湖濱帶蘆葦恢復(fù)過(guò)程中沉積物氮賦存形態(tài)及含量變化：以巢湖為例*

余居華，王樂(lè)豪，康得軍，鄭恭毅，郭寶玲，鐘繼承，鄭祥洲，張玉樹(shù)，蔡遠(yuǎn)松，丁 洪

(1：福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福州 350013) (2：福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350000) (3：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008) (4：福建省安溪縣蓬萊林業(yè)工作站，泉州 362402)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，伴隨大量污染物進(jìn)入到水環(huán)境，造成受納水體污染程度加重并引發(fā)全球湖庫(kù)水生態(tài)系統(tǒng)水生植被分布面積下降，甚至在局部水域出現(xiàn)大面積消亡[1]. 富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)世界性的水環(huán)境問(wèn)題[2-3]，我國(guó)有80%的湖泊處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài). 對(duì)67個(gè)主要湖泊調(diào)查發(fā)現(xiàn)，26.9%為中營(yíng)養(yǎng)型湖泊，73.1%為富營(yíng)養(yǎng)湖泊[4]. 疊加水體營(yíng)養(yǎng)鹽輸入和水生植被退化嚴(yán)重，造成藻類大量增殖而出現(xiàn)水華現(xiàn)象[5-6]，進(jìn)而導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化湖泊從清水態(tài)的草型生態(tài)系統(tǒng)向濁水態(tài)藻型生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換[7-8]，加速了湖泊沼澤化進(jìn)程，損害了湖泊水體生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能[9]. 因此，在退化湖泊水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)過(guò)程中，合理規(guī)劃開(kāi)展水生植被恢復(fù)與重建被認(rèn)為是改善水質(zhì)條件和維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性的重要修復(fù)措施[1,10].

本研究通過(guò)沉積物柱芯培養(yǎng)和水槽模擬實(shí)驗(yàn)，選擇巢湖挺水植物土著優(yōu)勢(shì)種——蘆葦為受試植物，完整模擬了蘆葦恢復(fù)的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程，旨在研究蘆葦完整生長(zhǎng)過(guò)程中湖泊沉積物TN、TIN與TF-N含量及形態(tài)的轉(zhuǎn)化時(shí)間變異規(guī)律，試圖探明蘆葦恢復(fù)完整生長(zhǎng)過(guò)程中沉積物氮組分及含量的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及關(guān)鍵調(diào)控因子，以期為退化湖泊和人工景觀水體植被重建與恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 樣品采集及預(yù)處理

近年來(lái)，不斷的外源輸入加劇了巢湖水體富營(yíng)養(yǎng)化. 本研究樣品采集于我國(guó)巢湖污染嚴(yán)重的西北部匯流灣濱岸帶(圖1). 由于巢湖水生植被優(yōu)勢(shì)物種以蘆葦為主[20]，且挺水植物受水體透明度影響小，在重污染水體中栽種的存活率高，加上退化湖泊水體通常選擇挺水植物先對(duì)退化濱岸進(jìn)行修復(fù)的前期成功實(shí)踐案例，故本研究的受試植物選擇巢湖本地優(yōu)勢(shì)植物蘆葦. 蘆葦采集點(diǎn)位的具體坐標(biāo)為31°42′4.76″N, 117°21′43.49″E，選取長(zhǎng)勢(shì)良好，生長(zhǎng)一致的蘆葦幼苗(株高約10 cm、直徑1 cm)，連根挖起并立刻洗凈蘆葦表面的污泥，裝入到80 L的塑料桶中，并在5 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室.

