鈣離子添加對(duì)沉水植物菹草(Potamogeton crispus L.)和金魚藻(Ceratophyllum demersum L.)富集水體磷的影響*

陳 琦,王和云

(湖北工業(yè)大學(xué)河湖生態(tài)修復(fù)及藻類利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,土木建筑與環(huán)境學(xué)院,武漢 430068)

沉水植物作為水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者,對(duì)整個(gè)水體生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能及系統(tǒng)穩(wěn)定性有決定性的影響[1],能穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)[2],維持水生態(tài)系統(tǒng)健康[3]. 大量研究和實(shí)踐表明,重建沉水植物對(duì)恢復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng),改善水質(zhì)具有十分重要的意義[4-7]. 因此,富營(yíng)養(yǎng)化水體中沉水植物的恢復(fù)與重建已成為生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容.

沉水植物生長(zhǎng)過(guò)程中的根、莖、葉均能夠吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[8],可以有效降低水體環(huán)境中的氮磷濃度、緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化. 多數(shù)研究以植物干重基礎(chǔ)上的全磷含量來(lái)表征植物對(duì)水體磷的富集效率,一般干重磷含量較高的植物被認(rèn)定為除磷效果好[9-10]. 但一年生的沉水植物,植株死亡期會(huì)釋放營(yíng)養(yǎng)鹽[11]；在富營(yíng)養(yǎng)化水體中,沉水植物過(guò)度的種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)導(dǎo)致植物的腐爛,成為氮、磷的內(nèi)污染源,引起水質(zhì)惡化[12-13]. 因此,適當(dāng)收割植物能防止死亡腐爛造成的二次污染,強(qiáng)化水質(zhì)凈化作用[14]. Scheffer等[15]認(rèn)為,在0.25 mg/L以內(nèi)的磷負(fù)荷下,淺水湖泊可以通過(guò)沉水植被固定營(yíng)養(yǎng)物而維持清潔狀態(tài),而且僅僅在0.25 mg/L以下的磷負(fù)荷下才能實(shí)現(xiàn),高于此濃度浮游植物將會(huì)占優(yōu)勢(shì),使湖泊由清水態(tài)變?yōu)闈崴畱B(tài). 沉水植物去除水體磷主要通過(guò)表面吸附、植物吸收和與過(guò)飽和CaCO3共沉淀[16-18],從而在體內(nèi)形成水溶性磷、有機(jī)磷和鈣磷[19]. 不同的沉水植物物種,在不同的環(huán)境條件下,灰分磷中這三種磷的組成會(huì)發(fā)生變化,其對(duì)磷的去除效率不同[20].

鈣是植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素之一,在植物生長(zhǎng)發(fā)育和應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫中處于中心調(diào)控地位[21]. 倪玲珊發(fā)現(xiàn)沉積物未添加鈣種植菹草時(shí),水體總磷(TP)(0.56 mg/L)去除率為59%,在沉積物中新增定量交換性鈣后種植菹草(PotamogetoncrispusL.),可使TP去除率提高至82%[22],這表明,菹草在生長(zhǎng)過(guò)程中,對(duì)水體磷遷移過(guò)程中發(fā)生了CaCO3-P共沉淀[23]. 在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中,沉水生物的光合作用形成的微環(huán)境,或局部水體Ca2+高度過(guò)飽和是控制湖泊CaCO3沉淀的直接原因和形成細(xì)胞外CaCO3自生沉淀的主要原因[24]. 低于50 mg/L的低Ca2+濃度發(fā)生的鈣化主要為生物鈣化,高于200 mg/L的高Ca2+濃度則主要為以生物引發(fā)的物理化學(xué)鈣化[25]. 在一些鈣質(zhì)水體中,CaCO3-P共沉淀被認(rèn)為是湖泊水體的自凈機(jī)制之一[26]. 基于此,對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊,是否可以通過(guò)提高水體中鈣離子濃度,促進(jìn)沉水植物對(duì)水體磷的去除能力？國(guó)外已經(jīng)有將CaCO3投加到湖泊中增加水體中磷的固定的應(yīng)用[27],在水處理中采取用石灰等含鈣物質(zhì)回收污泥中的磷[28]和運(yùn)用鈣鹽進(jìn)行湖泊內(nèi)源磷控制[29]均是對(duì)這個(gè)鈣磷共沉淀過(guò)程的工程應(yīng)用.

