五種挺水植物腐解過程及其對濕地水質(zhì)的影響

胡紅偉，劉 盼，吳俊峰，梁 峰，徐曉琴，郭一飛，劉 彪*

（1.河南城建學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.河南省水體污染防治與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467036）

氮、磷等營養(yǎng)鹽是濕地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的重要限制因子之一，其對于濕地生態(tài)穩(wěn)定和健康運(yùn)行具有重要影響[1]。濕地生態(tài)系統(tǒng)作為氮、磷等營養(yǎng)鹽的重要儲存庫，在地球化學(xué)循環(huán)過程中起著匯集、轉(zhuǎn)化和遷移的重要作用[2]。挺水植物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，主要生長在水陸交界區(qū)域，該區(qū)域被譽(yù)為生物地球化學(xué)循環(huán)的“熱區(qū)”[3-4]。近年來，水生植物在湖泊富營養(yǎng)化預(yù)防和治理方面發(fā)揮著重要作用，但在實(shí)際應(yīng)用中，植物進(jìn)入冬季時會衰亡，大量植物殘體腐解會對水體造成二次污染，如苦草的腐解導(dǎo)致水體TN和TP含量大幅增加[5]；蘆葦腐解引起水體水質(zhì)的劇烈變化[6]，并且與生物量密度有關(guān)[7]，唐金艷等[8]的研究也得出類似結(jié)論?？梢?，大量植物腐解會導(dǎo)致水體一定時期內(nèi)呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)，比較研究濕地不同挺水植物腐解過程及其對水質(zhì)的影響，對濕地挺水植物管理和水質(zhì)保護(hù)具有重要意義。

本文以北方濕地常見的5種挺水植物為研究對象，通過構(gòu)建室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)模擬挺水植物腐解過程，研究5種挺水植物腐解及其對水質(zhì)的影響，以期為濕地水生態(tài)修復(fù)中挺水植物的選擇及其殘體的科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品的采集和預(yù)處理

挺水植物（海壽花Pontederia cordata、白菖蒲Acorus calamus、美人蕉 Canna indica、再力花 Thalia dealbata和風(fēng)車草Cyperus alternifolius）為本實(shí)驗(yàn)室在人工湖中培育而成。2017年10月份在河南城建學(xué)院人工湖采集（僅地上部分），植物采集后，用純水洗凈，105℃殺青15 min，65℃烘干至恒質(zhì)量。將植物莖葉均剪成1 cm的碎片，混勻后置于200目網(wǎng)袋中，-45℃保存?zhèn)溆谩?018年3月在白龜湖濕地（33°46′05.85″N，113°09′45.07″E）采集水體和沉積物，水樣過200目篩網(wǎng)，沉積物過100目篩網(wǎng)，去除其中的植物殘體和雜物。

1.2 植物腐解試驗(yàn)系統(tǒng)

采用體積為12 L的聚乙烯水桶為容器（桶底直徑21 cm，桶口直徑26 cm，桶高27.5 cm），加入經(jīng)過預(yù)處理的底泥（2 kg）和水樣（10 L），靜置72 h。將裝有海壽花、菖蒲、美人蕉、再力花和風(fēng)車草的網(wǎng)袋浸沒于水桶內(nèi)，生物量密度為2 g·L-1，同時設(shè)置對照組，每組3個重復(fù)。在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)（2018年3月—7月，為期60 d），分別在第0、2、6、12、18、24、30、36、42、48 d和60 d測定植物和水體相關(guān)理化指標(biāo)。植物和水樣采集方式：從桶內(nèi)取出一只網(wǎng)袋（初始量為2 g植物），于65℃烘干至恒質(zhì)量；使用水泵從水面下5 cm處抽取1 L水樣。試驗(yàn)過程中，每周使用雙蒸水補(bǔ)充因蒸發(fā)損失的水量。