沉積物采集點(diǎn)位與蘆葦相同，采用彼得森采樣器采集巢湖西部重污染灣區(qū)濱岸表層沉積物，同步采集原點(diǎn)位的底層上覆水體(圖1). 為最大限度降低沉積物空間異質(zhì)性的干擾，將采集的沉積物帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行篩分(孔徑為0.6 mm)，篩除大顆粒物質(zhì)以及大型水生動(dòng)物，并對(duì)篩分過(guò)后的沉積物進(jìn)行充分勻化處理. 為防止玻璃管中的沉積物受上覆水?dāng)D壓而出現(xiàn)下沉的情況，將充分勻化的沉積物裝入到有機(jī)玻璃管中進(jìn)行為期半個(gè)月的預(yù)培養(yǎng)(高×內(nèi)徑為25 cm×18 cm)，將出現(xiàn)沉降的玻璃管沉積物厚度最終調(diào)整為18 cm. 在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將生物量及形態(tài)相似的蘆葦根莖挑選出來(lái)，而后將蘆葦根莖插入到距沉積物表層5 cm深處進(jìn)行定植；其次，根據(jù)前期野外調(diào)查獲得的蘆葦密度，每個(gè)微環(huán)境有機(jī)玻璃管中蘆葦栽植密度為160株/m2. 將上述處理好的樣品全部放入到水槽(長(zhǎng)×寬×高=220 cm×110 cm×75 cm)中，預(yù)先平衡培養(yǎng)15 d，并及時(shí)補(bǔ)種死亡的蘆葦幼苗，確保蘆葦栽種密度和長(zhǎng)勢(shì)情況一致，減少系統(tǒng)誤差.

圖1 采樣點(diǎn)位置(a)、巢湖上覆水體總氮(b)和總磷(c)濃度空間變異及 蘆葦恢復(fù)完整生長(zhǎng)過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)(d)Fig.1 Location of sampling site (a), spatial distributions of TN (b) and TP (c) concentrations in overlying water across Lake Chaohu, and overall growing period of P. australis in this simulation study (d)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)利用自制循環(huán)水槽進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)水深設(shè)置為40 cm，真實(shí)地模擬巢湖濱岸水深原位條件. 為能較好地模擬巢湖水體的營(yíng)養(yǎng)狀況，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每30 d更換一次湖水. 整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)持續(xù)開(kāi)展120 d，具體采樣時(shí)間設(shè)計(jì)在第0、30、60、90、120天分別稱量蘆葦總生物量、地下部生物量和細(xì)根生物量，同步采集蘆葦根區(qū)表層0～10 cm沉積物樣品. 每一次實(shí)驗(yàn)均隨機(jī)抽取4個(gè)平行樣品進(jìn)行分析. 采集結(jié)束后，立刻用自來(lái)水將蘆葦根部清洗干凈，同步收集并保存泥柱中的蘆葦?shù)蚵湮?，并將收集到的蘆葦?shù)蚵湮锓謩e計(jì)入到相應(yīng)批次的蘆葦生物量中，避免蘆葦枯落物腐解而向水體釋放養(yǎng)分，從而造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差. 將每次采集到的表層沉積物事先去除動(dòng)植物碎屑和大顆粒石塊，冷凍干燥并研磨過(guò)篩(孔徑為0.150 mm)，保存待測(cè).

1.3 沉積物性質(zhì)分析

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

借助SPSS 26.0(SPSS, USA)和Excel 2018(Microsoft, USA)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用Origin 8.5軟件(OriginLab, Northampton, MA, USA)繪圖. 采用單因素方差(ANOVA)分析沉積物溶解氧侵蝕深度、TIN和各TF-N含量變化的差異顯著性；其次，利用單因素方差(ANOVA)分析蘆葦總生物量、地下部生物量和細(xì)根生物量隨時(shí)間變化的差異顯著性. 選擇Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)沉積物TIN、TF-N含量與蘆葦總生物量、地下生物量和細(xì)根生物量之間的相關(guān)性是否達(dá)到顯著水平.

2 結(jié)果

2.1 沉積物溶解氧侵蝕剖面變化特征

應(yīng)用于長(zhǎng)期水槽模擬實(shí)驗(yàn)的沉積物基本理化性質(zhì)如表1所示，其中沉積物TN含量為2325 mg/kg，按湖泊底泥環(huán)保疏浚標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，沉積物氮污染程度屬于重污染沉積物類型[24]. 與此同時(shí)，同步分析了蘆葦整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中沉積物-水微界面溶解氧侵蝕深度在第0、60和120天的時(shí)間變化規(guī)律(圖2). 結(jié)果表明，界面溶解氧的侵蝕深度隨培養(yǎng)時(shí)間推移顯著增大(P<0.05)，溶解氧侵蝕深度在第0天達(dá)到4000 μm，在第60天達(dá)到5800 μm，而在第120天溶解氧侵蝕深度甚至擴(kuò)大到表層沉積物10000 μm位點(diǎn).

