太湖近岸帶草藻殘?bào)w分解對(duì)水質(zhì)的影響

余岑涔 ，馬 杰 ，許曉光 ，3，王國(guó)祥 ，3*，劉慧超

（1.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023；2.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023；3.江蘇省地理信息資源開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省水土環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210023）

受人類(lèi)活動(dòng)影響，我國(guó)部分湖泊富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重[1-3]，藻類(lèi)水華爆發(fā)（藻型富營(yíng)養(yǎng)化）或水草瘋長(zhǎng)（草型富營(yíng)養(yǎng)化），導(dǎo)致大量藻類(lèi)及水草碎屑堆積腐爛。水生植物殘?bào)w分解會(huì)向水體釋放大量N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高水平[4-5]。植物殘?bào)w分解耗氧致使水體缺氧、水質(zhì)惡化[6-7]，同時(shí)在局部水域引起“黑水團(tuán)”、“湖泛”事件[8-9]，且導(dǎo)致沉積物中磷的內(nèi)源釋放量增大[5]。湖泛導(dǎo)致水體長(zhǎng)時(shí)間處于厭氧還原環(huán)境，對(duì)湖泊水體及沉積物中敏感元素Fe的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程影響極大[10-11]，沉積物中Fe的氧化和還原又對(duì)磷的釋放具有重要作用[12]。在大型淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中，藍(lán)藻水華易受風(fēng)浪、水流等因素的影響，在下風(fēng)向的近岸區(qū)尤其是蘆葦叢聚集。大量藍(lán)藻水華和蘆葦殘?bào)w混合堆積、腐爛，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水環(huán)境質(zhì)量和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程都具有重要影響。

目前，已有大量研究關(guān)注藍(lán)藻水華堆積-衰亡過(guò)程對(duì)水體氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的不同形態(tài)以及濃度的影響[5，13-15]，水生植物殘?bào)w分解對(duì)水質(zhì)變化的影響也有諸多報(bào)道[16-18]。藻類(lèi)和水生高等植物殘?bào)w快速淤積形成的沉積結(jié)構(gòu)較一般沉積物而言，其代謝過(guò)程有明顯差異[19-21]，對(duì)此尚未見(jiàn)有針對(duì)性的研究報(bào)道。藻類(lèi)是否會(huì)促進(jìn)水生植物的分解，加快營(yíng)養(yǎng)鹽釋放等問(wèn)題尚未清楚。本文通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，研究藍(lán)藻、蘆葦殘?bào)w及其混合分解對(duì)水質(zhì)的影響，為密切關(guān)注蘆葦叢及近岸帶漕溝等區(qū)域，及時(shí)消除藍(lán)藻蘆葦堆積，防止水源污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以透明塑料瓶作為試驗(yàn)容器（直徑10 cm，高18 cm，底部密封，上部開(kāi)口），瓶中加入300 g沉積物和450 mL太湖水。共設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)組，分別標(biāo)記為A、B、C、D，每個(gè)試驗(yàn)組3個(gè)平行，其中對(duì)照組A不添加植物殘?bào)w，B、C、D組為處理組。根據(jù)曹勛[22]、李柯等[15]研究中的藍(lán)藻濃度，分別添加藍(lán)藻2 g（干重，B組），蘆葦2 g（干重，C 組），藍(lán)藻和蘆葦各2 g（干重，D組）。

試驗(yàn)在恒溫培養(yǎng)箱進(jìn)行，控制溫度為26℃±1℃，避光，模擬太湖藍(lán)藻-蘆葦殘?bào)w分解過(guò)程。試驗(yàn)開(kāi)始后，分別于第 1、2、4、7、11、16、24、31、40、51 d 進(jìn)行樣品采集，采用便攜式探頭（美國(guó)）測(cè)定水體DO、pH、EC和Eh等水質(zhì)參數(shù)，采集水樣測(cè)定總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（-N）、硝氮（-N）等指標(biāo)。用蒸餾水補(bǔ)足蒸發(fā)流失的水量。

