水動力條件下苦草對沉積物氮釋放的影響

耿楠，王沛芳，王超，祁凝，王智源

河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098

水動力條件下苦草對沉積物氮釋放的影響

耿楠，王沛芳*，王超，祁凝，王智源

河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098

在淺水湖泊中，沉積物易受到水流的擾動釋放出原本沉降于其中的氮營養鹽。沉水植物一方面能夠減少水動力的作用，一方面又能夠吸收沉積物中的和已經釋放到上覆水中的氮營養鹽供其生長同時改善水質。因此，研究沉水植物對沉積物中氮營養鹽釋放的影響具有很重要的實際意義。借助自主開發的生態水槽，研究苦草（Vallisneria spiraslis L.）在動、靜水條件下對沉積物氮的釋放的影響。實驗裝置包括四組水槽，兩組動水槽中的一組只鋪沉積物，另一組在沉積物上種植苦草，兩組靜水槽也如此設置。在40 d的實驗周期內，我們在實驗始末采集沉積物樣品，在每一個采樣時間點（0、1、3、6、12、20、30、40 d）采集水樣，并測定沉積物中總氮含量，原水樣中的總氮含量以及過濾水樣中的總氮、氨氮、硝氮和亞硝氮的含量。研究結果表明：沒有苦草的實驗組0～1 cm沉積物層總氮下降幅度較大，有苦草的實驗組表面0～1 cm沉積物層氮含量較高?？嗖輳母抵車练e物中吸收氮，1～4 cm沉積物層的吸收量多于4～8 cm沉積物層。各水槽上覆水中總氮含量在第1天就有較大的增加，從0.09 mg·L-1分別升到0.60、0.50、0.379、0.36 mg·L-1在水動力影響下的增加更顯著，后緩慢上升。動水槽中進入到上覆水的氮中80%以上是以溶解態氮形式存在，靜水槽中這個比例高達90%以上?？嗖輰θ芙鈶B和顆粒態氮的去除率最高可達27.6%和84.3%。3種氮形態中硝態氮的含量比重較大，在動水條件下，苦草對氨氮，硝氮和亞硝氮的去除率最高可達30.0%、25.0%和60.0%。但苦草對水中氮形態的比例的影響并不明顯。以上結果說明水動力條件明顯促進沉積物中氮的釋放，沉水植物苦草通過保護表層沉積物，吸收下層沉積物中氮，去除進入上覆水中的氮，特別是顆粒態氮和溶解態中的亞硝態氮來減少水環境中的氮含量。該研究旨在為沉水植物對湖泊沉積物營養鹽釋放量的影響估算及水環境質量評價提供科學依據。

苦草；沉積物；氮；水動力；釋放

長江中下游地區經濟社會發展迅猛，湖泊開發利用過度，多數己富營養或正富營養化（秦伯強，2002）。日益嚴重的湖泊水環境惡化及富營養化問題，越來越成為制約經濟社會可持續發展的瓶頸。氮不僅是湖泊富營養化的主要營養元素，而且往往是湖泊水質的最主要污染物質（Torre等，1992）。湖泊沉積物作為水環境的重要組成部分，是氮營養鹽的主要存儲倉庫，承擔著對上覆水的凈化功能。同時，在控制外源向湖泊輸入氮營養鹽的基礎上，作為內源的湖泊沉積物，將不斷地向水體中釋放氮（羅玉蘭，2007）。對于淺水湖泊而言，由于水體較淺，湖泊沉積物易受波浪、湖流、疏浚以及船只航行等外力擾動的共同作用而發生再懸浮，懸浮過程中由于吸附-解吸作用造成營養鹽在懸浮顆粒物和水體間遷移，導致上覆水中氮濃度突然上升（Achman等，1996；Domagalski和Kuivila等，1993；Sehneider等，2007）。