1.3 樣品測定和數(shù)據(jù)分析

植物：經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，采用半微量凱氏法測定總氮（TN）[7]；采用鉬銻抗比色法測定總磷（TP）[7]；腐解速率（k）參照文獻(xiàn)[9]方法分析：

Mt/M0=e-kt

式中：Mt表示植物在時間t的質(zhì)量，kg；M0為初始質(zhì)量，kg；k為腐解速率常數(shù)，d-1；t為腐解時間，d。

水體：采用雷磁PHS-3E和JPSJ-605S分別測定pH和溶解氧（DO）；總磷（TP）、氨氮（NH+4-N）、硝酸鹽氮（NO-3-N）和亞硝酸鹽氮（NO-2-N）的測定參照文獻(xiàn)[7]。使用Excel進(jìn)行圖表繪制，SPSS 18.0進(jìn)行線性相關(guān)性和單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物質(zhì)量損失率（ω）和腐解速率（k）的變化

為期60 d的腐解過程中，5種挺水植物的質(zhì)量損失率在試驗(yàn)初期快速上升（0～6 d），隨后緩慢上升（圖1A）。第6 d時，海壽花、菖蒲、美人蕉、再力花和風(fēng)車草質(zhì)量損失率分別為15.57%、35.85%、44.24%、22.63%和18.29%。試驗(yàn)結(jié)束時，5種植物質(zhì)量損失率大小依次為菖蒲（69.40%）＞美人蕉（68.42%）＞海壽花（46.72%）＞風(fēng)車草（34.33%）＞再力花（33.73%），其中菖蒲和美人蕉無顯著差異（P＞0.05）（表1），再力花和風(fēng)車草無顯著差異（P＞0.05）。如圖1B所示，5種挺水植物的腐解速率變化趨勢一致，最高值均出現(xiàn)在第2 d，并于第6 d后快速下降，隨后緩慢下降。

2.2 植物TN和TP變化趨勢

如圖2A所示，整個試驗(yàn)周期內(nèi)，5種挺水植物TN含量均呈現(xiàn)窄幅波動，但變化趨勢并不相同。試驗(yàn)結(jié)束時，植物TN含量與初始值相比，海壽花和菖蒲略有上升，其余3種略有下降，依次為菖蒲＞海壽花＞風(fēng)車草＞再力花＞美人蕉，其中海壽花和菖蒲無顯著差異（P＞0.05），美人蕉、再力花和風(fēng)車草之間無顯著差異（P＞0.05）（表1）。

圖1 植物質(zhì)量損失率和腐解速率變化趨勢Figure 1 Dynamics of weight loss rate and decomposition rate

如圖2B所示，5種挺水植物TP變化趨勢一致，試驗(yàn)初期（0～6 d）快速下降，第6 d時，海壽花、菖蒲、美人蕉、再力花和風(fēng)車草TP較初始值分別下降了32.17%、30.67%、49.44%、53.02% 和 38.47%，第 6 d后，植物TP含量變化波動范圍變小。試驗(yàn)結(jié)束時（表1），僅菖蒲和美人蕉之間不存在顯著差異（P＞0.05）。

圖2 植物TN和TP變化趨勢Figure 2 Dynamics of TN and TP

表1 植物理化參數(shù)單因素方差分析（第60 d）Table 1 One-way ANOVA of plants physiochemical parameters（The 60th day）

2.3 水體pH、DO和TP變化趨勢

為期60 d的試驗(yàn)周期內(nèi)，各處理組水體pH變化趨勢相似（圖3A），初期快速下降，均在第2 d出現(xiàn)最低值，然后快速上升，海壽花、美人蕉、再力花和風(fēng)車草組水體pH在第18 d均上升到8.0以上，菖蒲組水體pH于第30 d上升到8.07。對照組變化趨勢與處理組略顯不同，在試驗(yàn)初期下降幅度不大，于第6 d達(dá)到最低值8.08，隨后趨于平緩。試驗(yàn)結(jié)束時，初始值與風(fēng)車草無顯著差異（P＞0.05），但與其余各處理組均存在顯著差異（P＜0.05）（表2）。

