為：蘆葦N含量在生長初期最大，隨著季節(jié)推移逐漸降低。而本研究結(jié)果表明：蘆葦?shù)厣喜縉含量在生長季節(jié)中總體呈先升高后下降的趨勢。此外，還有研究者認(rèn)為濕地植物體內(nèi)N和P含量具有年份和季節(jié)間的累積特點(diǎn)[7]。在生長期內(nèi)，蘆葦和香蒲地上部N含量極顯著高于P含量，說明蘆葦和香蒲對(duì)N的吸收強(qiáng)于對(duì)P的吸收，與段曉男等[21]對(duì)烏梁素海蘆葦N和P吸收的研究結(jié)果一致。

蘆葦和香蒲地上部N和P積累量季節(jié)差異明顯。2種植物最大N積累量以蘆葦較高，而最大P積累量以香蒲較高。其中蘆葦?shù)厣喜縉和P積累量的最大值均出現(xiàn)在8月份，分別為22.23和1.85 g·m-2，略高于閩江河口濕地蘆葦N和P總積累量[16]；香蒲地上部N和P積累量的最大值均出現(xiàn)在9月份，分別為21.83和1.90 g·m-2，低于劉宵等[8]對(duì)人工濕地香蒲N和P總積累量的測定結(jié)果。植物N和P積累量的季節(jié)變化主要與其地上部生物量季節(jié)變化有關(guān)，與植物的物候期相符[22]。

植物的N/P比可以用來說明限制生長的營養(yǎng)因子。一般來說，當(dāng)N/P比小于14時(shí)，N是植物生長的限制因子；而N/P比大于16時(shí)，P是植物生長的限制因子[23]。蘆葦和香蒲在生長初期和中期受N限制、生長末期受P限制，供試的蘆葦和香蒲生長主要受N限制。蘆葦和香蒲地上部C/N、C/P和N/P比在不同生長時(shí)期差異較大，在整個(gè)生長季節(jié)的變化規(guī)律也存在明顯差異，與牛得草等[24]的研究結(jié)果一致。

蘆葦和香蒲地上部N和P積累量與生物量間的相關(guān)性顯著，而與N和P含量間的相關(guān)性不顯著，說明2種植物N和P積累量主要取決于其生物量，而不是N和P含量，與曾從盛等[25]的研究結(jié)果一致。同時(shí)，植物體內(nèi)N含量遠(yuǎn)高于P含量，因此植物對(duì)N的富集能力極顯著高于對(duì)P的富集能力，這也說明植物在初級(jí)生產(chǎn)中對(duì)N的需求量遠(yuǎn)大于P。

濕地植物蘆葦和香蒲可以吸收水體中的N和P從而凈化水質(zhì)，通過收割植株地上部可以從濕地中一次性移除部分N和P。濕地植物收割對(duì)富營養(yǎng)化濕地修復(fù)的貢獻(xiàn)可用收割帶走的N和P總量表示。研究結(jié)果表明：供試蘆葦和香蒲長成后分別于8月份和9月份收割，水體中N和P去除量最大，此時(shí)收割能充分發(fā)揮2種植物去除N和P的功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] BRIX H. Treatment of wastewater in the rhizosphere of wetland plant: the root-zone method[J]. Water Science and Technology, 1987, 19: 107-118.

[2] KASEVA M E. Performance of a sub-surface flow constructed wet-land in polishing per-treated wastewater: a tropical case study[J]. Water Research, 2004, 38: 681-687.

[3] 李林峰, 年躍剛, 蔣高明. 植物吸收在人工濕地脫氮除磷中的貢獻(xiàn)[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2009, 22(3): 337-342.

[4] 崔麗娟, 李 偉, 張曼胤, 等. 不同濕地植物對(duì)污水中氮磷去除的貢獻(xiàn)[J]. 湖泊科學(xué), 2011, 23(2): 203-208.

[5] 徐德福, 徐建民, 王華勝, 等. 濕地植物對(duì)富營養(yǎng)化水體中氮、磷吸收能力研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2005, 11(5):

597-601.

