干濕循環(huán)對消落帶狗牙根磷釋放的影響

林俊杰, 曲衍樺, 陳茜, 劉丹, 譚興伶, 張帥, 4

干濕循環(huán)對消落帶狗牙根磷釋放的影響

林俊杰1,*, 曲衍樺1, 陳茜1, 劉丹2, 譚興伶3, 張帥1, 4

1. 重慶三峽學院, 三峽庫區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重慶高校市級重點實驗室, 重慶 404100 2. 重慶三峽職業(yè)學院, 農(nóng)林科技系, 重慶 404100 3. 重慶渝久環(huán)保產(chǎn)業(yè)有限公司, 重慶 4011235 4. 拜羅伊特大學, 德國巴伐利亞州拜羅伊特 95440

為探討干濕循環(huán)對三峽消落帶狗牙根磷釋放的影響, 以三峽典型支流—澎溪河為例, 選取上游(渠口鎮(zhèn))和下游(雙江鎮(zhèn))兩個水文斷面, 150、160、170 m 三個水位高程調查了狗牙根分布特征, 并于干濕循環(huán)和持續(xù)淹水兩種水文情勢, 15—25—35—25—15℃連續(xù)溫度變化下進行培養(yǎng), 測定了水—土(W-S)、水—狗牙根(W-C)和水—土—狗牙根(W-S-C) 三種體系下水中磷含量隨時間變化。結果表明: 狗牙根生物量隨消落帶水位高程降低而下降, 表現(xiàn)為170 m (1.62 kg·DW·m-2) >160 m (0.85 kg·DW·m-2) >150 m (0.19 kg·DW·m-2)。在整個培養(yǎng)階段, 三種體系水中磷含量均隨培養(yǎng)時間的延長而增加, 表現(xiàn)為W-S-C>W-C>W-S體系, 其釋放動力學過程符合y=axb冪函數(shù)模型。與持續(xù)淹水相比, 干濕循環(huán)影響下W-S-C體系中狗牙根磷釋放量較低, 可見, 干濕循環(huán)有利于降低消落帶狗牙根磷釋放, 降低三峽支流水體富營養(yǎng)化風險。

干濕循環(huán); 持續(xù)淹水; 三峽支流; 消落帶; 狗牙根; 磷釋放

0 前言

三峽庫區(qū)水位呈年際周期性漲落, 隨季節(jié)變化, 消落帶依次經(jīng)歷淹水—落干循環(huán)過程[1], 氧化還原狀態(tài)隨之改變。每年4—9月消落帶出露成陸[2], 氣溫逐漸升高, 消落帶植被快速生長, 攔截過濾污染物, 吸收同化氮磷等元素, 從而削減進入水體污染物通量, 凈化水質[3-4]; 而后至次年3月氣溫持續(xù)降低, 消落帶植物淹水衰亡腐爛, 同時分解釋放氮磷等元素進入水體, 進而由“匯”轉變成“源”[5-7]。

三峽支流水流緩慢, 水體自凈能力較弱, 氮磷等元素進入水體不易稀釋擴散導致短期內水生藻類大量繁殖, 從而引起水體富營養(yǎng)化等問題[8-9]。三峽消落帶水生態(tài)安全相關研究主要集中在消落帶適生物種篩選、植被生理生態(tài)適應機制、消落帶水土界面過程等方面[10-14], 而有關干濕循環(huán)對消落帶植被分解磷釋放的研究鮮有報道, 因此, 查明三峽庫區(qū)特殊水文條件下, 消落帶植被分解對水體磷貢獻的影響至關重要。

本研究以三峽支流澎溪河消落帶水—土—狗牙根體系為研究對象, 根據(jù)三峽庫區(qū)水文特點和溫度特點, 設置兩種水文情勢, 模擬溫度變化進行培養(yǎng), 測定培養(yǎng)過程中水中總磷含量變化, 探討干濕循環(huán)對消落帶狗牙根分解磷釋放的影響, 為闡明三峽支流水體富營養(yǎng)化成因提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣品采集

根據(jù)澎溪河水文特征及流域城鎮(zhèn)分布(圖1), 設置上游(渠口鎮(zhèn))和下游(雙江鎮(zhèn))兩個水文斷面, 采集消落帶落干期原狀新鮮土樣及狗牙根, 立即放入保溫箱帶回實驗室。土壤經(jīng)風干、去除礫石和植物殘體, 過5 mm篩, 混勻備用; 狗牙根經(jīng)清洗, 晾干剪成5 cm備用。