圖3 水體pH、DO和TP變化趨勢Figure 3 Dynamics of pH,DO and TP in water

對照組水體DO變化趨勢與處理組相似（圖3B），在30 d內(nèi)，各組均呈現(xiàn)整體下降趨勢，并于第30 d出現(xiàn)最低值，其中以菖蒲組（2.38 mg·L-1）最低。第30 d后，水體DO快速上升。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，各組DO濃度均顯著低于初始值（P＜0.05），菖蒲組均顯著低于其余各組（P＜0.05）（表2）。

表2 水體理化參數(shù)單因素方差分析（第60 d）Table 2 One-way ANOVA of physiochemical parameters in water（The 60th day）

對照組與各處理組水體TP變化趨勢相似（圖3C），可分為兩個階段，第一階段（0～18 d），TP濃度均先上升，然后下降，其中對照組和風(fēng)車草最大值出現(xiàn)在第6 d，分別為0.27 mg·L-1和0.47 mg·L-1，海壽花、菖蒲、美人蕉和再力花最大值出現(xiàn)在第12 d，分別為0.87、0.41、0.56 mg·L-1和0.34 mg·L-1；第二階段（18～60 d）TP濃度窄幅波動。試驗(yàn)結(jié)束時（表2），各組TP濃度依次為美人蕉＞海壽花＞再力花＞對照＞菖蒲＞風(fēng)車草，其中風(fēng)車草與初始值無顯著差異（P＞0.05）。

2.4 水體NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N的變化

如圖4A所示，各組水體NH+4-N第2 d均呈現(xiàn)快速上升，但隨后出現(xiàn)差異。第2～12 d時，菖蒲和風(fēng)車草持續(xù)下降，隨后上升再下降，最高點(diǎn)分別出現(xiàn)在第36 d（1.93 mg·L-1）和第 30 d（2.46 mg·L-1）；海壽花和美人蕉則變化較為平緩，第12 d后快速上升，隨后下降并窄幅波動；再力花則在0～18 d內(nèi)持續(xù)上升，在第18 d出現(xiàn)最大值（2.46 mg·L-1），隨后下降并趨于平緩。試驗(yàn)結(jié)束時（表2），各組均顯著高于初始值（P＜0.05）。與對照組相比，風(fēng)車草與對照組存在顯著差異（P＜0.05）。

各組水體NO-3-N變化趨勢也存在差異（圖4B），其中菖蒲和美人蕉先上升，隨后下降，最終趨于平緩；海壽花、再力花和風(fēng)車草則先略微下降，隨后上升再下降，最終趨于平緩；對照組在試驗(yàn)周期內(nèi)，變化幅度均不大。試驗(yàn)結(jié)束時，各組與初始值均不存在顯著差異（P＞0.05）。

各組水體NO2-N變化趨勢差異較為明顯（圖4C），對照組最高值出現(xiàn)在第2 d，達(dá)到0.135 mg·L-1。各處理組則在0～12 d內(nèi)變化趨勢一致，隨后出現(xiàn)分化，均呈現(xiàn)出不同變化趨勢。試驗(yàn)結(jié)束時，僅菖蒲組顯著高于初始值（P＜0.05），同時顯著高于其余各組（P＜0.05）。

圖4 水體NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N濃度隨時間變化Figure 4 Dynamics of NH+4-N，NO-3-N and NO-2-N in water

3 討論

3.1 植物腐解的影響因素

影響植物腐解速率的因素較多，如水體環(huán)境[10-11]、生物量密度[7-8，12]、植物成分組成[8，13-14]、沉積物性質(zhì)[15]以及微生物群落結(jié)構(gòu)組成[16]等，但一般而言，植物腐解過程可分為兩個階段：快速溶解階段和緩慢分解階段[17]。本研究中，在試驗(yàn)初期（0～12 d）植物體內(nèi)的有機(jī)顆粒和無機(jī)鹽類等成分通過淋溶作用快速釋放到水體環(huán)境，引起水質(zhì)大幅波動；試驗(yàn)后期（12～60 d），植物體內(nèi)難溶性物質(zhì)在微生物作用下緩慢分解，水體和植物理化參數(shù)呈現(xiàn)波動變化狀態(tài)。

