入湖河口區(qū)水生植物群落衰亡分解釋放營養(yǎng)鹽過程模擬研究

陳洪森，葉春，李春華，蔡緒貽，魏偉偉*

1.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院

近年來，我國湖泊水體污染備受關(guān)注。入湖河流匯聚湖泊流域內(nèi)點源和非點源污染，其攜帶的污染負(fù)荷往往是湖泊污染輸入的主要形式[1-6]。入湖河口區(qū)是入湖河流和湖泊的交匯水域，是連接2個生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)域，對湖泊或河流水質(zhì)都有重要影響[7-9]。水生植物是水生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級生產(chǎn)者，在對富營養(yǎng)化水體中營養(yǎng)物質(zhì)去除、抑制藻類生長、恢復(fù)水體水質(zhì)等方面具有重要作用[10-13]。研究表明，水生植物生物量過多或過少都對水生態(tài)系統(tǒng)和水體水質(zhì)改善產(chǎn)生不利影響，生物量過多，會在冬春季通過水生植物衰亡分解將營養(yǎng)鹽釋放到水體中，產(chǎn)生二次污染[14]；生物量過少，則達(dá)不到凈化水質(zhì)、抑制藻類生長的目的[15-16]。因此，加強水生植物管理，控制其生物量對水體水質(zhì)改善尤為重要。

水生植物衰亡分解受多種因素的影響，其中內(nèi)部因素包括水生植物類型，木質(zhì)素含量，植物體內(nèi)碳、氮、磷含量及比值等；外部因素包括水溫、水量、能量流動等[17]。在自然條件下，細(xì)菌和真菌群落是水生植物分解的重要參與者[18]。目前，關(guān)于不同生物量水生植物分解的研究主要集中在單一水生植物和不同類型水生植物對水體水質(zhì)的影響方面，而關(guān)于水生植物群落衰亡分解的研究較少。李蔭璽等[8]研究表明，入湖河口水域水生植物修復(fù)是湖泊水體富營養(yǎng)化治理的重要途徑之一，水生植物生物量過多或過少都將影響河口區(qū)的生態(tài)功能。筆者通過模擬近自然條件下水生植物收割后衰亡分解釋放營養(yǎng)鹽的過程，研究不同剩余生物量對水體水質(zhì)的影響，以期為冬季入湖河口區(qū)水生植物收割管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 入湖河口區(qū)概況

入湖河口區(qū)位于太湖流域陸典橋浜和西蠡湖的交匯處，為弱水動力入湖河口，該區(qū)域水域開闊，水生植物種類豐富[19-20]。于2018年11月對入湖河口區(qū)的水生植物進(jìn)行調(diào)查，包括水生植物種類、覆蓋面積、鮮質(zhì)量等，同時測量入湖河口區(qū)水域面積，計算得到水生植物覆蓋度和單位面積鮮質(zhì)量(生物量)(表1)。

表1 研究區(qū)水生植物覆蓋度及單位面積莖葉鮮質(zhì)量

1.2 試驗材料

于2018年12月在入湖河口區(qū)內(nèi)，用抓斗式采泥器采集表層40 cm底泥，用2.5 L有機(jī)玻璃采水器分層采集水樣，同時采集8種水生植物(水葫蘆、慈姑、狐尾藻、梭魚草、蘆葦、再力花、茭草、浮萍)。將采集的水樣和底泥帶回實驗室進(jìn)行預(yù)處理，去除水樣表面漂浮的雜物、植物碎屑等，將底泥放入大型池槽中，加去離子水?dāng)嚢杈鶆虿⑷コ瘔K、貝殼等雜物。采用高為55 cm、直徑為50 cm、容量為100 L的塑料桶進(jìn)行試驗，將厚度為10 cm混合均勻的底泥平鋪在桶內(nèi)，加入78 L水樣(水深約40 cm)，靜置1周，備用。將采集的8種水生植物用去離子水清洗，晾曬去除植物表面水分，剪成10 cm左右的枝條后，裝進(jìn)尼龍網(wǎng)袋中，備用。

