動(dòng)、靜水條件下苦草(Vallisneria natans L.)對(duì)沉積物磷釋放的影響*

耿　楠，王沛芳，王　超，祁　凝，王智源

(河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

動(dòng)、靜水條件下苦草(VallisnerianatansL.)對(duì)沉積物磷釋放的影響*

耿楠，王沛芳**，王超，祁凝，王智源

(河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

摘要：在淺水湖泊中，沉降在沉積物中的營養(yǎng)鹽易受到水流的擾動(dòng)再釋放出來，而沉水植物可以在一定程度減少營養(yǎng)鹽的釋放.借助自主開發(fā)的生態(tài)水槽，在40d的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)檢測(cè)動(dòng)、靜水條件下有、無苦草(Vallisneria natans L.)時(shí)沉積物、上覆水中磷含量變化，旨在為沉水植物對(duì)湖泊沉積物營養(yǎng)鹽釋放量的影響估算及水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù).結(jié)果表明：動(dòng)水條件下，沉積物在沒有苦草的保護(hù)下總磷含量下降21.8%，而有苦草的保護(hù)下總磷含量下降17.7%.苦草根系從周圍沉積物中吸收磷，1~4cm沉積物層的吸收量高于4~8cm沉積物層.動(dòng)水槽的上覆水中總?cè)芙鈶B(tài)磷濃度和總顆粒態(tài)磷濃度均大量增加，并且總顆粒態(tài)磷濃度相對(duì)于總?cè)芙鈶B(tài)磷濃度占較大比例.苦草減少了沉積物中磷的釋放，并對(duì)上覆水中正磷酸鹽有明顯的吸收作用.

關(guān)鍵詞：苦草；沉積物；磷；水動(dòng)力；釋放

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2008CB418203)和國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2008ZX07101008)聯(lián)合資助.2014-07-28收稿；2014-10-28收修改稿.耿楠(1986～)，女，博士研究生，E-mail：nancygeng.hhu@gmail.com.

隨著湖泊富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重，湖泊沉積物作為水環(huán)境的重要組成部分，在水體污染研究中具有特殊的重要性，沉積物是各種營養(yǎng)鹽的主要存儲(chǔ)倉庫，承擔(dān)著對(duì)上覆水的凈化功能[1].但是作為內(nèi)源的湖泊沉積物，在受到擾動(dòng)時(shí)營養(yǎng)鹽會(huì)再釋放回水體中，維持湖泊的富營養(yǎng)化狀態(tài)[2].淺水湖泊的沉積物易受波浪、湖流、疏浚以及船只航行等外力擾動(dòng)而發(fā)生再懸浮，懸浮過程中由于吸附-解吸作用造成營養(yǎng)鹽在懸浮顆粒物和水體間遷移，導(dǎo)致上覆水中營養(yǎng)鹽濃度突然上升[3-5].自然水體中氮∶磷比通常為20∶1或更高，而大多數(shù)藻類旺盛生長的最適氮∶磷比為7∶1，水體磷濃度已成為評(píng)價(jià)水體富營養(yǎng)化的主要指標(biāo)之一[6].因此，控制水體磷含量使其保持較低水平是防止藻類旺盛生長和水體藻化的重要手段.

湖泊沉積物中生長的大型沉水植物可保護(hù)沉積物表面，減小風(fēng)浪等動(dòng)力擾動(dòng)，抑制湖泊沉積物的再懸浮，并且可以吸收、吸附一定量的水體污染物，從而降低上覆水中營養(yǎng)鹽濃度[7-8].水生植物在生長過程中需要吸收大量的磷，如每平方米香蒲(Typhaorientalis)每年可吸收磷0.00403kg[9].王旭明[10]利用水芹(Oenanthedecumbens)在室內(nèi)凈化污水，3d內(nèi)水芹對(duì)總磷(TP)的吸收率達(dá)到73.7%，而且凈化率隨溫度的增加不斷增加.目前植物對(duì)磷吸收的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究已比較成熟.由文輝等[11]在富營養(yǎng)化水體中，利用人工基質(zhì)無土栽培水生植物凈化水質(zhì)的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在5-10月，水蕹菜(IpomoeaaquaticaForsk)對(duì)TP的去除率為94.77%.劉嫦娥等[12]污水廠尾水的凈化研究也表明苦草對(duì)磷有較強(qiáng)的去除能力.Kern等[13]用蘆葦床處理生活污水的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)表明，總磷的去除率在80%~99%之間.但是水動(dòng)力條件下水生生物對(duì)沉積物磷再釋放的影響研究還不夠充分.苦草是淺水湖泊(如太湖)中重要的水生生物，對(duì)去除水環(huán)境中沉積物和上覆水中的磷有著重要的作用[14-15].因此，在水動(dòng)力作用下，研究有、無大型水生植物覆蓋兩種環(huán)境下沉積物-水界面的磷釋放對(duì)評(píng)價(jià)沉積物中營養(yǎng)鹽的動(dòng)態(tài)循環(huán)、分析大型水生植物對(duì)湖泊底泥營養(yǎng)鹽的環(huán)境作用、把握湖泊水污染發(fā)生機(jī)制、控制水體富營養(yǎng)化均具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 裝置與材料

