黑藻對沉積物上覆水及間隙水中磷垂直濃度變化的影響

黃立章， 許 超， 陳 濤， 周小華

(1.江西省水利規(guī)劃設計研究院/江西省水工結構工程技術研究中心，江西南昌 330029；2.中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南長沙 410125)

沉水植物是淺水湖泊的主要生物類群，是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，占據(jù)著淺水水體生態(tài)系統(tǒng)的關鍵界面，以其自身的形態(tài)、群落結構特征及生理活動影響著其周圍環(huán)境，對水體生產(chǎn)力及生物地球化學循環(huán)具有重要的影響，在維持湖泊生態(tài)平衡中發(fā)揮著重要的作用，近年來被廣泛用于富營養(yǎng)化水體的修復[1]。沉水植物對磷在沉積物-水界面之間的遷移轉化有著重要的影響，相關研究表明，沉水植物豐富的水域往往水土中總氮、總磷明顯降低，水質清澈、藻類密度低，生物多樣性高[2-4]。包先明等研究表明，沉水植物正常生長下對沉積物間隙水中磷含量有一定影響，但其影響作用不明顯[5]。沉水植物生長過程中會改變沉積物-水界面環(huán)境因子，從而影響著沉積物中磷的釋放與吸收[6-8]。研究表明，環(huán)境因子pH值、氧化還原電位等能夠影響沉積物-水界面磷的循環(huán)過程，沉水植物通過提高上覆水中的溶解氧(DO)、氧化還原電位和pH值及沉積物氧化還原電位的方式影響上，覆水和沉積物之間磷的遷移轉化[9]?？嗖菰谏L過程中減緩了沉積物磷的相對釋放速率，使上覆水中總磷、溶解性活性磷、溶解性有機磷、顆粒態(tài)總磷均呈現(xiàn)不同程度的下降，苦草主要通過吸收上覆水和間隙水中的磷及對環(huán)境因子的影響，使得上覆水中各形態(tài)磷保持在較低的水平，降低沉積物向水體釋放磷的速率[10]。種植沉水植物可使上覆水總磷含量顯著降低，且伊樂藻對總磷的凈化效果優(yōu)于菹草[11]。目前，沉水植物對上覆水磷濃度的影響主要是從水質凈化和上覆水磷形態(tài)變化的角度進行了探討，而采用通過培育沉水植物來探討沉水植物生長中對間隙水中磷變化的影響的研究較為缺乏。

黑藻(Hydrillaverticillata)屬于單子葉植物綱水鱉科黑藻屬，是長江中下游淺水湖泊中重要的沉水植物之一，在淺水湖泊富營養(yǎng)化治理中應用較為廣泛[5]。本研究以黑藻作為沉水植物的代表，研究沉水植物生長過程中沉積物-水系統(tǒng)中磷在上覆水及間隙水垂直濃度的變化情況，以期為利用沉水植物修復富營養(yǎng)湖泊提供科學基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

供試沉積物為采自南昌市城市湖泊艾溪湖0～10 cm層的沉積物，于通風陰涼處自然風干，研磨，過10目篩，于密實塑料袋中存放備用。沉積物基本理化性質見表1。

試驗所用沉水植物黑藻(Hydrillaverticillata)購自廣州花草市場，購回后用自來水浸泡，把雜質和腐爛根葉剔除，隔段時間更換自來水馴化。

表1 南昌市艾溪湖沉積物基本理化性質

1.2 試驗裝置與儀器

用塑料桶制作沉積物模擬裝置(圖1)，塑料桶開口直徑32.5 cm，底直徑24.0 cm，高30.0 cm，每桶裝5.5 kg、高度 8 cm 過篩的沉積物，在試驗裝置的一側不同間隔位置開了4個小孔以作采樣口，上覆水和間隙水取樣口各占2個，它們距離沉積物-水界面的距離分別為9、 1、-1、-6 cm(負號表示界面以下)。在小孔中安裝土壤溶液Rhizon-SMS土壤水分采樣器(型號19.21.xx)。

