衡水湖常見挺水植物對氮、磷固定及腐爛影響因素研究

孟靜靜，鄭博穎，蘆站根

(衡水學(xué)院，河北 衡水 053000)

1 引言

衡水湖濕地位于河北省南部的衡水市，為華北面積最大、保存最完整的淡水濕地生態(tài)系統(tǒng)[1]。隨著工業(yè)廢水和生活污水的大量排放，加上化肥、農(nóng)藥施用量的逐步增加，致使湖內(nèi)水體的氮磷含量日趨增多，水質(zhì)環(huán)境受到了嚴重影響。如何降低水中氮、磷濃度已受到人們的廣泛關(guān)注。在所有控制和修復(fù)富營養(yǎng)化水體的生態(tài)工程中以高氮、磷吸收的濕地植物為核心的水體修復(fù)技術(shù)最占優(yōu)勢，其以易管理、效果好、并兼具景觀價值，成為國內(nèi)外研究的熱點[2]。其中，挺水植物是構(gòu)建人工濕地植被系統(tǒng)的主要植物類型，具有吸收同化污染物和攔截過濾污染物的作用[3]，其生命周期比藻類浮水植物長，氮磷的儲存比藻類穩(wěn)定，容易通過收割除去氮磷[4]。由于挺水植物具有發(fā)達的根系和較強的輸氧能力，容易在濕地底部形成好氧的微環(huán)境進一步提高氮磷去除率。目前，關(guān)于利用挺水植物控制和修復(fù)水體的研究已有不少報道，國內(nèi)外學(xué)者已篩選出多種能有效去除水體中氮磷的植物，如:蘆葦、菖蒲、香蒲、石菖蒲、美人蕉、千屈菜和香根草等[5～9]。

本研究以衡水湖常見挺水植物-蘆葦、香蒲為試驗材料，研究其對氮、磷的固定，并通過實驗室模擬衡水湖秋、冬季節(jié)以及初春溫度條件，研究蘆葦、香蒲不同腐爛時間對氮、磷的釋放強度，從而選擇最佳收割時期，以期為衡水湖常見挺水植物蘆葦、香蒲衰亡期的管理提供一定的理論依據(jù)，同時為衡水湖水環(huán)境保護等工作提供參考。

2 材料與方法

2.1 供試材料

于衡水湖東湖區(qū)的水域采集蘆葦、香蒲和相應(yīng)水樣。該處水域水面開闊，水中生長了大量的蘆葦和香蒲，同時該區(qū)域附近人群活動頻繁，水中氮、磷含量較高，在衡水湖的水體中具有代表性。采集得到的蘆葦、香蒲在采樣點用濕地原水將植物所帶泥污沖洗干凈，帶回實驗室。將1 L采水瓶用濕地原水沖洗干凈，用于采集試驗所用水樣。水樣于采集植物相應(yīng)區(qū)域水面以下0～30 cm處采集，分別做好標(biāo)記。試驗所用水樣現(xiàn)采現(xiàn)用。

2.2 材料處理的方法

將從衡水湖濕地中采集的蘆葦和香蒲，先用自來水沖洗3遍，再用蒸餾水沖洗3遍，以保證植物表面所附著的氮、磷被完全去除。將洗凈的材料放入烘箱烘干，粉碎，過100目(孔徑為0.15 mm)的尼龍篩。分別取10 g粉末測定蘆葦和香蒲的總氮、總磷含量。將剩余樣品裝袋保存，備用。

水樣處理：用濾網(wǎng)過濾掉水中的雜質(zhì)，備用。

2.3 試驗方法

首先測定蘆葦、香蒲的總氮、總磷含量。然后測定蘆葦、香蒲對氮、磷的釋放量。分別取蘆葦、香蒲粉末樣品5 g，放入磨口試劑瓶中，瓶中加濕地原水250 mL，以濕地原水不加植物粉末作為對照。每個樣品分別重復(fù)處理3次。將磨口試劑瓶放入搖床，待植物粉末沉入水中取出，分別放入10 ℃、15 ℃、20 ℃恒溫培養(yǎng)箱，記錄樣品放入日期和時間。分別于試驗第7、14、21 d取水樣檢測總氮、總磷含量。

