王立志，王國(guó)祥

(1.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臨沂大學(xué)，臨沂 276000;2.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇省環(huán)境演變及生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210046)

在湖泊生態(tài)修復(fù)的方法中，恢復(fù)和重建水生植被的生態(tài)修復(fù)方法已成為湖泊修復(fù)的重要途徑，其重點(diǎn)和難點(diǎn)在于沉水植物的恢復(fù)和重建［1］。沉水植物作為水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，對(duì)整個(gè)水體生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能及系統(tǒng)穩(wěn)定性有決定性的影響［2］。大量研究表明環(huán)境因子pH、DO和Eh等能夠影響水-沉積物界面的磷循環(huán)過(guò)程［3-5］。然而在較大的湖泊中卻較難通過(guò)人工的方法改變湖泊整體的環(huán)境因子，而沉水植物在生長(zhǎng)過(guò)程中可以通過(guò)光合作用等對(duì)周圍環(huán)境因子產(chǎn)生影響，改變水體的pH、DO和Eh等。因此，在大型淺水湖泊中可以采用種植沉水植物的方式來(lái)對(duì)環(huán)境因子產(chǎn)生影響，從而達(dá)到影響水—沉積物界面磷遷移轉(zhuǎn)化的目的［6-7］。但是沉水植物的生長(zhǎng)具有一定的周期性，多數(shù)沉水植物在7—8月，隨著氣溫的升高進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)期，生物量達(dá)到最大，而在秋、冬季逐漸凋謝死亡，只有少數(shù)種類(如眼子菜、伊樂(lè)藻、菹草等)可以過(guò)冬［8-10］。

沉水植物在衰亡期，植株死亡并逐漸腐敗分解，衰亡的沉水植物向水體和沉積物釋放的營(yíng)養(yǎng)鹽將在春季氣溫回暖后對(duì)對(duì)水體環(huán)境產(chǎn)生較大的影響［11］。目前對(duì)沉水植物的環(huán)境效應(yīng)的研究多集中在植物的生長(zhǎng)期，而對(duì)沉水植物衰亡期的環(huán)境效應(yīng)研究較少。因此，本實(shí)驗(yàn)在模擬的條件下利用不同季節(jié)衰亡的沉水植物進(jìn)行研究，探討沉水植物在衰亡期對(duì)水體和沉積物各形態(tài)磷的影響，分析環(huán)境因子(pH、DO和Eh)的變化和磷遷移之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

1.1 材料與設(shè)計(jì)

底質(zhì)采自南京富營(yíng)養(yǎng)化水華爆發(fā)水體 (32°06'10.36″N，118°54'13.75″E)，采集后樣品低溫風(fēng)干后過(guò)100目篩，去除粗粒及動(dòng)植物殘?bào)w，然后充分混勻。將混勻后的底質(zhì)加入高密度聚乙烯桶(頂直徑 ×底直徑×高=55cm×45 cm×75 cm，預(yù)先經(jīng)過(guò)5% 的HCl處理后沖洗干凈)，底質(zhì)平均厚度為10cm，底質(zhì)干重為4821.00g。然后緩慢注入水100L。

按照植物的頂冠特征、根系狀況和衰亡季節(jié)的不同，分別選取沉水植物黑藻、苦草和菹草作為實(shí)驗(yàn)植物，以最大限度說(shuō)明不同沉水植物不同季節(jié)衰亡期對(duì)水和沉積物磷遷移的影響。黑藻頂冠蓬散，根系退化嚴(yán)重，每年秋季進(jìn)入衰亡期;苦草頂冠帶狀，根系較發(fā)達(dá)，每年秋季進(jìn)入衰亡期;菹草頂冠蓬散，根系退化，每年春末夏初進(jìn)入衰亡期。

秋季實(shí)驗(yàn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)桶裝置總計(jì)9桶，其中沉水植物苦草((835±25)g鮮重)和黑藻((660±16)g鮮重)分別種植3桶，另外3桶不進(jìn)行沉水植物種植作為對(duì)照組。

春季實(shí)驗(yàn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)桶裝置總計(jì)6桶，其中沉水植物菹草((476±12)g鮮重)種植3桶，另外3桶不進(jìn)行沉水植物種植作為對(duì)照組。