與此同時，植物類型和種類與腐解速率也存在著密切聯(lián)系[8，18-19]，一般而言，浮水植物的腐解速率最大，沉水植物次之，而挺水植物最低。究其原因，是植物本身理化性質(zhì)的不同，導(dǎo)致腐解速率存在差異。有研究表明[13，20]，植物腐解速率與體內(nèi)初始有機(jī)氮含量成正比，曹培培等[18]和曹勛等[21]的研究也發(fā)現(xiàn)，腐解速率分別與植物殘體的TN和TP均存在顯著正相關(guān)性，但本研究未得出類似結(jié)論，皮爾遜線性相關(guān)性分析表明，5種植物腐解速率與植物殘體TN并不存在顯著的線性相關(guān)性（P＞0.05）。此外，僅海壽花、菖蒲和風(fēng)車草的腐解速率與其殘體TP含量呈顯著的線性正相關(guān)（P＜0.05）。在整個試驗(yàn)周期內(nèi)，菖蒲和美人蕉的腐解速率均顯著高于海壽花、再力花和風(fēng)車草，這可能與其木質(zhì)素含量較低有關(guān)。對溫帶闊葉林4種植物葉片凋落物腐解速率的研究表明[22]，木質(zhì)素對元素的釋放有抑制作用，木質(zhì)素的含量比N含量更能影響植物的腐解速率[18，20，23]。本研究中，菖蒲和美人蕉莖葉比較低，木質(zhì)素含量要小于海壽花、再力花和風(fēng)車草。

有研究認(rèn)為[18]，植物腐解過程TN含量變化趨勢與其初始值相關(guān)，并且N含量越低的枯落物其固N(yùn)的趨勢越強(qiáng)[24]。本研究中，5種挺水植物在腐解過程中，TN變化趨勢各異，但整體呈現(xiàn)窄幅波動，并未發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律。在植物體內(nèi)，N素主要以有機(jī)氮的形式存在，相較于其他化合物，其分解速率相對較慢[25]，另一方面微生物附著在植物殘體表面，存在一定的固N(yùn)作用[24]，二者共同作用下使植物TN的變化呈現(xiàn)上下波動。

各處理組植物殘體TP的變化趨勢相似，均在試驗(yàn)初期快速下降，該現(xiàn)象與之前報道類似[8，21]。這是因?yàn)镻元素在植物組織內(nèi)主要以磷酸根離子或化合物的形態(tài)存在，該形態(tài)下的P元素極易在淋溶作用下?lián)p失[26]。第6 d后，植物殘體TP變化平緩，交替上下波動，這可能與P相關(guān)微生物活動有關(guān)。

3.2 植物腐解對水質(zhì)的影響

本研究中，5種挺水植物腐解過程對水質(zhì)的影響過程較為相似，在試驗(yàn)初期，均出現(xiàn)較大的水質(zhì)波動，但水質(zhì)理化參數(shù)的變化幅度因植物種類不同而有所差異。水體pH變化趨勢與之前的研究相似[7-8]，呈現(xiàn)先下降后上升。在試驗(yàn)初期，植物快速腐解，向水體環(huán)境釋放有機(jī)酸，導(dǎo)致水體pH快速下降，在第2 d各處理組均出現(xiàn)最低值。另一方面，植物腐解過程會產(chǎn)生CO2，從而導(dǎo)致水體pH下降，系統(tǒng)內(nèi)硝化反應(yīng)對堿度的消耗也是導(dǎo)致水體pH下降的原因之一。隨著腐解速率的降低，單位時間進(jìn)入水體的有機(jī)物減少，同時體系中存在的反硝化反應(yīng)會產(chǎn)生一定堿度，綜合作用下促使水體pH逐漸上升，并恢復(fù)到初始水平。皮爾遜線性相關(guān)性分析表明（表3），各處理組水體pH與植物腐解速率呈負(fù)相關(guān)且極顯著（P＜0.01），說明植物腐解過程對水體pH的變化具有較大影響。

