不同水生植物群落對氮磷富集狀況的差異研究

洪舒晨,汪超兒,豐兆睿,薛向東

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023)

水體富營養(yǎng)化是近年來中國地表水面臨的普遍性污染現(xiàn)象,大量的氮、磷等營養(yǎng)元素伴隨生活污水排入各種水體,導(dǎo)致藻類及其他浮游生物過量繁殖,水體中溶解氧含量下降,水質(zhì)趨于惡化[1-3]。利用水生植物吸收水中氮、磷物質(zhì),具有較好的生態(tài)效應(yīng)[4-7],因此成為地表水體修復(fù)的重要方法。當前利用水生植物修復(fù)水體的研究多集中于某一類型植物[8-10],而實際水環(huán)境中的植物類型眾多,即植物在水體中是以群落層級存在,就文獻而言,目前針對于群落植物修復(fù)水體的研究較為少見,相關(guān)認識亦不成熟,且缺少相應(yīng)的實踐活動。從種間關(guān)系分析,同一水環(huán)境中不同類型植物可能存在競爭也可能存在互補[11],如沉水植物多生長在水體中、下部,其對水體中游離態(tài)營養(yǎng)元素具有較強的富集效應(yīng);然而挺水植物根系發(fā)達且可深入水底泥沙層,故可富集底泥中的營養(yǎng)元素[12-13]。顯然,這兩類植物類型的組合存在協(xié)同效應(yīng),但同時又由于各自生長習(xí)性的差異,也存在競爭關(guān)系[14-16]。

為了探究水生植物群落在不同水質(zhì)條件下的生長狀況及其對氮、磷的富集狀況,宜選用美人蕉、鳶尾等氮、磷富集能力強的植物[17],同時還應(yīng)考慮植物高低搭配以及水面及水下污染去除等要求,故研究中選擇美人蕉(Cannaindica)、鳶尾(Iristectorum)作為高大型挺水植物,以梭魚草(Pontederiacordata)、黑麥草(Loliumperenne)作為中等型挺水植物,以狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、銅錢草(Hydrocotylechinensis)作為低矮浮水植物進行組合[18]。鑒于氮、磷為主要富集目標[19],故以美人蕉、鳶尾作為組群基礎(chǔ)植物,分別與1種中等型及1種低矮型植物進行群落構(gòu)建。通過水培試驗,對比不同植物群落的生長狀況及氮磷富集狀況的差異,并就相關(guān)機理進行分析討論,以期為植物群落用于富營養(yǎng)化水體的生態(tài)化治理提供合理的理論解釋和相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗在浙江省廢棄生物質(zhì)循環(huán)利用重點實驗室基地大棚內(nèi)進行,試驗周期為2018年3月至2020年10月。所選取的6種植物包括不同挺水植物與沉水植物,取幼株種植在一起構(gòu)成植物群落,植物按初始生物量大致相等原則構(gòu)建群落,其中包括由鳶尾、黑麥草、美人蕉和狐尾藻組成的群落1,由鳶尾、黑麥草、美人蕉和銅錢草組成的群落2,由鳶尾、美人蕉、梭魚草和銅錢草組成的群落3,由鳶尾、美人蕉、梭魚草和狐尾藻組成的群落4。植物幼株取自杭州市區(qū)各河道,其中銅錢草取自西蜜湖上游河道,美人蕉、鳶尾、黑麥草、梭魚草取自杭州西溪濕地,狐尾藻取自余杭塘河。同種植物選取幼株株高、外形基本上相近者作為待測對象,先用自來水將植株上的泥土清洗干凈,再用蒸餾水清洗后待用。植物采用盆栽方式種植于瓦缸內(nèi),挺水類植物置于泡沫帶孔板中固定,根部浸沒于水中,藻類植物于水體中懸浮;為進行合理對比,各植物初始生物量統(tǒng)一設(shè)定為(30±1.25) g干質(zhì)量。以溝渠水濃縮液作為貯備液,自來水稀釋后作為試驗用水,試驗水樣體積維持在(65±0.5) L,試驗期間損失的蒸發(fā)量根據(jù)液面刻度線補水并同時以磷酸氫二鉀和氯化銨溶液進行氮、磷調(diào)節(jié),以維持試驗水量和氮、磷含量基本上穩(wěn)定。群落試驗水質(zhì)配制同單一植物試驗,水樣體積為(65±0.5) L,試驗期間損失的蒸發(fā)量根據(jù)液面刻度線補水并同時進行氮、磷調(diào)節(jié),以維持試驗水量和氮、磷含量基本上穩(wěn)定。試驗水質(zhì)分別設(shè)置為高、中、低3種不同營養(yǎng)水平以測試各群落植物生長適應(yīng)性及氮、磷富集能力差異。不同試驗水質(zhì)的化學(xué)需氧量(以高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)計)及總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)的含量見表1。

