沉水植物降解及營養鹽釋放規律

陳夢琪　鄭建偉　蔣躍平　關保華

摘要：設置不同的試驗條件，研究沉水植物的降解和營養鹽釋放過程及其影響因素。選取苦草和黑藻作為試驗材料，在池塘、溫室內和溫室外3個地點設置不同試驗處理組。結果表明：苦草和黑藻的降解過程具有明顯的階段性，初期速率較快，之后基本保持穩定。無論是苦草還是黑藻，磷的釋放都很快，在1周內大量釋放；但是苦草營養鹽釋放速率低于黑藻?？嗖莺秃谠宓慕到庖约盃I養鹽的釋放速率在有沉積物存在、溫度較高的情況下較高。

關鍵詞：苦草；黑藻；降解規律；氮磷釋放速率；沉積物；溫度

中圖分類號：X524 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0411-03

沉水植物作為湖泊生態系統的一個重要組成部分，對湖泊生態系統的物質和能量的循環起重要作用[1]。近40年來，對我國各大淺水湖泊的污染控制研究結果表明，沉水植物可以吸收水中的營養物質、促進水體營養鹽沉降、遏制底泥營養鹽向水中再釋放等[2-4]。通過降低沉積物-水之間的營養鹽通量，沉水植物能夠有效地凈化水質，保持水體處于較低的營養鹽水平，抑制藻類生長，提高水體的自凈能力[5]。然而，沉水植物進入衰亡期后，會分解釋放一部分營養鹽[6]，對水體造成二次污染。沉水植物死亡后，一部分直接在水中衰亡消解，釋放部分營養鹽；其余部分腐爛沉入水底，浮于沉積物表層，和微生物共同作用消耗溶解氧、釋放營養物質[7]。此外，不同種類的沉水植物，由于碳氮磷物質形態及組成比例的差異，導致在衰亡過程中，腐爛分解和營養鹽的釋放速率也不相同[8]。本試驗模擬沉積物有無和不同的溫度條件，將苦草（Vallisneria natans）和黑藻（Hydrilla verticillata）死亡植株放置在塑料大棚溫室內、溫室外和原位池塘中，研究溫度和沉積物缺失對不同沉水植物降解過程和營養鹽釋放的規律，以期發現沉水植物在死亡后對水體的影響，為深入研究沉水植物在水體營養鹽循環中的作用提供理論補充。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

2012年11月底于江蘇省無錫五里湖采集苦草和黑藻植株，帶回實驗室，40 ℃烘干至恒質量，試驗在南京信息工程大學溫室大棚中進行。用水為自來水，沉積物為校園內池塘中黑色沉積物。將苦草和黑藻洗凈去除雜質，并剪碎至5～10 mm 長的小段，待其風干后分別稱量（150±1） mg苦草和（100±1） mg黑藻，放入編好號的分解網袋（200目尼龍網，10 cm×10 cm）中?？嗖莺秃谠宸謩e留樣測初始生物量和氮（N）、磷（P）含量。其他分為5個處理組（表1），每個處理組3個重復，每個重復6份樣品。處理A、處理B、處理C、處理D的樣品每批重復放置在1個燒杯中，燒杯均放置在有一定水量的塑料大桶里，以保證恒溫。每隔1周從各個燒杯中隨機抽取1份植物樣品測生物量和N、P含量。處理E樣品直接放入池塘中，同樣每隔1周從池塘中抽取1份測生物量和N、P含量。試驗地點為塑料大棚溫室內外和池塘中，分別模擬溫度的高低、沉積物的缺失和水體原位環境。

1.2 樣品采集與分析

試驗共進行5周，試驗開始后，每周采集1次樣品，洗凈泥沙和附著物后，在烘箱中烘干后稱質量。將干燥樣品粉碎研磨，用元素分析儀（意大利，Euro Vector，EA3000）測定氮含量，用電感耦合等離子體發射光譜儀（美國，Leeman，Prodigy）測定磷含量[9]。

1.3 數據處理

將所有的樣品測量其生物量和N、P含量，按序錄入 Excel 表格中，并計算出各個處理的平均值，繪制降解曲線。

植物分解速率以K表示，生物量、TN、TP對應的分解速率分別為KS、KN、KP。以生物量分解速率計算方程為例：KS=（Sd-S0）/（d×Sd），式中Sd為第d天生物量含量，S0為初始生物量含量，d為時間。

2 結果與分析

2.1 苦草降解過程中殘存生物量和氮、磷含量的變化

由圖1可知，所有處理組生物量均在試驗第1周明顯下降，之后變化較平穩。池塘組第1周分解最快；處理B的生物量下降緩慢；處理D的生物量基本處于穩定狀態，第1、第3、第4、第6周均高于其他處理；處理E的生物量在試驗開始后快速降低?？偟康淖兓厔萃锪孔兓厔菹嗨疲谠囼灥?周明顯下降，然后上下波動?？傮w而言，處理A總氮含量最高，處理E最低。處理A和處理D的TN在前5周都明顯高于其他處理。所有處理的TP含量在第1周迅速下降，之后都保持在一個較平穩的狀態。其中，處理E的TP含量最低，處理A和處理C的TP含量在第1、第5、第6周均明顯高于其他處理?？傮w而言，處理A、處理B的總磷含量高于處理C、處理E。

