衰亡期黑藻與生長期菹草交替生長對水體磷遷移的影響

王立志, 董彬, 宋紅麗, 李寶, 安娟

衰亡期黑藻與生長期菹草交替生長對水體磷遷移的影響

王立志*, 董彬, 宋紅麗, 李寶, 安娟

山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室, 臨沂大學資源環(huán)境學院, 臨沂 276005

為利用冷暖種交替控制水體磷污染、抑制水體富營養(yǎng)化, 揭示湖泊演化規(guī)律和機理。研究設(shè)置單季植物組(黑藻組、菹草組)和交替生長組(黑藻組+菹草組)進行實驗。交替生長組在黑藻衰亡期種植菹草, 監(jiān)測各組上覆水和底泥中各形態(tài)磷含量的變化, 計算黑藻衰亡釋放磷及菹草生長吸收磷的總量, 同時測定環(huán)境因子指標。分析沉水植物交替生長(黑藻+菹草)過程對衰亡期沉水植物(黑藻組)釋放磷所帶來的二次污染的消減作用, 并分析環(huán)境因子變化與磷含量之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明: 黑藻+菹草組顯著(<0.05)降低了上覆水中總磷(TP)、溶解性總磷(DTP)和溶解性活性磷(SRP)的濃度; 顯著(<0.05)降低了間隙水中DTP和SRP的濃度。底泥TP含量黑藻組呈上升趨勢, 黑藻+菹草和菹草組呈下降趨勢。在采用菹草生物量期望2倍于衰亡植物黑藻生物量的模擬實驗條件下, 每實驗組沉水植物黑藻衰亡分解所釋放的磷為1.51 g, 沉水植物菹草生長所富集吸收的磷為1.83 g。因此, 菹草具備消減黑藻所釋放磷的能力, 可作為冷暖種交替控制水體富營養(yǎng)化的備選物種。實驗組磷的遷移方向分別為: 黑藻組磷遷移最終方向為底泥, 黑藻+菹草組和菹草組磷的遷移方向為植物。黑藻+菹草組通過提高環(huán)境中DO和ORP, 使得水相中磷向沉積物相中遷移, 從而使得水相中各形態(tài)磷濃度保持在相對較低的水平。

沉水植物; 交替生長; 磷遷移; 磷

0 前言

全球大約80%的湖泊受到營養(yǎng)鹽磷的控制, 另外約10%與磷和氮有直接關(guān)系, 其余 10%是由氮或其它因素制約[1]。因此, 磷是造成湖泊水質(zhì)富營養(yǎng)化的關(guān)鍵性因素之一。磷作為一種極具生物活性的元素, 不僅是引起湖泊水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)物, 同時也是水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象能否發(fā)生的限制因子, 因此有效降低磷濃度成為防治湖泊水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵[2]。

利用水生植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體, 具有氮、磷富集能力強, 凈化效果好, 運營成本低等優(yōu)點, 在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用。沉水植物是水體生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者之一, 能調(diào)節(jié)水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)速度, 增加水體生物多樣性, 抑制藻類過量生長, 增強水體穩(wěn)定性, 從而有效提高水質(zhì)環(huán)境[3]。沉水植物在生長過程中能通過根及莖葉的吸收, 使得水相和沉積物相中的磷濃度降低[4], 同時, 由于沉水植物的生長發(fā)育可改變水相和沉積物相的環(huán)境因子, 因而改變了沉積物相和水相之間磷的交換速率和方式[5]。但是, 沉水植物的生長期比較短, 一般為5-7個月, 一年中其它時間沉水植物處于衰亡和休眠期。植物的生命周期決定了植物在衰亡期對系統(tǒng)中氮磷的影響可能由生長旺盛期時系統(tǒng)中氮磷的“匯”而轉(zhuǎn)變成氮磷的“源”[6], 從而導(dǎo)致藻類大量繁殖, 進而引起水質(zhì)惡化, 造成二次污染[7]。在生態(tài)修復(fù)過程中, 沉水植物因衰亡對水體造成的二次污染一直困擾著學術(shù)界, 是否可以通過混合種植生長季節(jié)不同的沉水植物來減緩或抵消二次污染, 尚需要進一步探討。

在應(yīng)對水草問題的方法中, 多年來的實踐表明化學法除草或機械打撈的方式, 終歸只能作為水草防治的應(yīng)急方式, 不能從根本上防止水草問題年年爆發(fā)[8]。近年來研究表明[9], 在水生植物冷暖種交替水體中, 磷濃度在全年均保持在一個相對穩(wěn)定且較低的水平, 如南京固城湖湖水總磷含量 0.01—0.09 mg·L-1[10]。因此, 本研究擬應(yīng)用生態(tài)學原理采用“以草治草”的理念, 解決的主要科學問題為: 采用生長期的菹草()來消除衰亡期的黑藻()分解所帶來的二次污染。

