不同溫度條件下徒駭河沉水植物腐爛對(duì)上覆水體中營養(yǎng)鹽濃度的影響

張 菊,鄧煥廣,,王東啟,孫欽鑫,韓 勇

(1.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,山東聊城 252059;2.華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200062)

沉水植物是水生生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,作為水生生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者,可以大量吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)并釋放出氧氣,同時(shí)還可以分泌化感物質(zhì)抑制藻類的生長,對(duì)水體環(huán)境起到凈化作用[1-3],近年來在治理富營養(yǎng)化水體過程中,沉水植物得到了較多的應(yīng)用[4-12]。但沉水植物死亡腐爛后,不僅改變水體的物理化學(xué)性質(zhì)、消耗氧氣,同時(shí)向上覆水體中釋放出大量的營養(yǎng)鹽,從而對(duì)水環(huán)境造成一定的不利影響[13-16]。研究[16-22]表明,死亡的水生植物會(huì)向水體不斷釋放營養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì),其釋放速率和對(duì)上覆水體的影響受到研究區(qū)域的水體條件和沉水植物種類的影響較大。

徒駭河屬于海河流域,位于黃河下游北岸,流經(jīng)河南、河北、山東3省,從西南向北呈窄長帶狀。干流自聊城市莘縣文明寨起,流經(jīng)聊城、德州、濱州3個(gè)市13個(gè)縣(市),在濱州市沾化縣與秦口河匯流后,經(jīng)東風(fēng)港于暴風(fēng)站入海。徒駭河兩岸主要為農(nóng)田,大量的農(nóng)業(yè)灌溉退水和沿河城鎮(zhèn)的生活、工業(yè)污水排放,對(duì)河流水質(zhì)造成了極大污染[23]。徒駭河水體中豐富的營養(yǎng)鹽為沉水植物的生長和繁衍提供了有利條件。近幾年徒駭河徑流量的季節(jié)變化較大,在春、夏、秋季易形成明顯的干濕交替過程,其交替過程不僅會(huì)對(duì)河底沉積物的理化性質(zhì)產(chǎn)生一定影響[24],同時(shí)在此過程中沉水植物被間斷暴露處于陽光曝曬和河水淹沒的狀態(tài),陽光曝曬下易導(dǎo)致大量沉水植物脫水死亡,隨后被河水淹沒時(shí)死亡的沉水植物發(fā)生腐爛,體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)分解進(jìn)入上覆水體,造成水體中營養(yǎng)鹽濃度的增加。由于不同季節(jié)的上覆水體溫度不一樣,直接影響到植物的腐爛分解速度和營養(yǎng)鹽向上覆水體的釋放速率以及上覆水體中營養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化。因此,研究不同溫度條件下沉水植物腐爛對(duì)徒駭河上覆水體營養(yǎng)鹽濃度的影響,有利于徒駭河水體富營養(yǎng)化的防治。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品采集

實(shí)驗(yàn)采用的兩種沉水植物為徒駭河內(nèi)沉水植物的優(yōu)勢(shì)種菹草(Potamogeton crispus)和金魚藻(Ceratophyllum demersum),于2009年7月采自徒駭河聊城城區(qū)段上游湖南路大橋南,每隔10m采集1個(gè)生長旺盛的完整樣品,共采集樣品20個(gè)。同時(shí)于對(duì)應(yīng)沉水植物采樣點(diǎn)水面以下0.5m處用采水器采集水樣,回實(shí)驗(yàn)室后,立即開展實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)和分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

考慮到徒駭河在春夏秋季上覆水體水溫的差異,本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了10℃(低溫)和27℃(高溫)兩個(gè)對(duì)照組。

將菹草和金魚藻樣品在烘箱內(nèi)80℃殺青,然后用干凈的塑料剪刀將其剪成長度為1cm左右并混勻[17-18]。分別準(zhǔn)確稱取10g菹草和金魚藻,混勻后將樣品置于2 L的燒杯中,添加2L原上覆水樣至燒杯中,放置在10℃和27℃恒溫下培養(yǎng)。同時(shí)在每個(gè)溫度條件下采用原上覆水樣設(shè)置1個(gè)空白對(duì)照。