2.4 指標(biāo)測定及數(shù)據(jù)分析

2.4.1 指標(biāo)測定

總氮測定方法：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)。

總磷測定方法：鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)。

2.4.2 數(shù)據(jù)分析

使用Excel軟件對數(shù)據(jù)進行分析并繪制圖型。

3 結(jié)果與分析

3.1 蘆葦、香蒲的總氮、總磷含量

由表1可知，蘆葦總氮、總磷含量分別為13.61 g/kg、4.73 g/kg。香蒲總氮、總磷含量分別為18.7 g/kg、5.33 g/kg。這兩種植物的總氮含量均遠大于總磷含量，其中香蒲的氮含量是磷含量的3.5倍，而蘆葦?shù)牡渴橇缀康?.88倍。表明蘆葦和香蒲對氮的固定能力要大于磷。

表1 蘆葦、香蒲總氮、總磷含量

3.2 蘆葦、香蒲在腐爛釋放試驗中總氮、總磷累計釋放量

由表2和表3可知，蘆葦在腐爛分解過程中，總氮和總磷的釋放量均隨時間的延長而增加。隨溫度的升高，蘆葦?shù)目偟?、總磷釋放量有顯著的增加。在第7 d時，20 ℃環(huán)境下蘆葦總氮釋放量比15 ℃、10 ℃環(huán)境下分別高4.41%、28.37%；在第14 d時，分別高9.45%、31.84%；在第21 d時，分別高9.88%、23.84%。而在第7 d時，20 ℃環(huán)境下蘆葦總磷釋放量比15 ℃、10 ℃環(huán)境下分別高17.96%、53.57%；在第14 d時，分別高10.35%、12.82%；在第21 d時，分別高3.24%、6.06%。

表2 蘆葦總氮的累計釋放量

注：單位為ug/g，下表同

表3 蘆葦總磷的累計釋放量

由表4表5可知，香蒲在腐爛分解過程中，總氮和總磷的釋放量均隨時間的延長而增加。隨溫度的升高，香蒲的總氮、總磷釋放量有所增加。在第7 d時，20 ℃環(huán)境下香蒲總氮釋放量比15 ℃、10 ℃環(huán)境下分別高16.45%、23.79%；在第14 d時，分別高22.57%、30.32%；在第21 d時，分別高5.24%、15.03%。而在第7 d時，20 ℃環(huán)境下香蒲總磷釋放量比15 ℃、10 ℃環(huán)境下分別高9.55%、11.51%；在第14 d時，分別高9.42%、17.56%；在第21 d時，分別高7.68%、15.72%。

2.3 蘆葦、香蒲在腐爛釋放試驗中總氮、總磷釋放強度

由圖1圖2可知，蘆葦總氮、總磷的釋放強度隨時間的延長逐漸降低，0～7 d時總氮、總磷的釋放強度均最大，且遠遠大于7～14 d、14～21 d時的釋放強度。隨溫度升高，蘆葦?shù)牡揍尫艔姸仍黾印?0 ℃環(huán)境下，0～7 d總氮的釋放強度比7～14 d、14～21 d分別高276.23%、225.00%；15 ℃環(huán)境下，分別高316.28%、394.34%；20 ℃環(huán)境下，分別高233.27%、358.88%。而10 ℃環(huán)境下，0～7 d總磷的釋放強度比7～14 d、14～21 d分別高113.60%、364.80；15 ℃環(huán)境下，分別高553.44%、470.19%；20 ℃環(huán)境下，分別高1171.82%、1090.64%?？傮w而言，0～7 d，20 ℃環(huán)境下蘆葦總氮、總磷的釋放強度最大。