表1 模擬實(shí)驗(yàn)中沉積物基本理化性質(zhì)

圖2 蘆葦根際沉積物溶解氧侵蝕剖面時(shí)間變化規(guī)律Fig.2 Depth profiles of DO penetration in surface sediments on day 0, day 60 and day 120 during the entire course of incubation experiment

2.2 沉積物總氮與無(wú)機(jī)氮含量的時(shí)間變化規(guī)律

圖3 蘆葦根際表層沉積物(0～10 cm)TN、TIN含量(a)和含量(b)變化規(guī)律Fig.3 Variations of TN, TIN contents (a) and contents (b) in the surface sediment layer (0-10 cm) surrounding rhizosphere of P. australis

2.3 沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量的時(shí)間變化規(guī)律

隨著培養(yǎng)時(shí)間推移，沉積物TF-N含量總體呈逐步遞增趨勢(shì)，就沉積物TF-N均值大小排列順序?yàn)镮MOF-N>OSF-N>IEF-N>CF-N；相反，沉積物NTF-N含量顯著降低(圖4). 沉積物IEF-N和OSF-N含量出現(xiàn)先降低、后增大的變化趨勢(shì)，分別在第90和60天達(dá)到極小值，降幅分別為20.0%和65.5%；在第120天，對(duì)比初始含量，分別增加了1.10和1.40倍. 沉積物CF-N和IMOF-N含量(除第60天外)呈現(xiàn)逐漸遞增的規(guī)律，在第120天，沉積物CF-N含量較初始值增加了63.7 mg/kg，是第0天的3.40倍；沉積物IMOF-N含量較初始含量增加924 mg/kg(3.60倍)，值得注意的是，IMOF-N含量卻在第60天達(dá)到極大值，為1246 mg/kg.

圖4 蘆葦根際表層沉積物(0～10 cm)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量變化規(guī)律Fig.4 Variations of exchangeable N contents including IEF-N, CF-N (a) and IMOF-N, OSF-N (b) in the surface sediment layer (0-10 cm) surrounding rhizosphere of P. australis

2.4 沉積物氮與蘆葦生物量變化的相關(guān)關(guān)系

圖5 蘆葦生物量與表層沉積物(0～10 cm)TN、DIN及可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlations between the biomass of P. australis including total biomass, belowground biomass and fine root biomass and changes in TN, DIN and exchangeable N contents in surface sediments (0-10 cm)

3 討論

沉積物不僅對(duì)水生植物起到固持作用，更重要的是為水生植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供N、P、有機(jī)質(zhì)等大量營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素等養(yǎng)分物質(zhì)，而根著水生植物主要從棲生的沉積物中吸收養(yǎng)分物質(zhì)用于自身生長(zhǎng)[18,25]. 本研究中，沉積物TN含量隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，對(duì)比第0天實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)沉積物TN含量減少了約50.0%(圖3)，這是由蘆葦主要從沉積物中獲取大量氮素用于自身生長(zhǎng)發(fā)育造成的；其次，沉積物TN和蘆葦總生物量統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明(圖5)，TN含量和總生物量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著蘆葦總生物量的增加，總氮含量逐漸遞減，進(jìn)一步佐證了沉積物總氮含量降低主要是由于蘆葦?shù)奈绽?，并非沉積物中微生物脫氮過(guò)程發(fā)揮主導(dǎo)作用.

IMOF-N和鐵錳氧化物的結(jié)合能力相當(dāng)，其釋放能力較IEF-N、CF-N更弱[34]. 本研究發(fā)現(xiàn)沉積物IMOF-N 是TF-N的主要組成形態(tài)，含量基本呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，在第60天達(dá)到極大值，這可能有以下兩個(gè)原因：一是蘆葦生長(zhǎng)過(guò)程不斷從沉積物中獲取氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)根系過(guò)程促使沉積物活性更低的氮向活性高的相態(tài)轉(zhuǎn)變，提高了沉積物氮的活性，而根際環(huán)境趨向氧化使Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，形成鐵錳化合物，進(jìn)而吸附了水體中的無(wú)機(jī)形態(tài)氮，由此造成沉積物IMOF-N含量增加[38]；二是蘆葦衰亡后向水體釋放的TIN容易被吸附沉降到沉積物表面，增加了IMOF-N含量. 有趣的是，第30天沉積物IMOF-N含量出現(xiàn)極小值，主要是由于蘆葦為滿足自身快速生長(zhǎng)，對(duì)沉積物氮的需求量也達(dá)到最高水平，并且蘆葦對(duì)沉積物氮的吸收利用速率遠(yuǎn)高于活化過(guò)程(圖5).