在任文君[30]的研究中,菹草分別在中營(yíng)養(yǎng)(TP濃度0.177 mg/L)、高營(yíng)養(yǎng)(TP濃度0.426 mg/L)、富營(yíng)養(yǎng)(TP濃度0.858 mg/L)、超富營(yíng)養(yǎng)(TP濃度3.211 mg/L)下,對(duì)水體中TP去除效果的順序依次為: 高營(yíng)養(yǎng)濃度>超富營(yíng)養(yǎng)濃度>中營(yíng)養(yǎng)濃度>富營(yíng)養(yǎng)濃度. 在馬劍敏等[31]的研究中,菹草即使在高磷濃度下(12.8 mg/L),現(xiàn)存量仍明顯增加；伊樂藻(Elodeanuttallii)和苦草(Vallisenerianatans)在磷≤0.8 mg/L時(shí)現(xiàn)存量穩(wěn)定或增長(zhǎng),在磷>0.8 mg/L時(shí)開始負(fù)增長(zhǎng),這表明菹草對(duì)高磷濃度的耐受性大于伊樂藻和苦草. 金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)是淡水湖泊常見的主要優(yōu)勢(shì)種之一,是一種較能耐受營(yíng)養(yǎng)鹽脅迫的沉水植物品種[32-33]. 但也有研究表明,金魚藻較適應(yīng)于中-富營(yíng)養(yǎng)化水體環(huán)境(TN: 1 mg/L,TP: 0.1 mg/L),水體營(yíng)養(yǎng)鹽繼續(xù)增加對(duì)金魚藻有脅迫作用[34],長(zhǎng)時(shí)間的高營(yíng)養(yǎng)脅迫可能會(huì)導(dǎo)致金魚藻的葉片全部脫落,進(jìn)而造成金魚藻死亡[35]. 沉水植物的恢復(fù)是解決湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要舉措,但是植物的選擇會(huì)直接影響生態(tài)修復(fù)的效果. 本研究選擇沉水植物菹草和金魚藻作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,比較兩種沉水植物在不同營(yíng)養(yǎng)水平的磷濃度下,鈣離子添加對(duì)水體磷的去除和植物富集磷的差異,并通過(guò)植物灰分磷的組分分析,聚焦植物鈣磷的變化,為生態(tài)修復(fù)中沉水植物的選擇提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與預(yù)培養(yǎng)

2017年春季,將取自梁子湖的菹草(PotamogetoncrispusL.)和取自內(nèi)沙湖的金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)栽培在湖北工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院后面無(wú)遮蔭、自然光照的露天水池里,自來(lái)水培養(yǎng). 在2017年11月后截取若干長(zhǎng)勢(shì)良好,長(zhǎng)約5～8 cm的植物頂端洗凈,使用去離子水對(duì)植物進(jìn)行清洗,然后使用軟毛刷刷洗植株葉片表面,去除植株表明的雜質(zhì)和附著藻,分開放置于1 L的玻璃燒杯. 同時(shí)取水泥池的水樣用玻璃纖維膜(上海興亞孔徑0.45 μm)過(guò)濾除去藻類與大顆粒物質(zhì)后加入裝有沉水植物的燒杯中進(jìn)行預(yù)培養(yǎng). 燒杯置于光照培養(yǎng)箱中,光暗比為12 h∶12 h,溫度控制為光周期20℃,暗周期15℃,光照強(qiáng)度為110 μmol/(m2·s),預(yù)培養(yǎng)7天.

表1 實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)液磷、鈣添加濃度(mg/L)分組設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)編組PO3-4-Ca2+PO3-4添加Ca2+添加A0-000B0.2-00.20C2-020D0-1000100E0.2-1000.2100F2-1002100

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

預(yù)培養(yǎng)一周后將2種沉水植物的植株頂端轉(zhuǎn)入1 L的燒杯中,每個(gè)燒杯中添加1 L不同磷濃度和鈣濃度的培養(yǎng)液,4～5株植株頂端,鮮重約5 g. 磷濃度設(shè)置了3個(gè)水平,分別是無(wú)添加磷(0 mg/L)、中濃度磷(0.2 mg/L)和高濃度磷(2 mg/L),外加鈣濃度設(shè)置了2個(gè)水平,分別是無(wú)添加鈣(0 mg/L)和添加鈣(100 mg/L). 因預(yù)培養(yǎng)水中鈣離子濃度為25 mg/L,因此添加鈣之后水體鈣水平分別為25和125 mg/L. 該研究一共有6種處理(表1). 其中無(wú)機(jī)磷處理通過(guò)添加K2HPO4獲得,Ca2+添加處理通過(guò)無(wú)水CaCl2實(shí)現(xiàn). 平行處理為4個(gè).