表4 香蒲總氮的累計釋放量

表5 香蒲總磷的累計釋放量

圖1 蘆葦總氮釋放強度

圖2蘆葦總磷釋放強度

由圖3圖4可知，香蒲總氮、總磷的釋放強度隨時間的延長逐漸降低，0～7 d時總氮、總磷的釋放強度均最大，且遠遠大于7～14 d、14～21 d時的釋放強度。隨溫度升高，香蒲的氮磷釋放強度有所增加。10 ℃環(huán)境下，0～7 d總氮的釋放強度比7～14 d、14～21 d分別高134.30%、130.97%；15 ℃環(huán)境下，分別高134.12%、106.05%；20 ℃環(huán)境下，分別高99.18%、342.11%。而10 ℃環(huán)境下，0～7 d總磷的釋放強度比7～14 d、14～21 d分別高447.83%、509.68；15 ℃環(huán)境下，分別高302.88%、476.40%；20 ℃環(huán)境下，分別高305.29%、563.78%?？傮w而言，0～7 d，20 ℃環(huán)境下香蒲總氮、總磷的釋放強度最大。

圖3香蒲總氮釋放強度

圖4香蒲總磷釋放強度

4 結(jié)論

本試驗結(jié)果表明，蘆葦和香蒲對水質(zhì)污染均有良好的凈化作用，能夠有效的吸收并去除水體中過量的氮元素和磷元素，且二者對氮的吸收和固定都高于磷。蘆葦和香蒲生長速度快，并且生物量都比較大，植株中氮元素、磷元素含量比較高，對氮元素、磷元素吸收能力和去除能力比較強，所以二者成為對水體進行生態(tài)修復(fù)比較理想的植物。

丁二峰等[10]研究表明一些大型挺水植物在凈化水質(zhì)的同時，還會由于植物體進入枯萎階段以后，微生物就會結(jié)合在植物體上，并對其進行分解，從而將其吸收并固定的氮、磷元素重新釋放進入水體中，造成水體的二次污染。本試驗結(jié)果表明，蘆葦和香蒲在0～21 d內(nèi)對氮、磷的累計釋放量隨時間的延長呈上升趨勢，且前期釋放強度遠遠高于后期，與Bruquetas等[11]的研究結(jié)果一致。這主要是因為，在植物體剛剛進入腐爛階段，植物體的組織結(jié)構(gòu)相對完整，植株氮、磷含量遠高于周圍的水體環(huán)境，同時有大量的微生物結(jié)合在植物體上，參與植物組織結(jié)構(gòu)的分解，從而使大量的氮、磷釋放出來，造成前期階段植物體腐爛釋放強度急劇上升，然而隨著植物組織的腐爛和微生物的分解不斷進行，植物體內(nèi)氮、磷含量不斷減少，植物體生物量也不斷減少，所結(jié)合的微生物也相應(yīng)減少，因而釋放強度不斷下降，直至停止。故呈現(xiàn)拋物線的趨勢。

溫度是控制水生植物腐爛分解速率的重要的環(huán)境因子之一，相對較高的溫度可以促進微生物的活動，從而加快了微生物對植物殘體的分解，促進了植物體對氮、磷的釋放。MELILLO等[12]對不同季節(jié)水生植物的腐爛速率進行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)夏天水生植物殘體的分解速率明顯高于冬天。李海洋等人[13,14]研究表明，黑藻殘體在冬季條件下分解緩慢，而在溫度回暖的春季開始大規(guī)模的腐爛分解，也是由于溫度的影響。本試驗結(jié)果表明，隨著溫度的升高，蘆葦和香蒲分解的速率加快，對總氮、總磷的釋放量增加，進一步支持了前人的觀點。因此，應(yīng)在剛剛進入枯萎階段的秋季將其收割。

衡水湖周邊蘆葦和香蒲的生長面積較大，生物量較多，所以應(yīng)對其進行合理的規(guī)劃和管理，在蘆葦和香蒲生長初期應(yīng)盡量保護其生長，使其大量吸收并固定水中的氮元素和磷元素，在植物進入枯萎階段之前，應(yīng)盡快將其進行打撈收割，運送出湖外，從而控制植物體的殘留量，避免由于太多植物殘體的分解而造成水體的二次污染。