王文林等[11]采用菹草、伊樂藻()、野菱()和水鱉()所構(gòu)建的季相交替的水生植物群落能在水質(zhì)變化劇烈、藻類容易爆發(fā)的階段(初春至夏末)持續(xù)有效的抑制浮游植物生長繁殖, 對富營養(yǎng)化水體中的營養(yǎng)鹽有較高的去除作用, 并能有效緩解因前一種植物死亡給水質(zhì)帶來的不利影響, 使水質(zhì)保持相對穩(wěn)定。葉春等[12]對沉水植物黑藻的分解研究表明黑藻分解率較高(76.56%), 碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)釋放率分別為 81.31%、81.62%、85.94%。因此, 黑藻在進入生長末期必須采取生物操控措施, 以避免黑藻殘體因腐解而對水體產(chǎn)生二次污染。

黑藻是多年生大型淡水沉水植物, 適應(yīng)性強, 生長迅速, 廣泛分布于各淡水水域, 黑藻種群的存在對維護淡水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定起重要作用。黑藻具有生長范圍廣、耐污能力和適應(yīng)性強等特點, 在國內(nèi)外富營養(yǎng)化水體治理和生態(tài)修復(fù)中已得到廣泛應(yīng)用, 對營養(yǎng)鹽具有較強的吸收積累能力, 可作為重污染環(huán)境修復(fù)植物和水體污染的指示植物[13]。菹草又叫蝦藻、蝦草, 屬眼子菜科眼子菜屬多年生沉水草本植物, 分布于中國南北各省, 為世界廣布種, 是許多草型湖泊春季水生植物的優(yōu)勢種群, 生于湖泊、池塘、水溝、水稻田、灌渠及緩流河水中[14]。菹草是富營養(yǎng)化淺水湖泊的常見種, 秋季發(fā)芽, 冬春生長, 4—5 月開始繁殖, 初夏逐漸衰亡腐爛。菹草莖、葉都具有吸收功能, 能明顯的去除水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì), 抑制藻類的過量生長, 增加水體透明度, 同時菹草耐污能力高, 適應(yīng)能力強, 因此也是湖泊生態(tài)修復(fù)的常用物種

在黑藻衰亡期種植該階段處于生長期的菹草。監(jiān)測水和底泥中各形態(tài)磷含量的變化; 計算磷在水-底泥-植物三相之間的遷移方向; 同時監(jiān)測環(huán)境因子的變化, 分析環(huán)境因子和各形態(tài)磷含量之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上探討如何利用冷暖種交替的水生植物調(diào)控水體磷循環(huán)。為水體生態(tài)修復(fù)工作中利用冷暖種交替控制水體磷污染、抑制水體富營養(yǎng)化提供借鑒。同時對進一步揭示湖泊演化規(guī)律和機理以及在湖泊生態(tài)修復(fù)中制定適當?shù)某了参锢霉芾聿呗跃哂兄匾睦碚撘饬x和現(xiàn)實意義。

1 實驗材料與設(shè)計

1.1 材料與設(shè)計

底泥采自山東臨沂沂蒙湖富營養(yǎng)化水華暴發(fā)水域, 采用彼得森采泥器于8月份采集。采集后樣品低溫風干后過100目篩, 去除粗粒及動植物殘體, 然后充分混勻。將混勻后的底泥加入高密度聚乙烯桶(頂直徑×底直徑×高=150 cm×145 cm×90 cm, 桶壁預(yù)先用蒸餾水沖洗干凈), 底泥鋪設(shè)厚度為20 cm, 底泥干重為50.00 kg每桶。然后緩慢注入去離子水1500 L(北京普析通用GWN-UN制備)。

