增氧對(duì)粉綠狐尾藻氮素吸收及其底泥微環(huán)境的影響

李漢常，張文萍*，文清柏，譚歆，李宗浩，鐘誠，李炎，易達(dá)理，楊良玖

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省歐陽海灌區(qū)水利水電工程管理局，湖南 耒陽 421800）

畜禽養(yǎng)殖廢棄物和工農(nóng)業(yè)廢水及生活污水的無序排放，致使大量外源氮磷進(jìn)入水體，造成河湖溝渠等水體富營養(yǎng)化和水體缺氧，引起藻類及其他浮游生物的迅速繁殖和水生動(dòng)植物的大量死亡[1]。同時(shí)，外源氮磷經(jīng)吸附、遷移、絮凝和沉淀等作用以不同形態(tài)蓄積于底泥并形成氮磷庫[2]。水體溶解氧量（DO）、底泥pH 值和有機(jī)質(zhì)等環(huán)境因子的微小改變，均會(huì)導(dǎo)致底泥氮磷的再次釋放，從而造成水體內(nèi)源性氮磷污染[3]，因此，對(duì)河湖溝渠等水體富營養(yǎng)化的預(yù)防和治理刻不容緩。目前國內(nèi)外學(xué)者多側(cè)重于通過培養(yǎng)水生植物吸收水體氮污染物，以達(dá)到低耗、高效、環(huán)保安全去除水體氮污染物的目的[4-5]。不同水生植物去除水體氮污染物的能力差異顯著[6-8]，根系泌氧能力及根系發(fā)達(dá)程度越高，其水體污染凈化能力越強(qiáng)[9]。與蘆葦（Phragmites australis）、菖蒲（Acorus calamusL.）、紙莎草（Cyperus papyrusL.）、浮萍（Lemna minorL.）相比，粉綠狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）對(duì)水體銨態(tài)氮（-N）和總氮（TN）的平均去除率分別達(dá)97.4%和90.2%[10]，去氮效果相對(duì)較好，而蘆葦和菖蒲對(duì)水體氮的去除貢獻(xiàn)率為36.4%～77.1%[11]，紙莎草和浮萍對(duì)水體氮的去除貢獻(xiàn)率分別達(dá)69.5%和30%～47%[12-13]。粉綠狐尾藻根系發(fā)達(dá)、生物量增長(zhǎng)快，對(duì)高濃度氮適應(yīng)性和耐污能力強(qiáng)，常作為污水生態(tài)處理和控制農(nóng)業(yè)面源污染的優(yōu)選生態(tài)修復(fù)物種之一[14]；同時(shí)粉綠狐尾藻能分泌某些化感物質(zhì)，破壞水體藻類細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)，并抑制藻類光合和呼吸作用，影響細(xì)胞內(nèi)某些蛋白質(zhì)合成和酶活性，實(shí)現(xiàn)對(duì)藻類生長(zhǎng)的抑制甚至導(dǎo)致藻類死亡，從而降低水華現(xiàn)象的發(fā)生概率[15]。而高氮營養(yǎng)鹽可限制水生植物根系活性氧的累積并促進(jìn)根系腐爛，使其難以滿足污染水體中有機(jī)物降解和硝化作用等對(duì)氧的需求[16-17]，降低水生植物對(duì)氮素的吸附固化及對(duì)水體污染的治理效果[18]，因此，水體氧環(huán)境是影響水生植物各器官氮素吸收及其脫氮效果的關(guān)鍵。缺氧條件下部分底泥微生物利用硝酸根離子（）代替氧氣電子受體，在反硝化酶作用下產(chǎn)生一氧化二氮（N2O）和一氧化氮（NO），并將底泥氮重新釋放到水體，造成水體二次污染[19]；利用文丘里空氣噴射器、空氣泵或微納米氣泡水系統(tǒng)對(duì)作物根際進(jìn)行充氧[20-22]，有效提高水體溶解氧含量和pH 值，可促進(jìn)植株根系生長(zhǎng)[23]，加快水體氮污染物降解速度，促進(jìn)作物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收[16]；同時(shí)增氧可調(diào)控底泥pH 值，增強(qiáng)底泥微生物硝化作用或反硝化作用[24]，加快植物殘?bào)w的腐解周期、有機(jī)物的礦化速率和底泥氮的形態(tài)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響根系對(duì)氮素的吸收[25-26]；水生植物不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)氧的需求亦不相同。綜上所述，增氧技術(shù)作為一項(xiàng)極為節(jié)水、節(jié)能且利于環(huán)境的水分管理措施，可通過調(diào)控水體-植物-底泥微環(huán)境，促進(jìn)水生植物對(duì)水體及底泥中氮素的吸收，進(jìn)而提高水生植物對(duì)水體氮污染物的脫氮效果。粉綠狐尾藻氮素吸收及底泥微環(huán)境對(duì)根際增氧的響應(yīng)具有復(fù)雜性，增氧通過影響底泥理化特性及底泥氮的賦存形態(tài)，導(dǎo)致粉綠狐尾藻各器官氮含量發(fā)生改變，這可能是造成粉綠狐尾藻氮素吸收差異顯著的重要原因，但對(duì)于增氧調(diào)控底泥理化特性及底泥氮的賦存形態(tài)，影響粉綠狐尾藻各生長(zhǎng)時(shí)期不同器官氮素吸收的機(jī)理還缺乏系統(tǒng)和深入的研究。本研究以粉綠狐尾藻為研究對(duì)象，采用機(jī)械增氧方式對(duì)粉綠狐尾藻進(jìn)行增氧水平調(diào)控，分析增氧條件下粉綠狐尾藻不同生長(zhǎng)時(shí)期底泥pH值和有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量及植株氮素吸收的變化規(guī)律，明確粉綠狐尾藻底泥理化特性及氮賦存形態(tài)對(duì)增氧的響應(yīng)機(jī)制，揭示底泥全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量對(duì)植株氮素吸收的影響機(jī)理，為從內(nèi)源性氮污染物的防治修復(fù)工作方面構(gòu)建一種高效治理農(nóng)業(yè)面源污染的方法提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤與肥料實(shí)驗(yàn)中心站玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行，溫室采光和通風(fēng)均良好。實(shí)驗(yàn)站所處地理位置屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，年平均氣溫為17.60 ℃，年平均無霜期為280.50 d，年平均降雨量為1 403.53 mm，年總降雨時(shí)長(zhǎng)為158.90 d，月平均降雨量為116.96 mm，月總降雨時(shí)長(zhǎng)為13.24 d，平均氣壓為101.22 kPa，相對(duì)濕度為80%。