實(shí)驗(yàn)中植物的培養(yǎng)在光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行,培養(yǎng)的條件,包括光照和溫度與預(yù)培養(yǎng)時(shí)一致. 實(shí)驗(yàn)周期8天. 實(shí)驗(yàn)每隔2天,在每個(gè)光周期開始時(shí)取培養(yǎng)液100 mL(不補(bǔ)充培養(yǎng)液). 用來(lái)測(cè)定培養(yǎng)液的總磷(TP)和溶解性反應(yīng)磷(SRP)濃度.

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

TP濃度的測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法,參見《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(GB 11893-1989)[36]；SRP濃度的測(cè)定: 將水樣預(yù)先用0.45 μm孔徑的醋酸纖維濾膜,而后采用鉬-銻-抗比色法進(jìn)行測(cè)定.

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將植物取出用自來(lái)水清洗,并用吸水紙擦干表面水分,分析天平稱取鮮重(誤差±0.001 g),然后60℃烘48 h至恒重,分析天平稱量干重(誤差±0.001 g). 植株干重全磷按照鉬銻抗比色法(GB 7887-1987)測(cè)量[37]；馬弗爐焚燒(550℃,1 h)獲得灰分以檢測(cè)灰分磷的組成,植株灰分各成分磷的測(cè)量方法修改自Dou等[38]的方法,具體步驟為: 在植物灰化后,包括3個(gè)步驟: a)用50 mL蒸餾水萃取30 min以獲得水溶性磷(H2O-P),b)用50 mL 1.0 mol/L的NaOH萃取20 h以獲得有機(jī)磷(NaOH-P),c)用50 mL 1.0 mol/L的HCl萃取30 min以獲得鈣磷(HCl-P). 分餾后獲得的組分采取過(guò)硫酸鉀氧化法(GB 11893-1989),將H2O-P、NaOH-P、Ca-P的含量相加得植物的灰分總磷[38].

1.4 計(jì)算與數(shù)據(jù)分析

磷和鈣對(duì)植物全磷、灰分磷以及灰分中磷組成(H2O-P、NaOH-P和HCl-P)影響通過(guò)二元方差分析獲得,各處理間的差異通過(guò)t-test獲得. 數(shù)據(jù)處理分析使用SPSS 17.0分析. 圖表制作采用Origin 8.0軟件.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理?xiàng)l件下TP和SRP濃度的變化

在菹草培養(yǎng)體系中,隨著時(shí)間的變化,溶液中TP濃度逐漸降低,第2天下降速度最快；TP濃度在2-0組和2-100組的變化無(wú)差異(P>0.05). 第8天收獲植物時(shí),2-0組的TP濃度由初始平均值1.97 mg/L降至0.43 mg/L,降幅為78.17%；2-100組的TP濃度由初始平均值2.04 mg/L降至0.44 mg/L,降幅為78.43%. 在金魚藻培養(yǎng)體系中,TP濃度在第2天開始下降,隨著時(shí)間變化,高磷濃度的兩組(2-0組和2-100組)處理中TP濃度先升高后降低(P<0.01),但總體TP濃度仍低于初始值(P<0.01). 第8天收獲植物時(shí),2-0組的TP濃度由初始值2.06 mg/L降至1.01 mg/L,降幅為50.97%；2-100組的TP濃度由初始值2.05 mg/L降至為0.85 mg/L,降幅為58.53%.

0.2-0組和0.2-100組的菹草溶液中TP濃度沒有顯著變化,平均值維持在0.04～0.05 mg/L之間. 0.2-0組的金魚藻溶液中TP濃度下降幅度低于0.2-100組(0.2-0組0.11 mg/L；0.2-100組0.08 mg/L).

