王 博, 李法云, 范志平

(遼寧石油化工大學生態(tài)環(huán)境研究院, 遼寧 撫順 113001)

沉水植物在湖泊水環(huán)境中具有特殊的生態(tài)功能，在污染水體的凈化和湖泊富營養(yǎng)化的生物防治等方面有重要作用，還被廣泛應(yīng)用于生物修復工程和生態(tài)濕地的建設(shè)[1-2]。經(jīng)過水生態(tài)修復后，沉水植物生物量逐漸恢復，但經(jīng)過恢復的沉水植物衰亡分解會對水體產(chǎn)生較大的影響[3-4]。因此，國內(nèi)外研究人員針對沉水植物分解已開展較多研究，主要研究方向為沉水植物分解釋放動力學[5]和沉水植物衰亡分解對水體影響[6]2個方面。目前對沉水植物的分解過程及其釋放對水體影響的系統(tǒng)性研究較少，對沉水植物分解過程中氣體產(chǎn)生的研究報道也較少，并且大部分實驗研究是在模擬冬季溫度的條件下進行。而中國南部大部分水域的沉水植物在秋、冬寒冷季節(jié)開始衰亡，此時植物體分解較為緩慢，大量營養(yǎng)物質(zhì)仍保留在植物殘體中，至翌年初春回暖，植物體才開始迅速進行腐敗分解，大量營養(yǎng)鹽釋放至水體中[7]。因此，了解初春沉水植物的分解特征及其影響效應(yīng)，對水體生物修復及生態(tài)濕地建設(shè)具有重要意義。

作者采用分解袋法，在實驗室條件下模擬初春溫度條件，研究太湖原位沉水植物馬來眼子菜(PotamogetonmalaianusMiq.)腐爛、分解過程中其自身和水體以及底泥中碳、氮和磷含量的變化狀況；同時，水環(huán)境中的氮以氮氣(N2)及溫室氣體氧化亞氮(N2O)的形式逸出，因此對馬來眼子菜分解過程中水體中這2種氣體的釋放情況也進行了研究，以期為衰亡期沉水植物的精細化管理提供實驗依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試馬來眼子菜以及底泥于2010年9月末采自江蘇太湖區(qū)域(北緯31°01′50″、東經(jīng)120°20′18″)，采樣現(xiàn)場水生植物茂密，沉水植物、浮葉植物和挺水植物生物量均較大，底泥肥厚、水體清澈。

1.2 方法

1.2.1 處理及取樣方法 實驗前將新鮮馬來眼子菜放入6 ℃冰箱中處理1周，以模擬沉水植物在衰亡分解時的狀態(tài)，然后使用微米濾布(孔徑20 μm)包裹植物體(便于實驗期間將植物殘體回收)。在5 L塑料圓桶內(nèi)裝入200 g底泥，將微米濾布包裹的25 g馬來眼子菜置于底泥表面，然后加入4 L人工湖水。人工湖水的氮、磷含量參照沉水植物采集區(qū)域水體進行配制：硝態(tài)氮含量1 mg·L-1、銨態(tài)氮含量0.3 mg·L-1、總磷含量0.05 mg·L-1。空白組只放入底泥以及人工湖水，不放馬來眼子菜。實驗設(shè)3次重復。

實驗在人工氣候室內(nèi)進行，設(shè)定實驗溫度17 ℃，光照時間12 h。實驗采用破壞法進行取樣，分別在實驗的0、7、14、21、28、35、42、49、56、63和70 d從水桶中取水樣，每次取3個桶進行采樣，即為3次重復。分別測定水體溶解氧含量、氧化還原電位以及有機碳、總氮、總磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。同時，用不透氣塑料薄膜蓋住各取樣桶，6 h后用針筒抽取空氣，供N2和N2O釋放通量的測定。

在實驗初始(0 d)以及實驗結(jié)束后(70 d)測定底泥中總磷、總氮和有機碳的含量。在實驗初始稱取新鮮馬來眼子菜25 g，測定其干質(zhì)量；在實驗結(jié)束后測定馬來眼子菜的剩余干質(zhì)量以及有機碳、總氮和總磷的含量。實驗均重復2次。

1.2.2 指標測定方法 水體中溶解氧含量采用YSI DO200型溶氧儀(美國YSI公司)測定，氧化還原電位采用SG-2型ORP儀(瑞士METTLER TOLEDO公司)測定，有機碳含量采用TOC-VCPH型總有機碳分析儀(日本島津公司)測定，總氮含量采用堿性過硫酸鉀消解法[8]255-257測定，總磷含量采用鉬酸銨分光光度法[8]246-248測定，銨態(tài)氮含量采用納氏試劑光度法[8]279-281測定，硝態(tài)氮含量采用紫外分光光度法[8]266-268測定。

