倪 冬 黃 蓉 程俊杰 楊文斌

(安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

磷是引起湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素[1]。湖泊沉積物中較高的內(nèi)源磷負(fù)荷是湖泊中磷的重要來(lái)源[2-3]。沉水植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分[4-5]，可通過(guò)光合作用、呼吸作用以及衰亡腐解等過(guò)程改變湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境因子，進(jìn)而影響磷在沉積物中的分配與形態(tài)[6]。

伊樂(lè)藻(Elodeanuttallii)為水鱉科草本沉水植物，有較強(qiáng)的無(wú)性繁殖和定居能力[7-9]，極其耐寒，常用于水體的生態(tài)修復(fù)。人工直接插植于底泥中的直接扦插法是伊樂(lè)藻最為常見(jiàn)的種植方法[10]。事實(shí)上，伊樂(lè)藻也可以采用直接拋擲法種植，該方法的問(wèn)題是伊樂(lè)藻枝條嫩脆，極易折斷，在生態(tài)修復(fù)施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量斷枝。因此，極少有研究采用直接拋擲法種植伊樂(lè)藻來(lái)研究其對(duì)沉積物磷的影響。馬劍敏等[11]525研究發(fā)現(xiàn)，具有頂芽或腋芽的伊樂(lè)藻通過(guò)拋擲法種植，存活率可以高達(dá)90%。

本研究嘗試探究伊樂(lè)藻以直接扦插、直接拋擲和斷枝拋擲3種種植方式種植對(duì)沉積物磷的影響，以期為伊樂(lè)藻種植和將其用于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊生態(tài)修復(fù)提供理論和技術(shù)指導(dǎo)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益相統(tǒng)一的效果。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

伊樂(lè)藻購(gòu)自宿遷市某環(huán)保水體生態(tài)修復(fù)基地，馴化培養(yǎng)1周。用圓柱形透明塑料管(高85 cm、直徑15 cm)作為實(shí)驗(yàn)裝置。沉積物采自巢湖東湖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化區(qū)域(31°33′22.14″N，117°45′50.34″E)，去除植物根系及雜物，風(fēng)干、研磨后過(guò)100目篩，備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將擁有不定根的伊樂(lè)藻以3種不同方式種植，直接拋擲入水為直接拋擲，剪短為長(zhǎng)5 cm且?guī)ы斞炕蛞秆亢笤賿仈S入水為斷枝拋擲，直接將枝條一端插入沉積物中為直接扦插。不同種植方式下的初始伊樂(lè)藻生物量均控制為23 g。

在圓柱形透明塑料管中加入15 cm厚沉積物，緩慢加入經(jīng)曝曬3 d后的自來(lái)水使水深為50 cm，然后種植伊樂(lè)藻，以不種植伊樂(lè)藻作為對(duì)照，每組實(shí)驗(yàn)做15個(gè)重復(fù)，每次取樣用掉其中3個(gè)重復(fù)。實(shí)驗(yàn)期間不擾動(dòng)沉積物，定期添加去離子水以補(bǔ)充蒸發(fā)消耗的水。

1.3 樣品的采集和測(cè)定

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2018年冬季至2019年春季，每隔30 d采集一次樣品，共采集5次。用活塞式柱狀采樣器采集表層少量沉積物，去除沉積物樣品中的根系及雜物，風(fēng)干、研磨后過(guò)100目篩，采用SMT法[12]分析沉積物各形態(tài)磷。上覆水TP采用過(guò)硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法測(cè)定，pH和DO分別用PHSJ-3F型pH計(jì)和JPB-607A型DO儀測(cè)定。伊樂(lè)藻生物量采用稱重法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植方式下伊樂(lè)藻生物量的變化

由圖1可見(jiàn)，0～60 d斷枝拋擲處理組的生物量增長(zhǎng)最快，60 d后直接拋擲處理組的生物量增長(zhǎng)迅速，120 d時(shí)直接拋擲處理組的生物量達(dá)到最大?？傮w來(lái)看，30～60 d時(shí)，各處理組伊樂(lè)藻增長(zhǎng)速度有所放緩，60 d后伊樂(lè)藻進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)期，這可能與氣溫回暖有關(guān)。120 d時(shí)，斷枝拋擲、直接扦插和直接拋擲處理組的生物量分別增加了46.15、50.32、69.14 g，其中直接拋擲處理組的生物量顯著高于直接扦插和斷枝拋擲處理組(P<0.05)。

圖1 伊樂(lè)藻生物量的變化Fig.1 Biomass variations of Elodea nuttallii

水生植物能通過(guò)莖、芽及斷枝等進(jìn)行繁殖[13-14]，機(jī)械損傷后的斷枝再生有利于植物的繁殖[15-16]。本研究中，斷枝拋擲能在短時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)出大量白根，馬劍敏等[11]527也曾發(fā)現(xiàn)這樣的結(jié)果。由于斷枝拋擲處理組擁有相對(duì)更多的頂芽或腋芽，因此前期其生物量增長(zhǎng)迅速；而后期斷枝拋擲處理組生長(zhǎng)放緩，可能是因?yàn)檫^(guò)短的斷枝產(chǎn)生了負(fù)面影響[17-18]。