實驗設(shè)計為黑藻組, 黑藻+菹草組, 菹草組和對照組四組。實驗系統(tǒng)在注入水后穩(wěn)定一周, 然后種植經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)的黑藻, 所種植黑藻為室內(nèi)馴化培養(yǎng)一年后處于生長期末期的植株。植株選用健壯無附著物的植物體, 并連根整株采集, 經(jīng)沖洗干凈后均勻種植于實驗系統(tǒng)。實驗設(shè)置交替生長組黑藻+菹草組, 單季種組黑藻組和菹草組。黑藻+菹草組每桶黑藻生物量為3 kg鮮重, 并同時種植菹草休眠芽(石芽)0.4 kg(根據(jù)預(yù)實驗和野外調(diào)查, 0.4 kg菹草石芽在理想狀態(tài)下生長最大生物量可達6 kg左右, 本實驗采用菹草生物量期望2倍于衰亡植物黑藻, 因此采用種植0.4 kg菹草石芽)。黑藻組僅種植黑藻, 每桶黑藻生物量為3 kg鮮重, 菹草組種植菹草休眠芽(石芽)0.4 kg, 對照組不進行任何植物種植, 每組設(shè)置3個平行桶。

實驗在擋雨棚內(nèi)進行, 為最大限度接近自然環(huán)境, 擋雨棚與外界空氣連同, 實驗時間為9月—12月。實驗開始前采集水樣進行測定, 同時采用電極測定底質(zhì)物理指標, 上覆水及底泥初始理化指標作為初始0天的數(shù)值。

1.2 取樣與分析

水樣采集采用虹吸管抽取的方式, 每次采集水面以下10 cm, 40 cm和70 cm處的等體積水(50 ml)混勻。上覆水總磷(TP)和溶解性總磷(DTP), 濃度測定采用過硫酸鉀氧化法; DTP濃度的測定: 將水樣預(yù)先過0.45 μm孔徑的醋酸纖維濾膜, 而后用過硫酸鉀氧化法; 溶解性活性磷(SRP)濃度的測定: 將水樣預(yù)先過0.45 μm孔徑的醋酸纖維濾膜, 而后用鉬-銻-鈧比色法。磷濃度用連續(xù)流動分析儀(FLOWSYS-TEAⅢ, 希思迪, 意大利)測定。顆粒磷(PP)濃度為TP濃度與DTP濃度之差, 溶解性有機磷(DOP)濃度為DTP濃度與SRP濃度之差。每個樣品均重復(fù)測定3次, 采用三次平均值作為計算數(shù)據(jù)。

沉積物采用微型柱狀采泥器(自制)采集, 沉積物樣品每次均勻采集5個微型柱狀樣(橫切面直徑2 cm), 采集后的樣品室溫(25 ℃)風干, 然后對風干前后的樣品稱重以計算由采樣帶來的系統(tǒng)中總體磷和水量的損耗(沉積物樣品的采集會導(dǎo)致沉積物中總體磷量減少, 用此方法計算沉積物中減少的總體磷量。同時由于樣品為濕樣, 會帶走部分水分, 用此方法計算水分損耗)。將風干后沉積物樣品與植物根系分離, 過100目篩后充分混勻, 然后進行沉積物中各形態(tài)磷分析。采集沉積物樣品的同時采集植物樣品, 測定生物量及含水率, 并分析植物中磷含量。沉積物樣品磷形態(tài)分析采用國際通用的SMT法[15]。具體見表1。

植物中磷用微波消解儀消解后, 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS, 賽默飛, 美國)進行含量分析。并根據(jù)以下公式計算植物釋放或吸收磷總量[16]:

間隙水采用原位滲濾裝置采集。pH和ORP測定采用多功能探頭(PHSJ-4A, 雷磁, 中國)測定儀測定。DO采用溶解氧探頭(YSI 550, 維賽, 美國)測定。

表 1 SMT 分級提取方法

1.3 生物量計算及統(tǒng)計分析

沉水植物菹草生長期和黑藻衰亡期, 在另外的預(yù)實驗中統(tǒng)計黑藻、菹草不同生長階段的株高(1/cm)和生物量(鮮重,/g)。株高的統(tǒng)計中將分枝的植株中的分枝進行長度累加, 獲得某一植物的總長度計為總株高。并對植物65 ℃烘干后計算植物的干重和含水率。為保證數(shù)據(jù)最大限度接近實際值, 每次統(tǒng)計植物不少于300株。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立植物生物量模型, 以推算沉水植物在生長過程中的生物量[17]。

黑藻=0.01961+0.5207,2=0.81<0.05 (3)

菹草=0.04871-1.1699,2=0.76<0.05 (4)

繪圖和模型運算采用origin pro 8.5, 數(shù)據(jù)分析采用SPSS 16.0, 顯著性檢驗采用SPSS里面t檢驗。多重比較采用SPSS 16.0里面One-way ANOVA 中的LSD檢驗法。

1.4 水生植物分解速率及向水體釋放磷含量描述方程

對于水生植物的衰亡速率一般采用式(5)進行描述, 以代表其分解速率; 本研究為了對比方便采用該式同時描述植物生長速率, 用代表生長率。

水生植物生長及分解速率描述公式[18]:

W=0e–kt(5)

代表時間 (d),時間時刻的植物生物量(按照占初始值百分比計算, 在計算生長率時按照占最后植物生物量百分比計算),0初始植物生物量, ‘e’常數(shù),速率 (d–1).

