中山杉消納濕地土壤及水體中氮磷的效果分析

摘要 為探究中山杉對濕地土壤及水體中氮磷消納的效果，本研究在C湖濕地中山杉種植區(qū)和對照區(qū)設(shè)置采樣點，分別采集土壤、周邊水體及中山杉植株樣品，測定其氮磷含量，分析植株—土壤—水體系統(tǒng)中氮磷變化規(guī)律。結(jié)果表明，中山杉對土壤中硝銨態(tài)氮和有效磷均具有一定吸收作用，其中種植區(qū)土壤中的硝銨態(tài)氮和有效磷含量均低于對照區(qū)；中山杉對水體中氮磷具有一定消納作用，其種植區(qū)周邊水樣中總氮、總磷含量呈現(xiàn)波動變化，總體呈逐漸下降趨勢；中山杉植株不同部位的總氮、總磷含量存在差異，總體表現(xiàn)為樹干gt;樹根gt;樹枝。該研究結(jié)果為富營養(yǎng)化湖泊生態(tài)環(huán)境的治理和改善提供參考。

關(guān)鍵詞 中山杉；氮磷消納；富營養(yǎng)化；湖泊生態(tài)環(huán)境

中圖分類號 S791.34；X52" "文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）11-0079-06

湖泊作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有多種生態(tài)功能，如調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、調(diào)節(jié)河川徑流、凈化水體、保護(hù)生物多樣性及發(fā)揮人文價值等[1-2]。在湖泊保護(hù)治理領(lǐng)域，湖泊水體的富營養(yǎng)化問題引起了廣泛關(guān)注[3]。湖泊富營養(yǎng)化的主要表現(xiàn)為湖泊內(nèi)總氮、總磷負(fù)荷過高，超過湖體本身的自凈能力[4]。富營養(yǎng)化會導(dǎo)致水質(zhì)惡化、溶解氧含量降低，同時可能引起藍(lán)藻爆發(fā)。當(dāng)湖泊處于缺氧狀態(tài)時，大量水生動物會因缺氧而死亡，同時藻類的過量繁殖可能會分泌和釋放神經(jīng)類毒素，可能威脅生態(tài)系統(tǒng)平衡和人類健康[5]。在富營養(yǎng)化湖泊治理和修復(fù)方面，水生植物發(fā)揮著重要作用。水生植物能夠利用水中微弱的光照進(jìn)行光合作用，同時吸收水中溶解的氮、磷和二氧化碳等，對水體中氮、磷的富集和轉(zhuǎn)移效果明顯，可以明顯改善湖泊水體富營養(yǎng)化問題[6]。水生植物生態(tài)修復(fù)手段為湖泊富營養(yǎng)化的可持續(xù)治理提供了可行、有效的路徑。

中山杉是落羽杉和墨杉種間雜交種的統(tǒng)稱[7]，具有生長快、抗逆性強和耐腐性好等特點[8]，在改善水體富營養(yǎng)化、修復(fù)生態(tài)環(huán)境等方面表現(xiàn)出較大潛力。張鈺榮等[9]評價了中山杉人工林對徑流水中磷的截留效果，表明1 000株/hm2的中山杉林緩沖帶對截留總磷和可溶性磷均具有良好的效果。華建峰等[10]研究表明，中山杉406品種對3種不同程度富營養(yǎng)化水體中的氮等營養(yǎng)物質(zhì)有較強的去除能力。

本研究通過持續(xù)監(jiān)測C湖某濕地中山杉種植區(qū)土壤、水體和中山杉植株中的氮磷含量，對比分析植株—土壤—水體系統(tǒng)中氮磷含量的變化規(guī)律，評價中山杉對濕地土壤、水體中氮磷的消納效能，為富營養(yǎng)化湖泊生態(tài)環(huán)境的治理和改善提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)基本情況

研究區(qū)C湖東西長54.5 km，南北寬21.0 km，水域面積約779.5 km2，平均水深2.89 m，屬北亞熱帶溫潤性季風(fēng)氣候，氣候溫和，降水量適中[11-12]。研究區(qū)采樣點位于濕地南側(cè)，于2021年3月種植814棵中山杉，植株平均胸徑7 cm，平均株高4 m。

1.2 樣品采集

1.2.1 土樣采集" 在中山杉種植區(qū)及周邊統(tǒng)一水平線對照區(qū)隨機(jī)選取5點，于2021年3月至2022年3月采集土壤樣品，采集頻率為1次/月；于2022年4月至2023年2月，在中山杉種植區(qū)及周邊統(tǒng)一水平線對照區(qū)各定點采集10個土壤樣品，采集頻率為1次/月。

