漂浮和沉水植物降解過(guò)程中氮磷的釋放規(guī)律

殷春雨　關(guān)保華　陳夢(mèng)琪　方淑波　印春生

摘要：將浮萍（Lemna minor）、馬來(lái)眼子菜（Potamogeton malaianus）烘干植物體懸掛在水柱中，定期檢測(cè)殘存干物質(zhì)和總氮（TN）、總磷（TP）含量，研究漂浮植物和沉水植物降解速率的差異。試驗(yàn)條件分別是原位池塘、有沉積物溫室和無(wú)沉積物溫室等3種降解條件。結(jié)果表明：馬來(lái)眼子菜干物質(zhì)降解速率略高于浮萍，2種植物的分解都是在原位池塘的條件下快于溫室條件下。馬來(lái)眼子菜TN的降解速率在有沉積物溫室和原位池塘的條件下高于浮萍，但TP的降解速率卻在所有處理?xiàng)l件下低于浮萍。2種植物分解1周后，氮磷比（NP）均上升，說(shuō)明TP的降解速率高于TN，1周后則波動(dòng)不大。由此可見(jiàn)，無(wú)論是漂浮植物還是沉水植物，磷的分解速率在1周之內(nèi)最快，漂浮植物浮萍TP的降解速率高于沉水植物馬來(lái)眼子菜。由結(jié)果可知，與沉水植物馬來(lái)眼子菜相比，漂浮植物浮萍釋放到水體的TP更多。

關(guān)鍵詞：漂浮植物；沉水植物；浮萍；馬來(lái)眼子菜；降解；氮；磷

中圖分類(lèi)號(hào)： X1714文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）21-0275-03

收稿日期：2016-06-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31270409）。

作者簡(jiǎn)介：殷春雨（1992—），女，安徽蕭縣人，碩士研究生，主要從事水體生態(tài)修復(fù)方面的研究。E-mail：1452745392@qqcom。

通信作者：印春生，博士，教授，主要從事環(huán)境分析化學(xué)、理論環(huán)境化學(xué)、海洋化學(xué)方面的研究。E-mail：csyin@shoueducn。

生長(zhǎng)于湖泊中的水生植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中必不可少的組成部分，其生長(zhǎng)發(fā)育和死亡分解過(guò)程對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)循環(huán)起著重要作用1]。無(wú)論是沉水植物還是漂浮植物，都可以有效去除水體中的氮磷及其他污染物，同時(shí)凈化水質(zhì)，提高水體自?xún)裟芰?，?duì)整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及系統(tǒng)穩(wěn)定性有重要影響2-6]。

水生植物的生長(zhǎng)具有一定的周期性，一年生水生植物的生物量在夏季達(dá)到最大值，在秋、冬季植物體逐漸凋萎死亡。水生植物在降解過(guò)程中會(huì)釋放部分營(yíng)養(yǎng)鹽，從而提高水體水質(zhì)和底泥的營(yíng)養(yǎng)鹽含量5，7-8]。水生植物包括挺水、漂浮、浮葉和沉水4種生活類(lèi)型9]。婁敏等對(duì)不同類(lèi)型的水生植物降解過(guò)程的研究表明，不同類(lèi)型的水生植物降解釋放氮磷的規(guī)律不同2，4-12]。

本研究通過(guò)模擬有無(wú)沉積物與原位對(duì)比的水體條件，研究浮萍和馬來(lái)眼子菜死亡植株的降解過(guò)程，探究漂浮和沉水水生植物降解和營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的差異，并分析其影響因素。

1材料與方法

11試驗(yàn)材料

浮萍、馬來(lái)眼子菜于2012年11月底采自無(wú)錫市五里湖，洗凈根部淤泥并去除雜質(zhì)，帶回實(shí)驗(yàn)室后在40 ℃下烘干至恒質(zhì)量。將馬來(lái)眼子菜剪碎成5～10 mm的小段，將浮萍單株分開(kāi)。隨后分別稱(chēng)?。? 000±1）mg處理好的馬來(lái)眼子菜、浮萍，分別放入編好號(hào)的分解網(wǎng)袋（200目尼龍網(wǎng)，10 cm×10 cm）中。試驗(yàn)用水為筆者所在實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水，沉積物為南京信息工程大學(xué)內(nèi)池塘底部的黑色沉積物。

12試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在南京信息工程大學(xué)的溫室和池塘中進(jìn)行，具體設(shè)置見(jiàn)表1。將浮萍和馬來(lái)眼子菜各自分成3個(gè)處理組，每個(gè)處理組有3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)中各有6份樣品。