表1 群落試驗水質(zhì)指標Table 1 Experimental water quality index of community mg·L-1

1.2 分析方法

凈增生物量:用吸水紙擦去植株表面水,用電子天平稱其鮮質(zhì)量,之后在105 ℃烘箱殺青1 h,再于80 ℃烘箱中烘至恒重后稱其干質(zhì)量,凈增生物量以試驗開始及試驗結(jié)束(包括試驗過程中掉落葉片等組織)時的干質(zhì)量差計。

氮、磷含量:將烘干后的植物樣品研磨成粉,過100目篩后裝瓶保存;定量稱取樣品,采用濃硝酸-高氯酸消解法進行預(yù)處理,消解后取上清液,定容后待測。TN、TP分別采用HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》[20]和HJ 671—2013《水質(zhì) 總磷的測定 流動注射-鉬酸銨分光光度法》[21]測定。

相對生長速率(relative growth rate,RGR)

(1)

式(1)中:St、S0分別為試驗結(jié)束時和試驗開始時的生物量,g;t為水生植物生長時間,取50 d。

積累率

(2)

式(2)中:Mt、M0分別為試驗結(jié)束時和試驗開始時各水生植物中氮(磷)的含量,g。

2 結(jié)果與分析

2.1 群落中各水生植物生長狀況

各群落水生植物生長狀況見圖1,圖中不同小寫字母表示不同營養(yǎng)水平下的同種植物在0.05水平下具備顯著性差異;圖例L、M、H分別表示低、中、高3種營養(yǎng)水平(文中以下部分同)。試驗結(jié)果顯示出同一水生植物在不同群落中的生長狀況存在差異,同一群落中的水生植物在不同營養(yǎng)條件下的生長狀況也不盡相同,說明群落中的不同水生植物間存在相互影響。

由圖1(a)可知,群落1中4種植物隨營養(yǎng)水平的提高,均呈現(xiàn)出生長速率逐漸增大的趨勢。其中,鳶尾在3種營養(yǎng)水平下的增長速率均存在顯著性差異,其余3種植物在低、高營養(yǎng)水平下的增長速率均有顯著性差異,但黑麥草、狐尾藻兩種植物在中營養(yǎng)水平下的增長速率均與低、高營養(yǎng)水平下的增長速率無顯著性差異,美人蕉在低、中營養(yǎng)水平下存在顯著性差異,在中、高營養(yǎng)水平下無顯著性差異。從整體上看,美人蕉在3種營養(yǎng)水平下的增長速率均最大,而狐尾藻的增長速率則最小。由圖1(b)可以看出,美人蕉在3種營養(yǎng)水平下的增長速率均高于群落2中其他植物,且呈現(xiàn)出營養(yǎng)水平間的顯著性差異;鳶尾與黑麥草增長速率與黑麥草相近,但在低營養(yǎng)水平下的增長速率高于黑麥草,而銅錢草則在3種營養(yǎng)水平下的增長速率均為最小。由圖1(c)可知,群落3中美人蕉、鳶尾的增長速率在3種營養(yǎng)水平下均明顯高于梭魚草和銅錢草,美人蕉和鳶尾也均在低、高營養(yǎng)水平間存在顯著性差異,但在低、中及中、高營養(yǎng)水平間的差異性不顯著;梭魚草的增長速率雖隨著營養(yǎng)水平的提高而增大,但在3種營養(yǎng)水平間的差異性不顯著;銅錢草則在中、高營養(yǎng)水平間的差異性不顯著。由圖1(d)可知,群落4中植物增長速率總體上與群落3相似,各植物均隨營養(yǎng)水平的提高而加快增長,其中,美人蕉、鳶尾在3種營養(yǎng)水平下有著相對更好的表現(xiàn),而梭魚草次之,狐尾藻則在3種營養(yǎng)水平下的增長速率均表現(xiàn)不佳。