1.2 供試材料

供試品種為粉綠狐尾藻，試驗(yàn)土壤取自實(shí)驗(yàn)站田地，為第四紀(jì)紅黃泥土，肥力中等，土樣經(jīng)風(fēng)干、打碎后過1 cm 篩。將土裝入盆中，每盆加水濕潤(rùn)至留有1 cm左右水層，浸水處理1個(gè)月后測(cè)得底泥基本理化性質(zhì)見表1。

表1 底泥基本理化性質(zhì)Table 1 The basic physicochemical characteristics of the experimental soil

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以機(jī)械增氧時(shí)間確定增氧水平，共設(shè)5 個(gè)處理，分別為CK（不增氧）、O1（4 min）、O2（6 min）、O3（8 min）、O4（10 min）；各處理設(shè)27 個(gè)重復(fù)，共計(jì)135盆。機(jī)械增氧采用螺旋方式預(yù)埋自制增氧管路系統(tǒng)，利用加氣泵通過預(yù)埋增氧灌溉管路系統(tǒng)向粉綠狐尾藻根際輸送，每日早8點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)通氣1次，試驗(yàn)用塑料盆上部?jī)?nèi)徑30 cm，底部直徑25 cm，高25 cm，每盆裝干土6.5 kg。根據(jù)已有試驗(yàn)結(jié)果，將粉綠狐尾藻均勻剪切至5 cm，扦插到盆里，待粉綠狐尾藻生長(zhǎng)穩(wěn)定后，加營養(yǎng)液至距離土面10 cm，營養(yǎng)液采用氯化銨試劑和純水配制，濃度為120 mg·L-1，每天定時(shí)用純水補(bǔ)充蒸發(fā)水量以保證體積恒定。試驗(yàn)周期為2019 年8 月22日至12月22日。