沉水植物黑藻、苦草和菹草經(jīng)馴化培養(yǎng)2個(gè)月后，選擇性狀均一的植株體，均勻種植于實(shí)驗(yàn)桶。

實(shí)驗(yàn)在溫室玻璃房?jī)?nèi)進(jìn)行，春季實(shí)驗(yàn)時(shí)間為4—7月。秋季實(shí)驗(yàn)為10月—翌年1月。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)水、底泥、植物和藻類初始值如表1所示。

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5，20cm和45cm處的等體積水(50mL)混勻。每次取水后添加等體積的無(wú)磷水，以彌補(bǔ)取樣帶來(lái)的水損耗，并每月按照蒸發(fā)量添加無(wú)磷水，彌補(bǔ)蒸發(fā)帶來(lái)的水損耗。上覆水TP和DTP，濃度測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀氧化法;DTP濃度的測(cè)定:將水樣預(yù)先過(guò)0.45μm孔徑的醋酸纖維濾膜，而后用過(guò)硫酸鉀氧化法;SRP濃度的測(cè)定:將水樣預(yù)先過(guò)0.45μm孔徑的醋酸纖維濾膜，而后用鉬-銻-鈧比色法。磷濃度用Skalar(荷蘭)流動(dòng)分析儀測(cè)定。PP濃度為TP濃度與DTP濃度之差，DOP濃度為DTP濃度與SRP濃度之差。每個(gè)樣品均重復(fù)測(cè)定3次。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)水、底泥、植物和藻類初始值Table1 Initial value of water sediment plant and algae in the experimental system

沉積物采用微型柱狀采泥器采集，沉積物樣品每次均勻采集5個(gè)微型柱狀樣(橫切面直徑2cm)，采集后的樣品室溫(25℃)風(fēng)干，然后對(duì)風(fēng)干前后的樣品稱重以計(jì)算由采樣帶來(lái)的總體磷和水量的損耗。將風(fēng)干后沉積物樣品與植物根系分離，過(guò)100目篩后充分混勻，然后進(jìn)行沉積物中各形態(tài)磷分析。采集沉積物樣品的同時(shí)采集植物樣品，測(cè)定生物量，并分析植物中磷含量。沉積物樣品磷形態(tài)分析采用國(guó)際通用的SMT(Standard Measurements and Testing)法［12］。pH和Eh測(cè)定采用上海雷磁(PHSJ-4A)測(cè)定儀測(cè)定。DO采用YSI 5750(美國(guó))測(cè)定。

在沉水植物衰亡期，統(tǒng)計(jì)沉水植物黑藻、苦草和菹草不同衰亡階段的長(zhǎng)度(X1，cm)，其中黑藻和菹草株高為植株主干長(zhǎng)度和各級(jí)繁殖芽長(zhǎng)度之和，地下部分根系的平均長(zhǎng)度折算入植株主干長(zhǎng)度?？嗖莞迪鄬?duì)較發(fā)達(dá)，對(duì)地下根系總數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用地下根系總數(shù)除地上葉片總數(shù)的方法，將根系均勻分配到葉片之中，然后統(tǒng)計(jì)其平均長(zhǎng)度，折算成苦草的總長(zhǎng)度。并統(tǒng)計(jì)苦草的葉片寬度(X2，cm)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)建立不同植物生物量(W，g)和長(zhǎng)度之間的函數(shù)關(guān)系，以推算沉水植物在生長(zhǎng)過(guò)程中的生物量，生物量為植物濕重。不同沉水植物生長(zhǎng)期的生物量函數(shù)推算關(guān)系為:

對(duì)沉水植物采樣后稱量沉水植物的濕重和干重，以計(jì)算由于植物采樣對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體帶來(lái)了磷損耗。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 上覆水各形態(tài)磷含量的變化

在秋季實(shí)驗(yàn)中，黑藻組各形態(tài)磷含量均顯著高于對(duì)照組［圖1］。黑藻組各形態(tài)磷的變化呈明顯的單峰曲線，各形態(tài)磷含量在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后迅速升高，并在實(shí)驗(yàn)第40天達(dá)到最大值(TP，0.63 mg/L)。然后在實(shí)驗(yàn)第50—110天期間，水體中各形態(tài)磷含量緩慢降低，到實(shí)驗(yàn)結(jié)束水體中TP含量為0.23 mg/L，仍然處于一個(gè)相對(duì)較高的水平。而對(duì)照組各形態(tài)磷的含量均保存在一個(gè)相對(duì)較為平穩(wěn)的水平，無(wú)明顯的波動(dòng)(0.05—0.09 mg/L)。t檢驗(yàn)表明，黑藻組在衰亡過(guò)程中能夠使得水體中各形態(tài)磷的含量顯著升高(P＜0.05)。

