干濕交替作用下不同植物對(duì)氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響

武軍旭，石麗忠，舒婷婷，曲 麗，晉夢(mèng)聰

(沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110016)

0 引 言

土壤中的含氮物質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列的物理、化學(xué)、生物變化發(fā)生的氮素遷移轉(zhuǎn)化，是土壤時(shí)刻發(fā)生的一種常見(jiàn)現(xiàn)象，這些變化對(duì)于保持土壤肥力和環(huán)境的凈化意義重大。土壤對(duì)于氮素轉(zhuǎn)化受各種因素影響，干濕交替是重要因素之一[1]，對(duì)土壤肥力和土壤營(yíng)養(yǎng)循環(huán)具有重要意義。在自然界中，土壤氮礦化與土壤反硝化是氮素轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)[2-3]，有著明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化[4-5]，氮素的轉(zhuǎn)化與損失速率較快使土壤有效氮的積累困難。干濕交替是氮素在環(huán)境中轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動(dòng)力，影響著氮素在土壤中的累積、遷移以及損失等[6]，其能夠影響有機(jī)氮素的礦化和氮素的損失[7]。

隨著人類社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，人們對(duì)于自然的影響越來(lái)越大，人類在改造自然、發(fā)展生產(chǎn)力的時(shí)候，對(duì)我們的生態(tài)環(huán)境破環(huán)也是不容忽視的。2008年，我國(guó)提出科學(xué)發(fā)展觀的理念[8]，不僅需要金山銀山，還需要綠水青山。而水體富營(yíng)養(yǎng)是最常見(jiàn)的水體污染形式之一，農(nóng)業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)導(dǎo)致大量的營(yíng)養(yǎng)元素N、P、K通過(guò)雨水和工業(yè)廢水排放到水體中，導(dǎo)致水體生態(tài)平衡失調(diào)。水體富營(yíng)養(yǎng)化是全世界普遍存在的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一[9],由于氮循環(huán)的不平衡導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化是眾多原因中的一個(gè)重要因素[10-12]，利用生物學(xué)措施對(duì)于水體凈化無(wú)疑是最好的方法之一。

農(nóng)業(yè)灌溉排水渠道一般是指那些自然形成的暴露在地表亦或是以排水為目的而挖掘的渠道。許多水渠比較淺,水位的波動(dòng)變化也比較大,渠道存在干濕交替狀態(tài)的可能性較大。長(zhǎng)久以來(lái),人們往往更重視農(nóng)業(yè)灌溉排水渠道對(duì)調(diào)節(jié)水量平衡的影響,對(duì)環(huán)境作用和生態(tài)效應(yīng)的研究相對(duì)匱乏。近幾年來(lái),在中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展相對(duì)發(fā)達(dá)、經(jīng)濟(jì)水平較高的地區(qū),存在著過(guò)度施用化肥和噴施高毒、高殘留農(nóng)藥等現(xiàn)象，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境。為了更好的保護(hù)水質(zhì)，本文選擇苜蓿菜、無(wú)芒雀麥、沙打旺、千屈草等北方護(hù)坡植物為研究對(duì)象，在干濕交替作用后測(cè)定水體中氮素的含量，分析不同植物對(duì)水體自凈效率的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 渠道采樣點(diǎn)設(shè)計(jì)

在排水干渠選取一段無(wú)支流流入的300 m進(jìn)水渠段,每隔100 m設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)，共4個(gè)采樣點(diǎn)，分別標(biāo)為A0、A1、A2、A3。

1.1.2 水樣的采集

1.1.3 底泥樣品的采集

用小型重力式采泥器(使用水深≤100 m)采集底泥。為了減小偶然誤差，在4個(gè)采樣點(diǎn)各采集2～3次，然后及時(shí)對(duì)采集的底泥樣品做預(yù)處理(去除樹(shù)葉樹(shù)枝、攪拌混合、薄膜包裝等)，防止底泥的硬化、結(jié)塊以及土壤理化性質(zhì)的失衡。

用采集的水樣和底泥模擬農(nóng)田溝渠水體環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室種植苜蓿菜、無(wú)芒雀麥、沙打旺、千屈草4種植物。苜蓿草耐干旱，北方比較常見(jiàn)，具有改良土壤的作用。無(wú)芒雀麥適應(yīng)性強(qiáng)，是水土保濕、治理水質(zhì)污染的理想草種。沙打旺可用作綠肥、飼草、水土保濕，具有很強(qiáng)的耐鹽堿能力。千屈草在北方生長(zhǎng)普遍，有良好的截污作用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 濕態(tài)試驗(yàn)

在5個(gè)20 L橡膠軟桶中鋪上15 cm底泥(底泥取自農(nóng)業(yè)灌溉渠道)，依次栽種苜蓿草、無(wú)芒雀麥、沙打旺、千屈草，另設(shè)一個(gè)空白對(duì)照組，不種植物；將采樣點(diǎn)采集的水樣倒入，控制底泥表面至水面大約在10 cm,設(shè)置一個(gè)空白對(duì)照，作為平行樣，此為A0采樣點(diǎn)水樣的試驗(yàn)。同上，設(shè)置A1、A2、A3的試驗(yàn)。