1.2 水文氣象特征

三峽庫區(qū)水位呈年際周期性漲落, 消落帶不同水位高程經(jīng)歷了不同程度的干濕循環(huán)(圖2)。每年9月水位快速升高, 至11月達最高水位, 次年1月水位連續(xù)下降, 至6月水位最低。氣溫從1月持續(xù)升高, 至7月后波動下降[15], 故本研究設置15℃—25℃—35℃—25℃—15℃連續(xù)溫度變化對狗牙根進行淹水培養(yǎng)。

圖1 澎溪河消落帶采樣點位[11]

Figure 1 Sampling sites in the WLF zone of Pengxi River

圖2 三峽庫區(qū)(萬州段)水位波動特征

Figure 2 Fluctuation of water level in the TGR Area within Wanzhou section

1.3 實驗過程

將10.00 g狗牙根放入尼龍網(wǎng)袋(200目, 5 cm×5 cm), 風干土壤130.00 g, 裝入500 mL培養(yǎng)瓶, 加入去離子水400 mL, 放入培養(yǎng)箱調節(jié)溫度和水分變化, 設置W-S、W-C、W-S-C體系三個體系, 干濕循環(huán)和持續(xù)淹水二種水文情勢, 及溫度變化(15℃—25℃—35℃—25℃—15℃), 每組3個平行, 分別于 1、3、7、8、10、14、15、17、21、22、24、28、29、31、35、36、38 和 42 d采集水樣(干濕循環(huán)在天數(shù)為15、17、21、22、24、28 d時無水樣), 取水樣25 mL, 用鉬酸銨分光光度法測定水中總磷[15]。每次將全部水樣取出, 用去離子水補至初始體積。

1.4 計算方法

水中磷含量計算方法如下:

其中, C—水中磷含量, mg·L-1; n—取樣次數(shù)(干濕循環(huán)12次, 持續(xù)淹水18次); Ci—第i次取樣水中磷含量, mg·L-1; V—水樣體積, L;

狗牙根磷釋放量, 計算方法如下:

其中, CW-S-C—W-S-C體系水中磷含量; CW-S—W-S體系水中磷含量; M—培養(yǎng)用狗牙根質量, g;

消落帶單位面積狗牙根磷釋放量, 計算方法如下:

其中, B為單位面積消落帶狗牙根生物量, kg ·m–2。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理, 采用Sigma Plot 12. 5對磷釋放速率進行擬合及繪圖, 通過IBM SPSS Statistic 20進行方差分析及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 干濕循環(huán)對水中磷含量的影響

干濕循環(huán)條件下, W-S、W-C、W-S-C體系水中磷含量, 見圖3。從圖3可知, 在整個培養(yǎng)階段, 磷釋放量隨培養(yǎng)時間的增加而增加, 表現(xiàn)為W-S-C> W-C>W-S體系。

2.2 持續(xù)淹水對水中磷含量的影響

持續(xù)淹水條件下, W-S、W-C、W-S-C體系水中磷含量, 見圖4。從圖4可知, 在整個培養(yǎng)階段, 磷釋放量隨培養(yǎng)時間的增加而增加, 表現(xiàn)為W-S-C> W-C>W-S體系。

圖3 干濕循環(huán)對水中磷含量的影響

Figure 3 Effect of drying-rewetting cycles on P content in the water column

圖4 持續(xù)淹水對水中磷含量的影響

Figure 4 Effect of continuous flooding on P content in the water column

2.3 水中磷釋放動力學參數(shù)

干濕循環(huán)和持續(xù)淹水條件, 三種體系下水中磷動態(tài)參數(shù)擬合見表1。由表1可見, 兩種水文情勢下, W-S、W-C、W-S-C體系水中磷釋放動力學過程均符合y=axb模型(R2>0.8, p<0.0001)。

2.4 干濕循環(huán)和持續(xù)淹水對狗牙根磷釋放的影響

從圖5可知, 干濕循環(huán)導致W-S-C體系中狗牙根來源磷釋放量為207.63 mg·kg-1, 而持續(xù)淹水導致W-S-C體系中狗牙根來源磷釋放量為255.45 mg·kg-1?？梢? 與持續(xù)淹水相比, 干濕循環(huán)導致的狗牙根分解磷釋放量顯著更低(p<0.05)。

2.5 澎溪河消落帶狗牙根沿水位高程分布特征

狗牙根生物量隨消落帶水位高程降低而下降, 表現(xiàn)為170 m (1.62 kg·DW·m-2) > 160 m (0.84 kg·DW·m-2) > 150 m (0.19 kg·DW·m-2), 見表2。