如表3所示，各組水體TP的變化與水體pH呈負(fù)相關(guān)，其中菖蒲和風(fēng)車草呈極顯著相關(guān)（P＜0.01）。研究表明[19]，植物中的P主要以無機(jī)磷酸鹽的形式進(jìn)入水體，而磷酸鹽在中性或弱堿性環(huán)境下會以沉淀的形式進(jìn)入沉積物。試驗(yàn)初期，水體環(huán)境pH較低，同時植物腐解速率較快，水體TP快速上升，隨著pH的逐漸回升和腐解速率的快速下降以及水體中DO濃度的恢復(fù)，水體磷酸鹽以沉淀形式快速向沉積物遷移，最終恢復(fù)到初始水平，該結(jié)論與之前的研究結(jié)果一致[8，18，21]。此外，皮爾遜線性相關(guān)性分析表明，在整個試驗(yàn)周期內(nèi)，各處理組植物腐解速率與水體TP呈正相關(guān)趨勢，但僅菖蒲組（P＜0.05）和風(fēng)車草組（P＜0.01）具有顯著性，說明植物腐解過程對水體TP的影響趨勢一致，但影響程度因植物不同而各異。僅菖蒲組植物殘體TP含量與水體TP含量的線性相關(guān)性顯著（負(fù)相關(guān)，P＜0.05）。

水體DO在初期持續(xù)下降，這是由于植物腐解過程向水體釋放了大量溶解性有機(jī)物，有機(jī)物在微生物的作用下分解導(dǎo)致DO的消耗，隨著腐解速率的減緩，復(fù)氧速率大于耗氧速率，水體DO濃度逐漸恢復(fù)。植物腐解對水體DO的影響是間接產(chǎn)生的，對試驗(yàn)初期（0～12 d）數(shù)據(jù)進(jìn)行皮爾遜線性相關(guān)性分析（表4），各組水體DO的變化與水體TP均呈負(fù)相關(guān)，其中對照組（P＜0.01）和菖蒲組（P＜0.05）具有顯著相關(guān)性；各組水體DO的變化與植物TP呈正相關(guān)，且除菖蒲組外均呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性（P＜0.01或P＜0.05）。同時，水體TP和植物殘體TP變化趨勢呈負(fù)相關(guān)趨勢，但僅菖蒲組具有顯著的相關(guān)性（P＜0.05）。此外，試驗(yàn)初期（0～12 d）水體DO的變化與水體NH+4-N均呈負(fù)相關(guān)，且與海壽花組（P＜0.05）、美人蕉組（P＜0.05）和再力花組（P＜0.01）呈顯著相關(guān)性，但與植物TN并無顯著相關(guān)性。