1.2 樣品采集與處理

用比特森采泥器采集太湖沉積物樣品，裝入聚乙烯自封袋中保存帶回；在采樣點(diǎn)附近采集上覆水，作為實(shí)驗(yàn)裝置填充用水。沉積物樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后過(guò)篩，去除底棲動(dòng)物和大顆粒物質(zhì)，以保證樣品的均質(zhì)性，水樣過(guò)0.45 μm濾膜去除大顆粒物質(zhì)待用。將處理后的沉積物樣品填充在透明塑料瓶中，再用注射器沿瓶壁緩慢添加處理后的太湖水450 mL，在室內(nèi)穩(wěn)定一周后再添加植物殘?bào)w。

采集太湖近岸帶蘆葦枯萎植株，洗凈，烘干后用植物粉碎機(jī)磨成粉末狀；同時(shí)采集堆積的藍(lán)藻藻漿，用清水沖洗，冷凍干燥，研磨待用。

1.3 測(cè)定方法

TN采用堿性過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法測(cè)定（GB 11894—1989），TP采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）測(cè)定，溶解性營(yíng)養(yǎng)鹽-NN 經(jīng)0.45 μm玻璃纖維膜抽濾后，用AAC3流動(dòng)水質(zhì)分析儀（德國(guó)）測(cè)定；Fe2+采用鄰菲啰啉分光光度法測(cè)定（HJ/T 345—2007）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文運(yùn)用Origin處理圖表，SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體DO及Eh變化特征

水體溶解氧（DO）不僅影響水生生物的生存，還影響水體的自凈能力，是反映生物生長(zhǎng)狀況和污染狀況的重要指標(biāo)。添加草藻殘?bào)w后水中DO濃度和Eh值如圖1所示，對(duì)照組水體DO濃度相對(duì)穩(wěn)定，與各處理組之間呈極顯著差異（P＜0.01）。加入植物殘?bào)w24 h后，B、C、D處理組 DO濃度分別下降了 6.03、5.95 mg·L－1和 5.91 mg·L－1，究其原因是植物殘?bào)w分解過(guò)程耗氧，且微生物對(duì)植物及其釋放的有機(jī)物的分解同樣需要消耗水中溶解氧。隨著草藻殘?bào)w分解速度減緩，水體DO消耗速率降低，空氣中的氧氣不斷補(bǔ)充進(jìn)入水體，水體DO濃度逐漸升高并趨于穩(wěn)定。到實(shí)驗(yàn)后期，B、C、D 處理組 DO 濃度穩(wěn)定在 1.29、2.53 mg·L－1和 0.34 mg·L－1。

相關(guān)性分析表明，水體ρ（DO）與氧化還原電位（Eh）呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。加入草藻殘?bào)w后，各處理組Eh值迅速降低。B組在第11 d降至最低，為－166.47 mV，后逐漸升高；C組在24 h內(nèi)降至－175.8 mV，試驗(yàn)后期穩(wěn)定在53 mV；D組一直處于厭氧狀態(tài)，水體Eh值最終穩(wěn)定在－150 mV左右，水體具極強(qiáng)還原性。試驗(yàn)期間，對(duì)照組水體Eh值在50～120 mV之間波動(dòng)。

圖1 水體DO和Eh變化特征Figure1 Changes of DO concentration and Eh level in the water

圖2 水體TP和Fe2+變化特征Figure2 Trends of the concentrations of TP and Fe2+in the water

2.2 水體TP、Fe2+變化特征

隨著植物殘?bào)w的分解，對(duì)照組水體TP含量無(wú)明顯變化，維持在0.1 mg·L－1左右，與各處理組差異極顯著（P＜0.01）。在試驗(yàn)前期，水體TP濃度顯著升高，主要源于植物殘?bào)w的釋放。各處理組TP濃度峰值及達(dá)到峰值的時(shí)間不同，B組和D組均在第11 d達(dá)到峰值，分別為 4.26 mg·L－1和 5.75 mg·L－1。蘆葦分解速度相對(duì)較慢，在第24 d達(dá)到峰值2.56 mg·L－1。B組和C組呈極顯著差異（P＜0.01），達(dá)到峰值后各處理組TP含量呈逐漸下降趨勢(shì)。

