富營(yíng)養(yǎng)化水體中附植生物夏季反硝化脫氮作用研究

于洪剛　楊希晨　孟琦　劉勝雪　黨坤　雷澤遠(yuǎn)　董彬

摘要：指出了反硝化作用是水體去除氮素污染的重要途徑之一，水生植物莖葉表面的附著層為反硝化作用提供了微環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)。用微宇宙培養(yǎng)法分析了夏季水生植物附植生物的反硝化作用，結(jié)果表明：水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)對(duì)金魚藻附植生物的反硝化作用有明顯的影響，富營(yíng)養(yǎng)和中度富營(yíng)養(yǎng)水體中附植生物的反硝化作用速率較高，貢獻(xiàn)較大；水生植物附植生物反硝化作用能力存在差異，挺水植物蘆葦?shù)淖罡撸嗖莸淖畹?，與植物形態(tài)和生理特征有關(guān)。說(shuō)明在夏季水生植物豐富、生物量大的季節(jié)，水生植物附植生物的反硝化作用在水生態(tài)系統(tǒng)反硝化脫氮過程中占據(jù)著重要地位，可用于提高水環(huán)境質(zhì)量，應(yīng)予以重視。

關(guān)鍵詞：水生植物；附植生物；反硝化作用；氮去除

中圖分類號(hào)：X52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）20003602

1引言

在富營(yíng)養(yǎng)化水體中，位于水下的植物莖葉表面常附著微藻、微生物、菌膠團(tuán)、碎屑、顆粒物等多種物質(zhì)，形成厚度不等的附植生物聚集體[1]。研究發(fā)現(xiàn)，這種植物表面的附植生物聚集體內(nèi)部環(huán)境并不均一，存在富氧-微氧的復(fù)雜微環(huán)境[2]，且含有豐富的硝酸鹽、有機(jī)質(zhì)和微生物，這為反硝化作用的發(fā)生提供了重要場(chǎng)所和基質(zhì)[3]。初步的研究發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)分豐富的水域，水生植物附植生物的反硝化作用比較可觀，已接近甚至超過沉積物的[4，5]。反硝化作用是水體去除氮素的重要途徑之一，因此，在夏季水生植物豐富且生物量比較大的季節(jié)，比較研究不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中附著生物反硝化作用和不同種類水生植物附植生物反硝化作用，探明附植生物反硝化對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)反硝化脫氮的貢獻(xiàn)，對(duì)利用生態(tài)學(xué)手段消減富營(yíng)養(yǎng)化水體氮負(fù)荷具有重要的科學(xué)意義。

2材料與方法

2.1研究區(qū)和實(shí)驗(yàn)材料的選取

在前期野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，輕度富營(yíng)養(yǎng)化水域選取臨沂市206國(guó)道沂河大橋附近，中度富營(yíng)養(yǎng)化水域選擇臨沂市祊河城區(qū)段角沂攔河壩南，富營(yíng)養(yǎng)化水域選擇臨沂市武河濕地北段，重度富營(yíng)養(yǎng)化水域選擇祊河城區(qū)段沂龍灣大橋至金鑼大橋段。上述水域夏季均有沉水植物金魚藻（Ceratophyllum demersum L.）存在。

臨沂市祊河城區(qū)段角沂攔河壩南側(cè)夏季沉水植物和挺水植物豐富，群落穩(wěn)定。選擇典型沉水植物金魚藻、穗狀狐尾藻（Myriophyllum spicatum L.）、苦草（Vallisneria natans Hara）和挺水植物蘆葦（Phragmites australis），比較分析不同種類附植生物的反硝化作用。

2017年6月至8月，每月中旬選擇晴朗天氣在上述不同富營(yíng)養(yǎng)化程度水體中采集沉水植物金魚藻及其下表層沉積物、表層水。在祊河城區(qū)段角沂攔河壩南側(cè)區(qū)域采集沉水植物金魚藻、穗狀狐尾藻、苦草和挺水植物蘆葦及其下表層沉積物、表層水帶回實(shí)驗(yàn)室。用多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體溶解氧pH值、氧化還原電位（Eh）、水溫、透明度、水深等水環(huán)境指標(biāo)。

