沉水植物生長和腐解對富營養(yǎng)化水體氮磷的影響機制研究進展

李菲菲, 褚淑祎, 崔靈周, 肖繼波*

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沉水植物生長和腐解對富營養(yǎng)化水體氮磷的影響機制研究進展

李菲菲1, 褚淑祎2, 崔靈周1, 肖繼波1*

1. 溫州大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 溫州 325035 2. 浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 杭州 311300

沉水植物作為湖泊、河流等生態(tài)系統(tǒng)的主要高等植物, 在修復(fù)富營養(yǎng)化水體中的作用日益受到重視, 合理利用沉水植物是去除富營養(yǎng)化水體氮磷的有效途徑。沉水植物對水體氮磷的遷移轉(zhuǎn)化影響包括生長和腐解兩個階段。文章綜述了沉水植物生長對富營養(yǎng)化水體氮、磷的凈化效果和凈化機制, 分析了沉水植物腐解對氮、磷遷移轉(zhuǎn)化的持續(xù)影響, 并提出了今后沉水植物凈化氮、磷的研究方向, 為沉水植物推廣應(yīng)用于修復(fù)富營養(yǎng)化水體提供理論基礎(chǔ)。

沉水植物; 富營養(yǎng)化水體; 生態(tài)修復(fù)

1 前言

水體富營養(yǎng)化是指大量氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)進入水體, 引起藻類及其他浮游生物異常繁殖, 水體透明度降低, 溶解氧量下降, 魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象[1]。富營養(yǎng)化發(fā)生時, 水體水質(zhì)惡化, 影響工農(nóng)業(yè)供水及飲用水源的正常利用, 并對人類的健康造成危害。水體中的氮、磷主要來源于生活污水和工業(yè)廢水的偷排、漏排以及農(nóng)業(yè)徑流。近幾年環(huán)境狀況公報表明, 我國大部分河流、湖泊的主要污染物仍為氮磷。因此, 如何有效地控制水體中的氮、磷仍是當(dāng)前亟待解決的問題[2]。

與物理、化學(xué)、物化等方法相比, 水生植物凈化技術(shù)因簡單易行、運行維護成本低、對環(huán)境擾動小, 且兼具景觀效應(yīng), 在富營養(yǎng)化水體修復(fù)中得到了廣泛的研究和應(yīng)用[3-4]][。按照水生植物的形態(tài)特征及生活習(xí)性, 有挺水植物、浮水植物、浮葉植物和沉水植物四種類型。沉水植物整株浸沒于水中, 其莖、葉、表皮和根一樣均具有吸收作用, 且皮層細胞中含有葉綠素, 這種特殊的結(jié)構(gòu)使得其對水體中的氮、磷具有良好的吸收作用[5]。研究表明, 水生植物對氮、磷的凈化能力大小通常為沉水植物>浮水植物>浮葉植物>挺水植物[6]。沉水植物根系扎于底泥, 通過吸收、遷移、轉(zhuǎn)化等作用, 降低底泥中氮、磷釋放對上覆水的二次污染。然而沉水植物的生長季節(jié)性強, 如穗花狐尾藻()、金魚藻()和苦草()不能越冬生長, 伊樂藻()、菹草()在6月下旬的高溫季節(jié)生長停滯并逐漸枯萎死亡[7], 植物腐解過程中向水體及沉積物中釋放氮、磷和有機質(zhì), 形成二次污染。本文綜述了沉水植物對富營養(yǎng)化水體中氮、磷的凈化效果與凈化機制, 分析了沉水植物腐解對水質(zhì)的持續(xù)影響, 并在此基礎(chǔ)上提出未來沉水植物的研究方向, 以期為沉水植物推廣應(yīng)用于修復(fù)富營養(yǎng)化水體提供理論基礎(chǔ)依據(jù)。