處理組A、B在溫室中進(jìn)行，將每個(gè)重復(fù)組的樣品置于燒杯中。為保證恒溫，將燒杯均勻地放置在添加適當(dāng)水的塑料大桶內(nèi)。處理組C的樣品直接置于校園內(nèi)池塘中，在每個(gè)分解紗網(wǎng)中加入相同質(zhì)地、大小均勻的干凈石塊，使得每個(gè)分解紗網(wǎng)可以沉在池塘的底部，且放置的位置與取沉積物的位置相同。同時(shí)在每個(gè)分解紗網(wǎng)上加系1根尼龍繩，以方便每次采樣時(shí)將紗網(wǎng)取出。

13樣品采集與處理

測(cè)定馬來(lái)眼子菜和浮萍總氮（TN）、總磷（TP）的初始值。試驗(yàn)周期為5周，每隔1周隨機(jī)從各重復(fù)組中取1份樣品，測(cè)定干物質(zhì)質(zhì)量和TN、TP含量。

樣品取回實(shí)驗(yàn)室后，洗凈附著于植物殘?bào)w上的雜質(zhì)，于40 ℃烘干，稱(chēng)質(zhì)量并記下干物質(zhì)質(zhì)量，隨后將烘干后的樣品粉碎研磨，分別測(cè)定TN、TP含量。其中TN含量通過(guò)元素分析儀（意大利，Euro Vector，EA3000）測(cè)定，TP含量通過(guò)Prodigy電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國(guó)Leeman公司）測(cè)定12]。

14數(shù)據(jù)處理

所有樣品的干物質(zhì)質(zhì)量和TN、TP含量的數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理，繪制變化曲線，并計(jì)算植物降解速率。植物降解速率用K表示，干物質(zhì)、TN、TP對(duì)應(yīng)的降解速率分別為KS、KN、KP。其中干物質(zhì)降解速率計(jì)算方程如下（KN、KP類(lèi)推）：

KS=（S0-Sn）（d×S0）。

式中：S0為初始干物質(zhì)質(zhì)量，g；Sn為第n天干物質(zhì)質(zhì)量，g；n為時(shí)間，d。

2結(jié)果與分析

21干物質(zhì)降解速率的比較

由圖1可知，浮萍和馬來(lái)眼子菜都是處理組C的干物質(zhì)降解速率最快，不同的是，浮萍的降解速率以處理組A最低，馬來(lái)眼子菜的降解速率以處理組B最低，且除處理組B的浮萍的降解速率略高于馬來(lái)眼子菜的降解速率之外，其余2個(gè)處理組的浮萍的降解速率均低于馬來(lái)眼子菜的降解速率。

22TN降解速率的比較

由圖2可知，浮萍TN的降解速率在3個(gè)處理組中的變化不是很明顯，最高的是處理組C，為0013 3 mg（mg·d），最低的是處理組B，為0011 8 mg（mg·d），且處理組B和處理組C的降解速率均低于馬來(lái)眼子菜。馬來(lái)眼子菜TN的降解速率在3個(gè)處理組中的區(qū)別很明顯，處理組C的降解速率明顯高于另外2組，處理組A的降解速率最低，處理組C的降解速率是處理組A的2倍。

23TP降解速率的比較

由圖3可知，在3個(gè)處理組中浮萍和馬來(lái)眼子菜的TP含量降解速率的變化趨勢(shì)相同，均是處理組C降解得最快，處理組A降解得最慢，每種植物在各處理間差別不大，但浮萍TP的降解速率明顯高于馬來(lái)眼子菜TP的降解速率。endprint

FK（W11]TPYCY2tif]

FK（W11]TPYCY3tif]

23殘存干物質(zhì)中氮磷比（NP）的比較

浮萍?xì)埓娓晌镔|(zhì)中NP呈先上升后下降趨勢(shì)，第1周上升迅速，之后4周總體呈下降趨勢(shì)；處理組A在試驗(yàn)的5周內(nèi)，NP均是3個(gè)處理組中最低的（圖4-a）。馬來(lái)眼子菜殘存干物質(zhì)中N P在第1周急速上升，且處理組C的數(shù)值高于處理組A、處理組B，之后在15上下波動(dòng)（圖4-b），且3個(gè)處理組的NP差別不大。對(duì)比圖4-a和圖4-b可以看出，馬來(lái)眼子菜干物質(zhì)初始NP比浮萍高，降解過(guò)程中殘存NP比也高于浮萍。

3討論

31浮萍與馬來(lái)眼子菜降解規(guī)律的區(qū)別

通常將水生植物的降解過(guò)程分為2個(gè)階段：第1個(gè)階段為殘?bào)w干物質(zhì)的快速減少階段，該階段主要是易分解物質(zhì)的釋放過(guò)程；第2個(gè)階段為殘?bào)w干物質(zhì)的緩慢減少階段，主要是微生物將難分解的化合物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)化合物的過(guò)程13-14]。在本試驗(yàn)中，可以明顯看出，第1周是浮萍和馬來(lái)眼子菜的降解第1階段，干物質(zhì)快速減少，之后的4周減少得比較緩慢。