2.2樣品培養(yǎng)與測(cè)定

取水生植物10 g 左右，裝入氣密性圓柱形微宇宙中，用橡膠塞封口在原位溫度下黑暗中預(yù)培養(yǎng)6 h，使系統(tǒng)內(nèi)的氧氣降低到微量或耗盡。往預(yù)培養(yǎng)的植物樣品柱中注入原位水，用鋁箔包裹微宇宙后置于黑暗中，在原位溫度下繼續(xù)培養(yǎng)18 h。培養(yǎng)結(jié)束后2 mL 氯化鋅 （0.5 g/mL）溶液以終止微生物活性。混勻后取上清液用質(zhì)譜儀測(cè)定N2含量，計(jì)算反硝化作用速率。培養(yǎng)結(jié)束后取出植物，洗脫附植生物后按文獻(xiàn)[1]的方法進(jìn)行分析測(cè)定。水樣的培養(yǎng)與測(cè)定方法同植物的。

將采回的每個(gè)點(diǎn)的沉積物樣品混勻成泥漿。取已知體積的泥漿10 g加入10 mL脫氣水，混勻，取10 mL轉(zhuǎn)移至氣密性圓柱形微宇宙培養(yǎng)系統(tǒng)中，封口后在原位溫度下預(yù)培養(yǎng)18 h，后續(xù)培養(yǎng)與測(cè)定方法同植物的。

為便于比較附植生物、沉積物和水體的反硝化作用，筆者按單位濕地面積計(jì)算反硝化作用速率。沉積物、水質(zhì)理化指標(biāo)的測(cè)定采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）方法。

3結(jié)果與分析

3.1不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)水體中附植生物的反硝化作用存在差異

水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)對(duì)金魚藻附植生物的反硝化作用有明顯的影響?？偟脕?lái)說(shuō)，水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度越高，附植生物反硝化作用速率越高（圖1）。以富營(yíng)養(yǎng)化水域武河濕地北段金魚藻附植生物的反硝化作用最高，重度富營(yíng)養(yǎng)化水域的其次，輕度富營(yíng)養(yǎng)化水域206國(guó)道沂河大橋附近的最低，中度富營(yíng)養(yǎng)化水域祊河城區(qū)段角沂攔河壩南的居中。重度富營(yíng)養(yǎng)化水域金魚藻附植生物的反硝化作用并不是最高，可能是由于該區(qū)域金魚藻生物量相對(duì)較小的緣故。

在重度富營(yíng)養(yǎng)化水域，金魚藻附植生物的反硝化速率低于沉積物的，為沉積物的68.91%左右，但遠(yuǎn)高于水體的（為水體的8.67倍）。在富營(yíng)養(yǎng)化水域，金魚藻附植生物的反硝化速率與沉積物的相當(dāng)，遠(yuǎn)高于水體的（圖1）。而中度富營(yíng)養(yǎng)化水域和輕度富營(yíng)養(yǎng)化水域，金魚藻附植生物的反硝化速率略高于沉積物的，遠(yuǎn)高于水體的，這可能與該區(qū)域金魚藻比較密集、生物量較大而沉積物和水體營(yíng)養(yǎng)鹽尤其是硝酸鹽濃度相對(duì)較低有關(guān)。

沉水植物附植生物的反硝化作用在水生態(tài)系統(tǒng)氮去除過程中占據(jù)著重要地位。沉水植物金魚藻附著生物的反硝化脫氮作用貢獻(xiàn)在重度富營(yíng)養(yǎng)化、富營(yíng)養(yǎng)化、中度富營(yíng)養(yǎng)化和輕度富營(yíng)養(yǎng)化水體中分別為38.96%、47.53%、53.62%、51.70%，其中中度富營(yíng)養(yǎng)化水體中金魚藻附著生物反硝化貢獻(xiàn)最高，重度富營(yíng)養(yǎng)化的最低。沉積物反硝化作用貢獻(xiàn)為46%～57%，水體的為2%～4%。