2 沉水植物對氮、磷的凈化效果

沉水植物整株浸沒于水中, 其根、莖、葉及表皮細胞均能吸收氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。雖然單株沉水植物生物量較低, 但水體治理中, 沉水植物往往覆蓋治理段河底, 相對于挺水和浮水植物修復(fù)有一定的種植面積優(yōu)勢, 總生物量較大, 對氮磷的去除總量亦更大[8]。目前, 研究和應(yīng)用較廣的沉水植物有菹草、苦草、馬來眼子菜()、微齒眼子菜()、伊樂藻、黑藻()、金魚藻、狐尾藻()等。不同沉水植物對氮、磷的凈化能力不同。田琦等[9]發(fā)現(xiàn), 金魚藻與菹草對總磷的去除能力較伊樂藻和苦草強, 金魚藻與馬來眼子菜對總氮的去除能力較強; 林春風(fēng)等[10]也發(fā)現(xiàn)金魚藻對氮、磷的去除效果均好于其它幾種沉水植物, 可考慮作為先鋒物種凈化富營養(yǎng)化水體; 潘保原等, 金樹權(quán)等[11-12]的研究結(jié)果則與之不同, 他們分別對比包含金魚藻在內(nèi)的3種、5種沉水植物, 發(fā)現(xiàn)輪葉黑藻()對水體總氮、總磷的凈化效果均為最優(yōu)。

合理配置植物有利于提高氮、磷的去除效果。同種條件下苦草與伊樂藻混合種植對富營養(yǎng)化水體凈化效果比單獨栽種好[13]。雷澤湘[14]等研究了苦草、黑藻和馬來眼子菜3種沉水植物混合種植對太湖富營養(yǎng)化水體的凈化效果, 苦草+黑藻組合對總氮去除效果最好, 去除率達到90.3%。沉水植物與其他類型水生植物組建而成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng), 其凈化效果也更為顯著。常素云[15]等采用香蒲()與沉水植物組配凈化污染水體, 結(jié)果表明, 香蒲與篦齒眼子菜()組配對NH4+-N、TP的去除效果最好, 去除率分別達62.1%、83.9%, 香蒲與金魚藻組配對TN的去除效果最佳, 去除率為93.3%。李歡[16]等對4種挺水植物和4種沉水植物的研究也得到了類似結(jié)論。他們認為, 混合群落對植物生長具有一定的促進作用, 對全氮和全磷的積累有顯著的加強作用。

由于生長習(xí)性的特殊性, 沉水植物的種植促進沉積物中有機物的礦化, 降低沉積物中氮、磷含量, 影響不同形態(tài)氮、磷的遷移轉(zhuǎn)化[17]。馬久遠[18]等通過對太湖沉積物的采樣分析發(fā)現(xiàn)沉水植物群落內(nèi)沉積物中總氮、有機氮、氨氮和硝態(tài)氮含量均比群落外有不同程度降低, 其中對總氮和有機氮含量降低的促進作用更加明顯。同時沉水植物抑制沉積物中氮向上覆水體的釋放[19]。王立志等[20]研究發(fā)現(xiàn), 沉水植物種植沉積物中各形態(tài)磷的濃度均呈現(xiàn)不同程度的降低, 對無機磷的影響較有機磷大, 黑藻、苦草和菹草沉積物中TP含量最大降低幅度分別達35.34, 60.67和25.92 mg·kg-1。沉水植物能有效控制沉積物中鐵磷、有機磷等主要化學(xué)形態(tài)磷的釋放[21]。但周小丁等[22]發(fā)現(xiàn), 黑藻顯著降低沉積物總磷含量, 但對磷起到了活化作用, 增加了可交換性磷的含量。吳娟等[16]認為這種分歧可能跟沉積物中磷的形態(tài)和構(gòu)成有關(guān)。

3 沉水植物對氮、磷的凈化機制

3.1 沉水植物對氮的凈化機制

沉水植物直接吸收水體及底泥中氮并同化成生長所需的蛋白質(zhì)、核酸等自身結(jié)構(gòu)組成物質(zhì)[23]。植物對氮的直接吸收與植物生長規(guī)律保持一致, 植物生長旺季對氮的需求高。蘇倩[24]等研究發(fā)現(xiàn)穗花狐尾藻與蓖齒眼子菜在7—8月份氮積累量最大, 且氮的去除率與植物生物量呈正相關(guān)。植物不同部位對氮的吸收能力不同, 通常莖葉對NO3--N、NO2--N、NH4+-N吸收量遠大于根, 且葉片在植物對氮的吸收中占主導(dǎo)地位[25]。此外植物對不同形態(tài)氮的吸收也有較大差異, 徐昇[26]等研究表明苦草對NH4+-N的吸收顯著高于NO3--N, 根系吸收氮后向葉轉(zhuǎn)移, 而且NO3--N為氮源時轉(zhuǎn)移速率較高, 這是因為吸收NO3--N需消耗更多能量, 一般來說植物更偏好吸收NH4+-N。