圖1 添加不同濃度水平處理下菹草體系溶液(a)和金魚藻體系溶液(b)的TP濃度變化Fig.1 TP concentration changes in solution of Potamogeton crispus L.(a) and in solution of Ceratophyllum demersum L. (b) in response to different concentrations of and Ca2+ levels

在菹草體系中,隨著時(shí)間的變化,溶液中SRP濃度逐漸降低. 第8天收獲菹草時(shí),2-0組的SRP濃度平均值為0.38 mg/L,2-100組為0.33 mg/L. 菹草體系中2-100處理組的SRP降低幅度低于2-0處理組(P<0.05). 對(duì)于金魚藻培養(yǎng)體系,第2天SRP顯著降低,高磷濃度的兩組(2-0組和2-100組)處理中與TP濃度變化一致,SRP濃度呈先升高后降低(P<0.01),但是總體濃度還是低于初始狀態(tài),第8天時(shí),2-0組SRP濃度為0.86 mg/L；2-100組SRP濃度為0.72 mg/L.

0.2-0組和0.2-100組的菹草溶液中,SRP濃度變化趨勢(shì)相同. 0.2-100組SRP濃度在2d時(shí)降低的更多,但隨著時(shí)間推移,在4d時(shí),0.2-0組的SRP濃度降低到和2-100組相近,第8天收獲植物時(shí),0.2-0組SRP濃度為0.025 mg/L；0.2-100組濃度為0.023 mg/L. 金魚藻體系中,中等磷濃度兩組SRP呈下降趨勢(shì),0.2-0組濃度為0.012 mg/L,0.2-100組濃度為0.008 mg/L.

圖2 添加不同濃度水平處理下菹草體系溶液(a)和金魚藻體系溶液(b)SRP濃度變化Fig.2 SRP concentration changes in solution of Potamogeton crispus L.(a) and in solution of Ceratophyllum demersum L. (b)in response to different concentrations of and Ca2+ levels

2.2 2種沉水植物灰分總磷和干重總磷含量的變化

對(duì)菹草而言,植物干重全磷和灰分總磷在高磷水平處理?xiàng)l件下最高；灰分總磷在高磷高鈣水平(2-100組)處理?xiàng)l件下最高,平均含量為76.55 mg/g；在低磷低鈣水平(0-0組)含量最低,平均值為35.32 mg/g. 干重全磷在高磷低鈣水平(2-0組)含量最高,平均值為5.82 mg/g；在低磷低鈣水平(0-0組)含量最低,平均值為2.63 mg/g.

金魚藻的灰分總磷在中等磷低鈣水平(0.2-0組)處理?xiàng)l件下含量最高,平均含量為168.79 mg/g,在低磷高鈣水平(0-100組)含量最低,平均值為86.01 mg/g. 干重全磷含量在高磷高鈣水平(2-100組)條件下最高,平均含量為7.37 mg/g；在低磷高鈣(0-100組)含量最低,平均值在4.33 mg/g. 金魚藻在0-0組灰分總磷含量為136.02 mg/g,干重全磷含量為4.87 mg/g.

圖3 添加不同濃度水平處理下的菹草(a)和金魚藻(b)干重全磷和灰分總磷含量變化(不同字母代表處理間差異顯著)Fig.3 Total phosphate content changes based on plant dry weight and based on plant ash of Potamogeton crispus L. (a) and Ceratophyllum demersum L. (b) in response to different concentrations of and Ca2+ levels(Different letters indicated significant differences between treatments)

二元方差顯示磷濃度顯著影響了菹草的干重全磷和灰分總磷含量,磷濃度對(duì)灰分總磷變異的貢獻(xiàn)比(95.64%)高于干重總磷(86.42%),鈣濃度對(duì)灰分總磷有影響而對(duì)干重全磷沒有影響. 金魚藻的干重全磷含量受到磷濃度(37.19%)的影響，而灰分總磷受到磷(40.02%)和鈣(42.90%)濃度的共同影響.

磷濃度顯著影響了菹草和金魚藻的干重總磷和灰分總磷含量,但菹草的干重磷含量的貢獻(xiàn)百分比(86.42%)高于金魚藻(37.19%),灰分磷含量的貢獻(xiàn)百分比(95.64%)也高于金魚藻(40.02%).

2.3 兩種沉水植物的灰分磷組成和變化

植物灰分總磷由H2O-P、NaOH-P和HCl-P組成. 菹草和金魚藻灰分中的H2O-P、NaOH-P和HCl-P均受到磷和鈣的影響. 二元方差分析表明磷濃度顯著影響了兩種植物灰分總磷中H2O-P含量(菹草71.07%,金魚藻26.56%),NaOH-P含量(菹草84.74%,金魚藻64.63%)和HCl-P含量(菹草85.54%、金魚藻39.54%). 鈣濃度顯著影響了兩種植物灰分總磷中H2O-P含量(菹草18.60%、金魚藻66.62%),NaOH-P含量(菹草1.41%、金魚藻14.45%)和HCl-P含量(菹草2.60%、金魚藻35.63%)(表2).