1.3 試驗方法

試驗在無錫市太湖試驗基地的塑料大棚中進(jìn)行，該大棚具有自然條件下透光、通風(fēng)、擋雨等功能。以入湖河口區(qū)水生植物100%生物量為標(biāo)準(zhǔn)，在試驗桶內(nèi)模擬收割后不同比例剩余生物量條件下水生植物群落衰亡分解試驗。各試驗組生物量的設(shè)置比例：第1組，100%生物量；第2組，80%生物量；第3組，60%生物量；第4組，40%生物量；第5組，20%生物量；第6組，0%生物量；1個空白組作為對照。每組均設(shè)3個平行試驗。各試驗組的生物量均為水生植物群落莖葉生物量，根據(jù)試驗桶的水面面積和各試驗組剩余生物量，計算出各試驗組桶內(nèi)需添加的水生植物的鮮質(zhì)量(表2)。考慮到收割水生植物時，主要收割植物的莖葉，其根部并未被割除，為更好地模擬實際情況，在6組試驗桶的底泥中添加入湖河口區(qū)主要水生植物的根，空白組不添加。入湖河口區(qū)覆蓋度較高的水生植物為茭草和蘆葦，其根部生物量分別為0.947、1.135 kg/m2，經(jīng)計算各試驗組需加入186 g茭草根和223 g蘆葦根。

表2 各試驗組添加的水生植物鮮質(zhì)量

將各試驗組添加的8種水生植物按表2要求的生物量放入尼龍網(wǎng)袋中，然后放入靜置好的試驗桶內(nèi)。試驗時間為2018-12-25—2019-04-25，共進(jìn)行120 d，試驗期間每10 d采集1次水樣進(jìn)行測試，試驗期間因蒸發(fā)損失的水量用去離子水補給。

1.4 樣品分析及數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel軟件處理試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用OriginPro 8.0軟件繪制水質(zhì)指標(biāo)變化圖，應(yīng)用SPSS 22.0軟件分析數(shù)據(jù)相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 水生植物分解過程及水溫變化

水溫是影響水生植物衰亡分解的重要環(huán)境因子。各試驗組平均水溫變化如圖1所示。由圖1可知，試驗第0～60天(12月底—2月底)水溫偏低，為5.3～10.8 ℃。期間各桶內(nèi)水生植物漂浮在水體表面，由于植物內(nèi)部色素浸出，水體顏色迅速變黃變黑，生物量較小的第4～5組水體顏色雖變黑，但較第1～3組水質(zhì)清澈，不含植物莖葉的第6組水質(zhì)最清澈。試驗第60～120天(3月初—4月底)，水溫逐漸升高，為12.6～20.6 ℃，期間各桶內(nèi)水葫蘆、慈姑、狐尾藻、梭魚草4種水生植物斷裂、腐爛沉入水底。生物量較小的第3～5組水生植物在4月初全部沉入水底形成腐殖質(zhì)層，水體清澈見底；第1～2組水生植物仍漂浮在水面，水體渾濁發(fā)黑；第6組在4月初后由于受植物根部的影響，水體較渾濁。從植物形態(tài)變化來看，水溫升高對水葫蘆、狐尾藻、梭魚草、慈姑4種水生植物分解的影響較為明顯，對蘆葦、再力花、茭草、浮萍4種水生植物分解的影響不明顯，這與挺水植物較沉水、浮葉植物有更高的木質(zhì)素含量[22]，很難徹底腐爛分解有關(guān)。

