东平湖菹草腐烂对上覆水碳氮磷浓度的影响

　收稿日期：２０１５０１２１　基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１４０１５６３，４１３０１５４４，４１２０１０９４）；山东省自然科学基金资助项目（ＺＲ２０１４ＪＬ０２８，ＺＲ２０１０ＤＬ００８，ＺＲ２０１２ＤＱ００３）。　作者简介：邓焕广（１９７８—），男，山东聊城人，讲师，博士，主要从事城市水环境和水资源方面的教学和研究工作。　Ｅｍａｉｌ：[e-mail]【水环境与水生态】东平湖菹草腐烂对上覆水碳氮磷浓度的影响邓焕广１，张　菊１，吴金甲１，姚　昕１，王　倩１，陈诗越２（１．聊城大学环境与规划学院，山东聊城２５２０００；２．江苏师范大学城市与环境学院，江苏徐州２２１０００）摘　要：为研究东平湖不同生物量菹草腐烂对上覆水中碳氮磷浓度的影响，将杀青后的菹草按１、５、１０ｇ／Ｌ的生物量分别投放进装有超纯水的烧杯中，并分别置于２５℃的恒温培养箱中进行恒温培养。在不同时刻测定了上覆水中总碳（ＴＣ）、总氮（ＴＮ）、总磷（ＴＰ）的浓度，并计算了碳氮磷的累计释放量和单位质量累计释放量。结果表明：菹草腐烂过程中，上覆水中ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ的浓度及其累计释放量均随菹草生物量的增加而显著增加，但低生物量（１ｇ／Ｌ）下ＴＣ、ＴＮ的单位质量累计释放量显著高于其他两个生物量下的；各生物量下上覆水中Ｃ／Ｎ为０．５４～０．５９，随时间变化较小；菹草腐烂过程中Ｎ的相对污染负荷大于Ｐ的。关　键　词：菹草；腐烂；营养元素；释放；东平湖中图分类号：Ｘ５２４　　　文献标志码：Ａ　　　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１３７９．２０１５．１２．０１７　　菹草茎、叶对水体中营养物质、重金属和有机污染物具有较强的吸收能力，能够抑制藻类的过量生长，增强水体透明度，是富营养化水体控制和水环境生态修复的常用物种之一［１－２］。菹草秋季发芽，冬春生长，初夏逐渐衰亡腐烂［３］。菹草生长具有暴发性的特点，易在富营养化水体中过量生长，形成极大的初级生产力，但在集中衰亡期会向水体释放大量的营养物质和有机物质并消耗水体中的溶解氧［４－５］，从而对水质造成显著影响。当前对于菹草等沉水植物衰亡后营养物质释放研究的主要元素为Ｎ和Ｐ，且多集中于腐烂过程中物质的释放特征［５－６］、对水质的影响［７－８］以及环境条件对腐烂过程中营养盐释放的影响等［９－１０］，而对于因单位水体内菹草腐烂生物量不同而导致上覆水中总碳（ＴＣ）、总氮（ＴＮ）、总磷（ＴＰ）浓度变化以及累计释放量差异的研究较少。东平湖是南水北调东线工程的重要调蓄站、山东省西水东输工程的水源地，是典型的浅水型湖泊，单位水体菹草生物量大，集中衰亡时易出现水质恶化、鱼类大量死亡等现象［１１］。自然条件和人为活动的区域差异导致东平湖不同区域菹草生物量分布不同，同时在衰亡腐烂期，风浪作用也会导致不同区域单位水体中菹草生物量存在较大差异。研究菹草腐烂过程中生物量差异对水体中ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ浓度变化和累计释放量的影响，能够为湖泊富营养化防治过程中沉水植物可能产生的环境负效应研究提供基础数据。１　材料与方法１．１　样品采集与处理根据东平湖菹草的发育历期［１１］，２０１１年５月初菹草生长旺盛期在东平湖采集长短大体一致的整株菹草。在实验室分别用自来水和去离子水清洗３次后，用滤纸吸干水分，去根按株摆放于托盘中。