表2 外加磷和鈣對(duì)植物磷差異的貢獻(xiàn)比

Tab.2 Percentage of contribution of phosphorus and calcium to plant phosphorus differences

植物指標(biāo)平方和百分比/%磷濃度鈣濃度磷×鈣誤差菹草干重全磷86.42***1.65ns2.51ns9.43灰分總磷95.64***2.60***0.18ns1.58水溶性磷71.07***18.60***1.24ns9.09有機(jī)磷84.74***1.41**11.55***2.30鈣磷85.54***2.60*2.90ns8.96金魚藻干重全磷37.19***3.12ns32.89**26.80灰分總磷40.02***42.90***16.34***0.74水溶性磷26.56***66.62***5.2***1.62有機(jī)磷64.63***14.45***17.91***3.00鈣磷39.54***35.63***23.23***1.61

*代表P<0.05水平上影響顯著; **代表P<0.01; ***代表P<0.001; ns代表P>0.05.

菹草的H2O-P、HCl-P均在高磷高鈣水平(2-100組)含量最高(圖4b,c),NaOH-P在高磷低鈣(2-0組)含量最高(圖4a). 在未添加和添加0.2 mg/L磷濃度下的溶液中,鈣離子添加對(duì)菹草的灰分H2O-P、HCl-P和NaOH-P含量均沒有影響,但在添加2 mg/L磷濃度下,鈣離子添加使NaOH-P含量降低,而H2O-P、HCl-P含量升高. 未添加鈣離子的3組處理中,菹草NaOH-P含量隨磷濃度升高而增加. 添加鈣離子的3組處理中,HCl-P含量隨磷濃度升高而增加.

金魚藻的H2O-P和HCl-P均在中等磷低鈣水平(0.2-0組)含量最高(圖4b,c),而NaOH-P在高磷高鈣(2-100組)最高(圖4a). 未添加鈣離子的3組處理中,與0-0組相比,0.2-0和2-0組的NaOH-P顯著升高,H2O-P和HCl-P在0.2 mg/L磷濃度下含量最高. 添加鈣離子后,金魚藻灰分總磷中的H2O-P、HCl-P和NaOH-P含量均隨著添加磷濃度的升高而增加. 在未添加和添加0.2 mg/L的磷濃度下,添加鈣離子降低了H2O-P、HCl-P和NaOH-P含量,但2 mg/L磷濃度下,添加鈣離子只降低了H2O-P和HCl-P含量,NaOH-P含量升高.

3 討論

3.1 溶液TP和SRP變化

不同沉水植物的生長(zhǎng)速率存在差異,因而對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的需求和吸收能力不同. 例如在人工模擬太湖地區(qū)冬季的自然條件下,伊樂藻對(duì)水體磷的去除效果比菹草更好[39]. 但田琦等[40]的研究發(fā)現(xiàn)菹草對(duì)總磷(TP: 3.35 mg/L)的去除能力較伊樂藻和金魚藻強(qiáng),但金魚藻對(duì)SRP的去除效率最高(42.02 μg/(d·g鮮重)),略強(qiáng)于菹草(40 μg/(d·g鮮重)). 從溶液中TP和SRP濃度變化來(lái)看,菹草、金魚藻對(duì)水體中的磷均具有明顯的去除效果,但是去除能力不同. 在高濃度磷(2-0組和2-100組)中,菹草體系的TP濃度降低到0.43～0.44 mg/L,SRP濃度降低到0.33～0.38 mg/L(圖1a,圖2a)；而金魚藻體系的TP濃度在1.01～0.85 mg/L之間,SRP濃度在0.86～0.72 mg/L之間(圖1b,圖2b). 這是因?yàn)殡m然金魚藻在受到較高營(yíng)養(yǎng)脅迫時(shí)(N: 10～30 mg/L,P: 1～3 mg/L),仍具有一定的去除水體中N、P的能力,但這種凈化能力隨營(yíng)養(yǎng)水平的升高(N: 30 mg/L,P: 3 mg/L)而降低[41]. 在2.0 mg/L磷濃度下,菹草對(duì)水體TP和SRP去除變化效果比金魚藻明顯,這是因?yàn)檩喜輰?duì)高磷濃度(12.80 mg/L)的耐受性[31]大于金魚藻[35]. 在第4天,金魚藻體系(2-0組和2-100組)的TP和SRP濃度較前兩天的值有所升高,這與陳少裕[42]的研究一致,即沉水植物金魚藻在重富營(yíng)養(yǎng)化(陳少裕的研究TP: 1 mg/L,本研究TP: 2 mg/L)時(shí)可能存在磷吸收-釋放-再吸收的利用機(jī)制.