在強(qiáng)還原性條件下，沉積物中的Fe3+由于有機(jī)質(zhì)的礦化等因素轉(zhuǎn)化為Fe2+，鐵的氧化與還原會(huì)影響沉積物中磷的釋放。試驗(yàn)初期，各處理組Fe2+含量迅速上升，均于24 h內(nèi)達(dá)到峰值，B組含量最高達(dá)到1.62 mg·L－1，增長(zhǎng)速率為 1.53 mg·L－1·d－1，C 組和 D 組最高值分別是初始值的10倍和14倍。對(duì)照組Fe2+含量一直處在較低水平，低于0.13 mg·L－1。試驗(yàn)24 d后，B組和C組Fe2+含量趨于穩(wěn)定，其濃度范圍在0.1～0.2 mg·L－1之間。D 組 Fe2+含量在第 31 d 降至最低，為0.28 mg·L－1，試驗(yàn)后期略有上升。

2.3 水體N含量變化特征

加入植物殘?bào)w后，各處理組TN含量呈明顯上升趨勢(shì)，B組和D組TN濃度與C組差異極顯著（P＜0.01）。試驗(yàn)期間，B 組第 2 d 達(dá)到峰值 74.24 mg·L－1，增長(zhǎng)速率為 30.00 mg·L－1·d－1，40 d 后基本穩(wěn)定。C、D組TN含量分別在試驗(yàn)第7、2 d達(dá)到峰值32.67 mg·L－1和 79.11 mg·L－1，是初始值的 2 倍和 6 倍。B 組和 D組到達(dá)峰值時(shí)間相同，C組具延遲性，該變化與TP相似，可能是藍(lán)藻與蘆葦?shù)母猱a(chǎn)物存在某種相互作用機(jī)制，促進(jìn)了蘆葦?shù)姆纸?，使藍(lán)藻和蘆葦混合體系的分解速率加快。

圖3 水體TN、－N 和 －N變化特征Figure3 Trends of the concentrations of TN，－N andN in the water

表1 處理組水體營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)性分析Table1 Correlation analysis of nutrients of water from treated experiments

2.4 水體營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)性分析

分析藍(lán)藻和蘆葦殘?bào)w分解過(guò)程中各營(yíng)養(yǎng)鹽之間的相關(guān)關(guān)系，有利于了解不同形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的轉(zhuǎn)化規(guī)律。本研究草藻殘?bào)w分解過(guò)程中水體各營(yíng)養(yǎng)鹽含量的相關(guān)關(guān)系如表1所示。

3 討論

3.1 草藻殘?bào)w分解過(guò)程水體TP、Fe2+變化特征

水生植物腐爛分解后，所含營(yíng)養(yǎng)鹽的70%以上會(huì)在短期內(nèi)釋放進(jìn)入水體，參與水體營(yíng)養(yǎng)鹽的再循環(huán)[23]。試驗(yàn)初期水體TP濃度迅速升高，一方面是植物殘?bào)w分解釋放出大量磷營(yíng)養(yǎng)鹽，另一方面是由于厭氧條件下間隙水中的磷酸鹽向上覆水遷移轉(zhuǎn)化以及沉積物中Fe－P的還原釋放[24－25]。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，植物釋放的磷逐漸向底泥中遷移，水中磷含量稍有降低[26－27]。當(dāng)上覆水的pH值接近中性時(shí)，水中正磷酸鹽主要以和的形態(tài)存在，易與沉積物中金屬元素結(jié)合[28]。本試驗(yàn)中性偏弱堿的水體條件有利于底質(zhì)對(duì)水體磷的吸附，這是試驗(yàn)進(jìn)行16 d后TP逐漸降低的重要原因。