大型水生植物可減小風浪等動力擾動，抑制湖泊沉積物的再懸浮、改善沉積物的特性、吸收一定數量的水體污染物，從而減少營養鹽向上覆水的釋放（楊榮敏等，2007；朱斌等，2002；董昌華等，2003）。水生植物在生長過程中需要吸收大量的氮，如每公頃香蒲（TyPha orientalis）每年可吸收氮2630 kg（賀鋒和吳振斌，2003）。王旭明（1999）利用水芹（Oenanthe decumbens）在室內凈化污水，3 d內水芹對總氮的吸收率分別達到66.7%，而且凈化率隨溫度的提高還會增加。目前植物對氮吸收的靜態試驗研究已比較成熟。由文輝等（2000）在富營養化水體中，利用人工基質無土栽培水生植物凈化水質的靜態試驗結果表明，在5—10月，水蕹菜

（Ipomoea aquatica Forsk）對總氮的去除率分別為81.32%。研究表明水生植物都可以降低水體的富營養化水平，尤其對去除氨氮有顯著效果（何池全等，1999；劉淑媛，1997；Fraser等，2004；Sooknah和Wilkie，2004；何蓉等，2004）。動態試驗研究也有丁廷華（1992）所用的蘆葦（Phragmites australis）濕地系統示范工程，在處理水量為500 m3·d-1，水力負荷為5 cm·d-1的條件下，對總氮的去除率達到64.6%。Kern（1999）用蘆葦床處理生活污水試驗中，總氮的去除率變化在80%～99%。但是水動力條件下水生生物對沉積物氮磷再釋放的影響研究還不夠充分。而苦草（Vallisneria spiraslis L.）由于是長江中下游湖泊常見的除氮沉水植物物種而備受關注（王沛芳等，2008；姚瑤等，2011;李雪梅等，2013）。因此，在水動力作用下，研究有（無）苦草覆蓋兩種環境下，沉積物-水界面的氮釋放，對評價沉積物中氮營養鹽的動態循環、分析大型水生植物對湖泊底泥氮營養鹽環境作用，把握湖泊水污染發生機制，控制水體富營養化均具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1試驗裝置與材料

1.1.1 試驗裝置

本實驗采用自主開發的生態水槽裝置來模擬了自然水體環境并設置靜態水槽作為對比，本組水槽由D1槽、D2槽、J1槽、J2槽，其中D1槽、D2槽為水可獨立循環的動水槽，J1槽、J2槽為靜水槽。動水槽結構如圖1所示。

每組動水槽包括3個水箱（底部水箱Ⅰ、右側水箱Ⅱ及左側水箱Ⅲ）、上部3個平行水槽（平行試驗，保證數據準確性）和一個水泵組成。水箱Ⅱ中的水同時流經3個平行水槽，能夠使平行水槽的水流條件一致，達到平行試驗的要求。上部水槽長2.4 m，寬1.0 m（每個平行水槽寬0.3 m），高0.4 m，底部水箱為蓄水箱，體積為1 m3，水泵的最大流量為100 m3·s-1。上部水槽的出水端設有葉柵式尾門，與水泵共同作用來調節水體的流速和水位。水流通過水泵從水箱Ⅰ中抽出，流經右側的Ⅱ號水箱，再同時經過上部的3個平行水槽，通過出水端的尾門，最后經左部的回流水箱Ⅲ流回底部水箱Ⅰ，如此循環。水箱Ⅱ中的水同時流經3個平行水槽，能夠使平行水槽的水流條件一致，達到平行試驗的要求。當裝置運行穩定后，可用ADV流速儀來測定水體流速，并通過調節流量和尾門以達到期望的流速。靜水槽每個水槽長2 m，寬1 m，里面放置3個長0.85 m寬0.17 m的泥槽（用于鋪放沉積物，保證靜水槽和動水槽泥水比及水深一致），各泥槽用擋板隔開，互為平行。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 experimental set-up

1.1.2 試驗材料

由全太湖采樣的數據發現，近年來梅梁灣灣底泥營養鹽含量較高，這有利于實驗的進行，故底泥取自太湖梅梁灣，用彼得森采泥器采集表層泥，采集的樣品保存于潔凈的聚乙烯袋中（排出空氣），迅速帶回實驗室。取少量底泥作背景值分析，其理化性質見表1。