水體中磷含量隨時間的變化可用峰值方程(peak equation)來進行描述[19]。

代表時間 (d),為時間時候的水體磷的濃度(mg·L-1),‘e’自然常數(shù),為常數(shù)。

將公式(5)帶入(6)并簡化, 得到磷含量隨生物量變化的公式(7)。

2 實驗結(jié)果

2.1 上覆水各形態(tài)磷濃度含量

與衰亡期黑藻組相比黑藻+菹草組顯著(< 0.05)降低了上覆水中TP、DTP和SRP的濃度, 對DOP和PP的影響不顯著(>0.05)。黑藻組各形態(tài)磷的變化呈明顯的單峰曲線, 各形態(tài)磷濃度在實驗開始后迅速升高, 并在實驗第40天達到最大值(TP, 0.63 mg·L-1), 然后在實驗第50到110天期間(圖1), 上覆水中各形態(tài)磷濃度緩慢降低, 到實驗結(jié)束時, 上覆水中TP濃度為0.23 mg·L-1, 仍然處于一個相對較高的水平。黑藻+菹草組各形態(tài)磷的變化和黑藻組類似, 呈單峰曲線變化。黑藻+菹草組各形態(tài)磷的濃度在實驗第40天達到最大值(TP, 0.33 mg·L-1),然后隨著時間的推移緩慢下降。黑藻+菹草組TP的最大值和單一的黑藻組相比降低了0.30 mg·L-1, 可見在黑藻衰亡速率最大時期, 黑藻+菹草組能有效的消減上覆水中TP濃度的峰值, 黑藻+菹草組雖然未能改變上覆水中因黑藻衰亡而帶來的磷濃度升高趨勢, 但是卻能有效的降低水中各形態(tài)磷的濃度, 使得各形態(tài)磷的濃度保持在相對較低的水平。菹草組和對照組水體中磷含量相對較穩(wěn)定, 同時也表明黑藻組水體中磷含量的劇烈波動主要是由于黑藻衰亡所導(dǎo)致。

根據(jù)式7, 可擬合黑藻生物量與水體中各形態(tài)磷含量之間的關(guān)系(表2)。黑藻+菹草組實驗, 采用菹草生物量作為變量, 建立菹草生物量與水體各形態(tài)磷之間的關(guān)系, 通過擬合發(fā)現(xiàn), DOP含量并不適合該方程(表2), 而其他各形態(tài)磷取得了較好的擬合效果。

圖1 上覆水磷含量變化

Figure 1 Changes of different phosphorus concentrations in overlying water during the autumn experiment course

表 2 公式7擬合參數(shù)值

a 指標DOP 無法擬合函數(shù)

菹草組水體中各形態(tài)磷含量均呈不同程度的下降趨勢, 且隨著生物量的變化并不符合峰值方程, 因此本研究采用多項式擬合的方式來描述生物量變化和各形態(tài)磷之間的關(guān)系。公式如下:

P為時菹草組水體中磷含量,W為時水體中菹草含量百分比。a,b,c,d為常數(shù)。

表3 公式8擬合參數(shù)值

由表3可知, TP, SRP和DOP的擬合結(jié)果相對較好, 而DTP和PP的結(jié)果相對較差。

2.2 間隙水各形態(tài)磷濃度含量

與衰亡期黑藻組相比, 黑藻+菹草組間隙水中DTP和SRP的濃度均顯著(<0.05)降低。黑藻+菹草組間隙水DTP和SRP的濃度在實驗第20天略呈上升趨勢, 然后在后期實驗中緩慢下降, 在整個實驗期間黑藻+菹草組沉積物相間隙水中各形態(tài)磷的濃度變化范圍在0.23—0.60 mg·L-1之間波動(圖2)。黑藻組間隙水DTP和SRP的濃度均顯著高于對照組, 間隙水DTP和SRP的濃度呈單峰曲線變化, 在實驗第50天時達到最大值(DTP, 0.82 mg·L-1; SRP, 0.61 mg·L-1, 圖2)然后緩慢下降, 到實驗結(jié)束保持在相對較高的水平(DTP, 0.65 mg·L-1)。菹草組間隙水DTP和SRP呈降低趨勢, 到實驗結(jié)束時DTP和SRP含量本別為0.03 mg·L-1和0.02 mg·L-1。