圖1 群落水生植物的相對生長速率Fig.1 Relative growth rate of community aquatic plants

2.2 群落中各水生植物氮、磷含量的變化分析

各群落中的水生植物在試驗前后的氮含量變化見圖2。由圖2(a)可知,群落1中美人蕉氮含量變化值隨營養(yǎng)水平的提高逐漸增大,但在低、中營養(yǎng)水平下的氮含量差異未達顯著水平,而在高營養(yǎng)水平下的氮含量變化值為2.2 mg/g,與低、中營養(yǎng)水平下存在顯著性差異,這可能意味著水體氮含量越高,美人蕉體內(nèi)富集相對含量也越大。鳶尾、狐尾藻2種植物在低營養(yǎng)水平下氮含量變化為負,而在中、高營養(yǎng)水平下均略增加;黑麥草則在3種營養(yǎng)水平下略增加,但變化幅度很小。對比圖2(a)與(b)可知,群落2中植物的氮含量變化情況與群落1基本上一致,鳶尾和銅錢草兩種植物在低營養(yǎng)水平下氮含量凈變化為負,在中、高營養(yǎng)水平下則均為正;黑麥草和美人蕉在3種營養(yǎng)水平下氮含量均有增加,但美人蕉明顯比黑麥草在3種營養(yǎng)水平下的氮含量增加值更大,在高營養(yǎng)水平下氮含量變化值為1.9 mg/g。由圖2(c)可知,群落3中鳶尾、美人蕉、銅錢草、銅錢草4種植物隨營養(yǎng)水平的提高,氮含量均增大,且在低、高營養(yǎng)水平間均存在顯著性差異;梭魚草氮含量變化在低、中及中、高營養(yǎng)水平間存在顯著性差異,其余3種植物在中、高營養(yǎng)水平間則不存在顯著性差異。由圖2(d)可知,群落4中鳶尾、美人蕉在3種營養(yǎng)水平下的氮含量變化均明顯高于梭魚草和狐尾藻,而后兩種植物在低營養(yǎng)水平下的氮含量變化為負。4種植物的相同點在于隨營養(yǎng)水平的提高,氮含量變化值均有所增大。

圖2 各群落水生植物的氮含量變化Fig.2 Changes of N content in community aquatic plants

各群落中的水生植物在試驗前后的磷含量變化見圖3。由圖3(a)可知,群落1中4種植物的磷含量變化值均為正,且均隨營養(yǎng)水平的提高而相對增大;各植物在低、高營養(yǎng)水平間均存在顯著性差異,但低、中營養(yǎng)水平間則均無顯著性差異;鳶尾、黑麥草、美人蕉在中、高營養(yǎng)水平間亦無顯著性差異。由圖3(b)可知,群落2中鳶尾、美人蕉、銅錢草3種植物在低營養(yǎng)水平下的磷變化值為負,中、高營養(yǎng)水平下則均為正;鳶尾、美人蕉的磷含量變化幅度相對較大,而黑麥草、銅錢草則相對較小。由圖3(c)可知,群落3中美人蕉、梭魚草、銅錢草3種植物的磷變化值在各營養(yǎng)水平間均呈顯著性差異,鳶尾在低、中營養(yǎng)水平間無顯著性差異,但在低、高及中、高營養(yǎng)水平間均有顯著性差異。由圖3(d)可知,群落4中狐尾藻在低營養(yǎng)水平下磷含量變化值為負,在中、高營養(yǎng)水平下磷含量變化值為正。鳶尾與美人蕉在3種營養(yǎng)水平下的磷含量變化值大致相當,均略高于梭魚草與狐尾藻。

