白蠟凋落葉在水體中的分解及對水質(zhì)的影響1)

李艷暉 王瑜 李砧 郝磊 劉茜

(太原師范學(xué)院，晉中，030619)

凋落物分解在全球的物質(zhì)循環(huán)及能量流動的過程中占有十分重要的角色。河岸帶植物凋落葉隨溪流水體流動的分解過程被認(rèn)為是水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的重要來源[1-2]，且對水體微生物及底棲無脊椎動物的種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量有著重要影響[3-4]。河流源頭河岸帶凋落物的分解甚至可以影響整個流域生態(tài)系統(tǒng)的功能[5]，河岸帶凋落物對水生生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)和能量流動有比對陸地更重要的作用[6]。

目前，多采用網(wǎng)袋法開展凋落葉在自然水體中氮、磷元素釋放特征及其影響因素研究的原位實驗，而對于凋落葉釋放的氮、磷等生源要素對水體水質(zhì)影響的研究相對較少，尤其是一些小型、水流緩慢的水體，如人工湖、水庫等[7]。秋季是我國北方大量樹種落葉的季節(jié)，調(diào)查落葉分解釋放特征及其對水體氮、磷質(zhì)量濃度的影響具有重要的生態(tài)學(xué)意義。白蠟(Fraxinuschinensis)，木犀科，梣屬，奇數(shù)羽狀復(fù)葉，葉通常7片或7～9片，近革質(zhì)，是我國常見行道樹種。本文以白蠟凋落葉為材料，在實驗室內(nèi)模擬了其在北方秋季小型水體中營養(yǎng)元素的動態(tài)釋放過程，分析了水體中總氮、總磷和高錳酸鹽質(zhì)量濃度的變化趨勢，以探究白蠟凋落葉在水體中的養(yǎng)分釋放規(guī)律，為進(jìn)一步明確樹木凋落葉分解特征及其對城市綠化行道樹種種植提供一定理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

收集太原師范學(xué)院(位于山西省晉中市榆次區(qū))校園內(nèi)白蠟凋落葉(主要為新鮮凋落葉)，去除落葉上雜質(zhì)，于通風(fēng)、陰涼處自然晾干，收集入密封袋中并密封袋口，于室溫、黑暗處保存，供后續(xù)實驗。

1.1 實驗設(shè)計和處理方法

選擇2個12 L玻璃水缸(長×寬×高為30 cm×20 cm×20 cm)作為模擬小型水體的裝置，水缸中分別裝入7 L蒸餾水，其中1個水缸不加凋落葉，作為對照組。將白蠟凋落葉烘干至恒質(zhì)量后剪碎，準(zhǔn)確稱取2 g放于水缸中，將水缸置于培養(yǎng)箱中，溫度設(shè)置為16 ℃。分別于處理后的2、4、6、8、10、12、24、84、96、108、120、124、128和132 h取適量體積水樣用于總氮(TN)、總磷(TP)和高錳酸鹽質(zhì)量濃度(DMn)指標(biāo)測定，每個指標(biāo)設(shè)3個平行。實驗期間，對照組水體中TN質(zhì)量濃度(0.060±0.01 mg·L-1)、TP質(zhì)量濃度(0.011±0 mg·L-1)和DMn質(zhì)量濃度(0.076±0.02 mg·L-1)基本穩(wěn)定。處理組各時間點TN、TP和DMn質(zhì)量濃度為實測值減去對照組對應(yīng)時間點所測值。

1.2 測定方法

按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)[8]方法分別測定水體TN、TN和DMn質(zhì)量濃度，其中，總氮質(zhì)量濃度測定采用過硫酸鉀氧化、紫外分光光度法；總磷質(zhì)量濃度測定采用鉬銻抗分光光度法；高錳酸鹽質(zhì)量濃度測定采用酸性法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel 2010和SPSS17.0軟件，利用單因素方差分析中最小顯著性差異法和Duncan法比較不同時間水體中TN、TN和DMn質(zhì)量濃度變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 白蠟凋落葉分解過程中水體總氮變化

凋落物分解既有物理過程，又有生化過程。物理過程指樣品通過機(jī)械或動物作用成為碎片；生化過程指微生物使枯落物分解的過程，分解過程中凋落物養(yǎng)分質(zhì)量濃度的變化，反映了樣品在分解過程中的生化過程[9]。