底泥中有機碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法[9]102-104測定，總氮含量采用凱氏定氮法[9]156-158測定，總磷含量采用SMT法[9]189-190測定。

馬來眼子菜干質(zhì)量采用烘干法(105 ℃～110 ℃)測定，有機碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定，總氮含量采用凱氏定氮法測定，總磷含量采用氫氟酸-硫酸溶鉬銻抗比色法測定[10]。

N2O釋放通量采用Agilent 6890N型氣相色譜儀(美國Agilent公司)測定；色譜條件：電子捕獲檢測器ECD，HP-PLOT Q分離柱，載氣為高純度N2，流速8 mL·min-1，分離柱工作溫度50 ℃，檢測器工作溫度350 ℃[11]。N2釋放通量采用HF-800型N2檢測儀(濟南航帆商貿(mào)有限公司)測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理

采用SPSS 18.0和Orgin 8.6統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)分析和作圖。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD法進行方差分析和差異顯著性檢驗(α=0.05)。

2 結(jié)果和分析

2.1 馬來眼子菜分解過程中自身碳、氮和磷的釋放量分析

實驗結(jié)果表明：在70 d的實驗周期內(nèi)馬來眼子菜分解率較高，至實驗結(jié)束其失重率達86.92%。實驗初始和結(jié)束時馬來眼子菜的有機碳、總氮和總磷含量分別為205.35、57.15、2.06和190.33、28.36、2.14 mg·g-1，實驗初始和結(jié)束時其體內(nèi)有機碳量、總氮量和總磷量分別為328.55、91.45、3.29和37.74、10.12、0.44 mg。由此可見，在70 d的實驗周期內(nèi)馬來眼子菜體內(nèi)的碳、氮和磷大部分已礦化并釋放，至實驗結(jié)束時其體內(nèi)的有機碳量、總氮量和總磷量較實驗初始時分別減少了88.51%、88.93%和86.63%。

2.2 馬來眼子菜分解過程中底泥有機碳、總氮和總磷含量的變化

測定結(jié)果表明：在實驗初始時放入馬來眼子菜的處理組中底泥的有機碳、總氮和總磷含量分別為15.841、1.231和0.506 mg·g-1；至實驗結(jié)束時，其底泥中的有機碳、總氮和總磷含量分別為16.721、1.441和0.517 mg·g-1，分別較實驗初始時增加了5.56%、17.06%和2.17%。

2.3 馬來眼子菜分解過程中水體溶解氧含量和氧化還原電位的變化

馬來眼子菜分解過程(70 d)中水體溶解氧含量和氧化還原電位的變化分別見圖1-A和圖1-B。由圖1-A可知：因馬來眼子菜分解導致處理組水體溶解氧含量在實驗初期迅速下降，至第14天降至最低，隨后逐漸上升；整個實驗過程中處理組水體溶解氧含量均低于空白組，至實驗結(jié)束時，空白組水體溶解氧含量為處理組的1.16倍。

由圖1-B可見：馬來眼子菜分解過程中水體氧化還原電位的動態(tài)變化趨勢與溶解氧含量近似。在實驗初期因馬來眼子菜分解導致處理組水體氧化還原電位迅速降低，在第7天時降至最低，隨后逐漸上升，第49天后波動變化但變化幅度較小。整個實驗過程中處理組水體氧化還原電位均低于空白組。

—●—： 對照 Control； —○—： 馬來眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

2.4 馬來眼子菜分解過程中水體有機碳、總氮和總磷含量的變化

2.4.1 水體有機碳含量的變化 馬來眼子菜分解過程(70 d)中水體有機碳含量的變化見圖2。由圖2可見：因馬來眼子菜分解導致處理組水體有機碳含量在實驗初期迅速上升并在第7天達到最大值，穩(wěn)定一段時間后從第21天開始下降并從第49天開始處于穩(wěn)定水平；而空白組水體有機碳含量則在實驗前期略有升高且在整個實驗過程中保持穩(wěn)定。在整個實驗過程中處理組水體有機碳含量均明顯高于空白組。

2.4.2 水體總氮含量的變化 馬來眼子菜分解過程(70 d)中水體總氮含量的變化見圖3。由圖3可見：因馬來眼子菜分解導致處理組水體總氮含量在實驗初期迅速上升并在第7天達到峰值，隨后逐漸下降并于第63天后接近空白組的水平，整體變化幅度大?？瞻捉M水體總氮含量略有下降但變化幅度很小。在整個實驗過程中處理組水體總氮含量均明顯高于空白組。