圖3 各群落水生植物的磷含量變化Fig.3 Changes of P content in community aquatic plants

2.3 群落中各水生植物氮、磷的積累

群落植物體內(nèi)氮、磷積累反映了植物對水中營養(yǎng)元素的富集能力,是水體生態(tài)化治理時選取植物的最重要指標。由于植物在不同群落中可能面臨與其他植物之間的相互協(xié)同亦或是相互競爭作用,故需對比分析不同群落中各種水生植物在不同營養(yǎng)水平下的氮、磷積累狀況,結(jié)果見圖4～7。

從圖4(a)可以看出,低營養(yǎng)水平下,群落1中各植物氮積累率由低至高依次為狐尾藻、鳶尾、黑麥草、美人蕉;中營養(yǎng)水平下,各植物氮積累率由低至高依次為黑麥草、鳶尾、狐尾藻、美人蕉;高營養(yǎng)水平下,各植物氮積累率由低至高依次為狐尾藻、黑麥草、鳶尾、美人蕉。鳶尾、美人蕉的氮積累率在3種營養(yǎng)水平間均呈顯著性差異,在最高營養(yǎng)水平下氮積累率為3.6%。黑麥草、狐尾藻在低、高營養(yǎng)水平間氮積累率均呈顯著性差異,但兩植物在中營養(yǎng)水平下的氮積累率分別與低、高營養(yǎng)水平間無顯著性差異。從總體上看,群落1中植物的氮積累率隨營養(yǎng)水平的提高均有所增加。從圖4(b)中可以看出,群落1中各植物的磷積累率隨營養(yǎng)水平的提高均呈現(xiàn)相對增加的趨勢,且各植物在3種營養(yǎng)水平下對應(yīng)的磷積累率相對順序保持不變,由低至高依次為狐尾藻、鳶尾、黑麥草、美人蕉。美人蕉在最高營養(yǎng)水平下的磷積累率為3.2%。美人蕉、鳶尾在3種營養(yǎng)水平間的磷積累率均呈顯著性差異;黑麥草則在低、中營養(yǎng)水平間磷積累率無顯著性差異,狐尾藻在中、高營養(yǎng)水平間無顯著性差異。

圖4 群落1中各水生植物的氮和磷積累率Fig.4 N and P accumulation of aquatic plants in community 1

從圖5中可以看出,群落2中美人蕉在3種營養(yǎng)水平下的氮積累率均為最高,且層級間的氮積累率均呈顯著性差異;鳶尾在低營養(yǎng)水平下的磷積累率略高于黑麥草,但在中、高營養(yǎng)水平下的磷積累率則略低于黑麥草,而銅錢草則在3種營養(yǎng)水平下的磷積累率均為最低。群落2中美人蕉在3種營養(yǎng)水平下均保持相對最高的磷積累率;鳶尾在低營養(yǎng)水平下的磷積累率高于黑麥草,但在中、高營養(yǎng)水平時略低于黑麥草;銅錢草磷積累率則在3種層級下均為最低。從整體上看,群落2中植物的磷積累與氮積累情形大致相似。

圖5 群落2中各水生植物的氮和磷積累率Fig.5 N and P accumulation of aquatic plants in community 2

從圖6中可以看出,群落3中各植物的氮積累數(shù)值在3種營養(yǎng)水平下的相對關(guān)系保持一致,即在3種營養(yǎng)水平下氮積累率由低至高依次為銅錢草、梭魚草、鳶尾、美人蕉。其中美人蕉在最高營養(yǎng)水平下的氮積累率為3.6%。各植物的氮積累率均在低、高營養(yǎng)水平間呈顯著性差異,而在中、高營養(yǎng)水平間未出現(xiàn)顯著性差異。鳶尾、美人蕉兩種植物的氮積累率在低、中營養(yǎng)水平間存在顯著性差異,而梭魚草、銅錢草兩種植物的氮積累率則在低、中營養(yǎng)水平間無顯著性差異。群落3中,美人蕉在各營養(yǎng)水平的磷積累率均最高,最低者是銅錢草。鳶尾、美人蕉、銅錢草3種植物在中、高營養(yǎng)水平間無顯著性差異,而在低、中及低、高營養(yǎng)水平間有顯著性差異;梭魚草則在3種營養(yǎng)水平均存在顯著性差異。