種植區(qū)土壤取樣點距離樹干約50 cm，除去表面雜草及覆土，用助推式柱狀土壤采樣器垂直插入土壤，深度20 cm；對照區(qū)土壤采集方法與上述一致。采集的土壤封裝于自封袋中，帶回實驗室置于通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干，計算含水率，過100目篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 水樣采集" 在中山杉種植區(qū)周邊統(tǒng)一水平線隨機(jī)均勻3點取樣，于中山杉種植區(qū)東側(cè)、南側(cè)和西側(cè)三面鄰水位置各設(shè)置1個采樣點，每個水樣采集點用2 L聚乙烯水樣采集器在水平面以下20 cm處均勻5點采樣，混合水樣，避光保存。于2022年4月至2023年2月采集水樣，采集頻率為1次/月。

1.2.3 中山杉植株采集" 于2021年3月、2022年3月和2023年3月，在中山杉種植區(qū)隨機(jī)選取生長正常的3棵中山杉，利用GPS定位和相機(jī)記錄采樣點選取的中山杉植株，測量記錄樹高（m）、地徑（cm）和胸徑（cm）（距地面1.2 m），隨后截成小段全部帶回實驗室，去除葉片后分別稱量樹枝、樹干和樹根3個部分的質(zhì)量（kg）。均勻取樹枝、樹干和樹根樣品，經(jīng)電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥，計算含水率，隨后用高速粉碎機(jī)粉碎，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 樣品檢測

1.3.1 土樣檢測" 硝銨態(tài)氮檢測樣品制備方法參照HJ 634—2012《土壤 氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測定 氯化鉀溶液提取-分光光度法》：稱取5.0 g風(fēng)干土壤樣品于震蕩瓶中，加入50 mL 1 mol/L氯化鉀溶液，震蕩1 h，用定性濾紙過濾，濾液封裝于離心管中，于4 ℃冰箱保存。

有效磷檢測樣品制備方法參照HJ 704—2014《土壤 有效磷的測定 碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法》，稱取2.5 g風(fēng)干土壤樣品于震蕩瓶中，加入50 mL 0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液和0.5 g無磷活性炭，振蕩30 min，用無磷濾紙或定量濾紙過濾，濾液封裝于離心管中，于4 ℃冰箱保存。

利用Skalar San++連續(xù)流動分析儀檢測土壤浸提液中硝銨態(tài)氮和有效磷含量，經(jīng)折算得到風(fēng)干土壤中硝銨態(tài)氮和有效磷含量。

1.3.2 水樣檢測" 總氮檢測方法參照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》，從采集的水體樣品中取適量樣品，使用氫氧化鈉溶液或硫酸溶液調(diào)節(jié)pH值至5～9制得試樣，并吸取10 mL水體試樣至比色管中；加入5 mL堿性過硫酸鉀溶液，塞緊磨口塞并使用尼龍繩扎緊，以防濺出；將比色管置于高壓蒸氣滅菌器中加熱，使壓力表指針在1.1～1.4 kg/cm2，溫度在120～124 ℃開始計時，保持30 min；滅菌后，將比色管取出，冷卻至室溫，加入1 mL鹽酸，用無氨水稀釋至25 mL，混勻；取部分溶液至石英比色皿中，以無氨水為參比溶液，使用紫外分光光度計在220 nm和275 nm波長處測定吸光度，并計算校正吸光度。

總磷檢測方法參照GB 11893—1989《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》，取1 mL水樣至25 mL比色管并稀釋至10 mL，加入2 mL 5%過硫酸鉀溶液按照上述條件進(jìn)行消解，消解后室溫冷卻，加入0.5 mL10%抗壞血酸溶液，混勻；30 s后加1 mL鉬酸鹽溶液，混勻；15 min后取部分溶液至10 mm玻璃比色皿，于700 nm波長下測定吸光度，超純水為參比溶液。

1.3.3 中山杉植株檢測" 中山杉植株中總氮、總磷的檢測參照NY/T 2017—2011《植物中氮、磷、鉀的測定》，準(zhǔn)確稱取0.5 g干樣于100 mL消化管中，加入1 mL水潤濕后，加入5 mL 98%濃硫酸，混勻并放置過夜，于石墨消解爐中300 ℃高溫消解，消煮管口放置一彎頸漏斗以冷凝回流，待硫酸發(fā)白煙、溶液成褐色時，停止加熱。稍冷后加入10滴過氧化氫，繼續(xù)消煮5 min，冷卻，重復(fù)此操作直至溶液呈無色或清亮，繼續(xù)加熱5 min以除去多余的過氧化氫。待冷卻后，用水將消化液全部轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中，定容，用濾紙過濾或放置澄清，得到待測液。分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃吸光光度法檢測待測液中總氮和總磷含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土樣中的氮磷含量