在１０５℃烘箱杀青３０ｍｉｎ后，在６０～７０℃下烘至恒重［２］。１．２　实验过程和分析方法根据张金路等［１１］对东平湖５月份菹草生物量的调查，可初步估算单位水体中菹草的平均鲜质量为１３０８ｇ／ｍ３，按菹草平均含水率为９０％计，可得单位水体菹草平均干质量为０．１３ｇ／Ｌ。由于东平湖菹草生物量分布的不均一性，以及菹草衰亡后受风等外动力条件影响易发生高度聚集，因此实验共设置了１、５、１０ｇ／Ｌ共３种生物量，分别用生物量－１、生物量－２、生物量－３表示。２０１１年６月初，分别称取２、１０、２０ｇ干菹草置于同一型号的大烧杯中，缓慢加入２Ｌ超纯水后将烧杯放入２５℃恒温培养箱内培养。实验开始后的第１、２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８、２０、２２、２５、２７、３０、３２、５９、６２、６５、８６、９６ｄ，采用注射器（连接有１０ｃｍ长的塑料管）采集中间水深处水样５０ｍＬ。每次采样后用超纯水将烧杯内水样体积补至采样前水平。水样中ＴＣ和ＴＮ的浓度采用德国ＥＬＥＭＥＭＴＡＲ公司生产的ｌｉｑｕｉｄＴＯＣⅡ总有机碳总氮分析仪测定，ＴＰ浓度采用过硫酸钾氧化－钼锑抗分光光度法测定［１２］。·５６·第３７卷第１２期　　　　　　　　　　　　　　　　　　人　民　黄　河　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１２　　２０１５年１２月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＹＥＬＬＯＷ　ＲＩＶＥＲ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｄｅｃ．，２０１５　　１．３　数据计算与分析净累计释放量（简称累计释放量）计算公式［２］：Ｒａ＝ＶｉＣｉ＋∑ｉ－１ｊ＝１ＶｓｊＣｊ式中：Ｒａ为菹草腐烂过程中向上覆水释放ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ的累计释放量，ｍｇ；Ｖｉ为第ｉ次采样前溶液总体积，ｍＬ；Ｃｉ为第ｉ次采样样品中营养元素的浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｖｓｊ为第ｊ次采样的体积，ｍＬ；Ｃｊ为第ｊ次采样样品中营养元素的浓度，ｍｇ／Ｌ；ｉ＝１，２，…，２１；ｊ＝０，１，２，…，２０。累计释放量与菹草干质量的比值即为单位质量菹草的累计释放量［１３］。数据的统计分析均采用专业统计分析软件ＳＰＳＳ１８．０完成。２　结果与讨论２．１　上覆水中ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ的浓度变化不同生物量菹草腐烂过程中ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ浓度和Ｃ／Ｎ变化见图１，可以看出，单位水体不同生物量菹草腐烂过程中，同一时刻上覆水中ＴＣ、ＴＮ和ＴＰ的浓度变化总体表现为随生物量的增加而升高的趋势；各生物量下上覆水中ＴＰ的浓度变化趋势较为一致，在实验开始后的１～２ｄ内浓度达到峰值，随后ＴＰ浓度逐渐降低；各生物量下ＴＣ、ＴＮ的浓度变化趋势存在一定差异，生物量－１中ＴＣ和ＴＮ的浓度逐渐增大，在腐烂的第２２ｄ达到峰值，随后浓度逐渐减小，而生物量－２和生物量－３中ＴＣ和ＴＮ的浓度在腐烂初期的１～６ｄ即达到峰值，随后浓度逐渐波动下降；各生物量下上覆水中Ｃ／Ｎ为０．５４～０．