—●—： 對照 Control； —○—： 馬來眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

—●—： 對照 Control； —○—： 馬來眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

2.4.3 水體總磷含量的變化 馬來眼子菜分解過程(70 d)中水體總磷含量的變化見圖4。由圖4可知：與水體總氮含量的變化趨勢一致，馬來眼子菜分解過程中處理組水體總磷含量在實驗初期迅速升高并在在第7天達到峰值，隨后逐漸下降并在實驗后期(第49天以后)趨于穩(wěn)定。而空白組水體總磷含量則無明顯變化。在整個實驗過程中處理組水體總磷含量均高于空白組，差異極顯著(P<0.01)，實驗結(jié)束時處理組水體總磷含量為空白組的15.86倍。

2.5馬來眼子菜分解過程中水體無機態(tài)氮含量的變化

馬來眼子菜分解過程(70 d)中水體銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的變化分別見圖5-A和圖5-B。由圖5-A可見：馬來眼子菜分解過程中處理組水體銨態(tài)氮含量的變化趨勢與總磷和總氮含量的變化趨勢相似，在實驗初期銨態(tài)氮含量迅速升高并在第14天達到峰值，隨后逐漸下降并于第42天后趨于穩(wěn)定?？瞻捉M水體銨態(tài)氮含量在實驗初期略有上升，之后逐漸下降，第21天后空白組水體中幾乎不含銨態(tài)氮。在整個實驗過程中處理組水體銨態(tài)氮含量均明顯高于空白組。

—●—： 對照 Control； —○—： 馬來眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

—●—： 對照 Control； —○—： 馬來眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

由圖5-B可見：實驗初期處理組水體硝態(tài)氮含量迅速下降并在第7天至第21天時維持在最低水平，在第21天至第35天持續(xù)上升，之后逐漸下降?？瞻捉M水體硝態(tài)氮含量在實驗初期小幅上升并在第7天達到峰值，隨后逐漸降低并在第56天后趨于穩(wěn)定。整體上看，在實驗初期至第28天，處理組硝態(tài)氮含量明顯低于空白組，而在實驗的第35天至實驗結(jié)束，處理組的硝態(tài)氮含量明顯高于空白組。

2.6 馬來眼子菜分解過程中水體N2和N2O釋放通量的變化

馬來眼子菜分解過程(70 d)中水體N2和N2O釋放通量的變化分別見圖6-A和圖6-B。

由圖6-A可見：因馬來眼子菜分解，在實驗的0～28 d處理組水體N2釋放通量逐漸上升，之后N2釋放通量逐漸降低并在第56天達到最低值，隨后僅小幅上升并趨于穩(wěn)定，其中處理組第7天至第35天的N2釋放通量明顯大于其余各時間段。在整個實驗過程中空白組水體N2釋放通量均很低且變化幅度不大，且均明顯低于處理組。

由圖6-B可見：處理組水體N2O釋放通量在實驗前期逐漸上升并在第21天達到峰值，隨后N2O釋放通量降低，并在實驗后期(第42 天后)趨于穩(wěn)定。整個實驗過程中空白組水體N2O釋放通量均很低且變化幅度不大，且均明顯低于處理組。

—●—： 對照 Control； —○—： 馬來眼子菜Potamogeton malaianus Miq.

3.1 馬來眼子菜分解及碳、氮和磷的釋放機制分析

經(jīng)過70 d的實驗，至實驗結(jié)束時馬來眼子菜的最終失重率達到86.92%，這與沉水植物體內(nèi)的碳、氮和磷含量水平密切相關(guān)。Wider等[12]以及Moore等[13]均指出，植物的化學組分直接影響其分解過程，低碳氮比有利于植物分解；但Chimney等[14]則認為，高氮含量以及低木質(zhì)纖維含量有利于植物快速分解，分解速率較大程度上取決于碳、氮和磷含量。

Thomaz等[15]認為，木質(zhì)素以及纖維素是沉水植物分解的重要指標，沉水植物的分解取決于植物體內(nèi)難以腐爛的纖維素和木質(zhì)素部分。大量研究結(jié)果[3,16]表明：沉水植物的分解率由其化學組成決定，木質(zhì)素和纖維素含量較高則腐爛率較低，因而，狐尾藻(MyriophyllumverticillatumLinn.)等沉水植物的腐爛率較高，而苦草〔Vallisnerianatans(Lour.) H. Hara〕等沉水植物的腐爛率較低。木質(zhì)素以及纖維素是植物體內(nèi)碳的主要形態(tài)，馬來眼子菜植株分解率較高，與其體內(nèi)碳含量相對較低有關(guān)。

3.2 水環(huán)境中碳、氮和磷的遷移規(guī)律

在水體中，有機碳和總氮含量均呈先上升后下降的趨勢；而在底泥中，有機碳和總氮的含量均有所增加，同時一部分氮以N2和N2O等形式逸出水體。說明碳和氮的流動是部分由水體向底泥、部分由水體向大氣進行的。在本實驗中，實驗結(jié)束時馬來眼子菜體內(nèi)的碳進入底泥中的比例最高，而其體內(nèi)的氮則是進入大氣中的比例最高。