在秋季實(shí)驗(yàn)中，t檢驗(yàn)表明，苦草組各形態(tài)磷的含量與對(duì)照組均無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。而且，苦草組各形態(tài)磷含量的變化相對(duì)較平穩(wěn)(TP，0.04—0.06 mg/L)，在實(shí)驗(yàn)第40天略有上升，然后保持在相對(duì)較穩(wěn)定的水平(圖1)?？嗖萁M在實(shí)驗(yàn)期間TP的含量低于對(duì)照組，苦草在衰亡分解期間并未引起水體中各形態(tài)磷含量的顯著升高。

在春季實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，菹草組各形態(tài)磷的含量均顯著升高(P＜0.05，t檢驗(yàn))。菹草組在衰亡期間水體各形態(tài)磷含量的變化趨勢(shì)和黑藻組類似，呈明顯的單峰曲線變化，在實(shí)驗(yàn)第70天時(shí)水體各形態(tài)磷的含量達(dá)到最大值(TP，0.63 mg/L)，然后在實(shí)驗(yàn)后期緩慢降低，到實(shí)驗(yàn)結(jié)束水體中TP的含量為0.18mg/L(圖1)。其他各形態(tài)磷的變化趨勢(shì)均和TP類似，只是PP的峰值相對(duì)較為平緩，變化相對(duì)緩和。因此，菹草在衰亡期間能使得水體中各形態(tài)磷的含量顯著升高。

圖1 實(shí)驗(yàn)期間黑藻組、苦草組、菹草組和對(duì)照組上覆水各形態(tài)磷含量變化Fig．1 Changes in different phosphorus concentrations of Group H．Verticillata ，V．natans and P．crispus in overlying water during the experiment course

2.2 沉積物各形態(tài)磷含量的變化

在秋季實(shí)驗(yàn)中，黑藻組各形態(tài)磷的含量均表現(xiàn)出不同程度的上升趨勢(shì)，但是，t檢驗(yàn)表明，黑藻組和對(duì)照組各形態(tài)磷的含量差異性均不顯著(P＞0.05)。和實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)相比較，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)黑藻組沉積物中TP、NaOH-P、HCl-P、IP和OP分別上升了4.61%、5.33%、4.89%、6.17% 和2.02%。t檢驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)黑藻組沉積物中TP、NaOH-P、HCl-P、IP和OP升高均未達(dá)到顯著性水平(P＞0.05)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中TP有較大的升高，TP含量在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)為770.17 mg/kg，和初始值比上升了33.92 mg/kg。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)IP和OP分別上升了28.33和4.66 mg/kg，IP和OP升高磷含量分別占TP升高量的83.54%和13.75%。NaOH-P和HCl-P在實(shí)驗(yàn)結(jié)束分別升高了13.50和14.08 mg/kg，分別占TP升高量的39.80%和41.52%(圖2)。

在秋季實(shí)驗(yàn)中，苦草組各形態(tài)磷含量均呈小幅度上升趨勢(shì)。和實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)相比較，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)苦草組沉積物中TP、NaOH-P、HCl-P、IP和OP分別上升了2.08%、3.03%、1.47%、2.67%和1.05%。t檢驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)黑藻組沉積物中TP、NaOH-P、HCl-P、IP和OP升高均未達(dá)到顯著性水平(P＞0.05)。TP含量在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)有小幅度升高(升高了14.68 mg/kg)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)IP和OP分別上升了12.06和2.19 mg/kg，分別占TP升高量的82.11%和14.94%(圖2)。NaOH-P和HCl-P在實(shí)驗(yàn)結(jié)束分別升高了7.05和mg/kg，分別占TP升高量的48.04%和21.19%。