菹草體系添加鈣離子組在第2天時(shí)SRP濃度低于未添加鈣離子組,金魚藻體系添加鈣離子組在第6天前的濃度均低于未添加鈣離子(圖2),表明添加鈣離子使溶液中SRP濃度快速下降. 并且添加鈣離子組的溶液中,SRP變化比TP更為明顯. 這與Otsuki等[43]的研究相符合,通常SRP能有效地與CaCO3發(fā)生共沉淀.

3.2 兩種植物的干重全磷和灰分總磷

沉水植物在湖泊中占優(yōu)勢(shì)時(shí),通過(guò)其過(guò)量吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的特性[44],富集水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),因此,植物對(duì)磷的去除能力往往被表征為植物富集的磷[40,45-46]. 本研究中,磷濃度顯著影響了菹草和金魚藻的干重全磷,且干重全磷均在高磷水平處理下最高(菹草在高磷低鈣水平(2-0組),金魚藻在高磷高鈣水平(2-100組)),這說(shuō)明2種植物在高磷水平(2 mg/L)均可有效去除水體磷. 與未添加磷濃度組(0-0組和0-100組)相比,植物體內(nèi)的磷含量隨著水體中磷濃度的升高而增加(圖3),這和Kufel和Ozimek[47]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致,水體中SRP濃度升高會(huì)增大植物生物量中的磷含量,這表明植物干重磷一定程度上表征了植物對(duì)水體磷的去除能力. 然而,沉水植物的生長(zhǎng)具有一定周期性,死亡的植物經(jīng)自然腐爛分解后,干重中直接吸附的磷由于吸附可逆性會(huì)快速溶解到水體中,通過(guò)吸收利用的磷經(jīng)微生物分解后會(huì)釋放到水體中[48-49],參與水體的營(yíng)養(yǎng)再循環(huán)；只有不能被分解的磷部分保存在湖泊底泥中,參與地球化學(xué)循環(huán)[11,50-51]. 其中,通過(guò)生物沉積進(jìn)入湖泊底泥中的這一部分磷才是植物從水體真正去除的磷[20]. 本研究參照陳琦等[20]的研究,將植物的灰分總磷分為水溶性磷、有機(jī)磷和鈣磷. 其中,水溶性磷即為吸附磷,有機(jī)磷能為微生物分解磷,鈣磷會(huì)進(jìn)入底泥,屬于真正去除的磷.

若以灰分總磷作為植物富集水體磷的指標(biāo),本研究中,金魚藻灰分總磷含量在0.2 mg/L磷濃度下最高,而菹草灰分總磷含量在2 mg/L磷濃度下最高,這表明相對(duì)于金魚藻,菹草對(duì)高磷水平有更強(qiáng)的耐受性,與馬劍敏等的研究一致[31,34-35,41].

圖4 添加不同濃度磷-鈣水平處理下的植物灰分磷中NaOH-P、H2O-P和HCl-P含量Fig.4 Contents of NaOH-P,H2O-P and HCl-P based on plant ash in response to different concentrations of and Ca2+ levels

菹草干重全磷在高磷低鈣(2-0組)含量最高,灰分總磷在高磷高鈣(2-100組)含量最高(圖3a),此時(shí)鈣磷含量最高(圖4c)；金魚藻干重全磷含量在高磷高鈣水平(2-100組)下最高,灰分總磷含量在中等磷低鈣水平(0.2-0組)處理?xiàng)l件下最高(圖3b),此時(shí)鈣磷含量最高(圖4c). 干重磷與鈣磷含量的趨勢(shì)不一致,而灰分磷與鈣磷含量趨勢(shì)一致. 由于鈣磷是沉水植物真正意義上去除的磷,灰分磷比干重磷更能表征植物對(duì)水體磷的去除能力.