表1 梅梁灣沉積物的理化性質Table 1 The sediment geochemistry of Meiliang Bay

受試沉水植物由杭州清清水環境修復技術有限公司提供。采回后靜水槽馴養30 d。期間保持曝氣。30 d后取少量室內分析，其余均勻種植于各槽所鋪沉積物上。

1.2試驗設計與方法

為了更好地接近于自然環境，實驗裝置置于頂樓的玻璃房內，有自然條件下的通風與光照。實驗周期內，室溫在28～35 ℃。在動水槽D1和靜水槽J1中只鋪沉積物，動水槽D2和靜水槽J2中鋪上沉積物后種植苦草，八株一簇（圖2）。為了給水流預留緩沖帶，將采集的底泥均勻的鋪在動水槽平行水槽中間位置，長度約為1.5 m，厚度8 cm，兩端用擋板固定（圖1）。靜水槽中的沉積物鋪于小泥槽中。實驗用水采用除氯自來水。沒有種植苦草前用ADV流速儀調試流速一致，種植枯草裝置開始運行時，再次測流速。

圖2 苦草種植分布示意圖Fig.2 Distribution diagram of Vallisneria spiraslis L.

設定裝置運行前的時間為第0天，并采集水樣和泥樣，測定的值分別表示為自來水和沉積物中的

氮含量。靜沉1 d后開始運行并采樣（動水槽水儲存在水槽下的水箱中）。采樣時間：0、1、3、6、12、20、30、40 d。每次采樣時間固定為早上9點。沉積物和水中總氮采用堿性過硫酸鉀氧化法測定，水中氮形態（硝氮、氨氮、亞硝氮）用AA3流動分析儀測定。

1.3質量控制與數據分析

本研究試驗所用玻璃及聚乙烯器皿均以30%的HCl溶液充分浸泡24 h以上后，以超純水充分清洗。試劑為分析純和優級純，實驗用水為超純水（＞18 M?）。每個樣品測定時設置3個平行樣，取平均值作為結果。試驗數據處理均采用Excel 2010，Origin 8.5和SPSS 13.0 for Windows統計分析。

2 結果與分析

2.1水動力條件下植物對沉積物營養鹽的影響

本實驗中，為了保證實驗過程中沉積物不受到擾動，我們只采集了實驗初始和實驗末的沉積物，并對沉積物柱狀樣進行了分層分析。四組實驗水槽中沉積物初始濃度為0.815 mg·g-1，底泥中總氮的平均含量經過40 d的實驗后都有所下降（圖3）。D1水槽總體0～1 cm層沉積物總氮下降幅度較大，這是上層沉積物受到水動力的影響最大。但D2和J2水槽0～1 cm表層沉積物總氮含量明顯較D1和J1高，并且1～4 cm和4～8 cm沉積物層氮素下降較明顯。本研究中，有無沉水植物處理組沉積物中總氮含量動水條件下都低于對照組，說明水動力可以加強沉積物總氮的釋放。而有植物處理的水槽中，沉積物分層檢測總氮可以看出表層0～1 cm沉積物總氮含量較高，以下層沉積物含量較低，造成該現象有可能的原因是：種植有植物的水槽減少了水動力的作用，降低了總氮從表層沉積物中的釋放，苦草在生長期能夠直接吸收沉積物中的氮作為營養物質，從而減少其在下層沉積物中的含量。另外，實驗過程中苦草枯萎的葉片沉降到沉積物表面，也造成表層沉積物總氮含量較高（潘慧云等，2008）。沉水植物的根及其地上部分都有吸收礦質營養的能力，但根、莖、葉對營養元素的選擇性有所不同。研究表明沉水植物生長所需要的氮營養主要是通過根系吸收，尤其通過根系從沉積物中吸收氮是植物氮營養的最重要的來源（Chambers等，1989）。本試驗所選取的苦草在實驗期間處于生長旺盛期間（熊秉紅和李偉，2000），需要吸收大量的營養來滿足自身的需要，導致了植物根際沉積物中總氮含量的減少。并且苦草對于1～4 cm沉積物層的氮源吸收更多。此外，苦草根部周圍特有共生菌，其可以促進植物對氮的吸收并增進植物生長（Wigand等，1997）。