在春季實(shí)驗(yàn)中，菹草組各形態(tài)磷含量均呈較大幅度上升趨勢(shì)。和實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)相比較，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)苦草組沉積物中TP、NaOH-P、HCl-P、IP和OP分別上升了6.13%、10.67%、3.62%、7.36%和3.94%。t檢驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)黑藻組沉積物中TP、NaOH-P、HCl-P、IP和OP升高均未達(dá)到顯著性水平(P＞0.05)。TP含量在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)有較大幅度升高(升高了42.17 mg/kg)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)IP和OP均呈升高趨勢(shì)，IP和OP分別上升了32.41和8.16 mg/kg，分別占TP升高量的76.84%和19.34%(圖2)。因此IP占了TP升高量的主要部分。NaOH-P和HCl-P在實(shí)驗(yàn)結(jié)束分別升高了21.58和9.34 mg/kg，分別占TP升高量的51.17%和22.15%，因此NaOH-P是TP升高量的重要組成部分。

圖2 實(shí)驗(yàn)期間黑藻組、苦草組、菹草組和對(duì)照組沉積物各形態(tài)磷含量變化Fig．2 Changes in different phosphorus concentrations of Group H．Verticillata ，V．natans and P．crispus in sediment during the experiment course

3 討論

3.1 沉水植物衰亡期對(duì)上覆水磷含量的影響

3.1.1 沉水植物生物量變化對(duì)上覆水各形態(tài)磷的影響

由于植物自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不同的沉水植物在衰亡期分解速率存在較大的差異。頂冠蓬傘狀黑藻和菹草在衰亡期分解速率相對(duì)較高，而苦草在衰亡期分解速率相對(duì)較低。在本實(shí)驗(yàn)條件下秋季實(shí)驗(yàn)中黑藻分解速率在前40d最大(平均8.39 g/d)，在40—80d黑藻分解速率平均為4.12 g/d，80—110d為2.10 g/d(圖3)。因此，黑藻在前40天較快的分解速率是實(shí)驗(yàn)期間上覆水中各形態(tài)磷含量在第40天達(dá)到最大值的主要原因。黑藻的快速分解向水體釋放大量的磷，這是導(dǎo)致水體中磷含量迅速升高的主要原因。

在春季實(shí)驗(yàn)中，0—30，30—70，70—120，120—140d 中沉水植物菹草的分解速率分別為:3.73，5.93，0.77，1.32 g d-1桶-1(圖3)。在實(shí)驗(yàn)第0—70天菹草分級(jí)為速率較高，這是導(dǎo)致水體中磷含量迅速升高的主要原因。

在秋季實(shí)驗(yàn)中，苦草組水體中各形態(tài)磷含量均無(wú)明顯的波動(dòng)，這和苦草較低分解速率有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中苦草平均分解速率為1.60 g/d。較低的分解速率給沉積物以充足的緩沖時(shí)間，這是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)期間苦草組上覆水中各形態(tài)磷含量變化相對(duì)較平穩(wěn)且較低的主要原因。

圖3 實(shí)驗(yàn)期間各生物的生物量變化Fig．3 Changes of biomass during the experiment course

3.1.2 水體環(huán)境因子的改變對(duì)上覆水各形態(tài)磷的影響

水體環(huán)境因子的改變影響著沉積物對(duì)水體中磷的吸收與釋放過(guò)程，研究表明較高的DO和Eh有利于沉積物對(duì)磷的吸收［13-15］。當(dāng)水體控制在好氧狀態(tài)時(shí)，底泥的磷釋放量小于厭氧狀態(tài)下的釋放量。溶解氧充足情況下，表層底泥氧化還原電位較高，利于Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，F(xiàn)e3+與磷酸鹽結(jié)合成難溶的磷酸鐵，使好氧狀態(tài)下底泥對(duì)磷的釋放作用減弱。厭氧時(shí)，F(xiàn)e3+還原成Fe2+，一方面使脫離原來(lái)沉淀狀態(tài)進(jìn)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(shí)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［16-17］。

在秋季實(shí)驗(yàn)中黑藻組在實(shí)驗(yàn)第40天植物分解速率較大，因此水體中DO的含量及Eh較低，但在后期的實(shí)驗(yàn)中由于黑藻分解速率的降低水體中DO和Eh也緩慢上升。另外冬季是水體溶解氧周年變化中的最大值，所以DO的含量在實(shí)驗(yàn)期間整體變化呈上升趨勢(shì)(圖4)。