由表1—2、圖1所示，2021年3月至2022年2月，研究區(qū)濕地中山杉種植區(qū)和對照區(qū)土樣中硝銨態(tài)氮風(fēng)干濃度變化范圍分別為12.14～19.92、18.88～25.6 mg/kg，有效磷風(fēng)干濃度變化范圍分別為16.55～22.43、22.12～27.22 mg/kg；2022年3月至2023年2月，研究區(qū)濕地中山杉種植區(qū)和對照區(qū)土樣中硝銨態(tài)氮風(fēng)干濃度變化范圍分別為15.77～25.75、27.27～31.37 mg/kg，有效磷風(fēng)干濃度變化范圍分別為15.38～21.07、18.4～26.32 mg/kg。從每個月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，種植區(qū)土壤中硝銨態(tài)氮和有效磷濃度均低于對照區(qū)。2022年，種植區(qū)土壤5—6月和11—12月硝銨態(tài)氮風(fēng)干濃度高于其他月份，1月和8月有效磷風(fēng)干濃度高于其他月份。

2.2 水樣中的氮磷含量

由圖2、表3所示，2022年4月至2023年2月的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，研究區(qū)濕地中山杉種植區(qū)周邊水樣中總氮、總磷含量呈現(xiàn)波動變化，其中總氮呈逐漸下降趨勢。水體中總氮含量變化范圍在1.43～1.65 mg/L，總磷含量變化范圍在0.03～0.09 mg/L。研究區(qū)濕地中山杉種植區(qū)周邊水體中總氮、總磷含量的監(jiān)測與分析發(fā)現(xiàn)，2022年4—6月總氮含量呈上升趨勢，7—12月總氮含量呈下降趨勢，2022年12月至2023年2月總氮含量呈上升趨勢，總氮含量夏季較高，波動變化，總體呈下降趨勢；2022年4—5月總磷含量呈上升趨勢，6—10月總磷含量總體呈下降趨勢，11—12月總磷含量呈上升趨勢，總磷含量春季較高，波動變化。

2.3 中山杉植株中的氮磷含量及生長情況

2021—2023年，研究區(qū)濕地中山杉總種植814棵，其中成活745棵，成活率為91.52%。如表4所示，2023年3月中山杉植株平均株高、胸徑和地徑相較于2021年3月分別增長了29.02%、26.06%和25.73%；2021—2023年研究區(qū)濕地中山杉植株中的總氮、總磷含量呈逐漸上升趨勢，其中植株平均總氮含量分別為37.79、57.16和99.41 g，平均總磷含量分別為1.31、2.37和4.35 g，2023年中山杉植株的總氮、總磷平均總體量較2021年分別提高了163.06%、232.06%。中山杉植株不同部位的總氮、總磷含量存在差異，總體表現(xiàn)為樹干gt;樹根gt;樹枝。

3 結(jié)論與討論

通過對研究區(qū)濕地中山杉種植區(qū)及對照區(qū)土壤中硝銨態(tài)氮、有效磷含量的長期監(jiān)測與分析，發(fā)現(xiàn)種植區(qū)土壤中的硝銨態(tài)氮、有效磷含量均低于對照區(qū)，表明中山杉對土壤中硝銨態(tài)氮和有效磷具有一定吸收作用。自2022年4月至2023年2月，研究區(qū)濕地中山杉種植區(qū)周邊水樣中總氮、總磷含量總體下降，表明中山杉對周邊水體中總氮、總磷具有一定消納作用。韓路彎等[3]研究表明，4個中山杉品種特別是中山杉406對富營養(yǎng)化水體中的營養(yǎng)物質(zhì)有較強的去除能力；張鈺榮等[9]研究發(fā)現(xiàn)，中山杉經(jīng)過合理的配置可以作為河岸緩沖帶，起到去除徑流水中磷的作用。以上研究結(jié)果與本研究結(jié)果一致，中山杉不僅對濕地土壤中的氮磷具有一定吸收作用，還對濕地周邊水體中氮磷具有一定消納作用，其成活率較高，比較適合在濕地合適區(qū)域推廣種植。

本研究通過在研究區(qū)濕地中山杉種植區(qū)和對照區(qū)設(shè)置采樣區(qū)，分別采集土壤、周邊水體及中山杉植株樣品，測定其氮磷含量，分析植株—土壤—水體中氮磷變化規(guī)律，結(jié)合其他研究成果[13-14]，初步探明中山杉適合在淺水湖泊或富營養(yǎng)化湖泊推廣種植，后期可通過比較中山杉、雜交柳等植物的消納能力，探索出適宜富營養(yǎng)化湖泊生長的植株。

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（責(zé)編：何 艷）