1.4 測(cè)試指標(biāo)及方法

1.4.1 底泥肥力及銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量測(cè)定

于9 月15 日、10 月10 日、10 月27 日、11 月16 日、12月22 日（取樣時(shí)期分別以t1、t2、t3、t4、t5表示）各取長(zhǎng)勢(shì)較為一致的代表性植株3 盆，隨機(jī)用土鉆取5 個(gè)點(diǎn)的底泥樣品，取樣深度為0～10 cm，樣品混合后，用四分法取1/4底泥裝入滅菌袋包扎密封，于4 ℃保存，用于測(cè)定底泥銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，剩余部分樣品裝土樣袋內(nèi)于陰涼通風(fēng)處晾干后用研缽磨碎、過篩，用于測(cè)定底泥pH值和有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量。其中底泥全氮采用濃H2SO4-H2O2消解-凱氏定氮法測(cè)定；全磷采用HClO4-H2SO4法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提法測(cè)定；銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量采用2 mol·L-1KCl浸提-流動(dòng)分析儀測(cè)定；pH 值采用奧力龍868 型pH 計(jì)測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定。

1.4.2 粉綠狐尾藻各器官全氮含量測(cè)定

分別于9月15日、10月10日、10月27日、11月16日、12 月22 日各取長(zhǎng)勢(shì)較為一致的代表性植株3 盆，在24 h 內(nèi)用H2SO4-H2O2消煮蒸餾法消解-凱氏定氮法測(cè)定粉綠狐尾藻根部和地上部植株全氮含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

粉綠狐尾藻各器官氮素吸收量及積累量由以下公式計(jì)算：

采用逐步分析法建立多元線性回歸方程模型，模型如下：

式中：y為因變量，分別為粉綠狐尾藻根部、地上部氮素吸收量和植株氮素積累量；x1，x2，…，xn為自變量，為取樣時(shí)期相應(yīng)參數(shù)；β0為y軸截距；β1，β2，…，βn為多元線性回歸系數(shù)；ε為隨機(jī)誤差。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)結(jié)果的單因素方差分析（One-way ANOVA）在IBM SPSS version 22.0 中采用Duncan 新復(fù)極差法（SSR）完成；采用Excel 2007和OriginPro 2016繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 增氧對(duì)粉綠狐尾藻氮素吸收的影響

無論增氧與否，粉綠狐尾藻根部、地上部氮吸收量及植株氮積累量均隨生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸增加趨勢(shì)，且地上部氮素吸收量均高于根部；適量增氧顯著提高了粉綠狐尾藻各器官及植株對(duì)氮素的吸收，導(dǎo)致不同時(shí)期粉綠狐尾藻各器官氮素吸收量、植株氮積累量產(chǎn)生顯著差異。由表2可知，與CK 處理相比，t1、t2、t3、t4、t5生長(zhǎng)時(shí)期O1～O4處理粉綠狐尾藻根部氮吸收量分別增加91.39%～236.12%、22.15%～73.27%、43.71%～140.28%、66.55%～275.78%、41.70%～149.20%，地上部氮吸收量分別增加16.16%～89.48%、26.53%～177.49%、81.98%～158.06%、4.09%～107.02%，0.57%～66.40%，植株氮積累量分別增加18.98%～94.97%、26.03%～165.59%、78.64%～156.51%、9.23%～119.72%、3.39%～72.06%。生長(zhǎng)前期（t1、t2時(shí)期）O3處理根部、地上部氮吸收量和植株氮積累量最高，根部氮吸收量分別為1.91、3.51 mg·株-1，地上部氮吸收量分別為27.73、43.62 mg·株-1，植株氮積累量分別為29.65、47.13 mg·株-1；t3、t4、t5時(shí)期O2處理粉綠狐尾藻根部和地上部氮吸收量和植株氮積累量最高，根部氮吸收量分別為5.78、14.13、16.94 mg·株-1，地上部氮吸收量分別為64.78、95.73、154.13 mg·株-1，植株氮積累量分別為70.56、109.86、171.08 mg·株-1。t1、t2、t3、t4、t5時(shí)期粉綠狐尾藻根部、地上部氮吸收量及植株氮積累量均表現(xiàn)為隨增氧時(shí)間增加呈先增加后降低趨勢(shì)。以增氧時(shí)間x為自變量，粉綠狐尾藻植株氮積累量y為因變量擬合方程（表2），進(jìn)一步表明t1、t2時(shí)期增氧8 min 和t3、t4、t5時(shí)期增氧6 min 對(duì)粉綠狐尾藻氮素的累積效應(yīng)最大。結(jié)果表明，適量增氧有利于粉綠狐尾藻對(duì)氮素的吸收和積累，增氧過量反而會(huì)降低氮素的積累，增氧對(duì)t4、t5時(shí)期粉綠狐尾藻氮素的吸收和累積作用更顯著。