圖2 間隙水各形態(tài)磷變化

Figure 2 Changes of different phosphorus concentrations in pore water

2.3 沉積物各形態(tài)磷濃度含量

TP含量黑藻組呈上升趨勢, 黑藻+菹草和菹草組呈下降趨勢。實驗結(jié)束時黑藻組、黑藻+菹草和菹草TP含量分別為: (770.17±19.37), (734.25±6.18), (730.17±41.01) mg·kg-1(圖3)。在實驗過程中黑藻+菹草組和菹草沉積物TP的含量低于黑藻組和對照組, 與對照組相比較差異性均不顯著(>0.05), 但是與黑藻組相比較差異性均顯著(<0.05)。

各實驗組NaOH—P與變化趨勢與TP類似, 黑藻組呈上升趨勢, 黑藻+菹草和菹草組呈下降趨勢。實驗過程中菹草組NaOH—P略低于黑藻+菹草組。實驗結(jié)束時黑藻組、黑藻+菹草組和菹草組TP含量分別為: (266.87±6.70), (232.23±10.89), (231.88±18.94) mg·kg-1(圖3)。與黑藻組相比較菹草組顯著降低了沉積物NaOH—P的含量(<0.05), 而黑藻+菹草組雖然也降低了NaOH—P的含量但為達到顯著性水平(>0.05)。與對照組相比較黑藻+菹草組和菹草組均顯著降低了沉積物NaOH—P的含量(<0.05)。黑藻組HCl—P含量略呈上升趨勢, 而黑藻+菹草和菹草組幾乎保持不變, 僅在菹草組略有降低。實驗組各組之間HCl—P含量無顯著性差異(>0.05)。

黑藻組IP含量呈上升趨勢, 黑藻+菹草和菹草組呈下降趨勢。實驗過程中菹草組IP略高于黑藻+菹草組。與黑藻組相比較, 黑藻+菹草和菹草組IP含量均顯著降低(<0.05), 但黑藻+菹草和菹草組IP與對照組之間無顯著差異(>0.05)。OP含量各處理組保持在相對穩(wěn)定的水平幾乎沒變化, 也無顯著性差異(>0.05)。

圖3 沉積物各形態(tài)磷的變化

Figure 3 Changes of phosphorus concentrations in sediment during the autumn experiment

2.4 各處理組環(huán)境因子變化

黑藻+菹草組DO在實驗第20天后便迅速升高, 并在實驗過程中一直保持在相對較高的水平。實驗期間DO含量黑藻+菹草組顯著高于黑藻組、菹草組和對照組(<0.05)。而黑藻組、菹草組和對照組之間無顯著性差異(>0.05), 同時各處理組DO隨著實驗的進行整體呈升高趨勢。ORP黑藻+菹草組顯著高于黑藻組、菹草組和對照組(<0.05)。黑藻組、菹草組和對照組之間無顯著性差異(>0.05), 各處理組ORP隨著實驗的進行整體呈升高趨勢(圖4)。實驗各處理組中pH整體偏堿性, 各組之間無顯著性差異(>0.05), 黑藻+菹草組pH在實驗期間略高于其它處理組。

圖4 實驗過程中上覆水pH、DO和ORP的變化

Figure 4 Changes of pH、DO and ORP in overlying water

2.5 磷在水-植物-底泥中的分配

各實驗組磷的遷移方向也存在較大差異(圖5)。衰亡期沉水植物黑藻組底泥中磷含量比例呈上升趨勢, 水中磷含量比例呈先上升后下降趨勢, 因此黑藻組磷遷移最終方向為底泥。黑藻+菹草組底泥和水中磷含量比例均呈先上升后下降趨勢, 植物中磷含量比例呈先下降后上升趨勢, 因此黑藻+菹草組磷的遷移方向為植物。菹草組底泥和水中磷含量比例呈下降趨勢, 植物中磷含量比例呈上升趨勢, 磷的遷移方向為植物。植物-水-底泥三相磷比例表明, 單季植物黑藻在生長期吸收底泥和水中磷在衰亡期向底泥和水中釋放磷, 同時由于底泥對水中磷吸收的延滯, 導(dǎo)致大量磷滯留在水中。而交替生長植物黑藻+菹草組能較好的利用滯留在水中的磷, 并吸收了部分底泥中的磷, 從而使得水中磷含量波動相對較小。對照組水中的磷含量比例略有增加(由0.20%上升至0.38%), 說明在沒有植物的作用下底泥存在一定的磷釋放的現(xiàn)象。