圖3 4個實驗組（D1，D2，J1和J2）沉積物總氮平均含量（第0天和第40天）以及分層（0～1、1～4、4～8 cm）含量（第40天）Fig.3 Total nitrogen concentrations (Day 0 and Day 40) in four groups (D1, D2, J1and J2) and concentrations in different layers (0-1, 1-4, 4-8 cm) at day 40

圖4 上覆水總氮、總溶解態氮、總顆粒態氮隨時間的變化Fig.4 The concentrations of total nitrogen, Total dissolved nitrogen and total suspended nitrogen in overlying water over time

2.2水動力條件下植物對上覆水氮營養鹽的影響

水中氮是水體重要的營養鹽之一，它是生物體氨基酸的重要組成成分。沉水植物苦草可以在一定程度上緩解上覆水中營養鹽的含量。本實驗測得了上覆水總氮和總溶解態氮的含量，上覆水總顆粒態氮可以由總氮和總溶解態氮之差得到（圖4）。上覆

水總氮和溶解態總氮隨時間的變化規律相似。2個動水槽的總氮和總溶解態氮均明顯大于靜水槽，說明水動力條件能大大促進氮從底泥中的釋放。4個水槽在第1天上覆水中總氮就有較大的增加，從0.09 mg·L-1分別升到0.60、0.50、0.379、0.36 mg·L-1。在孫小靜等（2007）的水動力實驗中，沒有植物的情況下，總氮在也在第一天快速上升，達到2.106 mg·L-1。D2水槽總氮，溶解態總氮和顆粒態總氮含量比D1水槽稍小，這是由于D2水槽水生植物的截留作用，減少了水動力對沉積物擾動作用。D1水槽的總氮和總溶解態氮含量在第30天達到最大值，總氮和總溶解態氮分別到達0.88，0.70 mg·L-1，之后又下降，第40天后接近于第1天的含量。D2水槽在第20天達到最大值，總氮和總溶解態氮分別到達0.70、0.66 mg·L-1，之后又下降，直至小于第1天的含量值。顆粒態氮基本都在第1天就達到最大值，后下降。D2水槽下降最明顯，到第40天，顆粒態氮下降到第0天水平。D1水槽總顆粒態氮含量第3天后明顯下降，后較平穩，第40天后達到0.04 mg·L-1。靜水槽顆粒態氮變化不明顯。沉積物中的可溶解態氮在實驗初始大量釋放，造成水中溶解態氮在第1天內大量增加。由于水動力條件的影響，沉積物中氮不斷向上覆水中釋放，水中氮緩慢增加至平衡。靜水槽由于沒有水動力的擾動，較早達到平衡。而顆粒態氮隨著懸浮顆粒在實驗初始進入到上覆水，然后部分又沉降到沉積物中。實驗的40 d內總溶解態相對于總顆粒態氮占有相當大的比例，尤其是靜水槽，平均占總氮含量的90%以上。動水槽總溶解態氮也占有80%以上。這說明氮從沉積物中釋放大部分是通過間隙水釋放，少量通過懸浮顆粒釋放?？嗖輰ι细菜蓄w粒態和溶解態氮均有明顯的減少作用，在動水條件下，苦草對溶解態和顆粒態氮的去除率最高可達27.6%和84.3%。沉積物中的總氮首先通過水中懸浮顆粒進入上覆水中，后逐漸從沉積物表層或者間隙水中進入上覆水。通過懸浮物進入上覆水是一個很迅速卻較短的過程，而通過間隙水和沉積物的釋放是一個較緩慢的過程，但具有持久性。

圖5 上覆水3種氮形態隨時間的變化Fig.5 The concentrations of three forms of nitrogen in overlying water over time