表2 粉綠狐尾藻各器官氮吸收量及植株氮積累量差異性分析（mg·株-1）Table 2 Difference analysis of nitrogen accumulation and nitrogen uptake in different organs of Myriophyllum aquaticum（mg·plant-1）

2.2 增氧對(duì)底泥全氮、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量的影響

2.2.1 底泥全氮、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量差異性分析

由圖1a可知，增氧使t1、t2時(shí)期底泥全氮含量顯著降低，t4、t5時(shí)期底泥全氮含量增加。與CK 相比，t1、t2時(shí)期O1～O4處理底泥全氮含量分別降低19.52%～42.64%、14.19%～56.70%，t4、t5時(shí)期底泥全氮含量分別增加19.58%～59.95%、13.95%～21.85%；t1、t2時(shí)期全氮含量隨增氧時(shí)間的增加先降低后增加，且均在O3處理出現(xiàn)閾值；t4、t5時(shí)期則呈逐漸增加趨勢(shì)。無論增氧與否，底泥全氮含量均隨生長(zhǎng)時(shí)期的延長(zhǎng)先降低后增加。增氧可能通過調(diào)控粉綠狐尾藻根系泌氧及釋放有機(jī)酸等間接影響底泥氮的遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響底泥氮含量的變化。

增氧可促進(jìn)粉綠狐尾藻根系對(duì)底泥銨態(tài)氮的吸收與轉(zhuǎn)化，使粉綠狐尾藻各生長(zhǎng)時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量顯著降低（圖1b）。與CK 處理相比，t1、t2、t3、t4、t5時(shí)期O1～O4處理底泥銨態(tài)氮含量分別降低44.50%～50.66%、8.10%～19.86%、18.17%～44.26%、6.19%～35.31%、5.09%～17.20%，表現(xiàn)為粉綠狐尾藻各生長(zhǎng)時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量均隨增氧時(shí)間的增加先降低后增加，其中t1、t2時(shí)期在O3處理出現(xiàn)閾值，t3、t4時(shí)期在O2處理出現(xiàn)閾值，t5時(shí)期在O1處理出現(xiàn)閾值。CK、O1處理底泥銨態(tài)氮含量隨著生長(zhǎng)時(shí)期延長(zhǎng)先增加后降低。

增氧可促進(jìn)t2、t3、t4時(shí)期粉綠狐尾藻根系對(duì)底泥硝態(tài)氮的吸收與轉(zhuǎn)化，反而抑制t5時(shí)期底泥硝態(tài)氮的吸收（圖1c）。與CK 處理相比，t2、t3、t4時(shí)期O1～O4處理底泥硝態(tài)氮含量分別降低3.73%～70.92%、33.33%～63.45%、22.40%～49.96%，t5時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量增加0.23%～226.74%。CK、O1、O3、O4處理底泥硝態(tài)氮含量均隨生長(zhǎng)時(shí)期延長(zhǎng)先增加后降低，O2處理粉綠狐尾藻t2、t3、t4、t5時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量均高于t1時(shí)期。

圖1 不同增氧處理下底泥全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Dynamic changes of total nitrogen,ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents in sediments under different oxygenation treatments

2.2.2 底泥銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與pH 值、有機(jī)質(zhì)相關(guān)性分析