表1 不同處理時間白蠟調(diào)落葉分解過程中水體總氮變化

由表1可知，白蠟凋落葉在水中浸泡24 h內(nèi)，水體中總氮變化呈現(xiàn)為升高—降低—升高—降低—再升高的過程，水體TN質(zhì)量濃度在24 h內(nèi)顯著升高了0.340 mg·L-1(升高了241.1%)。相應(yīng)地，白蠟凋落葉分解24 h內(nèi)，N元素為釋放—吸收—釋放—吸收—再釋放的變化過程，呈現(xiàn)波浪型的變化特征。從整體看，白蠟凋落葉分解過程中，氮呈現(xiàn)出顯著的釋放特征。若將24 h內(nèi)的變化看做一個整體，從起始到第132 h，水體中TN變化過程為升高(24 h，1 d)—降低(84 h，3.5 d)—升高(96 h，4 d)—降低(108 h，4.5 d)—再升高(132 h，5.5 d)，到第132 h(5.5 d)水體N質(zhì)量濃度達(dá)到最大值0.484 mg·L-1。相應(yīng)地，白蠟落葉在132 h分解過程中，N素變化為釋放—吸收—釋放—吸收—再釋放，這與24 h(1 d)內(nèi)的變化規(guī)律相同。由此可見，短時間內(nèi)，無論是以24 h為一個尺度，還是以132 h(5.5 d)為一個尺度，白蠟落葉分解過程中N元素變化趨勢均為釋放—吸收—釋放—吸收—再釋放的波浪型變化，從整體上看，落葉分解過程中的氮素是以釋放為主。

2.2 白蠟凋落葉分解過程中水體總磷變化

由表2可知，水體中TP的變化趨勢為先顯著升高，在12 h即達(dá)到峰值0.094 mg·L-1(質(zhì)量濃度升高154.1%)，隨后下降，在24 h內(nèi)整體呈磷釋放的特征；84 h時水體TP質(zhì)量濃度最低(0.041 mg·L-1)，至132 h時水體TP呈整體上升趨勢，對應(yīng)于白蠟落葉分解過程中磷元素的動態(tài)變化為釋放—吸收—釋放，這種變化趨勢與以往實驗的研究結(jié)論基本相一致[10]。從整體上看，白蠟凋落葉在水體分解過程中呈現(xiàn)出磷元素的快速釋放，12 h內(nèi)即達(dá)釋放高峰，不同于N元素的是，P在快速釋放階段后有一個明顯吸附的過程，至84 h時水體TP值最低，隨后在0.057～0.074 mg·L-1范圍內(nèi)波動。同時，白蠟凋落葉分解過程中，磷元素的釋放量少于氮元素，其原因可能與白蠟葉本身的C與N質(zhì)量濃度比和C與P質(zhì)量濃度比有關(guān)。

表2 不同處理時間白蠟調(diào)落葉分解過程中水體總磷變化

2.3 白蠟調(diào)落葉分解過程中水體高錳酸鹽質(zhì)量濃度變化

高錳酸鹽質(zhì)量濃度，是指在酸性或堿性介質(zhì)中，以高錳酸鉀為氧化劑，處理水樣時所消耗的量，以氧的質(zhì)量濃度(mg·L-1)來表示。水中的亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等還原性無機(jī)物和在此條件下可被氧化的有機(jī)物，均可消耗高錳酸鉀。因此，高錳酸鹽質(zhì)量濃度常被作為地表水體受有機(jī)污染物和還原性無機(jī)物質(zhì)污染程度的綜合指標(biāo)[8]。表3是白蠟凋落葉浸泡分解后，水體中高錳酸鹽質(zhì)量濃度的動態(tài)變化。從整體趨勢來看，在模擬實驗期間，水體中DMn質(zhì)量濃度在13.469～21.633 mg·L-1間呈上升—下降—波狀波動的變化趨勢。凋落葉進(jìn)入水體浸泡分解12 h內(nèi)，快速釋放物質(zhì)，12 h時DMn質(zhì)量濃度達(dá)峰值，較2 h的DMn質(zhì)量濃度顯著升高了60.6%；隨后在17.434～19.926 mg·L-1范圍內(nèi)波動變化?？梢姡紫灥蚵淙~浸泡分解過程中還原性無機(jī)物和可被氧化的有機(jī)物質(zhì)量濃度變化趨勢為12 h內(nèi)為明顯的釋放過程，隨后表現(xiàn)為吸收和釋放的動態(tài)變化，總體上呈現(xiàn)出動態(tài)的釋放過程。