同化吸收并不是沉水植物凈化氮的主要機制, 研究表明, 吸收所去除的氮量僅占期其全部去除量的2%—5%[27-28], 主要作用機制為沉水植物與微生物的協(xié)同轉(zhuǎn)化。植物的根際效應(yīng)使根系形成富氧—缺氧的氧化還原微環(huán)境, 使氮循環(huán)微生物(反硝化、硝化、亞硝化及氨化細菌)同時出現(xiàn)并發(fā)揮作用, 含氮有機物經(jīng)異養(yǎng)菌的氨化作用轉(zhuǎn)化成氨氮, 再通過硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}和硝酸鹽態(tài)氮, 最終通過反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮氣從水中排出[29]。研究表明, 與對照組相比, 種植沉水植物水體氮循環(huán)微生物數(shù)量大大增加[30-31], 硝化細菌、反硝化細菌菌群數(shù)量約增加10—100倍[32]。近年來研究發(fā)現(xiàn), 沉水植物莖葉表面亦存在富氧—厭氧交替出現(xiàn)的氧化—還原微環(huán)境[33], Korner[34]在沉水植物莖葉表面檢測到大量的硝化和反硝化細菌, 其硝化作用與沉積物中相當(dāng), 但反硝化作用不明顯, 基本可忽略。楊文斌[35]等通過15N同位素示蹤法發(fā)現(xiàn), 穗花狐尾藻種植組反硝化作用去除的氮占47.54%, 比對照組高近15%, 表明沉水植物與微生物的協(xié)同脫氮作用。

此外, 沉水植物的存在改變水體微環(huán)境, 為氮的去除提供了有利條件: (1)通過根系分泌有機碳源增加微生物數(shù)量及活性。Herrmann等[36]發(fā)現(xiàn)沉水植物根際泌氧和分泌物顯著提高了氨氧化古菌豐度?？紫辇圼37]等發(fā)現(xiàn)苦草的存在明顯改變了底泥電子受體活性, 促進了氨化菌、硝化菌和反硝化菌的繁殖, 進而提高了氮遷移轉(zhuǎn)化的力度和速率。(2)通過光合作用吸收水中CO2提高水體pH, 促進氨氮揮發(fā)。趙聯(lián)芳[38]等研究表明生物量為2 g·L-1的伊樂藻處理組, 12 d內(nèi), pH由初始的7.5上升至8.6以上, 促進了水中氨氣的揮發(fā), 且植物生物量較大時, pH發(fā)生較小的變化即可促進氮的去除。趙安娜等[39]也發(fā)現(xiàn)伊樂藻的光合作用提高了水體的DO和pH, 促進了開放系統(tǒng)氨氮的揮發(fā)。

3.2 沉水植物對磷的凈化機制

沉水植物主要通過根系吸收沉積物及間隙水中磷來獲得營養(yǎng)。Gabrielson等[40]通過12—16 h的模擬試驗發(fā)現(xiàn)伊樂藻根系吸收占磷吸收總量的83%—85%, Smith等[41]也發(fā)現(xiàn)狐尾藻每年總吸收磷量為3 g·m-2, 根系吸收占73.3%。但有研究者認為, 根系吸收磷為主導(dǎo)是以沉積物和間隙水中磷濃度較高為前提, 當(dāng)上覆水中磷濃度較高時, 葉片的吸收作用則會更顯著。Madsen和Cedergreen[42]研究表明, 當(dāng)上覆水中磷濃度>5 mmol·m-3, 且水中磷濃度與底泥或間隙水中磷濃度之比大于1時, 葉片吸收為主導(dǎo), 且葉片單獨吸收也可滿足沉水植物生長對磷的需求。根系退化較為嚴(yán)重的沉水植物, 如黑藻, 其對磷的吸收主要通過莖葉來完成[43]。沉水植物的莖葉亦可通過吸附、固著和沉降水中懸浮物, 有效降低顆粒態(tài)磷及賦存于顆粒物上的磷含量[44]。