增氧降低粉綠狐尾藻生長(zhǎng)前期（t1、t2時(shí)期）底泥pH 值，同時(shí)促使其底泥銨態(tài)氮含量降低。由表3 可知，與CK 相比，t1、t2、t3時(shí)期O1～O4處理底泥pH 值分別降低4.07%～9.75%、0.70%～4.78%、1.42%～2.62%，t4、t5時(shí)期底泥pH值則隨增氧時(shí)間增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，并在O1處理出現(xiàn)閾值。由表4 可知，t1、t3時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量與底泥pH 值極顯著正相關(guān)（P＜0.01），t2時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量與底泥pH 值顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

增氧使粉綠狐尾藻生長(zhǎng)前期（t1、t2時(shí)期）底泥有機(jī)質(zhì)含量降低，中后期（t3、t4、t5時(shí)期）底泥有機(jī)質(zhì)含量增加的同時(shí)，促使t3和t4時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量增加。由表3 可知，與CK 處理相比，增氧使t1和t2時(shí)期底泥有機(jī)質(zhì)含量分別降低0.83%～11.05% 和1.34%～5.66%，t3、t4、t5時(shí)期底泥有機(jī)質(zhì)含量分別增加2.81%～7.91%、7.40%～12.94%、4.13%～16.80%。其中t1和t2時(shí)期底泥有機(jī)質(zhì)含量隨增氧時(shí)間的增加先降低后升高，t3和t4時(shí)期底泥有機(jī)質(zhì)含量則先升高后降低，并均在O2處理出現(xiàn)閾值。由表4 可知，t3和t4時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量與底泥有機(jī)質(zhì)含量顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），t3時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量與底泥有機(jī)質(zhì)含量極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。

表3 底泥pH值、有機(jī)質(zhì)差異性分析Table 3 Difference analysis of pH value and organic matter of sediment

表4 底泥銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與底泥pH值、有機(jī)質(zhì)相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of sediment ammonium nitrogen and nitrate nitrogen content and soil pH value and organic matter

2.3 粉綠狐尾藻氮素吸收指標(biāo)與底泥理化特性相關(guān)性分析

2.3.1 粉綠狐尾藻氮素吸收指標(biāo)與底泥全氮含量相關(guān)性分析

由表5 可知，增氧通過促進(jìn)t1和t2時(shí)期粉綠狐尾藻根部、地上部對(duì)氮素的吸收，降低了t1和t2時(shí)期底泥全氮含量；增氧促進(jìn)t5時(shí)期粉綠狐尾藻根部氮素吸收的同時(shí)，其底泥全氮含量反而增加。表現(xiàn)為t1和t2時(shí)期粉綠狐尾藻根部氮吸收量、地上部氮吸收量和植株氮積累量與底泥全氮含量極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），t5時(shí)期根部氮吸收量與底泥全氮含量極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。t5時(shí)期粉綠狐尾藻氮素吸收指標(biāo)與不同生長(zhǎng)時(shí)期底泥全氮含量多元線性回歸分析結(jié)果進(jìn)一步表明，t1、t3時(shí)期是影響粉綠狐尾藻t5時(shí)期氮吸收及積累的關(guān)鍵時(shí)期，增氧促進(jìn)t1和t3時(shí)期粉綠狐尾藻根部、地上部對(duì)氮素吸收的同時(shí)，降低了兩時(shí)期底泥全氮含量，進(jìn)而促進(jìn)了t5時(shí)期粉綠狐尾藻植株對(duì)氮素的吸收。

表5 粉綠狐尾藻氮素吸收指標(biāo)與底泥全氮含量相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of nitrogen absorption index of Myriophyllum aquaticum and total nitrogen content in bottom sediment

2.3.2 粉綠狐尾藻氮素吸收指標(biāo)與底泥銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量相關(guān)性分析