黑藻組水體DO和Eh在實(shí)驗(yàn)前40d的降低抑制了沉積物對(duì)水體磷的吸收速率，而在后期的升高則促進(jìn)了沉積物對(duì)水體磷的吸收。因此水體環(huán)境因子DO和Eh的變化是水體中磷含量先升高后下降的一個(gè)重要原因。由于黑藻的分解釋放大量的磷到水中，外加DO和Eh的降低，從而降低了沉積物對(duì)水體中磷的吸收速率，所以在兩者共同作用下，使得水體中各形態(tài)磷的含量在實(shí)驗(yàn)第40天左右呈現(xiàn)最大值。

黑藻組pH的變化相對(duì)較平穩(wěn)，呈弱堿性(圖4)，和對(duì)照組無(wú)明顯差異(P＞0.05)，因此可認(rèn)為黑藻衰亡對(duì)水體pH的影響不顯著。但是水體還是處于堿性環(huán)境中，由于堿性環(huán)境下有利于沉積物磷的釋放，所以在黑藻衰亡期pH的改變一直促進(jìn)沉積物磷的釋放。但實(shí)驗(yàn)后期水體中各形態(tài)磷含量的降低表明，沉積物對(duì)水體各形態(tài)磷的吸收速率大于釋放速率。

黑藻組水體各形態(tài)磷含量和環(huán)境因子相關(guān)分析(表2)表明，水體中各形態(tài)磷的含量和環(huán)境因子均呈不同程度的負(fù)相關(guān)，其中DO與TP、SRP相關(guān)性顯著，pH與TP、DTP、PP、SRP相關(guān)性顯著，Eh與TP、DTP、SRP相關(guān)性顯著，部分環(huán)境因子與水體中磷含量相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。因此，在沉水植物黑藻衰亡分解期間，水體中TP和SRP的含量受環(huán)境因子DO、pH和Eh影響顯著;DTP的含量受pH和Eh的影響顯著;PP的含量受pH的影響顯著;環(huán)境因子對(duì)DOP無(wú)顯著影響。

圖4 實(shí)驗(yàn)期間上覆水各環(huán)境因子變化Fig．4 Changes in different environmental factors during the experiment course

在秋季實(shí)驗(yàn)中，苦草組環(huán)境因子的變化趨勢(shì)和黑藻組略有不同。苦草組DO和Eh的變化在實(shí)驗(yàn)期間一直處于平穩(wěn)上升趨勢(shì)，無(wú)明顯的下降(圖4)，且苦草組DO和Eh和含量和對(duì)照組無(wú)顯著差異(P＞0.05)，因此可認(rèn)為，苦草在衰亡期對(duì)水體DO和Eh的影響不顯著?？嗖萁MpH在實(shí)驗(yàn)期間幾乎無(wú)明顯的波動(dòng)，變化平穩(wěn)，因此苦草在衰亡期對(duì)pH也無(wú)顯著影響。

苦草組水體各形態(tài)磷含量和環(huán)境因子相關(guān)分析(表2)表明，水體中各形態(tài)磷的含量和環(huán)境因子均無(wú)顯著相關(guān)，可推論在苦草衰亡分解期間，水體中環(huán)境因子的改變對(duì)水體各形態(tài)磷含量無(wú)顯著影響。因此，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在苦草衰亡期間水體中環(huán)境因子的改變并未顯著影響水體中各形態(tài)磷的含量。

在春季實(shí)驗(yàn)中，DO和Eh的變化趨勢(shì)類似，均在實(shí)驗(yàn)第70天達(dá)到最低值后緩慢上升(圖4)。而DO和Eh的降低則抑制沉積物對(duì)水體磷的吸收，同時(shí)，此時(shí)期菹草的分解速率達(dá)到最大，所以水體中磷的含量在實(shí)驗(yàn)第70天達(dá)到最大值。然后隨著DO和Eh的升高，沉積物對(duì)水體中磷的吸收能力增加，而此時(shí)菹草衰亡分解速率降低，所以在實(shí)驗(yàn)后期水體中磷的含量逐漸降低。實(shí)驗(yàn)期間菹草組水體中pH和對(duì)照組無(wú)顯著性差異(P＞0.05)，且水體處于堿性環(huán)境中，因此，菹草分解期間可認(rèn)為對(duì)水體中pH的影響不顯著。但是較高的pH仍促進(jìn)沉積物向水體釋放磷。實(shí)驗(yàn)后期水體中各形態(tài)磷含量的降低表明，沉積物對(duì)水體各形態(tài)磷的吸收速率大于釋放速率。