3.3 鈣的添加對(duì)植物灰分磷組成的影響及其生態(tài)意義

水體中,磷作為微量組分,碳酸根為常量組分,磷和碳酸根共同競(jìng)爭(zhēng)鈣離子,發(fā)生CaCO3-P共沉淀需要適當(dāng)?shù)臏囟取H和相應(yīng)的鈣磷比. 在荷蘭Veluwe湖泊中,上覆水磷濃度為0.1～0.2 mg/L,溶解性磷酸鹽和方解石發(fā)生共沉淀時(shí)的磷鈣比為2.7～7.2 mg P/g Ca[52]. 郭文文[53]發(fā)現(xiàn),溶液中CaCO3-P共沉淀發(fā)生的最適條件: 50 g Ca/1 mg P,溫度25℃,pH值在9.58～9.70之間,鈣的沉淀率最大. 本研究中,光培養(yǎng)周期溫度為20℃,暗培養(yǎng)周期為15℃,初始pH值8.0左右,0.2-100組(P: 0.2 mg/L，Ca2+: 100 mg/L)的鈣磷比為500 mg Ca/1 mg P,培養(yǎng)液在加入磷溶液和鈣溶液后不會(huì)馬上發(fā)生共沉淀現(xiàn)象. 因此,溶液中磷濃度的降低我們主要?dú)w因于植物本身對(duì)水體磷的吸附吸收. 而2-100組(P: 2 mg/L，Ca2+: 100 mg/L)的鈣磷比為50 mg Ca/1 mg P,但實(shí)際上,我們從濾膜過(guò)濾后的原水本身是含有20～30 mg/L的鈣離子,因此0-100組、0.2-100組和2-100組的鈣離子濃度超過(guò)了100 mg/L. 實(shí)驗(yàn)開始時(shí)水體中的磷和鈣離子不會(huì)發(fā)生CaCO3-P共沉淀,但伴隨植物生長(zhǎng)及光合作用使水體pH值升高,影響了磷和鈣離子的濃度,從而導(dǎo)致CaCO3-P共沉淀的發(fā)生.

朱端衛(wèi)等[23]認(rèn)為沉水植物驅(qū)動(dòng)的水環(huán)境鈣泵在水體磷循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用,能將水柱中少量的SRP分配在碳酸鈣中形成CaCO3-P共沉淀,導(dǎo)致水體中可溶性磷向難溶性磷轉(zhuǎn)化. 楊漢東對(duì)洪湖生態(tài)系統(tǒng)的研究表明,水生植物的葉和莖巨大有效表面積能承接大量鈣鹽沉淀物(主要以CaCO3形式存在),植物進(jìn)行灰化后,占其灰分的86.2%[54]. Siong等[19]研究發(fā)現(xiàn),水柱中的磷能與碳酸鈣發(fā)生共沉淀結(jié)合到植物的節(jié)間點(diǎn),鈣磷(HCl-P)形式的增加會(huì)增大磷營(yíng)養(yǎng)鹽的沉積.

大部分硬水中的水生植物均有沉淀Ca的能力[55],水生植物光合作用吸收CO2引起pH升高,導(dǎo)致磷酸鹽和碳酸鹽發(fā)生沉淀[43],當(dāng)光合作用更強(qiáng)烈時(shí),CaCO3-P除磷效果更加明顯[56],與其它水生植物相比,輪藻對(duì)Ca的沉淀能力更強(qiáng)[57],碳酸鹽高達(dá)其干重的60%[58]. 在Siong和Asaeda[19]的研究中發(fā)現(xiàn),鈣化輪藻比非鈣化輪藻能存儲(chǔ)更多與碳酸鈣共沉淀的磷. 本研究中,在2 mg/L磷濃度下,添加鈣離子使菹草的H2O-P和HCl-P含量升高(圖4b,c),NaOH-P含量降低(圖4a),但總體灰分總磷含量升高(圖3a),這表明鈣離子添加可通過(guò)提高菹草吸附性磷和鈣磷含量增強(qiáng)磷的富集. 菹草的干重磷在2-0組含量最高,而灰分磷在2-100組含量最高,主要是因?yàn)樘砑逾}離子與水體中的磷發(fā)生了共沉淀,導(dǎo)致水體中SRP濃度降低(圖2a),菹草對(duì)磷的吸收減少,使有機(jī)磷含量降低,而共沉淀和吸附作用增強(qiáng),使鈣磷和水溶性磷含量升高,經(jīng)灰分處理后菹草中的HCl-P被保留下來(lái),有機(jī)磷易被分解,因此灰分磷在2-100組最高,而干重磷在2-0組最高.