2.6 不同水位高程狗牙根磷釋放量

從圖6可知, 干濕循環(huán)條件下澎溪河消落帶不同水位高程狗牙根分解磷釋放量表現(xiàn)為 170 m(343.07 mg·m-2) > 160 m (176.14 mg·m-2) > 150 m (40.14 mg·m-2), 持續(xù)淹水條件下, 消落帶不同水位高程狗牙根分解磷釋放量表現(xiàn)為170 m (413.33 mg·m-2) >160 m (216.70 mg·m-2) >150 m (49.38 mg·m-2)。在不同水位高程狗牙根分解磷釋放量均表現(xiàn)為干濕循環(huán)顯著小于持續(xù)淹水(p<0.05)。

3 討論

植物淹水衰亡腐爛分解釋放養(yǎng)分過程主要受植物質地、環(huán)境溫度、淹水過程、淹水時長、微生物分解等多重因素影響[16-19]。本研究發(fā)現(xiàn), 無論在干濕循環(huán)還是持續(xù)淹水條件下, 在培養(yǎng)初期, W-C體系、W-S-C體系水中磷釋量增加較快, 而后持續(xù)增加并逐漸趨于平穩(wěn)(圖3和圖4), 該結果與水生植物分解磷釋放過程基本一致[20-21]。Xiao等[22]研究說明了三峽消落帶典型植物的淹水分解具有明顯的階段性, 前期主要是受到初始基質控制下的易溶物質快速溶解過程, 而后主要受具體環(huán)境條件下的微生物分解控制[23-24]。

表1 磷釋放動力學參數(shù)擬合

消落帶土壤是控制消落帶植物淹水釋放磷的重要因素。本研究發(fā)現(xiàn), 隨培養(yǎng)時間延長, W-S-C體系磷釋放量大于W-C體系分解磷釋放量, 而W-S體系磷釋放速率幾乎無變化, 說明了消落帶土壤有利于促進狗牙根分解磷釋放并進入水體, 可能原因為, 土壤增加了水中微生物多樣性, 導致狗牙根分解加快。

注: *表示干濕循環(huán)和持續(xù)淹水之間存在顯著差異

Figure 5 P release from Cyn.L

表2 澎溪河消落帶狗牙根生物量分布

注: *表示同一高程不同處理差異顯著, 不同小寫或大寫字母表示不同高程相同處理差異顯著

Figure 6 P release of Cyn.L in the WLF zone

此外, 干濕循環(huán)有利于降低消落帶狗牙根磷釋放。與持續(xù)淹水相比, 干濕循環(huán)條件下更低(圖6), 狗牙根在持續(xù)淹水情況下更易分解釋放磷并進入水體?？赡転楦蓾裱h(huán)使狗牙根淹水時間縮短, 落干條件下不利于微生物降解狗牙根中纖維素等大分子有機物質, 代謝分解速率下降, 從而使狗牙根淹水腐爛分解過程減緩[25]。另一方面, 土壤微生物對水中磷有一定固持作用, 土壤微生物量越大, 固持水中磷越多[26], 持續(xù)淹水導致消落帶土壤微生物總量下降[27], 因此, 與干濕循環(huán)相比, 持續(xù)淹水條件下土壤磷固持量較小。可見, 三峽庫區(qū)周期性干濕循環(huán)的水文情勢有利于降低消落帶狗牙根磷釋放對水體磷的貢獻。另外, 開展三峽消落帶適生、高固磷、低磷釋放植物品種比選和應用, 是控制三峽支流水體富營養(yǎng)化的有效途徑之一, 有待進一步研究。

4 結論

三峽庫區(qū)特殊的調蓄水制度, 使消落帶生境呈氧化還原狀態(tài)周期性變化, 消落帶適生植物狗牙根分解過程隨之改變, 與持續(xù)淹水相比, 干濕循環(huán)有利于降低消落帶狗牙根磷釋放, 降低水體富營養(yǎng)化風險。

[1] TANG Qiang, BAO Yuhai, HE Xiubin, et al. Sedimentation and associated trace metal enrichment in the riparian zone of the Three Gorges Reservoir, China[J]. Science of the Total Environment, 2014, 479: 258–266.

[2] 杜立剛, 方芳, 郭勁松, 等. 三峽庫區(qū)消落帶草本植物碳氮磷釋放及影響因素[J]. 環(huán)境科學研究, 2014, 27(09): 1024–1031.