由此可見(jiàn)，從長(zhǎng)期來(lái)看，直接拋擲最有利于伊樂(lè)藻生物量的增長(zhǎng)。

2.2 不同種植方式下伊樂(lè)藻對(duì)沉積物各形態(tài)磷的影響

不同種植方式下沉積物中各形態(tài)磷變化如圖2所示?？傮w來(lái)看，處理組沉積物中各形態(tài)磷相比對(duì)照均有下降，有機(jī)磷和HCl提取態(tài)磷變化不大，而無(wú)機(jī)磷及NaOH提取態(tài)磷變化較大。120 d時(shí)，直接拋擲、直接扦插和斷枝拋擲處理組的沉積物中TP分別下降了8.90%、7.30%、5.40%，無(wú)機(jī)磷分別下降了11.80%、8.20%、6.60%，有機(jī)磷分別下降了7.47%、6.46%、2.65%，HCl提取態(tài)磷分別下降了4.12%、3.47%、2.83%，NaOH提取態(tài)磷分別下降了19.90%、17.20%、11.70%。由此可見(jiàn)，3種不同種植方式下的伊樂(lè)藻均能使沉積物中各形態(tài)磷含量有不同程度降低，其中直接拋擲種植對(duì)沉積物中各形態(tài)磷的去除效果最好。這與直接拋擲的伊樂(lè)藻生物量變化相吻合。

不同種植方式對(duì)沉積物中無(wú)機(jī)磷的影響大于有機(jī)磷，這是因?yàn)橛袡C(jī)磷含有很大一部分難降解成分[19-21]，不易被伊樂(lè)藻吸收。

不同種植方式對(duì)沉積物中NaOH提取態(tài)磷的影響大于HCl提取態(tài)磷。這是因?yàn)槌练e物釋放出來(lái)的磷約有一半是NaOH提取態(tài)磷，而水環(huán)境中的NaOH提取態(tài)磷最易被植物利用[22]。而HCl提取態(tài)磷主要是沉積在湖底的相對(duì)穩(wěn)定的磷形態(tài)[23]。

圖2 沉積物中各形態(tài)磷的變化Fig.2 Variations of different phosphorus forms in sediment

2.3 水環(huán)境因子變化與沉積物磷的關(guān)系

沉水植物的生長(zhǎng)影響著上覆水中的pH、DO等水環(huán)境因子[24]。由圖3(a)可見(jiàn)，各處理組上覆水的pH均呈上升趨勢(shì)，這也解釋了沉積物中NaOH提取態(tài)磷明顯下降的原因。由圖3(b)可見(jiàn)，斷枝拋擲處理組的DO先升高后降低，而直接拋擲處理組的DO呈逐步上升趨勢(shì)，120 d時(shí)直接拋擲處理組的DO最高，這也與伊樂(lè)藻的生物量變化相吻合。

圖3 上覆水中水環(huán)境因子的變化Fig.3 Variations of water environmental factors in overlying water

表1至表3分別對(duì)斷枝拋擲、直接拋擲和直接扦插處理組的各指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析。各處理組中，上覆水TP與沉積物中各形態(tài)磷均呈顯著或極顯著正相關(guān)，說(shuō)明沉積物中的磷是上覆水中磷的重要來(lái)源；上覆水TP和沉積物各形態(tài)磷均與伊樂(lè)藻生物量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明伊樂(lè)藻可以有效去除上覆水和沉積物中的磷，可以用來(lái)修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體；DO和pH與生物量總體呈正相關(guān)，而與上覆水TP和沉積物各形態(tài)磷總體均呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明上覆水DO和pH主要受伊樂(lè)藻的影響，這與王立志等[25]的解析結(jié)果基本一致。

表1 斷枝拋擲處理組的相關(guān)性分析1)

表2 直接拋擲處理組的相關(guān)性分析

表3 直接扦插處理組的相關(guān)性分析

3 結(jié) 論

(1) 120 d時(shí)，斷枝拋擲、直接扦插和直接拋擲處理組的生物量分別增加了46.15、50.32、69.14 g，從長(zhǎng)期來(lái)看，直接拋擲最有利于伊樂(lè)藻生物量的增長(zhǎng)。

(2) 120 d時(shí)，直接拋擲、直接扦插和斷枝拋擲處理組的沉積物中TP分別下降了8.90%、7.30%、5.40%；無(wú)機(jī)磷分別下降了11.80%、8.20%、6.60%；有機(jī)磷分別下降了7.47%、6.46%、2.65%；NaOH提取態(tài)磷分別下降了19.90%、17.20%、11.70%；HCl提取態(tài)磷分別下降了4.12%、3.47%、2.83%。直接拋擲種植對(duì)沉積物中各形態(tài)磷的去除效果最好。

(3) 上覆水TP與沉積物中各形態(tài)磷呈正相關(guān)，說(shuō)明沉積物中的磷是上覆水中磷的重要來(lái)源；上覆水TP和沉積物各形態(tài)磷均與伊樂(lè)藻生物量呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明伊樂(lè)藻可以有效去除上覆水和沉積物中的磷，可以用來(lái)修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體；DO和pH與生物量呈正相關(guān)，而與上覆水TP和沉積物各形態(tài)磷均呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明上覆水DO和pH主要受伊樂(lè)藻的影響。