圖1 各試驗組平均水溫變化Fig.1 Variation of average water temperature of experimental groups

2.2 水生植物分解過程中pH、DO濃度、Eh變化

各試驗組水體pH、DO濃度、Eh變化如圖2所示。由圖2(a)可知，各試驗組水體pH整體呈先降低后緩慢增高至中性，其中第6組在整個試驗期間pH變化不大，水體呈中性(7.19±0.23)；第1～5組在水生植物分解初期從中性(7.09±0.16)逐漸降至弱酸性(5.90±0.41)，第100天后水體pH接近7。水體pH變化與水生植物分解緊密相關(guān)，試驗初期pH降低一方面是由于植物體內(nèi)有機(jī)物釋放進(jìn)入水體，在微生物的作用下分解釋放出CO2和CH4，導(dǎo)致水體pH降低[23]；另一方面由于硝化作用影響氨離子向硝酸根離子轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致pH進(jìn)一步降低。試驗期間水溫逐漸升高，微生物活性增強，水生植物分解速度加快，導(dǎo)致釋放的有機(jī)酸濃度升高[24]，致使第40～90天水體長時間較穩(wěn)定地處于酸性；隨著易分解植物量的減少，分解釋放的CO2量減少，硝化作用減弱，第90天后pH逐漸回升。對比各試驗組水體pH變化發(fā)現(xiàn)，水生植物生物量越大，pH降幅越大，水體的酸性越強，這表明生物量大小影響分解初期pH的降幅,分解后期各試驗組pH間差值減小。相關(guān)性分析表明,生物量與水體pH呈中等程度顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01，R為-0.52)。

圖2 各試驗組水體pH、DO濃度、Eh變化Fig.2 Variations of pH, DO concentration and Eh in water of each experimental group

水體DO濃度與Eh代表相似的理化性質(zhì)。由圖2(b)、2(c)可知，在水生植物分解過程中，DO濃度與Eh表現(xiàn)出相似的變化趨勢。第1～5組水體DO濃度在第0～10天快速降低，第10～70天無明顯變化，第70天后略有增加；第6組在整個分解過程中DO濃度較高，第100天后快速降低。相關(guān)性分析表明，水體DO濃度與Eh呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，R為0.79)。Diaz等[25-26]研究認(rèn)為，水體DO濃度的高低代表不同理化條件，按DO濃度可分為富氧(>4 mg/L)、輕度缺氧(2～4 mg/L)、嚴(yán)重缺氧(≤2 mg/L)3個區(qū)段?？梢?，第1～5組在試驗期間處于嚴(yán)重缺氧條件，而第6組基本處于富氧條件。

對比分析各試驗組的DO濃度和Eh發(fā)現(xiàn)，有水生植物莖葉和無水生植物莖葉的試驗組間差異較大。有水生植物莖葉的試驗組在試驗初期，水生植物漂浮在水面，DO濃度低于1 mg/L且長時間處于厭氧條件，使水體Eh迅速下降到負(fù)值，并持續(xù)緩慢下降；第70天后隨水溫的升高，水生植物莖葉逐漸沉降至水底，生物量較小的第3～5組水體DO濃度雖明顯升高但仍處于嚴(yán)重缺氧條件。無水生植物莖葉的第6組水體DO濃度變化較小，保持在(10±2)mg/L，使Eh在整個分解過程中變化不明顯，在試驗后期由于根部腐爛分解消耗氧使DO濃度快速降低。

2.3 水生植物分解過程中水體氮濃度變化

圖3 各試驗組水體濃度變化 concentration in water of each experimental group

2.4 水生植物分解過程中水體磷濃度變化

圖4 各試驗組水體濃度變化Fig.4 Variations of TP and concentration in water of each experimental group

2.5 試驗始末水體氮、磷濃度變化

試驗始末各試驗組水體TN、TP濃度變化如圖5所示。由圖5可知，試驗結(jié)束時，第1～3組水體TN濃度較試驗初始有不同程度的增加，第4～6組則較試驗初始明顯降低；第1～6組水體TP濃度均較試驗初始顯著增加。從各組生物量分解留存在水體的氮、磷濃度來看，第5組水體氮、磷濃度較第1～4組和第6組低，水質(zhì)特征更好?？梢?，若僅比較試驗始末水質(zhì)，在冬季收割后剩余20%的水生植物生物量，可使入湖河口水域在冬春季維持良好的水質(zhì)。