沉積物中鐵主要以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)存在[11]，極強(qiáng)的還原環(huán)境有利于其以Fe2+的形態(tài)向上覆水釋放。當(dāng)pH＞6時(shí)，F(xiàn)e3+、Mn4+發(fā)生水解而以鐵錳氧化物的形式沉淀。太湖是典型的水體偏堿性湖泊，F(xiàn)e和Mn主要以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)的形式存在[29]。大量草藻殘?bào)w形成厭氧、強(qiáng)還原條件，使得以鐵氧化物形態(tài)存在的Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+，并以Fe2+釋放到水體及沉積物表面。較低的氧化還原電位條件有助于Fe3+向Fe2+轉(zhuǎn)化，使鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鐵轉(zhuǎn)變成Fe2+，以及不溶性氫氧化鐵轉(zhuǎn)化成可溶態(tài)鐵而析出[30]。試驗(yàn)后期，隨著水體Eh值的升高，F(xiàn)e2+濃度降低至較低水平。而D組一直處于厭氧狀態(tài)，水體Eh值最終穩(wěn)定在－150 mV左右，水體具極強(qiáng)還原性，F(xiàn)e2+濃度偏高。

3.2 草藻殘?bào)w分解過(guò)程水體N含量變化特征

在厭氧環(huán)境下，植物細(xì)胞破碎會(huì)釋放大量顆粒有機(jī)氮（PON），經(jīng)微生物作用轉(zhuǎn)化為溶解性有機(jī)氮（DON），再進(jìn)一步分解為溶解性無(wú)機(jī)氮（DIN）[14]。加入草藻殘?bào)w后，各處理組DO濃度迅速降低，植物釋放的PON在厭氧微生物作用下通過(guò)氨化作用直接生成或先轉(zhuǎn)化為DON后再逐漸礦化為，同時(shí)還有一部分通過(guò)氨異化作用被還原成，這是試驗(yàn)初期含量迅速上升的主要原因。

試驗(yàn)前期水體TN濃度迅速上升，這主要是因?yàn)樵诜纸膺^(guò)程中植物體內(nèi)的氮不斷釋放出來(lái)[32]。隨著時(shí)間推移，TN含量開(kāi)始下降，水體處于還原環(huán)境等在反硝化作用下易被還原成N2和N2O釋放到大氣中，造成體系中N的減少[33]。此外碳氮比（C/N）是影響植物脫氮過(guò)程的主要因素[34]，植物殘?bào)w分解向水體釋放了有機(jī)質(zhì)，而增加有機(jī)質(zhì)含量可以增強(qiáng)反硝化作用[35]。TN含量有所降低。

4 結(jié)論

（1）加入草藻殘?bào)w后，水體DO、Eh迅速下降，藍(lán)藻－蘆葦混合分解系統(tǒng)一直處于厭氧狀態(tài)，水體Eh值最終穩(wěn)定在－150 mV左右，水體具極強(qiáng)還原性。

（2）厭氧環(huán)境下間隙水中磷酸鹽向上覆水遷移轉(zhuǎn)化以及沉積物中Fe－P的還原釋放，使水體TP和Fe2+濃度升高；B、C、D組TN含量分別于第2 d、第7 d和第2 d達(dá)到峰值，是初始值的5倍、2倍和6倍，水體無(wú)機(jī)氮以為主。

（3）近岸帶藍(lán)藻、蘆葦堆積－腐爛－分解過(guò)程中向水體釋放大量營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)，加劇湖泊富營(yíng)養(yǎng)化，建議密切關(guān)注蘆葦叢及近岸帶漕溝等區(qū)域，避免引發(fā)水質(zhì)快速惡化等問(wèn)題。

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