本研究中，水體中總磷含量的變化過程與有機碳和總氮近似，也經(jīng)過了先上升后下降的過程，說明在水體生態(tài)系統(tǒng)中馬來眼子菜、底泥和上覆水中總磷進行了再分配。馬來眼子菜體內(nèi)的總磷釋放至水體中導致水體總磷含量升高，然后水體中的總磷隨時間推移逐步遷移至底泥中，導致水體中總磷滯留量減少，至實驗結(jié)束時水體和底泥中的總磷含量均較實驗初始時有一定程度增加；并且由于底泥對水體總磷的吸附，導致實驗結(jié)束時其分配比例更高，馬來眼子菜體內(nèi)的大部分總磷遷移至底泥中。前人的研究結(jié)果表明[17-18]：沉積物對上覆水中的磷有很強的積聚及吸附作用，磷在湖泊水環(huán)境系統(tǒng)中的循環(huán)是不完整的，是一個單向流動的過程，因此大多數(shù)磷均會因沉淀作用進入底泥而使得水體中磷含量降低。

3.3 水體氮形態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)律

本研究結(jié)果表明：水體銨態(tài)氮含量在實驗初期迅速升高，之后緩慢下降；而硝態(tài)氮含量在實驗初期迅速下降，在實驗中期則逐漸上升并在實驗后期趨于穩(wěn)定。

在實驗初期由于反硝化作用引起硝態(tài)氮含量下降，通過反硝化作用，將水環(huán)境中的氮素以N2和N2O等氣體形態(tài)去除；而影響反硝化作用的主要因素是水體O2含量以及有機碳含量[19-20]。

在本實驗中，因馬來眼子菜分解導致水體中有機碳大量增加的同時也使水體形成低氧環(huán)境，促進水環(huán)境反硝化作用的進行，因此，實驗初期水體硝態(tài)氮含量迅速下降；而在實驗中期硝態(tài)氮含量逐漸上升是由于馬來眼子菜分解過程的需氧量降低，導致水中溶解氧濃度上升、硝化作用增強、反硝化作用減弱，分解產(chǎn)生的銨態(tài)氮通過硝化作用轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮引起水體硝態(tài)氮含量的上升。

3.4 馬來眼子菜分解對水環(huán)境的影響

Jewell[21]認為，水體保留適量的沉水植物有助于促進底泥和水體中氮素的移出以及水系統(tǒng)中氮素負荷總量降低。這是因為反硝化作用是自然水體中氮去除的主要途徑，在水生態(tài)系統(tǒng)中具有重要生態(tài)意義，因此，沉水植物的分解可促進水體的反硝化作用。同時，由于沉水植物衰亡分解階段很長，因而對減緩水環(huán)境系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)速率、控制“水環(huán)境營養(yǎng)負荷”和推遲淡水水體的富營養(yǎng)化進程具有一定的意義[5]。

但是，水體中滯留大量水生植物也易使水體缺氧并向水體釋放大量營養(yǎng)物質(zhì)，導致水體發(fā)黃發(fā)臭，有可能成為春季水華爆發(fā)的誘因[21]。另外，由于水體中沉水植物的分解使水體反硝化作用增強，促使N2O逸出水體，而N2O是除CH4和CO2之外的另一種重要的溫室氣體[22]，對大氣環(huán)境也有一定的影響。因此，用沉水植物可以改善水體水質(zhì)并修復受損的水體環(huán)境，但須控制水體中沉水植物的種植量并適時收割，以避免水體中滯留的沉水植物在溫度升高時分解，消除對水環(huán)境產(chǎn)生的負面效應(yīng)。

3.5 結(jié)論

通過以上研究和分析可以得出以下結(jié)論：在70 d的實驗周期內(nèi)，在模擬初春溫度條件下馬來眼子菜分解率較高，導致其失重率達86.92%；其體內(nèi)碳、氮和磷釋放速率均較快且釋放量較大，有機碳量、總氮量和總磷量較實驗初期分別減少了88.51%、88.93%和86.63%。在馬來眼子菜分解過程中水體中總氮和總磷含量均出現(xiàn)先上升后下降的變化過程，同時在實驗中期出現(xiàn)N2和N2O的釋放高峰。在初春的溫度條件下因馬來眼子菜分解向水體釋放大量氮和磷，隨時間推移水體中的磷大部分沉積到底泥中，而水體中的氮則部分沉積到底泥中、部分以氣體形式逸出水體。馬來眼子菜分解導致水體O2減少，并使大量有機碳釋放進入水體，有助于促進水體中的反硝化作用并降低水體硝態(tài)氮含量。馬來眼子菜分解期過多的植物殘體將對水環(huán)境產(chǎn)生負面效應(yīng)并釋放較多的溫室氣體，因此必須控制分解期沉水植物在水環(huán)境中的殘留量。

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