菹草組水體各形態(tài)磷含量和環(huán)境因子相關(guān)分析(表2)表明，水體中TP、DTP、PP和SRP的含量和環(huán)境因子均呈不同程度的負(fù)相關(guān)，DOP與環(huán)境因子無(wú)顯著相關(guān)性。其中DO與TP、DTP、SRP相關(guān)性顯著，pH與TP相關(guān)性顯著，Eh與TP、DTP、SRP相關(guān)性顯著，部分環(huán)境因子與水體中磷含量相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。因此在菹草衰亡期間，水體中TP的含量受DO、pH和Eh的影響顯著;DTP和SRP受DO和Eh的影響顯著，環(huán)境因子對(duì)水體PP和DOP的含量無(wú)顯著影響。

潘慧云等［18］實(shí)驗(yàn)室模擬條件下通過(guò)對(duì)沉水植物衰亡期實(shí)驗(yàn)表明，沉水植物的腐敗分解速度十分緩慢，在整個(gè)低溫季節(jié)對(duì)水體環(huán)境影響很小，營(yíng)養(yǎng)鹽大部分保留在植物殘?bào)w中。在溫度回升后，會(huì)有所分解，向水體中釋放氮、磷。潘慧云等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的實(shí)驗(yàn)材料為苦草和金魚藻(Ceratophyllum demersum)，這兩種植物分解速率均較為緩慢，這和本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所得到的結(jié)論一致。但是在本實(shí)驗(yàn)條件下，頂冠蓬散狀沉水植物黑藻和菹草分解速率較快，在實(shí)驗(yàn)40d左右均使得水體中磷含量迅速升高，因此不同頂冠形態(tài)的沉水植物由于其分解速率的不同，導(dǎo)致了其對(duì)水體中磷含量的影響亦有較大差異。

表2 水體各形態(tài)磷含量與環(huán)境因子之間皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣Table2 Pearson correlation coefficient matrix between phosphorus in overlaying water and environmental factors

3.2 沉水植物衰亡期對(duì)沉積物磷含量的影響

3.2.1 沉積物環(huán)境因子的變化對(duì)各形態(tài)磷含量的影響

沉積物中環(huán)境因子的改變將直接影響到沉積物對(duì)磷的釋放與吸收過(guò)程，方差分析結(jié)果表明在不同季節(jié)實(shí)驗(yàn)條件下沉水植物黑藻、苦草和菹草組沉積物中pH和Eh均與對(duì)照組無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。因此，可認(rèn)為沉水植物在衰亡期間對(duì)沉積物中環(huán)境因子pH和Eh無(wú)顯著影響。在本實(shí)驗(yàn)條件下，不同季節(jié)沉水植物衰亡期中沉積物pH在7.0—7.5之間波動(dòng)(圖5)，屬于中性范圍。在中性范圍內(nèi)，沉積物顆粒和水及間隙水界面中正磷酸鹽主要以和的形態(tài)存在，易與沉積物中的金屬元素結(jié)合而被沉積物吸附［3，19］;所以pH雖然沒(méi)有明顯的波動(dòng)但是中性的沉積物環(huán)境使得沉積物利于對(duì)磷的吸收，這是導(dǎo)致水體中磷在實(shí)驗(yàn)后期一直呈降低趨勢(shì)而沉積物各形態(tài)磷卻呈上升趨勢(shì)的原因之一。

黑藻組和菹草組沉積物Eh在實(shí)驗(yàn)后期均呈上升趨勢(shì)，而苦草組Eh一直保持在相對(duì)較高的水平(圖5)，較高的Eh可以增強(qiáng)沉積物對(duì)上覆水磷的吸附能力［3］。這是沉積物各形態(tài)磷含量在實(shí)驗(yàn)后期呈上升趨勢(shì)的另一個(gè)主要的原因。在沉水植物黑藻和菹草快速衰亡期，實(shí)驗(yàn)組沉積物中Eh呈降低趨勢(shì)，較低的Eh抑制沉積物對(duì)水體磷的吸收，這是導(dǎo)致水體各形態(tài)磷含量在該時(shí)期呈較高趨勢(shì)的另一個(gè)原因。