1.3 試驗方法

試驗設計2個處理，分別為種植沉水植物、不種植沉水植物處理，每個處理添加磷1 g/kg，以KH2PO4固態(tài)的形式添加，攪拌均勻，并設3個重復。試驗時分別取4株生長一致的健壯沉水植物(5.3 g/株)，用純水洗凈，稱鮮質量后植入試驗桶中。試驗開始時，向桶內(nèi)緩緩加入蒸餾水至水面高度19 cm(距界面)，在水面處作標記。分別在處理后7、15、30、45、60、75、90、105、120、135、150、165、180 d，自上而下抽取各層水樣。每次采樣后沿管壁緩緩加入蒸餾水至水面初始刻度(t=0 h時)以補充采樣和蒸發(fā)消耗的水量。

本試驗期于2013年5月7日至2013年11月4日在華南農(nóng)業(yè)大學塑料大棚內(nèi)進行。

1.4 測定方法

沉積物pH值用MARTINI便攜式pH值測試儀(型號MI106)測定，土水質量比為1 ∶2.5(風干土)；有機質用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定[12]。水樣pH值用MARTINI便攜式pH值測試儀(型號MI106)測定；氧化還原電位用奧立龍ORP檢測儀(型號320P-83A)測定；水中可溶性磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法測定[13-15]。土壤有效鐵、有效錳用DTPA浸提，原子吸收分光光度計(日本HITACHI公司，Z-2300)測定[12]。實驗室所用器皿均用稀鹽酸浸泡過夜，所用藥品均為分析純。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS統(tǒng)計軟件包(19.0版本)進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 上覆水和間隙水不同采樣點可溶性磷酸鹽變化動態(tài)

試驗開始階段水體磷濃度較高，這主要是由于沉積物短暫的磷釋放導致，沉積物總磷含量較高，而上覆水是自來水，因此形成較大的濃度梯度，開始向上覆水釋放磷。但是隨著上覆水體高的溶解氧逐漸進入沉積物，使得沉積物-水體系由還原態(tài)向氧化態(tài)轉變，在氧化狀態(tài)下，F(xiàn)e2+向Fe3+轉變，同時，水體的pH值在后期也逐漸升高(圖2)，產(chǎn)生[Fe(OH)s]膠體還會對水中溶解性磷進行吸附，從而抑制磷的釋放。從圖2可以看出，種植沉水植物和不種植沉水植物處理上覆水采樣點1、采樣點2和間隙水采樣點3處可溶性磷酸鹽含量在試驗期間均呈下降趨勢；間隙水采樣點4處可溶性磷酸鹽含量在60～120 d有較大波動，其他時間變化不明顯。在 60～105 d期間，種植沉水植物處理和不種植沉水植物處理可溶性磷酸鹽含量呈現(xiàn)先上升后下降的變化，說明在此期間，沉積物存在一個明顯的向水中釋放磷的過程。上覆水采樣點1處種植沉水植物處理可溶性磷酸鹽濃度上升程度大于不種植沉水植物處理，上覆水采樣點2處、間隙水采樣點3處、間隙水采樣點4處不種植沉水植物處理可溶性磷酸鹽濃度的上升程度大于種植沉水植物處理。

在大部分時間內(nèi)，種植沉水植物處理上覆水采樣點1、采樣點2處和間隙水采樣點3、采樣點4處可溶性磷酸鹽濃度小于不種植沉水植物處理。縱向變化上，種植沉水植物處理中，上覆水采樣點1和采樣點2處可溶性磷酸鹽濃度值相差并不大，間隙水采樣點4處可溶性磷酸鹽濃度值除60～105 d外，其他時間要小于采樣點3處，而上覆水磷濃度總體要高于間隙水磷濃度。不種沉水植物處理中的可溶性磷酸鹽含量縱向變化規(guī)律與種沉水植物處理不同，上覆水采樣點1處可溶性磷酸鹽濃度值要小于采樣點2處，而間隙水采樣點3處除75～105 d 外，其他時間可溶性磷酸鹽濃度大于采樣點4處。上覆水采樣點2處和間隙水采樣點3處可溶性磷酸鹽濃度相比，采樣點3處在75～105 d可溶性磷酸鹽濃度明顯大于采樣點2處，此外的大部分時間里，采樣點3可溶性磷酸鹽濃度值小于采樣點2。