于洪剛，等：富營(yíng)養(yǎng)化水體中附植生物夏季反硝化脫氮作用研究

環(huán)境與安全

3.2不同種類水生植物附植生物的反硝化作用存在差異

不同種類水生植物附植生物的反硝化作用存在明顯差異（圖2）。蘆葦?shù)淖罡?，穗狀狐尾藻的僅次于蘆葦?shù)?，再次是金魚藻的，苦草的最低。這種種間差異主要與植物的形態(tài)和生理特征有關(guān)。蘆葦為多年生濕生禾草，在水深20～50 cm水流較緩的水域均可形成高大的蘆葦群落，根狀莖十分發(fā)達(dá)。蘆葦強(qiáng)大的地下根莖系和密集的地上植株，對(duì)污染水體有較強(qiáng)的凈化作用。蘆葦莖葉表面粗糙，位于水下部分的莖葉表面易于附著微生物和水體顆粒物，為反硝化作用提供了巨大場(chǎng)所。沉水植物穗狀狐尾藻為多年生草本植物，根狀莖發(fā)達(dá)，可在水底沉積物中蔓延，節(jié)間部可生根，水下葉絲狀全裂、無(wú)葉柄，這種羽毛狀形態(tài)的葉比表面積大，為微生物和顆粒物提供了良好的附著表面，為反硝化提供了微環(huán)境。沉水植物金魚藻為多年生草本，葉輪生，呈絲狀條形，葉比表面積較大，附著物易于附著?？嗖轂槎嗄晟了荼?，葉基生，條帶型，葉表光滑，與狐尾藻和金魚藻相比，附著物不易附著，因此，其反硝化作用最低。endprint

不同種類植物其附著生物的反硝化作用貢獻(xiàn)存在差異。蘆葦、穗狀狐尾藻、金魚藻、苦草附植生物的反硝化作用貢獻(xiàn)分別為67.56%、57.29%、53.62%、44.12%，呈依次降低的趨勢(shì)。沉積物反硝化作用的貢獻(xiàn)為29.68%～53.52%，水體的貢獻(xiàn)最小（2.10%～2.76%）。由此可見，夏季附植生物的反硝化作用貢獻(xiàn)較大，是水生態(tài)系統(tǒng)氮去除的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)加以重視。

4結(jié)語(yǔ)

（1）夏季水生植物附植生物的反硝化作用在水生態(tài)系統(tǒng)反硝化脫氮過程中占據(jù)著重要地位。以富營(yíng)養(yǎng)和中度富營(yíng)養(yǎng)水體中附著生物反硝化貢獻(xiàn)較大，與沉積物的相當(dāng)，水體的反硝化作用最小，可忽略。

（2）水生植物附著生物反硝化作用能力存在差異。挺水植物蘆葦?shù)淖罡?，沉水植物穗狀狐尾藻的最高，苦草的最低，與植物形態(tài)和生理特征有關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

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于洪剛，褚雪，戚興勇，等.富營(yíng)養(yǎng)化水中三種水生植物附著物的比較研究[J].綠色科技，2016（6）：24～26.

[2]董彬， 韓睿明， 王國(guó)祥，等. 菹草莖葉微界面O2時(shí)空動(dòng)態(tài)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)， 2015， 35（24）：8202～8210.

[3]董彬，韓睿明，王國(guó)祥.沉水植物莖葉微界面特性研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2017，37（6）：1769～1776.

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[5]Eriksson P G， Weisner S E. An experimental study on effects of submersed macrophytes on nitrification and denitrification in ammonium-rich aquatic systems [J]. Limnology and Oceanography， 1999， 44（8）： 1993～1999.endprint