５９，随时间略有波动（标准偏差为０．０１～０．０２），生物量－２和生物量－３的Ｃ／Ｎ略低于生物量－１的。水体中ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ浓度的变化主要与植物分解过程中元素Ｃ、Ｎ、Ｐ的释放和迁移转化有关，元素Ｃ、Ｎ、Ｐ在植物体内的存在形式对其释放影响较大［１４－１５］。分解前期主要是易溶物质的迅速洗脱过程，而分解后期一般受微生物分解者的生物化学过程控制［１３－１５］。易溶物质的洗脱是一个物理过程，是实验初期水体中ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ浓度迅速升高的主要原因。植物体内Ｃ和Ｎ元素除了以易流失部分存在外，还大量存在于不易分解的部分（如纤维素和木质素等），而Ｐ元素主要存在于一些生物活性物质中，这些物质易于分解，可优先释放出Ｐ元素，而纤维素等比较难以分解的物质中不含Ｐ［１５］，因此上覆水中ＴＰ较ＴＣ和ＴＮ更早出现峰值。虽然实验中采用超纯水为浸泡水源，实验初期生物化学作用微小，但随着实验的进行，水中生物作用不断发展。一方面，在微生物作用下，部分Ｃ和Ｎ转化成气体进入空气［１６－１７］，同时菹草残体和容器壁也可对上覆水中的Ｃ、Ｎ和Ｐ产生吸附［１８］；另一方面，难分解物质如纤维素不断积累，分解速率降低，导致水体中ＴＣ、ＴＮ和ＴＰ浓度显著降低。在实验后期（３０ｄ后）菹草残体Ｃ、Ｎ、Ｐ的释放与吸附沉降和微生物的转化作用等过程消耗的Ｃ、Ｎ、Ｐ逐渐达到动态平衡，上覆水中ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ的浓度变化较小。图１　不同生物量菹草腐烂过程中ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ浓度和Ｃ／Ｎ变化２．２　菹草腐烂过程中Ｃ、Ｎ、Ｐ的释放特征比较由不同生物量菹草腐烂过程中ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ累计释放量和单位质量累计释放量变化（见图２）可以看出，菹草腐烂分解过程中同一时刻ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ的累计释放量总体上表现为随生物量的增加而上升，各生物量下ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ累计释放量的变化与上覆水中ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ·６６·人民黄河　２０１５年第１２期浓度的变化趋势（见图１）较为一致；各生物量下ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ的单位质量累计释放量变化与累计释放量有较为显著的差异，主要表现在生物量－１的ＴＣ、ＴＮ单位质量累计释放量显著高于生物量－２、生物量－３的。在低生物量情况下，水体溶解氧恢复较快［１９］，有利于菹草的腐烂分解，单位质量ＴＮ、ＴＰ的释放量较高；在较高生物量下，尽管ＴＮ和ＴＰ的累计释放量较大，但由于溶解氧消耗过快，水体长期处于低氧或厌氧状态［１９］，抑制了菹草的腐烂分解，因此ＴＮ、ＴＰ单位质量累计释放量降低。图２　不同生物量菹草腐烂过程中ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ累计释放量和单位质量累计释放量变化　　不同生物量菹草腐烂过程中，ＴＣ和ＴＮ的累计释放量和单位质量累计释放量均存在极显著的相关关系（显著性水平ｐ＜０．