2.2 pH值變化動態(tài)

從圖3可以看出，在試驗開始時，種沉水植物處理上覆水的pH值明顯低于間隙水。上覆水和間隙水pH值在0～75 d呈上升趨勢，在75 d達到峰值，之后呈下降趨勢。與不種沉水植物處理相比，種沉水植物處理上覆水pH值升高，而間隙水pH值則變化較大，在8～60 d升高，60～90 d、105 d時降低，之后相差不明顯?？v向變化上，種沉水植物處理上覆水采樣點1和采樣點2處pH值差異不大，而間隙水中深度較深的采樣點4處pH值大多高于采樣點3處，說明間隙水pH值大小與深度有關。采樣點2和采樣點3處，即上覆水和間隙水在距沉積物-水界面等距離點處相比，在8～45 d，上覆水采樣點2處pH值小于間隙水采樣點3處，而60 d以后，采樣點2處pH值要大于間隙水采樣點3處。不種沉水植物處理縱向變化的規(guī)律與種沉水植物處理大致相同。

2.3 氧化還原電位變化動態(tài)

氧化還原電位變化動態(tài)見圖4，種植沉水植物處理上覆水和間隙水各層次氧化還原電位值都大于不種植沉水植物處理。在試驗開始時種植沉水植物處理上覆水氧化還原電位值明顯大于其間隙水。不種植沉水植物處理和種植沉水植物處理氧化還原電位值在試驗時間內(nèi)的變化規(guī)律相似。上覆水和間隙水氧化還原電位值在0～165 d總體呈下降趨勢，之后升高。

縱向變化上，種植沉水植物處理上覆水采樣點1處氧化還原電位值大于采樣點2處，而間隙水采樣點3處氧化還原電位值大于采樣點4處，采樣點2處氧化還原電位值大于采樣點3處。表明種植沉水植物處理氧化還原電位值大小與采樣點的深度有關，隨著采樣點深度的增加其氧化還原電位值減小。不種植沉水植物處理上覆水采樣點1和采樣點2處氧化還原電位值無明顯差異；在8～60、135～150 d間隙水采樣點3處氧化還原電位值大于采樣點4處，75～120 d則小于采樣點4處，其他時間無差異。

2.4 可溶性磷酸鹽與環(huán)境因子參數(shù)之間的關系

從表2可以看出，種植沉水植物處理和不種植沉水植物處理上覆水的pH值和氧化還原電位之間呈極顯著負相關，pH值和可溶性磷酸鹽呈顯著正相關。種植沉水植物處理可溶性磷酸鹽和氧化還原電位無顯著相關性，不種植沉水植物處理二者間呈顯著負相關。

表2 種沉水植物和不種沉水植物處理pH值、氧化還原電位和可溶性磷酸鹽相關性分析

3 討論與結論

3.1 沉水植物對上覆水和間隙水磷濃度的影響

沉水植物在生長過程中可以通過莖葉和根系來吸收上覆水和沉積物中的磷，以合成植物體內(nèi)的物質。在本試驗條件下，種植沉水植物和不種植沉水植物處理上覆水可溶性磷酸鹽濃度均在105 d左右出現(xiàn)一個波峰，此后隨著試驗的進行均呈現(xiàn)降低的趨勢，主要原因可能是剛開始培育的時候，上覆水和沉積物之間存在一個磷的濃度差，沉積物此時充當“源”的角色向上覆水釋放磷，當沉水植物進入生長旺盛期的時候，沉積物中磷向上覆水的擴散逐漸下降并趨于穩(wěn)定。因為沉水植物直接與沉積物接觸，不僅能直接吸收沉積物釋放的磷，也能直接從沉積物中吸收營養(yǎng)鹽；沉水植物光合作用產(chǎn)生氧氣提高水體及根系周邊的溶解氧，從而抑制沉積物磷的釋放。種植沉水植物處理上覆水可溶性磷酸鹽濃度總低于不種植沉水植物處理。本試驗系統(tǒng)中，處于一個相對封閉的環(huán)境，沒有外源磷的輸入，上覆水中的磷只來自于沉積物，因此可推斷沉水植物存在可降低上覆水中磷的濃度，特別對沉積物-水界面附近上覆水可溶性磷酸鹽濃度影響顯著。