沉水植物能通過光合作用、根系分泌等改變水—沉積物界面理化性質(zhì), 促進根際微生物生長, 影響根際沉積物中磷的遷移和形態(tài)轉(zhuǎn)化[45]。研究表明, 沉水植物可增強堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)的活性, 將有機磷轉(zhuǎn)化為生物可利用的活性無機磷, 后經(jīng)植物吸收去除[46]。但是, 有研究者得到了相反的結(jié)論, 他們發(fā)現(xiàn)沉水植物降低上覆水與表層沉積物中堿性磷酸酶活性, 抑制有機磷向無機磷的轉(zhuǎn)化[42,47]。這種分歧的原因, 目前尚不十分清楚。沉水植物對無機磷中NaOH—P(鐵、鋁氧化物或氫氧化物節(jié)結(jié)合磷)的遷移影響較大[19,21]。這個主要與沉水植物改變了根系周邊微環(huán)境有關(guān)。植物根系分泌有機酸, 降低了根系周邊沉積物pH, 使沉積物中吸附的磷因溶解而釋放進入上覆水。王曉蓉等[48]發(fā)現(xiàn), 沉積物中磷的釋放量在中性范圍內(nèi)最小, 升高或降低pH都會造成磷釋放量的增加。pH高時, 由于OH-和PO43-競爭金屬氫氧化物的結(jié)合點位, 提高磷酸鹽從Fe(OH)3和Al(OH)3中解吸。植物根系釋氧提高沉積物表層氧化還原電位, 可抑制鋁磷和鐵磷向上覆水的釋放[22]。沉水植物對HCl—P(鈣結(jié)合態(tài)磷)的影響主要為根系周圍pH降低增加結(jié)合態(tài)磷釋放[21]。王圣瑞[49]、趙海超[50]等均發(fā)現(xiàn)植物的生長促進鈣結(jié)合態(tài)磷的釋放。

4 沉水植物腐解對水體中氮磷遷移轉(zhuǎn)化的影響

沉水植物的生長具有一定的周期性, 大部分沉水植物在秋冬季節(jié)生長減緩并逐漸枯萎死亡, 然而因秋冬季節(jié)植物體腐解較為緩慢, 大量營養(yǎng)物質(zhì)仍儲存于植物殘體中, 水體pH及溶解氧未有顯著變化, 因而大部分研究針對初春以來沉水植物腐解營養(yǎng)鹽的釋放及對水體的影響。張來甲[51]等研究發(fā)現(xiàn)苦草腐解使3月份水體TN、TP總量較之前分別增長了60.96%、144.40%, 底泥中分別增長了9.41%、19.99%, 可見植物腐解增加水體及底泥氮、磷含量, 且對水體的影響遠大于底泥。葉春[52]等研究發(fā)現(xiàn)70 d試驗期內(nèi)黑藻分解率達76.56%, 氮、磷釋放率分別為81.62%、85.94%, 試驗結(jié)束時底泥氮、磷含量分別增加3.31%、3.32%。

植物的分解一般分為快速分解和緩慢分解2個階段。第一階段主要是植物體內(nèi)易溶有機顆粒和無機鹽類的快速淋溶過程, 第二階段是難溶性物質(zhì)在微生物及酶作用下的分解過程。氮、磷含量在腐解初期迅速增加, 但這種趨勢并未一直持續(xù)。曹培培[53]等通過對菹草、狐尾藻等植物腐解的研究發(fā)現(xiàn)腐解過程中水體氮含量呈現(xiàn)迅速增加而后逐漸減少最后保持穩(wěn)定的變化趨勢。唐金艷[54]等對狐尾藻、菹草的研究也得到類似結(jié)論, 且磷含量呈迅速增加而后減小又增加又減小的反復(fù)過程, 這可能是因為隨著分解的進行, 植物釋放的氮通過硝化反硝化作用生成 N2、N2O 等氣體逸出, 磷在水體與沉積物中發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化, 植物腐解使水體磷迅速增加, 隨著腐解的進行部分磷轉(zhuǎn)移到底泥中, 后因沉積物磷的釋放及上覆水磷的擴散使水中總磷出現(xiàn)再次增加的現(xiàn)象。