對(duì)于金魚藻而言,由于高磷濃度下(2 mg/L)的解吸附過(guò)程,無(wú)鈣離子添加時(shí),與0.2 mg/L磷濃度相比,2 mg/L磷濃度下的H2O-P和HCl-P含量顯著降低,但鈣離子添加顯著降低了水體中磷含量(圖1b,圖2b)的同時(shí),提高了高磷濃度下的植物NaOH-P含量(圖4a),這是因?yàn)?-100組中的SRP濃度降低至0.6 mg/L左右(圖2b),磷對(duì)植物的脅迫作用降低,金魚藻能通過(guò)自身作用吸收水體中的磷,導(dǎo)致NaOH-P含量的升高. 對(duì)比未添加鈣離子組,灰分中H2O-P和HCl-P含量的降低(圖4b)導(dǎo)致灰分總磷含量的降低(圖3b),金魚藻的干重磷在2-100組含量最高,而灰分磷含量在0.2-0組最高.

顯然,本研究中,100 mg/L的鈣離子添加影響了兩種植物對(duì)水體磷的去除方式和能力,對(duì)于菹草而言,是通過(guò)提高吸附性磷和鈣磷含量增強(qiáng)磷的富集,對(duì)于金魚藻而言,則是顯著升高了灰分中有機(jī)磷的含量(圖4). 這表明在高磷水平下,金魚藻對(duì)水體磷的去除主要是通過(guò)吸收作用,如前所述. 由于有機(jī)磷在植物腐爛時(shí)會(huì)經(jīng)由微生物分解重新進(jìn)入水體,造成“二次污染”[14],因此,金魚藻灰分有機(jī)磷含量升高僅能表征植物生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)水體磷的高富集能力,而不等于金魚藻對(duì)水體磷的真正去除能力. 但CaCO3-P不具有生物活性[19],能在沉積物中長(zhǎng)期存儲(chǔ). 在水生態(tài)系統(tǒng)中,植物以HCl-P形式來(lái)富集水體更多的磷,會(huì)增大磷營(yíng)養(yǎng)鹽的沉積,降低水體磷含量抑制浮游植物的生長(zhǎng),從而穩(wěn)定清水穩(wěn)態(tài). 本研究中,添加鈣離子后,菹草通過(guò)提高HCl-P含量增強(qiáng)磷的富集(圖4),表現(xiàn)出比金魚藻更強(qiáng)的形成CaCO3-P共沉淀的能力.

4 結(jié)論

1)培養(yǎng)周期內(nèi),菹草和金魚藻均能通過(guò)吸收、吸附和CaCO3-P共沉淀作用有效富集水體中的磷,且鈣離子添加后,菹草對(duì)水體磷的富集效率高于金魚藻.

2)菹草的干重總磷在高磷低鈣(2-0組)水平含量最高,灰分總磷及鈣磷均在高磷高鈣(2-100組)水平含量最高,而金魚藻干重磷在高磷高鈣(2-100組)水平含量最高,灰分總磷及鈣磷含量均在中等磷低鈣(0.2-0組)水平最高. 干重磷與鈣磷含量的趨勢(shì)不一致,而灰分磷與鈣磷含量趨勢(shì)一致,因此,以干重磷和灰分磷分別表征植物富集水體磷的能力,會(huì)得出不同的結(jié)論,灰分磷比干重磷更能表征植物對(duì)水體磷的去除能力.

3)添加鈣離子對(duì)2種植物的影響不同. 在2 mg/L的磷濃度下,添加鈣離子使菹草的H2O-P和HCl-P含量升高,NaOH-P含量降低；而添加鈣離子使金魚藻NaOH-P含量升高,H2O-P和HCl-P含量均降低. 這表明菹草通過(guò)提高吸附性磷和鈣磷含量增強(qiáng)磷的富集,而金魚藻則只提高有機(jī)磷含量. 顯然,水體富營(yíng)養(yǎng)化背景下,相較于金魚藻,菹草具有更強(qiáng)的形成CaCO3-P共沉淀的能力,具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).