OSF-N是4種TF-N中最難以釋放以及最為穩(wěn)定的一種氮形態(tài)[39]，其含量與沉積物氧化還原狀態(tài)和TOC含量呈正相關(guān)關(guān)系[40]，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，沉積物較高的TOC含量積累了一定量的OSF-N. 值得注意的是，沉積物OSF-N在第60天達(dá)到極小值，從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始至結(jié)束逐漸增加. 前者原因是：隨著蘆葦不斷生長(zhǎng)，光合作用向水體釋放大量的氧，對(duì)沉積物氮的需求量持續(xù)增大，降低了沉積物OSF-N穩(wěn)定性，從而造成在蘆葦恢復(fù)第60天的時(shí)候含量急劇下降(圖2，4). 后者原因是：從第90天至第120天，蘆葦進(jìn)入衰亡期，其腐敗的枯枝爛葉會(huì)向水體中釋放大量的氮素、有機(jī)物質(zhì)，造成水體中有機(jī)物含量大幅度增加，與之結(jié)合的OSF-N也相應(yīng)增加，從而造成了沉積物OSF-N含量出現(xiàn)升高現(xiàn)象.

需要指出的是，沉積物TF-N含量的時(shí)間變化還同步受到不同形態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響，其中沉積物NTF-N的活化分解過(guò)程至關(guān)重要[32]. 研究發(fā)現(xiàn)，沉積物TN含量在第0天為最大值，而后逐漸降低，并在第120天總氮含量達(dá)到極小值，但TF-N呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，該證據(jù)表明沉積物TF-N含量增加主要是由蘆葦為滿足自身生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需求而對(duì)沉積物活性更低的NTF-N的活化分解過(guò)程主導(dǎo)的.

總體而言，通過(guò)分析蘆葦恢復(fù)過(guò)程下沉積物TN、TIN和TF-N含量及形態(tài)變化特征，發(fā)現(xiàn)蘆葦恢復(fù)能夠有效削減富營(yíng)養(yǎng)化水體的內(nèi)源污染強(qiáng)度，同時(shí)改變了沉積物pH、氧化還原狀態(tài)等關(guān)鍵指標(biāo)[5,38]. 但蘆葦?shù)蛲龇纸怆A段將會(huì)向上覆水體釋放大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而造成水體的二次污染. 基于湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力穩(wěn)定性視角，從湖泊水體N、P營(yíng)養(yǎng)物管理策略出發(fā)，建議采用物理收割和生態(tài)管控等湖泊工程學(xué)手段對(duì)凋亡衰老的蘆葦枯立物進(jìn)行定期收割(如過(guò)冬枯立物集中采收、污染物淤積區(qū)開(kāi)展定期生態(tài)疏浚等管控措施)，清理凋落在沉積物表面的枯枝敗葉，進(jìn)一步提升蘆葦恢復(fù)工程對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)效果及長(zhǎng)效穩(wěn)態(tài)機(jī)制[8].

4 結(jié)論

通過(guò)為期120 d的水槽模擬和沉積物柱芯培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，蘆葦完整生長(zhǎng)過(guò)程明顯提高了沉積物氮的活性程度，使得沉積物TN和NTF-N含量顯著降低，而沉積物TF-N含量卻出現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，沉積物TF-N 和TIN含量在第120天分別較第0天增加了1.10和2.80倍. 進(jìn)一步分析沉積物TF-N變化，發(fā)現(xiàn)蘆葦生長(zhǎng)發(fā)育提高了沉積物IEF-N、CF-N、IMOF-N和OSF-N含量，第120天各TF-N含量相比第0天分別增加了1.10、3.40、3.60和1.40倍. 基于Pearson相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)蘆葦生物量是驅(qū)動(dòng)沉積物TN、TIN和TF-N變化的重要因子. 為最大限度地降低內(nèi)源污染負(fù)荷，提高富營(yíng)養(yǎng)化湖泊植被恢復(fù)工程的修復(fù)效果，采取綜合的湖泊物理-生態(tài)工程手段來(lái)有效管控越冬期蘆葦枯落物顯得至關(guān)重要.