００１），其Ｓｐｅａｒｍａｎ相关系数按生物量从低到高分别为０．９９５、０．９９６、０．９９５；ＴＰ与ＴＣ、ＴＮ的累计释放量和单位质量累计释放量均不存在显著相关性（显著性水平ｐ＞０．０５）。由此可见，菹草腐烂过程中ＴＣ和ＴＮ的释放量变化具有高度一致性，而ＴＰ和ＴＣ、ＴＮ的变化没有一致性。主要原因是，Ｃ、Ｎ的释放伴随着整个菹草分解过程，而Ｐ的释放主要集中于菹草分解的初期［５］。２．３　不同生物量菹草腐烂过程中Ｃ、Ｎ、Ｐ释放危害分析根据《地表水环境质量标准》（ＧＢ３８３８—２００２），Ⅲ类水ＴＮ的浓度限值为１．０ｍｇ／Ｌ，湖、库水ＴＰ的浓度限值为０．０５ｍｇ／Ｌ，由此可得Ⅲ类水Ｎ／Ｐ标准为２０。菹草腐烂过程中单位质量ＴＮ和ＴＰ释放量比值的变化见图３，与Ⅲ类水Ｎ／Ｐ标准比较发现，除生物量－１的第１ｄ和生物量－２的第１、２、４、１０ｄ的Ｎ／Ｐ低于２０外，其余情况下的Ｎ／Ｐ均高于２０，表现为ＴＮ的污染负荷较高。Ｎ／Ｐ整体表现为先上升后下降趋势，生物量－２的Ｎ／Ｐ最大值出现在第６５ｄ，生物量－１和生物量－３的Ｎ／Ｐ最大值出现在第１８～２２ｄ。在实验初期，Ｐ的集中释放显著降低了Ｎ／Ｐ，而随着含氮碎片矿化作用的发展和Ｐ释放的减缓［６］，Ｎ／Ｐ显著上升；在实验后期，由于含氮碎片矿化速率减小，Ｎ释放量降低，Ｎ／Ｐ有所下降。不同生物量下Ｎ／Ｐ的变化总体表现为生物量－１＞生物量－３＞生物量－２，生物量－１的Ｎ／Ｐ平均值为５５．６，分别是生物量－２和生物量－３的２．３、１．４倍。生物量－１下单位质量ＴＮ的释放量明显高于生物量－２和生物量－３的（见图２），因此生物量－１的Ｎ／Ｐ明显高于生物量－２和生物量－３。图３　菹草腐烂过程中单位质量ＴＮ和ＴＰ累计释放量比值变化３　结　语菹草腐烂过程中上覆水ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ浓度随生物量的增加而升高，各生物量下ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ浓度随时间总体呈现先升高后降低趋势，但Ｐ的释放明显超前于Ｃ和Ｎ，Ｃ／Ｎ为０．５４～０．５９，变化较小。ＴＣ、ＴＮ、ＴＰ累计释放量随生物量的增加而显著升高，但单位质量累计·７６·人民黄河　２０１５年第１２期释放量表现为低生物量下较高；各生物量下ＴＣ、ＴＮ释放量的变化具有高度一致性，而ＴＰ与ＴＣ、ＴＮ的变化没有一致性。各生物量下菹草腐烂对上覆水的影响均表现为Ｎ的相对污染负荷比Ｐ大。参考文献：［１］　ＭＩＷＪ，ＺＨＵＤＷ，ＺＨＯＵＹＹ，ｅｔａｌ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＰｏｔａｍｏｇｅｔｏｎＣｒｉｓｐｕｓＧｒｏｗｔｈｏｎＮｕｔｒｉｅｎｔｓｉｎｔｈｅＳｅｄｉｍｅｎｔａｎｄＷａｔｅｒｏｆＬａｋｅＴａｎｇｘｕｎｈｕ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏｂｉｏｌｏｇｉａ，２００８，６０３：１３９－１４６．［２］　卢少勇，陈建军，覃进，等．扰动强度对菹草浸泡过程中氮磷碳释放的影响［Ｊ］．环境科学，２０１１，３２（７）：１９４０－１９４４．［３］　宋康，王国祥，王文林，等．菹草生长对沉积物间隙水中各形态磷浓度的影响［Ｊ］．生态与农村环境学报，２０１２，２８（２）：１６５－１７０．［４］　顾久君，金朝晖，刘振英．乌梁素海沉水植物腐烂分解试验研究［Ｊ］．干旱区资源与环境，２００８，２２（４）：１