由表6 可知，增氧有利于促進(jìn)粉綠狐尾藻植株對(duì)底泥銨態(tài)氮的吸收與轉(zhuǎn)化。表現(xiàn)為t1、t2和t3時(shí)期根部、地上部氮吸收量和植株氮積累量分別與底泥銨態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；t4時(shí)期根部氮吸收量與底泥銨態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；t5時(shí)期地上部氮吸收量與底泥銨態(tài)氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），植株氮積累量與底泥銨態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。t5時(shí)期粉綠狐尾藻氮素吸收指標(biāo)與不同時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量多元回歸分析結(jié)果進(jìn)一步表明，t4、t5時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量是影響粉綠狐尾藻t5時(shí)期氮素吸收與積累的關(guān)鍵，增氧降低t4、t5時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量的同時(shí)，促進(jìn)了t5時(shí)期粉綠狐尾藻植株氮的吸收與積累。

增氧可有效提高t2、t3時(shí)期粉綠狐尾藻對(duì)底泥硝態(tài)氮的吸收能力，進(jìn)而導(dǎo)致t2、t3時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量降低。由表6可知，t2、t3時(shí)期根部、地上部氮吸收量和植株氮積累量分別與硝態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；t4時(shí)期根部氮吸收量與底泥硝態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；t5時(shí)期地上部氮吸收量和植株氮積累量與底泥硝態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。t5時(shí)期粉綠狐尾藻氮素吸收指標(biāo)與不同時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量多元線性回歸分析進(jìn)一步表明，t2和t5時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量是影響粉綠狐尾藻t5時(shí)期根部氮吸收量的關(guān)鍵因素，從結(jié)果可以判斷，增氧導(dǎo)致t2時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量降低、t5時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量增加的同時(shí)，促進(jìn)了t5時(shí)期粉綠狐尾藻植株氮的吸收與積累。

表6 粉綠狐尾藻氮素吸收指標(biāo)與底泥銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of nitrogen absorption index of Myriophyllum aquaticum and ammonium nitrogen content，nitrate nitrogen content in sediment

3 討論

3.1 粉綠狐尾藻的氮素吸收特征

本研究結(jié)合機(jī)械增氧方式，掌握了粉綠狐尾藻不同生長(zhǎng)時(shí)期各器官的氮素吸收規(guī)律，揭示了增氧提高粉綠狐尾藻降解水體污染物能力的機(jī)制。本研究中，無論增氧與否，粉綠狐尾藻均能通過根部吸收水體氮素以合成自身物質(zhì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到去除水體氮污染物的目的。不同器官對(duì)水體氮的吸收存在差異，表現(xiàn)為粉綠狐尾藻根部、地上部氮吸收量及植株氮積累量均隨生長(zhǎng)時(shí)期的延長(zhǎng)而逐漸增加，且地上部氮吸收量均高于根部（表2）。目前，水生植物對(duì)污染水體的凈化機(jī)制多從植物自身吸收氮素、改善水體-植物-底泥微環(huán)境、微生物3 個(gè)方面進(jìn)行探討，其中植物自身吸收氮素是系統(tǒng)去除氮污染物的主要途徑[15]。粉綠狐尾藻通過莖葉光合作用分泌氧氣到水體中，提高水體溶解氧含量和水體pH 值，促進(jìn)其根系生長(zhǎng)并吸收水體大量溶解態(tài)氮營養(yǎng)物質(zhì)[27-28]，是造成粉綠狐尾藻凈化污染水體、脫氮效果顯著的重要原因[9]；而粉綠狐尾藻根系表面可分泌特異性化感物質(zhì)，造成根際微環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性及特異性，為反硝化細(xì)菌提供更易降解的代謝物質(zhì)的同時(shí)，更有利于污染水體中氮的反硝化去除[15]。此外，冬季低溫抑制了水體微生物及耗氧有機(jī)質(zhì)活性，增氧導(dǎo)致其溶解氧含量增加，使粉綠狐尾藻中后期根部仍保持較強(qiáng)的生命力[29]，可能造成粉綠狐尾藻中后期各器官氮吸收量及植株氮積累量不斷增加。