對(duì)比圖4-a和圖4-b可知，浮萍和馬來(lái)眼子菜殘存 NP 在整個(gè)降解過(guò)程中都有明顯差異，浮萍降解過(guò)程中殘存NP低于馬來(lái)眼子菜。在降解的第2個(gè)階段中，浮萍?xì)埓?NP 有波動(dòng)性變化，而馬來(lái)眼子菜幾乎保持不變。綜合本研究結(jié)果可知，浮萍和馬來(lái)眼子菜干物質(zhì)降解速率差異不大，浮萍TN的降解速率略低于馬來(lái)眼子菜，浮萍TP的降解速率明顯高于馬來(lái)眼子菜。浮萍的初始NP低于馬來(lái)眼子菜，說(shuō)明浮萍TP含量比較高，這可能是浮萍TP的釋放速率高于馬來(lái)眼子菜的原因，此外，高TP含量的水生植物釋放TP的速率也高。

32影響水生植物降解的環(huán)境因素

水生植物的降解過(guò)程主要受溫度、沉積物、營(yíng)養(yǎng)鹽及微生物分布因素的影響，同時(shí)也與降解的水生植物本身性質(zhì)有關(guān)13-16]。已有研究表明，沉積物的存在會(huì)加快水生植物的降解速率16-17]，這與本研究結(jié)果一致。這可能跟沉積物中富含微生物有關(guān)。在3個(gè)處理組中，原位池塘中自然條件復(fù)雜，模擬的是水生植物自然分解條件；溫室中的2組處理，溫度會(huì)高于池塘，但環(huán)境因素較少，特別是微生物的種類(lèi)和豐度會(huì)遠(yuǎn)低于池塘原生環(huán)境，未添加沉積物的處理組A中，微生物會(huì)更少。浮萍?xì)埓娓晌镔|(zhì)和馬來(lái)眼子菜殘存TN的降解速率明顯是有沉積物大于無(wú)沉積物的處理。浮萍和馬來(lái)眼子菜TP的降解速率在有沉積物的情況下要稍快一些，但速率相差不大。同時(shí)，磷的損失是快速的，相比之下氮要慢得多，同時(shí)磷的降解主要集中在第1階段。該結(jié)果與陳見(jiàn)等的研究結(jié)果16]類(lèi)似，這是由氮磷在植物體內(nèi)的存在形式?jīng)Q定的，植物體內(nèi)的磷主要存在于一些易于分解的生物活性物質(zhì)中，可優(yōu)先釋放出磷，當(dāng)植物腐敗到一定程度后，隨著植物體中一些難溶性物質(zhì)（如纖維素、多糖等）的比例提高，使得植物降解速率降低17-18]。

微生物對(duì)水體植物的降解影響很大，尤其在降解的第2階段影響更大，因?yàn)樵撾A段主要是難溶性的物質(zhì)在微生物以及胞外酶作用下緩慢降解19]。在本試驗(yàn)中，所有處理組的數(shù)據(jù)均驗(yàn)證了該觀點(diǎn)。2種植物的殘存干物質(zhì)和TN、TP的降解速率均是有微生物的最快，尤其是在殘存干物質(zhì)的變化上，在有微生物的情況下，降解要明顯快于沒(méi)有微生物的。

不同種類(lèi)的水生植物的降解速率也會(huì)因本身性質(zhì)的不同而各有差異，大量研究顯示，木質(zhì)素和纖維素含量較高的植物降解速率較低5，16，20]。馬來(lái)眼子菜的干物質(zhì)降解速率明顯高于浮萍，但是TN、TP的降解速率明顯低于浮萍，而且TN、TP的降解速率相差很大。在劉偉龍等的研究中表明，馬來(lái)眼子菜的NP要偏高些，尤其是葉片的NP要高于其他器官，但并未與其他水生植物進(jìn)行平行試驗(yàn)20]。本研究加強(qiáng)了這方面的研究，結(jié)果表明，2種植物的NP雖然都是升高的，但無(wú)論是初始值還是在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，浮萍的NP要低于馬來(lái)眼子菜的NP。

33結(jié)論

不同類(lèi)型的水生植物在降解過(guò)程中釋放氮磷的速率是不同的。沉水植物馬來(lái)眼子菜干物質(zhì)和TN降解速率高于漂浮植物浮萍，馬來(lái)眼子菜TP的降解速率低于浮萍。2種水生植物TP的降解量、降解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TN的降解量和降解速率?？梢?jiàn)沉積物和微生物的存在，會(huì)加快水生植物的降解。

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