3 討論

3.1 沉水植物交替生長對磷的影響

實驗開始黑藻進入街道生物量逐漸下降(圖6), 黑藻的衰亡分解是一個復(fù)雜的過程, 主要包括糖類、有機酸、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)的釋放以及木質(zhì)素、纖維素等的不斷降解。一般分為三個過程, 第一個過程是水溶性物質(zhì)的淋溶過程, 第二個過程是在微生物的作用有機物降解過程, 第三個過程是難未分解的水草殘體比例不斷升高, 分解速率明顯減慢的過程[20]。本研究黑藻衰亡主要出于第一、二過程。如圖6所示, 根據(jù)公式5計算菹草的生長速率絕對值為||為0.0244 d?1。黑藻分解速率||為0.017 d?1, 根據(jù)本實驗假設(shè)如果在本實驗條件下菹草||大于黑藻||, 菹草才有可能消減黑藻衰亡所帶來的二次污染。因此菹草是生長速率大于黑藻衰亡速率, 從磷的總量平衡來看, 菹草具備消減黑藻衰亡所釋放的磷的能力。圖6 a表明菹草生長所富集的磷總量要大于黑藻衰亡所釋放的磷總量, 印證了本實驗的假設(shè)。

圖5 磷在水-底泥-植物三相的百分比

Figure 5 percentage of phosphorus in water-sediment-plant

圖 6 交替生長過程中衰亡期沉水植物分解釋放磷與生長期沉水植物吸收磷總量比較及實驗期間生物量變化

Figure 6 Phosphorus released from submerged macrophyte during the decomposition period and phosphorus uptake by submerged macrophyte during the growth period in the seasonal aspect alternating experiment

在第40天黑藻組間隙水和水中均出現(xiàn)明顯的磷峰值, 通過對比該時期的黑藻衰亡狀況發(fā)現(xiàn), 在實驗第40—80天時, 黑藻組生物量下降明顯, 表明這一階段是黑藻快速衰亡期(圖6 b)。植物體內(nèi)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, 可優(yōu)先釋放出磷, 因此黑藻在衰亡初期將向水體釋放大量的磷[21]。而在黑藻+菹草實驗組由于菹草生長的吸收作用, 將間隙水中磷峰值消減。沉水植物根系并不發(fā)達, 因此在本研究中沉水植物衰亡所導(dǎo)致的間隙水中各形態(tài)磷含量波動并不大。吳凱等[22]研究黑藻、伊樂藻 () 和金魚藻衰亡過程結(jié)果表明3 種水草的腐解的前兩個階段向水體釋放了大量了氮、磷等營養(yǎng)鹽, TP含量短期內(nèi)達到較高濃度。研究表明[23], 水草腐解, 體內(nèi)氮、磷的 70% 以上會在短時間內(nèi)釋放到水體, 氮、磷的快速升高容易導(dǎo)致水體藻類的迅速繁殖, 藻類的大量繁殖可能導(dǎo)致水質(zhì)嚴重惡化。因此, 合理地控制水草種植密度, 對生態(tài)系統(tǒng)和水質(zhì)安全具有重要的意義。

馬月等[24]通過在菹草衰亡過程中種植金魚藻()的方式, 研究其對菹草衰亡釋放營養(yǎng)物質(zhì)的消減作用, 表明菹草腐解—金魚藻生長耦合作用對水質(zhì)的改善效果明顯, 同時采用線性擬合的方式對建立水體總氮、溶解性總氮、總磷、溶解性總磷、總有機碳與植物葉綠素、水體葉綠素、植物可溶性蛋白、植物丙二醛之間的多元線性擬合。由于水體中各形態(tài)磷的變化是曲線的, 因此本研究認為采用曲線擬合將更接近實驗結(jié)果。

在黑藻+菹草組中, 菹草在快速生長過程中吸收水體中大量的營養(yǎng)物質(zhì), 以滿足自身生長的需求, 在實驗第40天(實驗組磷峰值日), 與黑藻組相比黑藻+菹草組將水體中TP含量降低了47.62%。因此, 處于生長期菹草的吸收是黑藻+菹草組水體中各形態(tài)磷的含量均顯著低于黑藻組的主要原因。植物附著生物對水體磷循環(huán)亦有一定的作用, 但由于其生物量較小(本研究附生藻生物量所占總生物量比例小于1%), 其作用基本可忽略[25]。本研究只有兩種大型沉水植物, 同時實驗用水為人為調(diào)配, 水中藻類數(shù)量較少, 因此藻類的作用也在本研究中基本可以忽略。對照組TP含量一直穩(wěn)定在0.05—0.06 mg·L-1, 對照組SRP含量呈下降趨勢, 表明底泥對水中磷含量影響較小。植物組黑藻組和黑藻+菹草組由于黑藻的衰亡分解導(dǎo)致水中磷含量迅速升高。菹草組在實驗前期水體中磷含量也呈小幅度升高趨勢, 可能和實驗初期栽種過程中對底泥的擾動導(dǎo)致了少量的磷釋放有關(guān)。