在濕地生態(tài)環(huán)境中，N素的存在形式有：有機(jī)氮、NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N，并且主要貯存在沉積物中。有機(jī)氮主要來源于植物腐解過程的釋放，并主要集中在沉積物表層。有研究表明[4]，有機(jī)氮在濕地沉積物中的含量占總N含量的97%以上。無機(jī)氮（NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N）主要是通過微生物的氨化、硝化、反硝化以及厭氧氨氧化作用在水體、沉積物和植物之間遷移轉(zhuǎn)化。植物生長過程，不同植物對無機(jī)氮的需求存在差異[27]，其根系分泌物對微生物也有一定影響。植物腐解過程也是如此，不同種類植物的成分存在差異，釋放到水體環(huán)境的成分和總量不同，對水質(zhì)的影響程度必然存在差異。本研究中，水體NH+4-N來自兩部分：一部分來自植物腐解過程產(chǎn)生的大量有機(jī)氮，在微生物作用下分解生成氨氮；另一部分來自沉積物氨氮的釋放以及有機(jī)氮的分解。大量有機(jī)氮的分解，造成試驗(yàn)初期水體NH+4-N快速上升。隨著植物腐解速率降低，水體氨氮的變化也趨于平緩，最終與對照組差異較小，僅風(fēng)車草顯著高于對照組（P＜0.05）。皮爾遜線性相關(guān)性分析表明，海壽花組植物殘體TN與水體NH+4-N呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），風(fēng)車草組植物殘體TN與水體NH+4-N呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），而其余各處理組未展現(xiàn)出顯著相關(guān)性。這可能是因?yàn)橹参矬w內(nèi)N并不是整體降解，其降解過程是從邊緣開始，逐漸延伸到中心，并且植物體內(nèi)N濃度的變化并不均勻，因此不能簡單地將植物殘體TN的變化與水體無機(jī)氮的變化看作是線性相關(guān)的。

表3 皮爾遜線性相關(guān)性分析（0～60 d）Table 3 Pearson linear correlation analysis（0～60 d）

表4 皮爾遜線性相關(guān)性分析（0～12 d）Table 4 Pearson linear correlation analysis（0～12 d）

水體NO-3-N的變化與反硝化反應(yīng)相關(guān)，在試驗(yàn)初期隨著DO的消耗，反硝化細(xì)菌活性增強(qiáng)，導(dǎo)致水體NO-3-N短暫升高后快速下降。皮爾遜線性相關(guān)性分析表明，植物腐解速率與菖蒲組和美人蕉組NO-3-N呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。水體NO-2-N作為硝化和反硝化的中間產(chǎn)物，穩(wěn)定性較差，變化幅度較大。植物腐解過程釋放出的N素可通過硝化、反硝化和厭氧氨氧化等微生物作用生成N2和N2O等氣體逸出，亦可在氮素的不同存在形式之間相互轉(zhuǎn)化，總之氮的遷移轉(zhuǎn)化每一步都離不開微生物的作用。在濕地生態(tài)環(huán)境中，雖然有植物吸收作用參與N的循環(huán)，但微生物的作用依然是最主要的。

4 結(jié)論

（1）不同種類植物其腐解速率存在差異，菖蒲和美人蕉最快，海壽花次之，風(fēng)車草和再力花最慢。試驗(yàn)初期，各處理組質(zhì)量損失率快速上升，第6 d時，海壽花、菖蒲、美人蕉、再力花和風(fēng)車草質(zhì)量損失率分別為15.57%、35.85%、44.24%、22.63%和18.29%，隨后進(jìn)入緩慢分解階段，在第60 d時，植物質(zhì)量損失率分別達(dá)到46.72%、69.40%、68.42%、33.73%和34.33%。

（2）試驗(yàn)周期內(nèi)，5種挺水植物TN呈窄幅波動，未發(fā)現(xiàn)植物殘體TN含量與腐解速率的顯著相關(guān)性。植物TP在試驗(yàn)初期快速下降，隨后趨于平緩，海壽花、菖蒲和風(fēng)車草的腐解速率與其殘體TP含量呈顯著的線性正相關(guān)（P＜0.05）。

（3）5種挺水植物腐解過程對水質(zhì)的影響存在差異，但均在試驗(yàn)初期引起水質(zhì)較大的波動，且整體變化趨勢相似。試驗(yàn)初期，水體pH和DO快速下降，TP快速上升，試驗(yàn)結(jié)束時，恢復(fù)到初始水平。水體NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N變化因植物種類不同存在差異，微生物在水體N素轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要作用，沉積物作為潛在污染源對水體N素變化也具有一定影響。挺水植物腐解對濕地水質(zhì)的影響具有時效性，為避免水質(zhì)劇烈波動，應(yīng)在植物衰亡初期進(jìn)行有計(jì)劃地收割。