根據(jù)沉水植物腐爛試驗(yàn)進(jìn)展情況,觀察植物腐爛狀況適時(shí)采集樣品。前期采樣間隔較短,后期逐漸延長[16-18],共進(jìn)行了13次采樣,對(duì)應(yīng)時(shí)刻分別為實(shí)驗(yàn)的0h,4h,8h,16h,1d,3d,5d,8d,12d,17d,23 d,30d和37d。每次采樣首先測(cè)定水樣的DO和pH值,然后用去離子水補(bǔ)充蒸發(fā)水量后混合均勻,再采集上清液120mL,用于測(cè)定總氮、硝氮、亞硝氮、氨氮、總磷、溶解性總磷等指標(biāo),最后用去離子水補(bǔ)充燒杯內(nèi)水量至2L。

1.3 分析方法

pH值和DO的測(cè)定分別采用PB-21型精密酸度計(jì)和HI 9145溶解氧測(cè)定儀。取出經(jīng)預(yù)定時(shí)間培養(yǎng)后的水樣60mL經(jīng)0.45μm的微孔濾膜過濾,測(cè)定硝氮、亞硝氮、氨氮、溶解性總磷的質(zhì)量濃度,另取60 mL樣品用于測(cè)定水體中總氮,總磷的質(zhì)量濃度。分析方法參照文獻(xiàn)[25],總氮、硝氮、亞硝氮、氨氮分別采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法、紫外分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法和納氏試劑光度法測(cè)定,總磷和溶解性總磷采用過硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法進(jìn)行測(cè)定。水體中總無機(jī)氮質(zhì)量濃度為硝氮、氨氮和亞硝氮三者質(zhì)量濃度之和。

2 結(jié)果與討論

2.1 徒駭河上覆水體的理化性質(zhì)

徒駭河上覆水體的理化性質(zhì)指標(biāo)如下:pH=7.76,ρ(DO)=5.26mg/L,ρ(TN)=5.60mg/L,有機(jī)氮質(zhì)量濃度為 0.53mg/L,ρ(NO3--N)=4.00mg/L,ρ(NH3-N)=0.55mg/L,ρ(NO2-N)=0.51mg/L,ρ(TP)=0.25mg/L,溶解性總磷質(zhì)量濃度為0.10mg/L。通常 ρ(TN)＞0.2mg/L或 ρ(TP)＞0.02mg/L時(shí),水體被視為富營養(yǎng)化,由此可見徒駭河水體已經(jīng)達(dá)到富營養(yǎng)化水平,磷是其限制性因子。

2.2 沉水植物腐爛對(duì)上覆水體pH值和DO的影響

圖1 高溫條件下上覆水體pH和DO的變化

圖2 低溫條件下上覆水體pH和DO的變化

如圖1和圖2所示,無論是在高溫條件還是低溫條件下,兩種沉水植物的腐爛對(duì)徒駭河上覆水體的pH和DO均有顯著影響,同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中觀測(cè)到藻類的生長繁殖。在高溫條件下,菹草和金魚藻的腐爛導(dǎo)致了上覆水體的pH值表現(xiàn)為先下降后上升的變化趨勢(shì)。在沉水植物腐爛初期,會(huì)釋放出腐殖酸、富維酸和丹寧酸等帶負(fù)電基團(tuán)的線形大分子,植物體中的蛋白質(zhì)被微生物分解后產(chǎn)生大量的氨基酸,由此導(dǎo)致了上覆水體pH值的下降。隨后氨基酸再進(jìn)一步分解成氨氮,氨氮經(jīng)硝化作用氧化成硝氮,再輔以植物腐爛產(chǎn)生的磷酸根,致使水中藻類大量繁殖和生長,消耗了水中的CO2,影響了水中的碳酸平衡,又導(dǎo)致水體酸度降低,引起pH值上升[14]。在低溫條件下,由于溫度較低抑制了植物的腐爛,pH值表現(xiàn)為隨時(shí)間波動(dòng)變化(圖2):在腐爛初期pH值會(huì)有所下降而后上升,然后再下降,再上升。這主要是與植物腐爛的階段有關(guān)[16-17]。