在沉水植物交替過程中, 處于衰亡的沉水植物將向上覆水和沉積物釋放磷素, 而處于生長期的沉水植物將吸收利用沉積物和上覆水中磷, 以滿足自身生長的需要。根據(jù)式1和2計算表明, 在本實驗中每實驗組沉水植物黑藻衰亡分解所釋放的磷為1.51 g, 沉水植物菹草生長所富集吸收的磷為1.83 g (圖6)。因此, 在采用菹草生物量期望2倍于衰亡植物黑藻生物量的模擬實驗條件下, 菹草具備消減黑藻所釋放磷的能力。

3.2 磷元素在水體和底泥中的遷移

磷在水體和底泥之間的交換是個十分復(fù)雜的物理、化學、生物過程, 主要包括含磷顆粒的沉降與再懸浮、溶解態(tài)磷的吸附解吸等, 在水體磷循環(huán)過程中, 底泥的對水體的營養(yǎng)物質(zhì)具有很強的吸附及截留作用[26]。在本實驗條件下, 實驗組黑藻腐解的初期, 水體的 TP含量迅速升高, 在實驗后期又逐漸下降, 在本實驗結(jié)束時底泥中TP的含量升高, 植物—水—底泥三相磷比例表明, 表明黑藻分解釋放的磷并未全部停留在水體, 而是發(fā)生了遷移, 有部分磷轉(zhuǎn)移到了底泥中, 因此底泥存在較強的磷釋放風險。而黑藻+菹草組中, 菹草的生長能較好的利用滯留在水中的磷, 同時吸收了部分水中向底泥遷移的磷, 從而使得水中磷含量波動相對較小, 從而降低了底泥磷釋放的風險。

3.3 環(huán)境因子的改變及對磷含量的影響

在試驗開始黑藻進入快速分解階段, 消耗了水大量的DO, 因此水中的DO含量迅速下降。試驗的中、后期, 黑藻殘體中難分解物質(zhì)的比例不斷升高, 分解速率逐漸下降, 對水中耗氧量降低, 水中的DO逐漸升高。由于空氣中氧氣可以溶入水體, 實驗后期, 水中的溶解氧逐漸上升。黑藻組在植物快速衰亡期水中DO如果沒有得到及時的補充, 可能會導(dǎo)致水質(zhì)惡化。有研究表明[27], 當水體植物殘體生物量較大時, 極易在腐解期造成水體缺氧并向水體釋放大量的營養(yǎng)鹽, 造成水體發(fā)黃、發(fā)臭。黑藻分解初期, 體內(nèi)不穩(wěn)定的含碳有機物質(zhì)釋放到水體, 在微生物的作用下分解釋放出 CO2, 造成水體 pH 下降[28]。黑藻分解導(dǎo)致水體由中性變?yōu)槿跛嵝? 可以使得水生生物如河蟹的免疫系統(tǒng)受到損傷[29]。

在本實驗條件下, 黑藻+菹草組水體中DO和ORP均顯著高于單一植物組(圖4)。DO和ORP的升高對底泥磷釋放有重要影響, 當水體控制在好氧狀態(tài)時, 表層底泥氧化還原電位較高, 利于Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+, Fe3+與磷酸鹽結(jié)合成難溶的磷酸鐵, 使好氧狀態(tài)下底泥對磷的釋放作用減弱。厭氧時, Fe3+還原成Fe2+, 一方面使PO43-脫離原來沉淀狀態(tài)進入上覆水, 另一方面[Fe(OH)3]x膠體轉(zhuǎn)化成可溶的Fe(OH)2, 同時釋放吸附于其上的游離態(tài)磷, 導(dǎo)致上覆水體中溶解態(tài)磷濃度增加[30, 31]。因此較高的氧化還原電位和較高的溶解氧都能降低水體磷含量。pH值是水質(zhì)的重要指標, 它對水體物理化學反應(yīng)有重要影響。堿性條件下, pH值升高時沉積物磷釋放增加; 在中性范圍內(nèi), 釋磷量最小; 酸性條件下促使磷的釋放[32]。