[6] 吳統(tǒng)貴, 吳 明, 蕭木奎, 等. 杭州灣濱海濕地蘆葦生物量及N、P儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010, 30(10): 1408-1412.

[7] 郭長城, 胡洪營, 李鋒民, 等. 濕地植物香蒲體內(nèi)氮、磷含量的季節(jié)變化及適宜收割期[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2009, 18(3): 1020-1025.

[8] 劉 宵, 黃歲樑, 唐婷芳子, 等. 人工濕地植物生長特性及其對(duì)氮磷富集能力研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào), 2011, 22(5):

1-5.

[9] 盧少勇, 張彭義, 余 剛, 等. 茭草、蘆葦與水葫蘆的污染物釋放規(guī)律[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2005, 25(5): 554-557.

[10] 盛 婧， 鄭建初， 陳留根， 等. 基于富營養(yǎng)化水體修復(fù)的鳳眼蓮放養(yǎng)及采收條件研究[J]. 植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào), 2011, 20(2): 73-78.

[11] MEULEMAN A F M, Van LOGTESTIJN R, RIJS G B J, et al. Water and mass budgets of a vertical-flow constructed wetland used for wastewater treatment[J]. Ecological Engineering,2003,20:

31-44.

[12] 張林海, 曾從盛, 仝 川. 閩江河口濕地蘆葦和互花米草生物量季節(jié)動(dòng)態(tài)研究[J]. 亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào), 2008, 3(2):

25-33.

[13] 勞家檉. 土壤農(nóng)化分析手冊(cè)[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1988: 645-646.

[14] GüSEWELL S, KOERSELMAN W. Variation in nitrogen and phos-phorus concentrations of wetland plants[J]. Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics, 2002, 5: 37-61.

[15] COLE C A, BROOKS R P, WARDROP D H. Assessing the rela-tionship between biomass and soil organic matter in created wetlands of central Pennsylvania, USA[J]. Ecological Engineering, 2001, 17: 423-428.

[16] 章文龍, 曾從盛, 張林海, 等. 閩江河口濕地植物氮磷吸收效率的季節(jié)變化[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(6): 1317-1322.

[17] 吳淑杭, 徐亞同, 姜震方, 等. 夢(mèng)清園人工濕地蘆葦?shù)牡缀蜕锪縿?dòng)態(tài)及其適宜收割期的研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 25(6): 1594-1597.

[18] 閆 芊, 何文珊, 陸健健. 崇明東灘濕地植被演替過程中生物量與氮含量的時(shí)空變化[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2006, 25(9): 1019-1023.

[19] 吳愛平, 吳世凱, 倪樂意. 長江中游淺水湖泊水生植物氮磷含量與水柱營養(yǎng)的關(guān)系[J]. 水生生物學(xué)報(bào), 2005, 29(4): 406-412.

[20] 劉 穎, 王德利, 韓士杰, 等. 不同放牧率下羊草和蘆葦可溶性碳水化合物和氮素含量的變化[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 14(12): 2167-2170.

[21] 段曉男, 王效科, 歐陽志云, 等. 烏梁素海野生蘆葦群落生物量及影響因子分析[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 28(2): 246-251.

[22] 何太蓉, 楊永興. 三江平原濕地植物群落P、K的積累、動(dòng)態(tài)及其生物循環(huán)[J]. 海洋與湖沼, 2006, 37(2): 178-183.

[23] TESSIER J T, RAYNAL D J. Use of nitrogen to phosphorus ratios in plant tissue as an indicator of nutrient limitation and nitrogen saturation[J]. Journal of Applied Ecology, 2003, 40: 523-534.

[24] 牛得草, 李 茜, 江世高, 等. 阿拉善荒漠區(qū)6種主要灌木植物葉片C∶N∶P化學(xué)計(jì)量比的季節(jié)變化[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 37(4): 317-325.

[25] 曾從盛, 張林海, 仝 川. 閩江河口濕地短葉茳芏氮、磷含量與積累量季節(jié)變化[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(5): 788-794.