[3] ANBUMOZHI V, RADHAKRISHNAN J, YAMAJI E. Impact of riparian buffer zones on water quality and associated management considerations[J]. Ecological Engineering, 2005, 24(5): 517–523.

[4] KENWICK R A, SHAMMIN M R, SULLIVAN W C. Preferences for riparian buffers[J]. Landscape and Urban planning, 2009, 91(2): 88–96.

[5] 潘慧云, 徐小花, 高士祥. 沉水植物衰亡過程中營養(yǎng)鹽的釋放過程及規(guī)律[J]. 環(huán)境科學研究, 2008, (1): 64–68.

[6] 林俊杰, 張帥, 劉丹, 等. 季節(jié)性溫度升高對落干期消落帶土壤氮礦化影響[J]. 環(huán)境科學, 2016, 37(2): 697–702.

[7] 林俊杰, 劉丹, 何立平, 等. 三峽庫區(qū)消落帶農(nóng)作區(qū)鎘污染特征研究[J]. 生態(tài)科學, 2011, 30(6): 586–589.

[8] 何立平, 劉丹, 于志國, 等. 三峽庫區(qū)干支流落干期消落帶土壤可轉化態(tài)氮含量及分布特征[J]. 環(huán)境科學, 2016, 37(03): 950–954.

[9] 林俊杰, 張帥, 楊振宇, 等. 干濕循環(huán)對三峽支流消落帶沉積物中可轉化態(tài)氮及其形態(tài)分布的影響[J]. 環(huán)境科學, 2015, 36(7): 2459–2464.

[10] 洪明, 郭泉水, 聶必紅, 等. 三峽庫區(qū)消落帶狗牙根種群對水陸生境變化的響應[J]. 應用生態(tài)學報, 2011, 22(11): 2829–2835.

[11] 劉丹, 張帥, 唐玉姣, 等. 三峽支流消落帶表層沉積物氮礦化動力學參數(shù)估算[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2018, 37(4): 766–773.

[12] NEW T, XIE Zongqiang. Impacts of large dams on riparian vegetation: applying global experience to the case of China’s Three Gorges Dam[J]. Biodiversity and Conserva-tion, 2008, 17(13): 3149–3163.

[13] 揭勝麟, 樊大勇, 謝宗強, 等. 三峽水庫消落帶植物葉片光合與營養(yǎng)性狀特征[J]. 生態(tài)學報, 2012, 32(6): 1723– 1733.

[14] 林俊杰, 楊振宇, 劉丹, 等. 干濕交替下三峽支流消落帶沉積物粒徑組成及氮分布特征[J]. 土壤學報, 2016 (3): 602–611.

[15] 國家環(huán)境保護總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. 第4版, 北京:中國環(huán)境科學出版社, 2002: 123–207.

[16] BOSCO T, BERTILLER M B, CARRERA A L. Combined effects of litter features, UV radiation, and soil water on litter decomposition in denuded areas of the arid Patagonian Monte[J]. Plant and soil, 2016, 406(1-2): 71– 82.

[17] 林俊杰, 劉丹, 張帥, 等. 淹水-落干與季節(jié)性溫度升高耦合過程對消落帶沉積物氮礦化影響[J]. 環(huán)境科學, 2017, 38(2): 555–562.

[18] LANGHANS S D, TOCKNER K. The role of timing, duration, and frequency of inundation in controlling leaf litter decomposition in a river-floodplain ecosystem (Tagliamento, northeastern Italy)[J]. Oecologia, 2006, 147(3): 501–509.

[19] 韓紅娟, 翟水晶, 胡維平. 馬來眼子菜腐爛分解氮磷轉化模型研究[J]. 環(huán)境科學, 2010, 31(06): 1483–1488.

[20] ZOZAYA I Y B D, NEIFF J J. Decomposition and colonization by invertebrates of Typha latifolia L. litter in Chaco cattail swamp (Argentina)[J]. Aquatic Botany, 1991, 40(2): 185–193.

[21] 王建超, 朱波, 汪濤, 等. 三峽庫區(qū)典型消落帶草本植物氮磷養(yǎng)分浸泡釋放實驗[J]. 環(huán)境科學, 2012, 33(4): 1144– 1151.

[22] XIAO LIWEI, ZHU Bo, KUMWIMBA M N, et al. Plant soaking decomposition as well as nitrogen and phosphorous release in the water-level fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir[J]. Science of the Total Environment, 2017, 592.