3.2.2 沉水植物分解對(duì)沉積物各形態(tài)磷的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沉積物不同形態(tài)的磷均存在不同程度的升高，可見(jiàn)，沉水植物的分解，使得沉積物中各形態(tài)磷的含量升高，但是由于各形態(tài)磷的不同組成及結(jié)合特點(diǎn)，導(dǎo)致各形態(tài)磷升高的原因也存在較大差異。在NaOH-P中磷主要以化學(xué)吸附的方式吸附于沉積物表面，因此在沉水植物衰亡期沉積物中NaOH-P的升高主要是由于沉積物Fe、Al吸附水體中活性磷所導(dǎo)致的升高。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同實(shí)驗(yàn)組水體中DTP和SRP的含量在實(shí)驗(yàn)后期均呈現(xiàn)明顯的降低，和沉積物Fe、Al等元素的吸附有直接關(guān)系［13，20］。

沉積物HCl-P主要為沉積物鈣結(jié)合磷，沉積物鈣結(jié)合磷由自生鈣磷(磷灰石、沉積碳酸鈣、早期成巖作用形成的氟磷灰石)和碎屑鈣磷(動(dòng)植物殘?bào)w、骨骼等)組成。實(shí)驗(yàn)期間不同沉水植物組沉積物中HCl-P的含量均呈不同程度的上升，這是由于在沉水植物衰亡分解期間飄落植物殘?bào)w所導(dǎo)致，因?yàn)橹参餁報(bào)w是沉積物中鈣結(jié)合磷的重要組成部分［14，21］。

OP包括由陸源性排放物質(zhì)組成的難降解性有機(jī)磷部分和由死亡的水生生物殘?bào)w組成的可降解性有機(jī)磷部分。其中可降解有機(jī)磷部分，可以在早期成巖過(guò)程中隨有機(jī)質(zhì)的降解而釋放，甚至向其它結(jié)合態(tài)磷轉(zhuǎn)化，沉積物OP多數(shù)以磷酸酯(包括肌醇六磷酸)、磷脂、核酸、磷蛋白和磷酸糖類以及一些未知的化合物等形態(tài)出現(xiàn)［22-23］。研究表明，沉積物OP的含量和有機(jī)質(zhì)的含量存在密切的關(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)條件下沉積物OP與有機(jī)質(zhì)(OM)的含量存在顯著正相關(guān)(圖6，黑藻，P＜0.05，R2=0.70;苦草，P＜0.05，R2=0.73;菹草，P＜0.05，R2=0.60)。因此，沉積物OP含量變化是由于OM的變化引起的。而沉水植物在衰亡過(guò)程中由于植物殘?bào)w的分解和飄落，從而使得沉積物中有機(jī)質(zhì)的含量呈增高趨勢(shì)。

圖5 實(shí)驗(yàn)期間沉積物中各環(huán)境因子變化Fig．5 Changes in of environmental factors in Sediment during the experiment course

圖6 各實(shí)驗(yàn)組OM與OP線性關(guān)系Fig．6 The relationship between organic matter(OM)and OP

不同實(shí)驗(yàn)組沉積物各形態(tài)磷之間相關(guān)分析結(jié)果表明(表3)，沉積物TP和IP，OP的含量顯著相關(guān)，IP與NaOH-P顯著相關(guān)，與HCl-P相關(guān)系數(shù)較高，但未達(dá)到顯著性水平。沉積物TP由OP和IP構(gòu)成，因此TP在實(shí)驗(yàn)期間的變化是由OP和IP共同作用的結(jié)果，但是相關(guān)分析表明，在不同的實(shí)驗(yàn)組中TP和OP的相關(guān)系數(shù)均大于TP和IP的系數(shù)，所以，實(shí)驗(yàn)期間OP對(duì)TP的影響要大于IP。

NaOH-P和HCl-P是沉積物的重要組成部分，IP和NaOH-P，HCl-P的相關(guān)分析表明，沉積物IP的含量主要受NaOH-P的影響，HCl-P對(duì)沉積物IP的影響不顯著。NaOH-P和HCl-P之間無(wú)顯著性相關(guān)。