3.2 上覆水環(huán)境因子的改變對磷釋放的影響

影響內(nèi)源磷釋放的因素包括理化性質和外部環(huán)境因子，理化性質包括沉積物中磷的含量和賦存狀態(tài)、氧化還原電位、沉積物的組成等；外部環(huán)境因子包括上覆水的溶解氧、pH值、溫度、生物作用、擾動等。沉水植物對水環(huán)境條件如溶解氧、氧化還原電位、pH值等都有重要影響[16]。在本試驗條件下，種植沉水植物處理上覆水、間隙水中pH值和氧化還原電位均高于不種植沉水植物處理。

本試驗中種植沉水植物處理水樣pH值較高，一般認為，沉水植物因其根、莖、葉完全沉沒于水中，在白天光照充足時，會因其強烈的光合作用消耗水中的CO2，導致水中pH值提高[17]。眾多研究也觀察到，具有沉水植物生長的水體，水中的pH值較高[18-19]。Jin等研究發(fā)現(xiàn)，pH值升高時將促進沉積物磷釋放[20]；Jensen等調查了丹麥不同湖泊pH值與PO43-含量之間的關系，發(fā)現(xiàn)部分湖泊高pH值明顯促進溶解活性磷的釋放[21]。金相燦等研究，通過添加酸堿控制試驗水體pH值，室內(nèi)模擬研究太湖不同湖區(qū)沉積物的磷釋放量，提出水體磷的含量與pH值存在明顯的呼應關系，高pH值條件下，促進NaOH-P的釋放，而在低pH值條件下，促進HCl-P的釋放[22]。本試驗表明，在沉水植物存在的條件下，沉水植物生長所引起的pH值升高并未導致沉積物磷的釋放增加。

本試驗中種植沉水植物處理上覆水和間隙水各層次氧化還原電位值都大于不種植沉水植物處理。相關研究表明，當氧化還原電位較高時，金屬離子與磷酸鹽結合成不溶的磷酸鹽，可溶性磷也被氫氧化物吸附而逐漸沉降，從而起到抑制沉積物磷的釋放，本研究結論與這些研究結果[23-24]一致。

沉積物中的磷釋放是在各種因素共同作用下產(chǎn)生綜合影響效應的結果。本試驗中，僅僅研究了上覆水pH值和氧化還原電位的變化顯然是不夠的，其他因素如沉積物的性質、沉積物磷形態(tài)、溫度、沉水植物生理狀況等因素也起著重要作用。沉積物與水體之間磷的遷移轉化是一個很復雜的過程，上覆水中磷濃度的變化是否顯著是各種環(huán)境因子綜合作用的結果，而不能單考慮pH值或氧化還原電位，可能是居于主導作用的因素決定磷吸附還是釋放，因此，在這樣一個封閉的系統(tǒng)里，哪種影響因子對沉積物磷的轉化和釋放產(chǎn)生決定因素還需要進一步研究闡明。

在沉水植物影響下，上覆水和間隙水的磷含量均有所降低，沉水植物對于水中可溶性磷酸鹽含量影響的程度與采樣點和沉積物-水界面的距離有關，即距離越小，影響越明顯，所以如果利用沉水植物來修復湖泊富營養(yǎng)化時，在成本允許的情況下，可適當考慮縮短沉水植物的株距。

致謝：特別感謝華南農(nóng)業(yè)大學環(huán)境與資源學院楊哲同學在試驗過程中給予的幫助。