水中溶解態的氮并不是單一形態的，而是通過多種形態表示的。它主要以分子態氮，有機態氮，氨氮，硝態氮，亞硝態氮及硫氰化物和氰化物等多種形態存在。而氨氮，硝態氮和亞硝態氮是其在水體中的主要存在形態，也是植物吸收的主要氮形態。4個水槽上覆水氮形態隨時間變化差別較大（圖5）。氨氮含量在前6 d變化不明顯，D1水槽持續上升到第20天達到最大值0.069 mg·L-1，第40天時降到0.055 mg·L-1；D2水槽在第12天達到最大值0.052 mg·L-1，第40天時降到0.033 mg·L-1；靜水槽變化較緩慢，J1水槽持續上升到第30天達到最大值0.038 mg·L-1，第40天時降到0.025 mg·L-1；J2第20天達到最大值0.03 mg·L-1，第40天時降到0.022 mg·L-1。硝氮含量在第3天后，動靜水槽中上覆水含量便開始出現顯著差別，動水槽中上覆水硝氮含量持續增加到第12天，后緩慢增加。D1水在第40天達到最大值0.41 mg·L-1，D2水槽在第30天達到最大值0.33 mg·L-1。靜水槽上覆水硝氮含量變化不明顯。4個水槽上覆水亞硝氮含量在實驗初始階段即有明顯的增加，且經過一個峰值后，在第12天各水槽上覆水亞硝酸鹽含量降低到較低水平。D1水在第6天達到最大值0.26 mg·L-1，在第12天降到0.04 mg·L-1；D2水槽在第3天達到最大值0.16 mg·L-1，在第12天降到0.03 mg·L-1；靜水槽上覆水亞硝氮含量變化不顯著，J1水槽上覆水亞硝氮含量上升到第3天達到最大值0.08 mg·L-1，在第12天降到0.01 mg·L-1；J2也第3天達到最大值0.05 mg·L-1，在第12天降到0.02 mg·L-1。而到了第20天，4個水槽的上覆水亞硝氮含量都處于相近的水平，約0.01 mg·L-1。在動水條件下，苦草對氨氮，硝氮和亞硝氮的去除率最高可達30.0%、25.0%和60.0%。

4個水槽上覆水中，不同形態氮的比例變化相似（圖6）。其中硝態氮的含量比重較大，氨態氮含量比例在試驗后期增大并較穩定，亞硝氮含量比例先增加最大比例均出現在第3天，后逐漸降低至初

始比例值。2個動水槽亞硝氮含量在實驗初始階段增加的比例較大，說明沉積物中亞硝氮更容易受水動力的影響進入到上覆水中，而有植物的兩組水槽則減緩了這個過程。20天穩定后的比例與王沛芳等（2008）的研究結果相似。水體各個形態的氮之間的轉化是一個較復雜的過程。有機態氮經過細菌的分解（礦化作用mineralization）產生氨（HN3）或銨（NH4+），氨再經細菌的代謝（硝化作用nitrification）先形成亞銷酸鹽再氧化成硝酸鹽，硝酸鹽可直接被植物吸收利用，或再經細菌的代謝（去氮作用Denitrification）形成N2或N2O而散于大氣中。本實驗中，實驗開始從沉積物間隙水中釋放出的主要是硝氮和亞硝氮，氨氮含量較少。主要因為銨態氮較容易被植物和微生物吸收利用（Nayar等，2010；徐昇等，2012）。亞硝氮在大量釋放后，在第12天后大部分被氧化為硝氮，存在于上覆水中。植物的存在減緩了釋放的過程，但對于形態的轉化沒有太大的影響。

圖6 上覆水氮形態比例隨時間的變化Fig.6 The proportion of three forms of nitrogen in overlying water over time

3 結論

1）在水動力條件下，沉積物氮有明顯的釋放。水動力加速了表層沉積物總氮的釋放速率，使表層沉積物氮含量降低，但是對于底層沉積物的氮含量影響并不顯著。

2）苦草的存在減少了水槽水流紊動，使得表層沉積物的氮含量受到水動力較小的擾動，使溶解態和顆粒態氮釋放量均減少。枯萎腐爛的苦草葉片落在沉積物表層，在一定程度上增加氮含量。由于的苦草生長的需要，其根系從周圍沉積物中吸收氮磷，1～4 cm沉積物層的吸收量大于4～8 cm沉積物層。

3）受水動力影響，進入到上覆水的氮中80%以上是溶解態氮，故氮從沉積物中釋放大部分是通過間隙水釋放，少量通過懸浮顆粒釋放。沉積物中的總氮首先通過水中懸浮顆粒進入上覆水中，后逐漸從沉積物表層或者間隙水中進入上覆水。通過懸浮物進入上覆水是一個很迅速卻較短的過程，而通過間隙水的釋放是一個較緩慢的具有持久性的過程?？嗖輰ι细菜蓄w粒態和溶解態氮均有明顯的減少作用。