1.1.1 裝置實(shí)驗(yàn)主要裝置為水可獨(dú)立循環(huán)的動(dòng)水槽，剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示.實(shí)驗(yàn)由兩組相同的動(dòng)水槽裝置(D1槽和D2槽)組成，同時(shí)用2組靜水槽裝置(J1槽和J2槽)作為對(duì)照.

圖1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)水槽裝置Fig.1 Experimental set-up of dynamic water tank

動(dòng)水槽上部的玻璃水槽被分為3個(gè)平行水槽，每個(gè)平行水槽尺寸為2m(長)×0.3m(寬)×0.4m(高)，并連接著循環(huán)水系統(tǒng).沉積物(1.5m×0.3m×0.1m)鋪在每個(gè)平行水槽的底部.1m3的水儲(chǔ)存在水箱Ⅰ中.水流通過水泵從水箱Ⅰ中抽出，流經(jīng)右側(cè)的Ⅱ號(hào)水箱，再同時(shí)經(jīng)過上部的3個(gè)平行水槽，通過出水端的尾門，最后經(jīng)左部的回流水箱Ⅲ流回底部水箱Ⅰ，如此循環(huán).水泵的最大流量為100m3/s.上部水槽的出水端設(shè)有葉柵式尾門，與水泵共同作用來調(diào)節(jié)水體的流速和水位.水箱Ⅱ中的水同時(shí)流經(jīng)3個(gè)平行水槽，能夠使平行水槽的水流條件一致，達(dá)到平行實(shí)驗(yàn)的要求.當(dāng)裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，可用ADV流速儀來測(cè)定水體流速，并通過調(diào)節(jié)流量和尾門以達(dá)到期望的流速和水深.

靜水槽(2m×1m×0.8m)內(nèi)根據(jù)動(dòng)水槽的泥水比和水深，設(shè)計(jì)3個(gè)泥槽(0.85m×0.17m×0.1m)用于鋪放沉積物，保證靜水槽和動(dòng)水槽泥水比及水深一致，各泥槽用擋板隔開，互為平行.

1.1.2 材料底泥取自太湖梅梁灣，用彼得森采泥器采集表層泥，采集的樣品保存于潔凈的聚乙烯袋中(排出空氣)，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室.

沉水植物苦草由杭州清清水環(huán)境修復(fù)技術(shù)有限公司提供.在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下靜水槽馴養(yǎng)30d，期間保持曝氣.30d后取少量苦草進(jìn)行室內(nèi)分析，其余均勻種植于各槽所鋪沉積物上.

1.2 設(shè)計(jì)與方法

為了更好地接近自然環(huán)境，實(shí)驗(yàn)裝置置于頂樓的玻璃房內(nèi)，有自然條件下的通風(fēng)與光照.實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，室溫為28~35℃，水溫為24~31℃.在D1動(dòng)水槽和J1靜水槽中只鋪沉積物，D2動(dòng)水槽和J2靜水槽鋪上沉積物后種植苦草，8株1簇，每排3簇，共15排.為了給水流預(yù)留緩沖帶，將采集的底泥均勻鋪在動(dòng)水槽平行水槽中間位置，長度為1.5m，厚度為8cm，兩端用擋板固定(圖1).靜水槽中的沉積物鋪于小泥槽中.實(shí)驗(yàn)用水采用除氯自來水.動(dòng)水槽、靜水槽水深均為18cm.