沉水植物的腐爛分解消耗了水體中大量的溶解氧,使上覆水體中溶解氧的濃度迅速降低并一直保持在極低的濃度水平,整個(gè)水體表現(xiàn)為低氧或厭氧的環(huán)境,水質(zhì)惡化[19]。在高溫條件下植物腐爛分解較快,在腐爛后期由于耗氧減少,溶解氧濃度在30d后有所上升。而在低溫條件下植物腐爛分解緩慢,使溶解氧在37d時(shí)還處于較低的水平。

2.3 沉水植物腐爛對(duì)上覆水體中營養(yǎng)鹽濃度影響

2.3.1 對(duì)上覆水體中氮濃度的影響

如圖3和圖4所示,在不同的溫度條件下,菹草和金魚藻的腐爛對(duì)上覆水體中氮濃度的影響顯著不同。在高溫條件下,兩種植物腐爛均會(huì)導(dǎo)致上覆水體中氮濃度的增加;約在23d(第11次采樣)以后,上覆水體中的氮濃度又會(huì)有所下降;在37 d時(shí)(第13次采樣),上覆水體中的氮濃度基本上接近甚至低于初始時(shí)刻(0h)上覆水體中氮的濃度。從總氮、有機(jī)氮和無機(jī)氮的變化趨勢(shì)來看,兩種沉水植物上覆水體中的總氮會(huì)在5d(第7次采樣)內(nèi)達(dá)到峰值后降低,有機(jī)氮的變化趨勢(shì)和總氮的變化趨勢(shì)完全一致,而總無機(jī)氮在4h(第2次采樣)迅速達(dá)到峰值后緩慢下降,1d(第5次采樣)之后總無機(jī)氮濃度又緩慢上升,在17 d(第10次采樣)后濃度又迅速降低,37d時(shí)總無機(jī)氮的濃度低于初始時(shí)刻(0h)上覆水體中的濃度,也低于空白對(duì)照水樣中總無機(jī)氮的濃度。這主要是由于隨著植物的腐爛,植物體內(nèi)所含的氮被不斷地釋放出來,致使總氮濃度升高[26-27],其中有機(jī)氮是主要成分。在植物開始腐爛時(shí),由于水體中溶解氧充足,有機(jī)氮易于被氧化成無機(jī)氮,因此總無機(jī)氮濃度迅速達(dá)到一個(gè)峰值,隨著時(shí)間推移,由于植物腐爛耗氧致使水體溶解氧濃度維持較低的水平,使無機(jī)氮濃度變化趨于平緩。同時(shí)水體中的氮在氨化、硝化和反硝化作用下轉(zhuǎn)化成氧化亞氮進(jìn)入大氣,水體中的氮濃度降低[19]。

圖3 高溫條件下上覆水體中氮濃度的變化

圖4 低溫條件下上覆水體中氮濃度的變化

如圖4所示,與高溫條件下不同,在低溫條件下兩種植物所對(duì)應(yīng)的上覆水體中的氮濃度均表現(xiàn)為持續(xù)上升,在37d時(shí),菹草和金魚藻上覆水體中總氮的濃度均約是初始時(shí)刻的17倍。這是因?yàn)闇囟仁怯绊懳⑸镒饔玫闹饕蛩?在低溫條件下,微生物活動(dòng)受到抑制,降低了氮的循環(huán)遷移速率,因而導(dǎo)致上覆水體中氮含量的積累。