水體溶解氧含量是影響粉綠狐尾藻氮素吸收與轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵，不同生長(zhǎng)時(shí)期粉綠狐尾藻對(duì)氧的需求亦不同，利用自制增氧管路系統(tǒng)對(duì)粉綠狐尾藻根際進(jìn)行適量增氧，可使粉綠狐尾藻根系發(fā)達(dá)，有效提高粉綠狐尾藻對(duì)氮素，尤其是生長(zhǎng)后期氮素的吸收同化效果，t1、t2時(shí)期增氧8 min 和t3、t4、t5時(shí)期增氧6 min 對(duì)粉綠狐尾藻氮素積累的累積效應(yīng)最大。本研究中，增氧處理下粉綠狐尾藻根部、地上部氮吸收量及植株氮積累量均高于不增氧處理；生長(zhǎng)前期（t1、t2時(shí)期）增氧8 min 處理的根部、地上部氮吸收量和植株氮積累量最高，生長(zhǎng)后期（t3、t4、t5時(shí)期）增氧6 min 處理的根部、地上部氮吸收量和植株氮積累量最高。這說明粉綠狐尾藻根系泌氧有限，難以滿足污染水體水生生物新陳代謝、以氧氣為電子受體的有機(jī)物降解、硝化作用等對(duì)氧的需求[16-17，30]，適量增氧可提高水體中氧的傳遞速率和溶解氧含量，加快水體氮污染物降解速度[16]，同時(shí)刺激粉綠狐尾藻植株側(cè)根形成[31-32]，提高根總表面積、總體積等根系生長(zhǎng)指標(biāo)[33]，促使粉綠狐尾藻吸收積累更多營養(yǎng)物質(zhì)[34]，但過量增氧反而降低粉綠狐尾藻對(duì)氮素的吸收同化效果。本研究中，粉綠狐尾藻不同生長(zhǎng)時(shí)期根部、地上部氮吸收量及植株氮積累量均隨增氧時(shí)間增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。水體高溶解氧含量使水生態(tài)系統(tǒng)更易達(dá)到飽和狀態(tài)，并對(duì)其系統(tǒng)功能產(chǎn)生輕微削減作用[35]，過度增氧抑制了植株相關(guān)氮代謝酶活性，限制植株對(duì)氮的利用[36]。此外，增氧促使粉綠狐尾藻中后期根系分泌更多的糖類、氨基酸和生物酶等有機(jī)物質(zhì)，加強(qiáng)其根部呼吸代謝和氮代謝關(guān)鍵酶活性[37]，降低低氧環(huán)境對(duì)粉綠狐尾藻的脅迫，可能是導(dǎo)致中后期粉綠狐尾藻氮素吸收增加的另一重要原因。綜上所述，增氧影響水體溶解氧含量及粉綠狐尾藻根系生理生長(zhǎng)特性，使根系發(fā)達(dá)，提高了粉綠狐尾藻對(duì)水體氮污染物的降解能力。

3.2 粉綠狐尾藻氮素吸收與其底泥理化特性的關(guān)系

改善水體-植物-底泥微環(huán)境是水生態(tài)系統(tǒng)去除氮污染物的另一主要途徑，增氧通過調(diào)控粉綠狐尾藻底泥氮的形態(tài)轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)底泥微生物活性，造成粉綠狐尾藻生長(zhǎng)前期底泥全氮含量的降低和生長(zhǎng)后期全氮含量的增加。本研究中，增氧使t1、t2時(shí)期底泥全氮含量降低19.52%～42.64%、14.19%～56.70%，t4、t5時(shí)期全氮含量增加19.58%～59.95%、13.95%～21.85%，增氧使粉綠狐尾藻生長(zhǎng)前期根系生長(zhǎng)旺盛，促進(jìn)了其對(duì)底泥氮的吸收轉(zhuǎn)化并降低了土壤全氮含量；增氧增強(qiáng)粉綠狐尾藻生長(zhǎng)中后期根際微生物的繁殖及代謝能力[38]，加速部分衰退莖葉殘?bào)w分解及底泥有機(jī)物和底泥氮的礦化[39-41]，致使其生長(zhǎng)中后期底泥全氮含量增加。t5時(shí)期粉綠狐尾藻氮素吸收指標(biāo)與不同時(shí)期底泥全氮含量多元線性回歸分析結(jié)果進(jìn)一步表明，增氧促進(jìn)t1和t3時(shí)期粉綠狐尾藻根部、地上部氮素吸收的同時(shí)，降低了t1和t3時(shí)期底泥的全氮含量，最終導(dǎo)致t5時(shí)期粉綠狐尾藻植株內(nèi)氮素吸收及積累量的增加。