3.3 沉水植物分解釋放磷對(duì)沉積物和上覆水中磷總量的影響

不同季節(jié)的實(shí)驗(yàn)表明，在沉水植物衰亡期，沉水植物體內(nèi)磷最終遷移方向?yàn)槌练e物。在春季和秋季實(shí)驗(yàn)中沉水植物菹草、黑藻和苦草磷含量百分比逐漸降低，而沉積物中逐漸增加;實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)黑藻、菹草和苦草組“沉積物-植物-水”三相中磷含量百分比分別為:0.14%、8.17%、91.69%;0.15%、5.49%、94.36%;0.34%、4.30%、93.36%。而且，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)黑藻、菹草和苦草組“沉積物-植物-水”三相中磷含量百分比分別為:0.29% 、1.23% 、98.48%;0.15% 、4.30% 、95.55%;0.90% 、1.19% 、97.91% 。

植物的腐敗分解包括其組織衰老和死亡后所有的物理和化學(xué)變化，復(fù)雜的有機(jī)分子最后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)元素。該過(guò)程包括機(jī)械破碎、可溶性有機(jī)物的浸出或自溶以及細(xì)菌或真菌作用下植物組織的分解。因此，沉水植物的衰亡對(duì)水環(huán)境效應(yīng)的影響是十分復(fù)雜的問(wèn)題。一般認(rèn)為，大部分沉水植物經(jīng)歷了生長(zhǎng)期后，進(jìn)入秋、冬寒冷季節(jié)，植物體會(huì)死亡并釋放出氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)［24-25］。

表3 沉積物各形態(tài)磷之間相皮爾遜關(guān)系數(shù)矩陣Table3 Pearson correlation coefficient matrix between different phosphorus in sediment

圖7 “沉積物-植物-水”三相中磷占總體組成百分比Fig．7 Percentage of phosphorus in‘sediment-submerged macrophyte-water’

在本實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)沉水植物衰亡分解所釋放的磷基本與沉積物和上覆水所匯集的磷相當(dāng)，說(shuō)明在沉水植物衰亡期沉水植物是“沉積物-植物-水”系統(tǒng)中重要的磷源，而上覆水和沉積物則是重要的磷匯。

在淺水湖泊中，通過(guò)恢復(fù)沉水植物的方式來(lái)修復(fù)水體環(huán)境是水生態(tài)修復(fù)的一個(gè)重要手段，而植物的生命周期決定了植物在衰亡期對(duì)系統(tǒng)中氮磷的影響可能由生長(zhǎng)旺盛期時(shí)系統(tǒng)中氮磷的“匯”而轉(zhuǎn)變成氮磷的“源”。因此，恢復(fù)重建沉水植物系統(tǒng)過(guò)程中，必須控制沉水植物的殘留生物量，充分加以利用并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間加以收割以避免過(guò)多植物殘?bào)w分解對(duì)水體的影響。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)在春季和秋季分別進(jìn)行沉水植物衰亡期實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)在沉水植物衰亡期，黑藻能顯著提高水體中TP、DTP、PP和SRP的含量，對(duì)水體中DOP的影響不顯著，而苦草在衰亡期對(duì)水體中各形態(tài)磷的含量影響均不顯著，水中各形態(tài)磷含量并無(wú)顯著升高。菹草在衰亡期顯著提高水體中TP、DTP和SRP的含量，對(duì)水體中PP和DOP含量的影響不顯著。水中各形態(tài)磷的含量受沉水植物分解速率的影響。水體較高的DO和Eh，促進(jìn)沉積物對(duì)上覆水各形態(tài)磷的吸收，是沉水植物衰亡后期水體各形態(tài)磷含量降低的重要原因。沉水植物衰亡對(duì)沉積物各形態(tài)磷含量的影響均不顯著。

(3)沉水植物在衰亡期降低上覆水中DO、Eh和pH從而降低沉積物對(duì)上覆水磷的吸附能力，在衰亡后期隨著上覆水中DO、Eh和pH的提高，沉積物對(duì)上覆水磷吸附的能力也相應(yīng)的提高。沉積物對(duì)磷的吸收及磷的沉降導(dǎo)致了在沉水植物衰亡休眠期“沉積物-植物-水”系統(tǒng)中磷的遷移方向?yàn)槌练e物。

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