1.2.2 干態(tài)試驗(yàn)

大多數(shù)農(nóng)田灌渠的水位隨著灌溉、降雨等活動(dòng)而呈現(xiàn)季節(jié)性變化，所以農(nóng)田灌渠經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)干濕交替的狀況。農(nóng)田灌渠的水位和底泥中水分含量對(duì)灌渠濕地生態(tài)系統(tǒng)中的氨素去除轉(zhuǎn)化有著一定程度的影響，不同植物也會(huì)對(duì)不同的水分環(huán)境作出不同的反應(yīng)。為此，本課題將設(shè)立不同植物在缺水干涸狀態(tài)下的對(duì)底泥中氮素遷移轉(zhuǎn)化的模擬試驗(yàn)。

在5個(gè)容量為20 L塑料桶中鋪上厚15 cm農(nóng)田灌渠底泥，分別栽種苜蓿草、無(wú)芒雀麥、沙打旺、千屈草，另一個(gè)不種植物；用采樣點(diǎn)采集的水樣培養(yǎng)植物24 h，然后水樣倒掉，使植物在干涸狀態(tài)生長(zhǎng)，設(shè)置一個(gè)空白對(duì)照，作為平行樣，此為A0采樣點(diǎn)水樣的試驗(yàn)。同上，設(shè)置A1、A2、A3的試驗(yàn)。

1.2.3 樣品采集

2 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行列表和作圖的方式 ，進(jìn)行直觀比較。然后對(duì)所得數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算氮素去除率，判斷對(duì)氮素的轉(zhuǎn)移效率。

去除率=(C0-Ci)/C0×100%

從表1和圖1中可以看出，苜蓿草、無(wú)芒雀麥、沙打旺和千屈草都對(duì)濕態(tài)上覆水中的氨氮有很好的吸收，但千屈草的去除效率略高(86.0%)。

圖1 濕態(tài)上覆水氨氮變化(mg/L)Fig.1 The Vary of ammonia nitrogen in the overlying water (mg/L)

從表2和圖2中可以看出，千屈草對(duì)干態(tài)底泥上覆水中的氨氮吸收明顯優(yōu)于苜蓿草、無(wú)芒雀麥及沙打旺，氮素去除效率為(83.3%)。

表2 干態(tài)底泥上覆水氨氮含量Tab.2 Ammonia nitrogen content on overlying water of dry sediment /mg·L-1

圖2 干態(tài)底泥上覆水氨氮變化(mg/L)Fig.2 The Vary of ammonia nitrogen in overlying water on dry bottom sediment (mg/L)

從表3和圖3中可以直觀地看出，對(duì)于濕態(tài)上覆水的硝酸鹽氮的吸收效果依次為苜蓿草 > 沙打旺 > 無(wú)芒雀麥 >千屈草。

表3 濕態(tài)上覆水硝酸鹽氮含量Tab.3 Nitrate nitrogen content in wet overlying water /mg·L-1

圖3 濕態(tài)上覆水硝酸鹽氮變化(mg/L)Fig.3 The vary of nitrate nitrogen in wet overlying water (mg/L)

從表4和圖4中可以直觀地看出，對(duì)于干底泥上覆水的硝酸鹽氮的吸收效果依次為千屈草> 沙打旺 >苜蓿草> 無(wú)芒雀麥。

表4 干態(tài)底泥上覆水硝酸鹽氮含量Tab.4 Nitrate nitrogen content on overlying water of dry sediment /mg·L-1

圖4 干態(tài)底泥上覆水硝酸鹽變化(mg/L)Fig.4 The Vary of nitrate nitrogen in overlying water on dry bottom sediment (mg/L)

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)初步研究，可以得出以下結(jié)論：

3) 干態(tài)底泥中氨氮變化趨勢(shì)呈現(xiàn)下降-平緩的狀態(tài)，而硝酸鹽氮呈現(xiàn)上升-下降-平緩的波動(dòng)狀態(tài)。隨著硝化作用的進(jìn)行，氨氮被轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮，進(jìn)而導(dǎo)致硝酸鹽氮的含量達(dá)到峰值。這是因?yàn)槠鸪醯啄嘀邪钡暮扛叨跛猁}氮的含量低，對(duì)硝化作用更有利。

4 展 望

我國(guó)是個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，研究土壤中的氮素轉(zhuǎn)化對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。干濕交替作用對(duì)土壤中不同形態(tài)的氮素轉(zhuǎn)化和微生物種類以及土壤物理化學(xué)性質(zhì)息息相關(guān), 研究干濕交替作用下土壤中不同氮素的轉(zhuǎn)化和微生物的種類和土壤物理化學(xué)性質(zhì)關(guān)系, 特別是肥料氮素的微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程是今后研究的一個(gè)熱門方向。本文通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)千屈草對(duì)氮素有很好的去除效果，本研究對(duì)于植物在干濕交替作用下水體中的氮素吸收利用率的分析有一定的意義，對(duì)于氮素遷移轉(zhuǎn)化和植物凈化富營(yíng)養(yǎng)水體有一定的參考價(jià)值。