圖5 試驗始末各試驗組水體TN、TP濃度變化Fig.5 Variations of TN and TP concentration in water at initial and terminal stage of the experiment

3 討論

3.1 水生植物生物量對分解的影響

在自然條件下，水生植物分解是一個復(fù)雜過程且受多種因素的影響[30,35-37]。水生植物生物量越大，在分解過程中對水體中營養(yǎng)鹽濃度的影響越大，但生物量的大小與影響程度沒有確定的比例關(guān)系。潘慧云等[35]通過研究沉水植物衰亡分解過程營養(yǎng)鹽釋放發(fā)現(xiàn)，生物量只是一定程度上影響植物分解的速度和污染程度。碳氮比和碳磷比被認(rèn)為是影響微生物活動和種群動態(tài)的2個重要因素，其可通過抑制微生物對氮、磷的固定從而影響植物分解速率[38]。Wang等[39]研究表明，高氮、磷含量的植物是影響植物分解釋放營養(yǎng)鹽濃度的主要因素，植物氮、磷含量越高，分解后水體氮、磷濃度越大。

水生植物分解過程主要分為3個階段[40-42]：第1階段為易溶有機(jī)物物理浸出過程，該階段水生植物生物量越大，可浸出的溶解性物質(zhì)就越多；第2階段為微生物分解作用過程，該階段植物重量損失較大；第3階段植物分解緩慢，且分解速度受不同植物體內(nèi)木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等含量的影響[43]。本研究中狐尾藻、慈姑、水葫蘆、浮萍這4種水生植物莖葉分解明顯，而茭草、蘆葦、再力花分解不明顯，這與曹培培等[44]的研究結(jié)果相一致。與一般水生植物分解試驗不同，自然條件下水生植物分解4個月后，水體中各營養(yǎng)鹽濃度仍未達(dá)到穩(wěn)定，這表明水生植物自然衰亡分解需要較長的時間。

3.2 水溫對分解的影響

自然條件下，水溫是不可控因素，也是影響水生植物分解的重要外界環(huán)境因子。水溫對水生植物分解的作用主要是通過影響系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌及真菌的活性從而改變植物體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的釋放速率[37]。試驗第0～10天，水溫較低，微生物分解作用很弱，水生植物的分解以快速浸出為主，水體中營養(yǎng)鹽濃度變化主要受沉積物及植物莖葉吸附作用的影響。試驗中期，由于水溫升高，水生植物分解能維持水體較高的營養(yǎng)鹽濃度。但不同類型植物受水溫影響的表現(xiàn)不同，Hanisak[45]研究認(rèn)為，不同類型水生植物分解具有差異性，非光合作用沉水植物在溫度的影響下更容易分解，使水體營養(yǎng)鹽濃度在一段時期內(nèi)維持較高值。自然條件下，水生植物衰亡分解主要發(fā)生在春季溫度較高的時候，若冬季打撈部分沉水植物和一些難分解的挺水植物，則可以改變春季植物分解對水質(zhì)的影響。

4 結(jié)論

(2)水溫是水生植物衰亡分解的重要外界影響因素。第30～50天水溫發(fā)生改變，明顯影響了水生植物釋放到水體中氮、磷濃度的變化，主要表現(xiàn)為水溫上升，水體中氮、磷濃度快速升高；水溫下降，水體中氮、磷濃度降低。

(3)冬春季入湖河口區(qū)莖葉生物量是影響水生植物群落衰亡分解釋放到水體中營養(yǎng)鹽濃度的關(guān)鍵因素。試驗始末水體氮、磷濃度變化表明，收割后保留20%的水生植物群落莖葉生物量有利于保持冬春季入湖河口區(qū)良好的水質(zhì)。