1.3 質(zhì)量控制與數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)所用玻璃及聚乙烯器皿均以30%的HCl溶液充分浸泡24h以上，用超純水充分清洗.試劑為分析純和優(yōu)級(jí)純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水(>18MΩ).每個(gè)樣品測(cè)定時(shí)設(shè)置3個(gè)平行樣，取平均值作為結(jié)果.數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010、Origin 8.5和SPSS 13.0 for Windows進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)、靜水條件下苦草對(duì)沉積物中磷含量的影響

為保證實(shí)驗(yàn)過程中沉積物不受擾動(dòng)，本文只采集實(shí)驗(yàn)初始和實(shí)驗(yàn)?zāi)┑某练e物，并對(duì)沉積物柱樣進(jìn)行分層分析.

4組實(shí)驗(yàn)水槽中沉積物TP初始含量為5.843mg/g，40d后D1、D2、J1和J2水槽TP含量分別降到4.367、4.810、4.745和5.149mg/g，相對(duì)于第0d分別下降21.8%、17.7%、18.8%和11.9%(圖2).沉積物TP分層含量(圖2)表明，4個(gè)水槽沉積物各層TP含量均下降，下降幅度與平均含量下降幅度相近.D1和J1水槽上層沉積物TP含量下降幅度較大，但D2和J2水槽0~1cm表層沉積物TP含量明顯較D1和J1槽高.即TP含量動(dòng)水條件下都低于靜水條件，說明水動(dòng)力可以加強(qiáng)沉積物中TP向上覆水中釋放.而有苦草處理的水槽中，表層0~1cm沉積物TP含量較高，1cm以下沉積物TP含量較低，造成該現(xiàn)象可能的原因有兩點(diǎn)：一是種植苦草的水槽減少了水動(dòng)力的作用，降低TP從表層沉積物中的釋放，苦草在生長期能夠直接吸收沉積物中的磷作為營養(yǎng)物質(zhì)，從而減少下層沉積物中的TP含量；二是實(shí)驗(yàn)中有苦草的枯萎葉片沉降到沉積物表面，吸收到葉片中的磷重新釋放到沉積物表面，造成表層沉積物TP含量較高.沉水植物的根及其地上部分都有吸收礦質(zhì)營養(yǎng)的能力，但根、莖、葉對(duì)營養(yǎng)鹽的選擇性有所不同.研究表明沉水植物生長所需要的磷主要是通過根系吸收[18].本實(shí)驗(yàn)所選取的苦草在實(shí)驗(yàn)期間處于生長旺盛期[19]，需吸收大量的營養(yǎng)來滿足自身的生長，導(dǎo)致植物根際沉積物中TP含量減少.此外，苦草根部周圍特有的共生菌可以促進(jìn)植物對(duì)磷的吸收及植物生長[20].

圖2 4個(gè)實(shí)驗(yàn)組40d后沉積物總磷含量分層變化Fig.2 Total phosphorus concentrations in different sediment layers at day 40 in four groups

2.2 動(dòng)、靜水條件下苦草對(duì)上覆水中磷濃度的影響

苦草可以從沉積物和上覆水中吸收磷，降低上覆水中的磷濃度.上覆水TP和TDP濃度由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，上覆水總顆粒態(tài)磷(TSP)=TP-TDP.

圖3 上覆水總磷、總?cè)芙鈶B(tài)磷和總顆粒態(tài)磷濃度隨時(shí)間的變化Fig.3 The concentrations of total phosphorus， total dissolved phosphorus and total suspended phosphorus in surface water over time

上覆水TP和TSP濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律相似.4個(gè)水槽上覆水中TP與TSP濃度均呈極顯著相關(guān)性(表1，P<0.01).2個(gè)動(dòng)水槽的TP和TSP濃度均明顯大于靜水槽，說明水動(dòng)力條件能大大促進(jìn)磷從底泥中的釋放.在前3d 4個(gè)水槽上覆水中TP濃度大幅增加，從0.01mg/L分別升到0.19、0.14、0.07、0.05mg/L.孫小靜等[21]的底泥攪動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明，沒有植物的條件下，水體TP濃度在第0.5d達(dá)到最大值(0.272mg/L).D2水槽TP濃度比D1水槽稍低，這是由于D2水槽水生植物的截留作用，減少水動(dòng)力對(duì)沉積物的擾動(dòng)作用.第3d后，4個(gè)水槽的TP濃度大幅下降，第6d后分別下降到較低值，并在之后的34d中保持穩(wěn)定.上覆水TDP濃度在第1d就大幅增加并達(dá)到最大值，從0.005mg/L分別增加到0.048、0.034、0.017、0.017mg/L，持續(xù)下降到第12d后保持穩(wěn)定.在實(shí)驗(yàn)初始階段進(jìn)入到上覆水中的TP主要通過顆粒態(tài)的形式進(jìn)入.