表3 不同處理時間白蠟調(diào)落葉分解過程中水體高錳酸鹽質(zhì)量濃度變化

3 討論與結(jié)論

凋落葉在水體中的分解是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程，其分解速率通常受多方面因素的影響，與其自身的品質(zhì)和水體特征的影響有關(guān)，包括葉片大小、吸水性和可溶性物質(zhì)質(zhì)量濃度、初始養(yǎng)分質(zhì)量濃度、水溫和流速等[11]，其中主要與溫度、生物、葉片組織結(jié)構(gòu)和凋落物所含元素種類及質(zhì)量濃度有關(guān)[12]。凋落葉分解過程中C、N和P元素的釋放率與河流水溫具有不同程度的顯著相關(guān)性，整體表現(xiàn)為較高溫度促進(jìn)元素的釋放[13]，即夏季比冬季分解迅速[14]，秋冬季節(jié)比春夏季節(jié)分解緩慢[15-16]。落葉分解速率還受河水流速和水質(zhì)特征的影響[17]。本次實驗主要模擬了山西省秋季(平均氣溫16 ℃)白蠟凋落葉在小型水體分解過程中氮、磷營養(yǎng)元素的釋放，實驗期間溫度穩(wěn)定(16 ℃)，水體靜止，因此，溫度和流速這兩個因素對白蠟凋落葉分解的影響不大，主要是落葉本身特征和水體微生物作用兩方面因素。凋落物的分解還與植物本身的葉片組織結(jié)構(gòu)和所含元素種類及質(zhì)量濃度有關(guān)。相較于濕地松的粗硬針葉和高纖維素質(zhì)量濃度[18]，白蠟近革質(zhì)的葉片可能更易分解。水體中微生物活動越強(qiáng)，凋落物的分解速率就越快。

凋落葉在水體中的分解大致可分為易溶復(fù)合物的迅速溶解(物理過程)和凋落葉的緩慢分解(分解作用)兩個過程[6]。在植物組織中，磷元素主要以磷酸根離子或化合物的形態(tài)存在，極易被淋溶而損失[19]。白蠟凋落葉中P元素經(jīng)歷淋溶階段時間較短，12 h水體TP即達(dá)峰值，其原因可能是葉片中不穩(wěn)定P在淋溶階段的快速釋放造成的。之后，磷呈現(xiàn)出明顯的吸附過程，84 h時水體TP值最低，可能是因為凋落葉自身缺乏包括P在內(nèi)的N、S等大量元素[20]，難以滿足微生物生長生存的需要，微生物就會從外界環(huán)境中吸收已釋放的磷元素來滿足自身生長生理活動所需[21]，這樣便引起了磷元素的吸收。當(dāng)微生物從外界環(huán)境中吸收的營養(yǎng)元素達(dá)到某一閾值時才會分解凋落物中的養(yǎng)分[11]，造成了白蠟凋落葉中P的再次釋放。凋落葉中P元素這種釋放—吸收—釋放的模式與長期實驗中P的動態(tài)變化特征相似[10]。

凋落葉在水體的分解過程中，氮的動態(tài)變化一般分為淋溶(N釋放)、固定(N吸收)、礦化(N釋放)3個階段，最初的淋溶為氮的快速釋放[6，17]。經(jīng)過淋溶階段后，葉片和水中的微生物開始強(qiáng)烈活動，對N的大量需求使其將水體中的無機(jī)N迅速轉(zhuǎn)化為自身蛋白質(zhì)，水中養(yǎng)分開始向凋落葉轉(zhuǎn)移以滿足微生物的生長，表現(xiàn)為氮的吸收現(xiàn)象[15，17]。作為決定植物生長和微生物礦化有機(jī)質(zhì)的重要影響因子，氮的釋放還受到初始氮質(zhì)量濃度以及C與N質(zhì)量濃度比的重要影響[22]。C與N質(zhì)量濃度比和C與P質(zhì)量濃度比是影響枯落物分解的重要指標(biāo)。因此，受多方面因素的影響，白蠟凋落葉中N素的復(fù)雜變化使得水體TN質(zhì)量濃度呈復(fù)雜的雙峰波浪型趨勢。長期實驗表明，凋落物分解過程中氮、磷的動態(tài)變化大致分為釋放、吸收、釋放3個階段[10，12]，但也有研究表明，凋落葉分解過程中N元素動態(tài)變化并沒有表現(xiàn)出一致的規(guī)律，多數(shù)研究中氮的變化無規(guī)律[23]。

水體中DMn質(zhì)量濃度在12 h內(nèi)顯著上升至峰值后下降，隨后呈波狀波動的變化趨勢，說明凋落葉中還原性無機(jī)物和可被氧化的有機(jī)物質(zhì)量濃度變化趨勢為明顯釋放后的波動吸收—釋放動態(tài)，可能也是淋溶現(xiàn)象和微生物共同作用的結(jié)果。

綜上，白蠟凋落葉在水體分解過程中，氮元素呈現(xiàn)出釋放—吸收—釋放—吸收—再釋放的復(fù)雜波動型變化；磷元素變化特征為釋放—吸收—釋放；DMn質(zhì)量濃度表現(xiàn)為上升—下降—波動變化特征，整體上都表現(xiàn)為元素的釋放過程，水體TN、TP、DMn質(zhì)量濃度整體升高。但釋放物對水體TP和DMn質(zhì)量濃度的影響集中于落葉浸泡12 h內(nèi)，而氮在24 h內(nèi)有兩次明顯的釋放高峰，于132 h仍有釋放高峰。影響白蠟凋落葉分解的因素主要包括微生物的分解活性、葉片的組織結(jié)構(gòu)和凋落物本身所含的元素種類及質(zhì)量濃度等，具體作用還需進(jìn)一步分析研究。