2.2 黑藻降解過程中殘存生物量和氮、磷含量的變化

由圖2可知，黑藻所有處理組的生物量在第1周迅速下降，此后都在該值上下浮動。處理C在第2、第3、第4周基本處于平穩狀態，第5、第6周有所回升。且處理C和處理D的生物量在第2、第3、第5、第6周高于處理A和處理B，即溫室外分解較慢。和苦草一樣，黑藻的TN含量變化較大。其中，處理E的TN含量最低，即黑藻在池塘中的含氮量較低；除了第1、第3周外，處理A的TN含量都高于處理B，且處理A、處理B高于處理C、處理D，即溫室內高于溫室外?？嗖菟刑幚斫M的TP含量在第1周迅速下降，之后基本保持在穩定狀態。黑藻的TP含量的變化趨勢同苦草基本一致?？傮w而

言，處理A的總磷含量最高，處理E總磷含量最低。

2.3 苦草和黑藻的第1周分解速率比較

由圖3可知，第1周黑藻處理B、處理C、處理D的氮分解速率均略高于苦草，苦草的處理A和處理E略高于黑藻，總體來說，苦草和黑藻差別不大。第1周黑藻各處理的磷分解速率均略高于苦草，其中兩者處理A的差距最大，處理E最接近。黑藻的第1周生物量分解速率明顯高于苦草，黑藻幾乎是苦草的2～4倍。endprint

3 結論與討論

沉水植物的降解是一個十分復雜的過程，受眾多因素的影響[10]，包括生物及非生物因素，即溫度、沉積物、營養鹽及微生物分布等都會對沉水植物的降解產生很大的影響[11]。

3.1 沉水植物的降解過程

沉水植物分解一般都分為2個階段，第1個階段是植物殘體的快速溶解階段，第2個階段是難溶性物質與微生物以及胞外酶作用緩慢分解階段[12]。本研究結果也證實了這一點，苦草和黑藻在第1周迅速分解，之后分解速率明顯下降，甚至在降解后期還出現了TN、TP含量上升的情況。這和氮磷在植物體內的存在形式有關，磷相較于氮會快速分解到水體中[13-14]。

3.2 沉水植物降解過程的影響因素

溫度是影響沉水植物降解速率的重要因素之一，溫度高使得微生物的活動變得活躍[15]，從而加快了植物的降解速率。潘慧云等在實驗室模擬條件下研究發現，金魚藻和苦草在秋冬低溫條件下釋放的氮、磷較少，在來年回暖后分解有所

加快[6]。葉春等在試驗中發現，黑藻分解過程有明顯的階段性，其分解速率與周圍環境溫度顯著相關[11]。本研究也發現，在溫度較高的棚內，苦草和黑藻的分解速率均高于棚外。陳見等在研究中發現，沉積物加快了苦草TN和TP的損失速率[16]，這可能與沉積物中大量微生物促進促進含氮磷的有機物快速分解有關[17]。本研究發現，在有沉積物的環境中，苦草和黑藻分解速率均高于沒有沉積物的環境。而同樣是有沉積物的環境，溫室外的降解速率明顯低于原位池塘中的分解速率，這可能與池塘中微生物種類更多、系統更加復雜有關[13]。

3.3 不同種沉水植物降解的比較

苦草和黑藻在降解過程中也表現出不一樣的規律。李燕對5種沉水植物進行分解試驗，得出苦草的降解速度要比黑藻慢的結論[18]。本研究發現，苦草在沒有沉積物的處理下，分解速率最大，而池塘中分解相對最慢。表明沉積物雖然有微生物，但也在一定程度上抑制了苦草的分解；而池塘是自然生態環境，微生物種類較全面，對苦草的綜合作用表現為較慢的降解速度。相反，黑藻在池塘中的分解速率最大，棚外無沉積物的環境下分解最慢。明顯看出，在溫度低、微生物較少的水體中，黑藻較難分解。同時，黑藻在降解過程中，氮一直是上下波動的，由此推測出黑藻不僅僅會釋放氮，還會從周圍環境中吸收氮。此外，在相同條件下，苦草的降解速率明顯低于黑藻，這可能與苦草黑藻自身的氮磷含量有關[19]。在溫室外無土的環境中，黑藻量甚至是苦草的4倍，這可能是因為黑藻的碳氮磷比例更適合微生物分解的緣故。因此在秋冬死亡季節，黑藻應優先于苦草從湖中打撈出來，以防二次污染。

無論是苦草還是黑藻，都在1周內快速分解，此后分解變得非常緩慢；苦草在1周內分解釋放掉60%以上的P和50%以上的N；黑藻分解速率高于苦草，在1周內分解釋放掉80%以上的P和50%以上的N。無論是苦草還是黑藻，P的釋放速率均高于N。在池塘原位條件下，無論是苦草還是黑藻，其分解速率都高于其他試驗條件。

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