圖6 群落3中各水生植物的氮和磷積累率Fig.6 N and P accumulation of aquatic plants in community 3

由圖7可知,群落4中,狐尾藻氮積累率在3種營養(yǎng)水平下均為最低,而美人蕉氮積累率則在3種營養(yǎng)水平下均為最高。其中美人蕉在最高營養(yǎng)水平下的氮積累率為3.3%。4種植物的氮積累率均隨營養(yǎng)水平的提高而增加,中、高營養(yǎng)水平間顯著性差異不明顯,而低、高營養(yǎng)層間的氮積累率存在顯著性差異。群落4中,各植物在3種營養(yǎng)水平下的磷積累率高低依次為美人蕉、鳶尾、梭魚草、狐尾藻。各植物的磷積累率隨營養(yǎng)水平的提高而趨于增高,低、高營養(yǎng)水平間的磷積累率差異最為顯著,而中、高營養(yǎng)水平間的差異不顯著。

圖7 群落4中各水生植物的氮和磷積累率Fig.7 N and P accumulation of aquatic plants in community 4

2.4 各群落整體氮、磷的積累

各群落在不同營養(yǎng)水平下的氮、磷積累結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同群落的氮和磷積累率對比Fig.8 Comparison of N and P accumulation in communities

由圖8(a)可知,在低營養(yǎng)水平下,群落3的氮積累率最高,為(1.71±0.28)%,群落4次之,群落3略低于群落4,群落1的氮積累率最低,為(1.34±0.19)%;在中營養(yǎng)水平下,群落3的氮積累率最高,為(2.26±0.21)%,群落1、群落2、群落4的氮積累率則大致相當;在高營養(yǎng)水平下,群落3的氮積累率最高,為(2.52±0.17)%,群落1次之,群落2略低于群落1,群落4最低,為(2.21±0.17)%。群落1和群落2的氮積累率在兩兩營養(yǎng)水平間均表現(xiàn)出顯著性差異,群落3和群落4的氮積累率在低、中及低、高營養(yǎng)水平間表現(xiàn)出顯著性差異,在中、高營養(yǎng)水平間差異不顯著。由圖8(b)可知,低營養(yǎng)水平下,群落3的磷積累率高于其余3個群落,其值為(1.72±0.32)%。群落4的磷積累率則略高于群落1,群落2的磷積累率最低,為(1.31±0.20)%;中營養(yǎng)水平下,群落3的磷積累率最高,為(2.40±0.26)%,群落1和群落2、群落4的磷積累率則大致相當;高營養(yǎng)水平下,群落3的磷積累率依然最高,為(2.92±0.31)%,群落1的磷積累率次之,為(2.45±0.32)%,群落2和群落4的磷積累率則大致相當。各群落磷積累率在營養(yǎng)水平間的差異性與氮積累率大致相近,表現(xiàn)為低、中及低、高營養(yǎng)水平間差異性顯著,中、高營養(yǎng)水平間的差異未出現(xiàn)顯著性差異。

3 結(jié) 語

本試驗結(jié)果表明,植物在群落中的生長狀況與其在單獨種植時的情生長狀況存在差異,群落中植物的氮、磷含量也與其單獨種植時有所差異,相應(yīng)的群落中植物的氮、磷積累與其單獨種植時也有所不同。由于植物氮、磷含量的變化值較其含量值而言小得多,因此植物氮、磷積累的主導(dǎo)因素是植物的生物量,這意味著植物的生長速率對其氮、磷積累起主導(dǎo)作用。植物單獨種植及在群落中種植時的差異,也反映出群落植物間存在相互競爭與協(xié)同的關(guān)系。這種關(guān)系不僅與植物類型有關(guān),同時也與環(huán)境條件有關(guān),包括營養(yǎng)元素水平、微量元素水平、水溫、光照及水體交換速度等因素。就試驗結(jié)果而言,群落3(植物組合為鳶尾+美人蕉+梭魚草+銅錢草)對氮、磷均有相對更高的積累率,故其用于富營養(yǎng)化水體的生態(tài)化治理更為適宜。