粉綠狐尾藻優(yōu)先以銨態(tài)氮作為氮源，增氧通過降低粉綠狐尾藻生長(zhǎng)中前期底泥pH 值，提高其生長(zhǎng)后期有機(jī)質(zhì)含量，持續(xù)為粉綠狐尾藻提供無機(jī)氮素，促進(jìn)了粉綠狐尾藻植株對(duì)氮素的吸收，造成底泥銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的減少。本研究中，增氧使t1、t2、t3、t4、t5時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量分別降低44.50%～50.66%、8.10%～19.86%、18.17%～44.26%、6.19%～35.31%、5.09%～17.20%；增氧使t2、t3、t4時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量分別降低3.73%～70.92%、33.33%～63.45%、22.40%～49.96%，t5時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量反而增加0.23%～226.74%。硝化需好氧環(huán)境，反硝化需厭氧環(huán)境，增氧使水體-底泥系統(tǒng)形成好氧、缺氧交替的銨硝混合營養(yǎng)環(huán)境[42]，加強(qiáng)了底泥微生物的硝化作用和底泥養(yǎng)分的溶解速度[43]，提高了底泥中氮的去除率[44]。增氧使粉綠狐尾藻根系分泌的H+或有機(jī)酸增加，根際周邊底泥pH 值降低的同時(shí)，致使更多底泥吸附的氮素被溶解并釋放到上覆水中[15]；增氧釋放到水體中的氧氣能提高底泥表層氧化還原電位（Eh），增強(qiáng)了底泥表面氧化層可交換態(tài)氮的硝化反應(yīng)，并生成亞硝酸鹽（）和硝酸鹽（）[45-46]，從而促進(jìn)了底泥氨態(tài)氮的揮發(fā)和降低。不增氧處理下粉綠狐尾藻生長(zhǎng)后期根系逐漸衰老，微生物硝化作用因溶氧量不足而受到抑制，導(dǎo)致底泥硝態(tài)氮含量降低，增氧則刺激底泥有機(jī)質(zhì)含量、微生物和酶活性上升，增強(qiáng)底泥有機(jī)氮礦化作用[38]，提高了底泥銨態(tài)氮含量。底泥銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與底泥pH 值、有機(jī)質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果進(jìn)一步表明，底泥pH 值是影響t1、t2、t3時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量的關(guān)鍵，有機(jī)質(zhì)則是影響t3、t4時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量和t3時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量的關(guān)鍵，表現(xiàn)為t1、t2、t3時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量與底泥pH 值呈正相關(guān)關(guān)系（R=0.627*～0.854**），t3和t4時(shí)期底泥銨態(tài)氮含量與底泥有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（R=-0.596*～-0.587*），t3時(shí)期底泥硝態(tài)氮含量與底泥有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（R=-0.682**）。綜上所述，增氧在提高水體溶解氧含量、降低底泥pH值的同時(shí)，影響底泥氮的形態(tài)轉(zhuǎn)化，促使底泥氮向上覆水釋放，提高了粉綠狐尾藻對(duì)水體氮污染物的降解能力。

4 結(jié)論

（1）適量增氧有利于粉綠狐尾藻對(duì)氮素的吸收和積累，過量增氧則抑制其氮素的吸收與積累，生長(zhǎng)前期（t1、t2時(shí)期）增氧8 min 和生長(zhǎng)中后期（t3、t4、t5時(shí)期）增氧6 min對(duì)粉綠狐尾藻氮素吸收的累積作用顯著。

（2）底泥pH值和有機(jī)質(zhì)是影響底泥銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量及粉綠狐尾藻氮素吸收的關(guān)鍵，增氧導(dǎo)致粉綠狐尾藻生長(zhǎng)前中期（t1、t2、t3時(shí)期）底泥pH 值和銨態(tài)氮含量降低，同時(shí)導(dǎo)致t3、t4時(shí)期底泥pH 值降低，底泥有機(jī)質(zhì)含量和底泥銨態(tài)氮含量增加，提高了粉綠狐尾藻對(duì)水體氮污染物的降解能力。