2.3.2 對(duì)上覆水體中磷濃度的影響

圖5 高溫條件下上覆水體中磷濃度的變化

沉水植物腐爛對(duì)上覆水體中磷濃度的影響與對(duì)氮濃度的影響具有顯著不同。如圖5和圖6所示,無論是在高溫還是在低溫條件下,兩種沉水植物的腐爛均會(huì)導(dǎo)致上覆水體中磷濃度的增加。在37 d時(shí),高溫條件下,菹草和金魚藻上覆水體中總磷的質(zhì)量濃度分別是2.42mg/L和2.52mg/L;低溫條件下,菹草和金魚藻上覆水體中總磷的質(zhì)量濃度分別是6.41mg/L和5.46mg/L。從變化趨勢(shì)來看,上覆水體中總磷質(zhì)量濃度在4h時(shí)達(dá)到峰值,然后緩慢下降。與總氮相比,總磷濃度的峰值出現(xiàn)較早,說明沉水植物在腐爛過程中,磷的釋放要超前于氮,這主要是由于植物體的磷主要存在于一些生物活性物質(zhì)中,這些物質(zhì)易于分解,導(dǎo)致磷的釋放超前于氮[16,20]。而可溶性總磷由于受到腐爛分解釋放和吸附作用的共同影響,其濃度呈現(xiàn)上升→下降→上升的波動(dòng)式變化?？傮w上來說,高溫條件下上覆水體中總磷和可溶性總磷質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)與低溫條件下的變化趨勢(shì)基本一致,但在37d時(shí),低溫條件下上覆水體中總磷和可溶性總磷的質(zhì)量濃度要高于高溫條件下的質(zhì)量濃度。這主要是由于低溫影響了磷的吸附,從而導(dǎo)致低溫條件下水體中磷的濃度高于高溫條件下的質(zhì)量濃度[27]。

圖6 低溫條件下上覆水體中磷濃度的變化

2.4 討論

已有研究表明[28]:水生植物經(jīng)自然腐爛分解后,所含氮、磷的70%以上會(huì)在短期內(nèi)被釋放進(jìn)入水體,參與水體的營養(yǎng)再循環(huán)。沉水植物總磷和總氮的釋放一般需10d和29d左右[20]。溫度是影響沉水植物腐爛分解速度的重要因素之一[29],在秋、冬季低溫條件下,沉水植物的腐爛分解速度十分緩慢,向水體釋放氮磷較少,而在溫度回升后,腐爛分解速度加快,向水體釋放氮磷增加[19]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),高溫條件下上覆水體中氮磷濃度和低溫條件下總磷濃度的變化趨勢(shì)與沉水植物腐爛分解釋放氮磷的規(guī)律具有較好的一致性,但在低溫條件下上覆水體的氮濃度在實(shí)驗(yàn)期間一直呈上升趨勢(shì)。由此可見,在低溫條件下,雖然沉水植物腐爛分解緩慢,向上覆水體釋放氮磷較少,但由于溫度抑制了微生物的活動(dòng),水體中硝化、反硝化作用較弱,導(dǎo)致氮在上覆水體中的累積。另外,在實(shí)驗(yàn)室模擬的環(huán)境條件下,沉水植物的腐爛分解是在比較小的封閉環(huán)境中完成的,沉水植物的投放量相對(duì)較高,并且樣品被剪切成段形成的機(jī)械斷面易造成營養(yǎng)鹽的釋放,封閉的水體又不利于營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散,這也是造成沉水植物腐爛后上覆水體營養(yǎng)鹽濃度在短期內(nèi)變化比較急劇的原因之一。

3 結(jié) 語

a.徒駭河水體的富營養(yǎng)化以總氮污染為特征,磷是其限制性因子。

b.菹草和金魚藻的腐爛使得上覆水體pH值呈現(xiàn)下降→上升的變化趨勢(shì),由于沉水植物的腐爛耗氧,上覆水體溶解氧濃度在腐爛初期急劇下降,使得整個(gè)水體處于低氧或厭氧環(huán)境,水質(zhì)惡化。

c.在高溫條件下,上覆水體中的氮在腐爛后期明顯降低,得到較好的凈化,磷的釋放超前于氮,磷濃度在腐爛初期達(dá)到峰值后受吸附作用影響緩慢降低,但仍遠(yuǎn)高于初期上覆水體中的磷濃度,表現(xiàn)為一定的磷累積。

d.在低溫條件下,微生物活動(dòng)受到抑制,沉水植物腐爛分解速率緩慢,水體長期處于低氧或厭氧狀態(tài),上覆水體中氮濃度呈明顯上升趨勢(shì),累積效應(yīng)明顯;而磷濃度的變化趨勢(shì)與高溫條件下磷的變化一致,但低溫條件下上覆水體中磷的累積要高于高溫條件。在水溫較低的春秋季,沉水植物腐爛釋放氮磷營養(yǎng)鹽易加劇徒駭河水體的富營養(yǎng)化。

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