表1 上覆水總磷、總?cè)芙鈶B(tài)磷、總顆粒態(tài)磷之間的相關(guān)性

*表示顯著相關(guān)，P<0.05；**表示極顯著相關(guān)，P<0.01.

實(shí)驗(yàn)的40d內(nèi)2個(gè)動(dòng)水槽TSP相對(duì)于TDP占有較大比例，靜水槽中比例相近(圖4).這說明磷從沉積物中釋放與沉積物顆粒的再懸浮密切相關(guān)，上覆水中的磷大部分來自懸浮顆粒物.動(dòng)水槽運(yùn)行的前期，特別是第3d TSP的比例增加較明顯，也是由前3d受水動(dòng)力影響懸浮顆粒大量懸浮引起的.有、無沉水植物對(duì)上覆水TDP和TSP的分布沒有明顯影響.

圖4 4個(gè)水槽中總?cè)芙鈶B(tài)磷與總顆粒態(tài)磷比例隨時(shí)間的變化Fig.4 The proportion of TDP and TSP in surface water in four flumes over time

圖5 上覆水正磷酸鹽濃度隨時(shí)間的變化Fig.5 The concentration of orthophosphate in surface water over time

3 總結(jié)

相對(duì)于靜水條件，沉積物磷在水動(dòng)力條件下有明顯的釋放.水動(dòng)力加速表層沉積物TP的釋放速率，使表層沉積物磷含量降低，但是對(duì)于底層沉積物磷含量的影響并不顯著.在水動(dòng)力條件下進(jìn)入上覆水的磷中TSP相對(duì)于TDP占有較大的比例.苦草的存在減少水槽水流紊動(dòng)，使得表層沉積物的磷含量受到水動(dòng)力的擾動(dòng)較小，從而減少其釋放量.但是對(duì)TDP和TSP在上覆水中所占比例沒有顯著影響.枯萎腐爛的苦草葉片落在沉積物表層，可以在一定程度上增加磷含量.由于苦草的生長需要，其根系從周圍沉積物中吸收磷，1~4cm沉積物層的吸收量大于4~8cm沉積物層.在實(shí)驗(yàn)初始階段，磷主要通過懸浮顆粒進(jìn)入上覆水，而通過間隙水和沉積物表層溶解釋放的磷含量較小但較穩(wěn)定.苦草降低磷從沉積物中的釋放量并且對(duì)水中正磷酸鹽的去除有顯著作用.

表2 上覆水正磷酸鹽與總磷、總?cè)芙鈶B(tài)磷、總顆粒態(tài)磷之間的相關(guān)性

*表示顯著相關(guān)，P<0.05.

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J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(4)： 637-642

?2015 byJournalofLakeSciences

The impact ofVallisnerianatansL. on the release of phosphorus from sediment under static and hydrodynamic conditions

GENG Nan，WANG Peifang，WANG Chao，QI Ning & WANG Zhiyuan

(KeyLaboratoryofIntergratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakes，MinistryofEducation，HohaiUniversity，Nanjing210098，P.R.China)

Abstract：In shallow lakes， phosphorus will release from sediments to the overlying water when sediments are disturbed. Submerged plants can reduce the releasing. The impact of Vallisneria natans L. on the release of phosphorus from sediment to water were analyzed in a 40 day lab experiment with the independent hydrodynamic ecological flume under static and hydrodynamic conditions. This study was designed to provide scientific bases for estimating the impact of submerged plants on the release of phosphorus from sediment and the water environmental auality assessment. Results indicated that the phosphorus contents in sediment decreased by 21.8% under hydrodynamic condition， but decreased by 17.7% with the protection of V.natans L.. The phosphorus absorbed by V.natans L. in 1-4cm layer sediment was more than that in 4-8cm layer sediment. The dissolved phosphorus and the particulate phosphorus dramatically increased in overlying water under hydrodynamic condition and nitrate took a large proportion of total phosphorus in surface water， especially the particulate phosphorus. V.natans L. reduced the releasing of phosphorus from the sediment to the overlying water and large amounts of orthophosphate in the overlying water were absorbed by V.natans L..

Keywords：Vallisneria natans L.； sediment； phosphorus；hydrodynamic force； release

通信作者**；E-mail：pfwang2005@hhu.edu.cn.

DOI10.18307/2015.0411