沉水植物腐解對水質(zhì)的影響并非都起消極作用, 適量植物殘體的存在有利于水體氮磷的循環(huán)。植物的腐爛分解既有利于厭氧條件的形成, 又可以提供大量有機碳, 從而促進水中反硝化作用的發(fā)生, 加快氮的移除, 同時抑制沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放, 減緩營養(yǎng)鹽的循環(huán)速度, 但植物殘體的生物量較大時, 極易在腐解過程中造成水體缺氧并釋放大量碳、氮、磷, 成為春季水體富營養(yǎng)化的誘因。其次植物殘體覆蓋水面抑制界面大氣復(fù)氧, 使水中溶解氧迅速下降, 隨著后期腐解進程減慢, 氧氣消耗量降低, 溶解氧回升[55]?？紫辇圼36]等研究發(fā)現(xiàn)苦草大量衰亡腐解, 不穩(wěn)定有機物進入水體被微生物快速分解, 并放出 CO2, 造成水體pH值及溶解氧顯著下降。周林飛[56]等研究發(fā)現(xiàn)隨著4種沉水植物的腐解上覆水體中pH值及溶解氧均呈先下降后上升的趨勢。

5 展望

沉水植物是水體生物多樣性賴以維持的基礎(chǔ), 在維持水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能方面具有重要的作用。沉水植物生物量大, 凈化氮磷能力強, 是富營養(yǎng)化水體治理的重要手段之一。結(jié)合沉水植物凈化水體氮磷的研究現(xiàn)狀, 本文認為今后可能的研究方向應(yīng)從以下幾個方面考慮: 1)沉水植物和微生物的協(xié)同凈化機制雖一直是研究者關(guān)注的熱點, 但微生物群落組成及空間分布等較為復(fù)雜, 且植物個體之間差異較大, 仍需要進一步探究。2)沉水植物對水—沉積物界面各形態(tài)氮、磷遷移轉(zhuǎn)化的影響與多個環(huán)境因子息息相關(guān), 氮、磷遷移轉(zhuǎn)化理論體系尚未形成。3)沉水植物生長季節(jié)性強, 且腐解過程中向水體及沉積物中釋放氮磷和有機質(zhì), 如何合理配置植物及利用生長周期、腐解時間的差異性, 最大程度降低腐解帶來的二次污染, 確保治理效果的長效穩(wěn)定。

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Research advances on the influence mechanisms of submerged plants growth and decomposition on nitrogen and phosphorus in eutrophic water

LI Feifei1, CHU Shuyi2, CUI Lingzhou1, XIAO Jibo1,*

1. College of Life and Environmental Science, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China 2. School of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang A & F University, Hangzhou 311300, China

As the main higher plants of lakes, rivers and other ecosystems, submerged plants have attracted a great deal of attention in restoration of eutrophic water. Rational utilization of submerged plants is an effective approach to remove nitrogen and phosphorus from eutrophic water. Submerged plants affected the migration and transformation of nitrogen and phosphorus during their growth and decomposition processes. In this paper, the purification effects and mechanisms of submerged plants on nitrogen and phosphorus in eutrophic water were reviewed. The influences of submerged plants decomposition on migration and transformation of nitrogen and phosphorus were analyzed. The possible direction for future research was put forward as well. This paper aims to provide theoretical basis for application of submerged plants in remediation of eutrophic water.

submerged plant; eutrophic water; ecological remediation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.028

173

A

1008-8873(2018)04-225-06

2017-06-17;

2017-09-18

溫州市科技計劃項目(S20150006, Z20160011); 浙江省重大科技專項(2009C03006-3)

李菲菲(1993—), 女, 山東淄博人, 碩士研究生, 主要從事水污染控制技術(shù)研究, E-mail: 597928237@qq.com

肖繼波, 男, 副教授, 博士, 從事污染水體生態(tài)修復(fù)、環(huán)境生物技術(shù)和廢棄物資源化利用技術(shù)等研究, E-mail: jbxiao@126.com

李菲菲, 褚淑祎, 崔靈周, 等. 沉水植物生長和腐解對富營養(yǎng)化水體氮磷的影響機制研究進展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(4): 225-230.

LI Feifei, CHU Shuyi, CUI Lingzhou, et al. Research advances on the influence mechanisms of submerged plants growth and decomposition on nitrogen and phosphorus in eutrophic water[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 225-230.