在本實驗后期, 黑藻+菹草組水體中各形態(tài)磷含量顯著低于單一植物組, 而且在間隙水中也存在類似現(xiàn)象, 這和環(huán)境因子DO和ORP的改變應(yīng)該有重要的關(guān)系。同時也表明, 在黑藻+菹草組中處于生長期的沉水植物可以通過對環(huán)境因子DO和ORP的改變, 從而促進底泥對水體中磷的吸收。因此, 在黑藻+菹草組中衰亡期植物向水體釋放的磷在較高的DO和ORP作用下向沉積物遷移。

4 結(jié)論

由于黑藻的腐爛分解向水體釋放磷, 黑藻組與黑藻+菹草組各形態(tài)磷的變化呈明顯的單峰曲線, 與黑藻組相比較黑藻+菹草組顯著(<0.05)降低上覆水中TP、DTP和SRP的濃度, 對DOP和PP的影響不顯著(>0.05)。黑藻+菹草組, 使得各形態(tài)磷的濃度保持在相對較低的水平。

黑藻的分解使得黑藻組沉積物各形態(tài)磷含量均呈上升趨勢, 而菹草組由于菹草的吸收使得各形態(tài)磷含量均呈下降趨勢。黑藻+菹草組沉積物中磷呈下降趨勢。與黑藻組相比, 黑藻+菹草組顯著(<0.05)降低了間隙水中DTP和SRP的濃度。菹草組間隙水由于菹草的吸收作用DTP和SRP含量呈降低趨勢。

菹草生長速率||為0.0244d?1, 黑藻分解速率||為0.017d?1。在采用菹草生物量期望2倍于衰亡植物黑藻生物量的模擬實驗條件下, 每實驗組沉水植物黑藻衰亡分解所釋放的磷為1.51 g, 沉水植物菹草生長所富集吸收的磷為1.83 g。因此, 菹草具備消減黑藻所釋放磷的能力。

黑藻+菹草組水體中pH、DO和ORP均在實驗期間高于單一植物組和對照組, 表明黑藻+菹草交相交替過程可能通過對環(huán)境因子pH、DO和ORP的改變影響磷的循環(huán)。

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Effects of alternating growth of decliningand growingon phosphorus migration in water

WANG Lizhi*, DONG Bin, SONG Hongli, LI Bao, An Juan

Shandong Provincial Key Laboratory of Water and Soil Conservation and Environmental Protection, College of Resources and Environment, Linyi University, Linyi 276005, China

In order to revealthe mechanism of alternating aquatic plants cold and warm species to control phosphorus pollution and eutrophication, submerged macrophyteandwere planted respectively as single season plant groups, andwere planted as alternate growth process in this study. Phosphorus concentration in overlying water and sediment was monitored. The amount of phosphorus released from the decomposition ofand the total phosphorus uptake bywere calculated. The environmental factors were determined simultaneously. The subtractive effects of alternate growth of submerged macrophytes () on the release of phosphorus from submerged submerged macrophyte () and the relationship between the changes of environmental factors and the content of phosphorus were analyzed. The results indicated thatgroups significantly reduced total phosphorus(TP), dissolved total phosphorus (DTP) and soluble reactive phosphorus (SRP) concentration of the overlying water and DTP and SRP concentration of the interstitial water (<0.05). The content of TP in sediment increased in, but decreased inandgroups. Phosphorus release from thedecomposition in each experiment group was 1.51 g, and the phosphorus uptake by the submerged plantwas 1.83 g under the simulated experiment whichexpected biomass was double as much asdecomposing plantbiomass. Therefore,had the ability to reduce phosphorus release from. The transfer direction of phosphorus in the experimental group showed that the final direction of phosphorus transfer in thegroup was sediment, while in theandwas plant. This could be explained by the high DO and ORP. In the groupsphosphorus transferred from water to sediment by increasing DO and ORP.

submerged macrophyte; alternate growth; phosphorus transfer; phosphorus

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.03.022

S932

A

1008-8873(2020)03-160-12

2019-08-05;

2019-10-12

山東省自然科學基金 (ZR2018LD004); 國家自然科學基金 (41303061, 41601086)

王立志(1980—), 男, 山東臨沂人, 博士, 教授, 主要從事水環(huán)境生態(tài)修復(fù)研究, E-mail:wanglizhi@lyu.edu.cn

王立志

王立志, 董彬, 宋紅麗,等. 衰亡期黑藻與生長期菹草交替生長對水體磷遷移的影響[J]. 生態(tài)科學, 2020, 39(3): 160–171.

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