4）3種氮形態中，硝態氮的含量比重較大，動水條件下，沉積物中亞硝氮較容易進入到上覆水中，苦草對其的去除也較顯著，但苦草對水中各氮形態的比例的影響并不明顯。

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The Impact of Vallisneria spiraslis L. on the Release of Nitrogen from Sediment

GENG Nan, WANG Peifang*, WANG Chao, QI Ning, WANG Zhiyuan
Key Laboratory of Intergrated Regulation and Resource Development on Shallow Lakes, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, China

In shallow lakes, the nitrogen will release from sediments to the water column when the sediment got disturbed. Submerged plants can not only reduce the hydrodynamic force, but also absorb nitrogen from sediment to improve the water quality in the lake. Therefore, it is very important to study the impact of submerged plants on the hydrodynamic process and the release of nitrogen from the sediment. In this paper, the impacts of Vallisneria spiraslis L. on the release of nitrogen from the sediment under static and dynamical conditions were studied in flumes. The sediments were paved along the bottom of the flumes. Two static conditions and two dynamical conditions with or without planting Vallisneria spiraslis L. in the flume were designed to generate different turbulence on the sediment surface. The sediment samples were taken in the first and last day during the 40 day long experimental period for determining total nitrogen concentration only. The water samples were taken at eight different days, such as 0, 1, 3, 6, 12, 20, 30, 40 d for determining dissolve nitrogen, ammonia, nitrate and nitrite in filtered water. The results showed that the total nitrogen in the surface layer (0～1 cm) of the sediment without Vallisneria spiraslis L. were smaller than that with Vallisneria spiraslis L. The plants absorbed more nitrogen from the middle layer (1～4 cm) of sediment than from the deep layer (4～8 cm). The total nitrogen in the water column dramatically increased since the first day from 0.09 mg·L-1to 0.60, 0.50, 0.379, 0.36 mg·L-1respectively, and dynamical condition enlarged this increment. Dissolved nitrogen in the water column took 80% of total nitrogen in hydrodynamic conditions and 90% in static ones. The Vallisneria spiraslis L. reduced both dissolved and particular nitrogen by 27.6% and 84.3%, respectively. The nitrate took a large proportion of total nitrogen in overlying water. The Vallisneria spiraslis L. reduced ammonia, nitrate and nitrite in the water under hydrodynamic condition by 30.0%, 25.0% and 60.0%, respectively. The proportion of tree kinds of nitrogen in overlying water changed few with the impact of Vallisneria spiraslis L. Results indicated that the hydrodynamic force enhanced the release of nitrogen from sediment dramatically. The Vallisneria spiraslis L. protected the surface sediment from being disturbed by hydrodynamic forces and absorbed nitrogen from deep layer of sediment and water column, especially decreased particular nitrogen and dissolved nitrite. The results of this study could provide scientific tools for estimating the impact of submerged plants on the release of nitrogen from sediment and the Water Environmental Quality Assessment.

Vallisneria spiraslis L.; sediment; nitrogen; hydrodynamic force; release

X173

A

1674-5906（2014）07-1193-06

國家“973”重點基礎研究（2008CB418203）；國家“水體污染控制與治理”科技重大專項（2008ZX07101008）

耿楠（1986年生），女，博士研究生，主要研究方向為水環境保護和生態修復。E-mail：nancygeng.hhu @gmail.com; 573187527@qq.com *王沛芳（1973年生），女，教授，博士，主要研究方向為水環境保護和生態修復。E-mail：pfwang2005 @hhu.edu.cn

2014-04-11

耿楠，王沛芳，王超，祁凝，王智源. 水動力條件下苦草對沉積物氮釋放的影響[J]. 生態環境學報, 2014, 23(7): 1193-1198.

GENG Nan, WANG Peifang, WANG Chao, QI Ning, WANG Zhiyuan. The Impact of Vallisneria spiraslis L. on the Release of Nitrogen from Sediment [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1193-1198.