[23] RAPOSEIRO P M, FERREIRA V, GURI R, et al. Leaf litter decomposition on insular lentic systems: effects of macroinvertebrate presence, leaf species, and environmental conditions[J]. Hydrobiologia, 2016, 784(1): 1–15.

[24] MOORE T R, TROFYMOW J A, PRESCOTT C E, et al. Patterns of Carbon, Nitrogen and Phosphorus Dynamics in Decomposing Foliar Litter in Canadian Forests[J]. Ecosystems, 2006, 9(1): 46–62.

[25] 王芳, 田秀平, 韓曉日, 等.養(yǎng)殖池塘底泥磷酸酶活性與釋磷關系及其調控的研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2009, 28(08): 1683–1688.

[26] JENKINSON D S, POWLSON D S. The effects of biocidal treatments on metabolism in soil—V: A method for measuring soil biomass[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1976, 8(3): 209–213.

[27] 肖國生, 胡廷章, 唐華麗, 等. 三峽水庫消落帶淹沒前后土壤微生物生態(tài)分布及優(yōu)勢菌群的鑒定[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學, 2011, 39(4): 493–496.

Effect of drying-rewetting cycles on the phosphorus release of(L).. decomposition in the water level fluctuation zone

LIN Junjie1*, QU Yanhua1, CHEN Xi1, LIU Dan2, TAN Xingling3, ZHANG Shuai1, 4

1. Key Laboratory of Water Environment Evolution and Pollution Control in Three Gorges Reservoir, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China 2. Department of Agricultural and Forestry Science and Technology, Chongqing Three Gorges Vocation College, Chongqing 404100, China 3. Chongqing Yujiu Environmental Protection Industry Co., LTD, Chongqing 401123, China 4. University of Bayreuth, Bavaria 95440, Germany

To investigate the effect of the drying-rewetting cycle on phosphorus (P) release from(L).. (L) in the water level fluctuation (WLF) zone of the Three Gorges, two hydrological sections of the upper (Qukou) and lower (Shuangjiang) of Pengxi River, a typical tributary of the Three Gorges, were selected to investigate the distribution ofL with the altitudes of WLF zone. The P contents released from water-soil (W-S), water-(W-C) and water-soil-(W-S-C) systems were measured under drying-wetting cycle and continuous flooding at the temperature of 15-25-35-25-15℃variation during a 42 d incubation. The results showed that the biomass ofL decreased with the decrease of the altitudes of WLF zone, with the order of 170 m (1.62 kg·DW·m-2) > 160 m (0.85 kg·DW·m-2) > 150 m (0.19 kg·DW·m-2). The P release increased with the increase of incubation time, which was shown as W-S-C system > W-C system > W-S system during the incubation. The P release from W-C and W-S-C system increased rapidly at the initial stage of incubation, and then tended to be stable at the end of incubation. Compared with the continuous flooding, the drying-rewetting cycles reduced the P release fromL in the W-S-C system, and the dynamic process of P release fromL adopted to the model of=ab. It can be seen that the drying-rewetting cycle is conducive to inhibit the P release fromL in the WLF zone and alleviate the risk of eutrophication.

drying-rewetting cycles; continuous flooding; three Gorges tributary; water level fluctuation zone;()..; phosphorus release

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.002

X52

A

1008-8873(2019)04-007-06

2018-09-19;

2018-10-22

國家自然科學基金項目(31770529, 41601090); 重慶市自然科學基金(cstc2018jcyjAX0813); 重慶市教育委員會科學技術研究項目(KJZD- K201801201, KJQN20181230, KJ1710260); 教育部春暉計劃項目(Z2015133); 萬州科技人才專項(2016-1); 三峽庫區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重慶高校市級重點實驗室開放基金(WEPKL2016ZD-01, WEPKL2016ZZ-01)

林俊杰( 1982—), 男, 吉林長春人, 博士, 副教授, 主要從事環(huán)境土壤學研究, E-mail: ybu_lin@ 126.com

陳文(1963—), 男, 副研究員, 主要從事地理環(huán)境與生態(tài)學研究, E-mail: cyw1018@sina.com

林俊杰, 曲衍樺, 陳茜, 等. 干濕循環(huán)對消落帶狗牙根磷釋放的影響[J]. 生態(tài)科學, 2019, 38(4): 7-12.

LIN Junjie, QU Yanhua, CHEN Xi, et al. Effect of drying-rewetting cycles on the phosphorus release of().. decomposition in the water level fluctuation zone[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 7-12.