生態(tài)溝渠中4種水生植物的氮磷積累效應(yīng)

劉 燕, 夏品華

(1.貴州省生物研究所， 貴州 貴陽(yáng) 550009； 2.貴州師范大學(xué)， 貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽(yáng) 550001)

生態(tài)溝渠中4種水生植物的氮磷積累效應(yīng)

劉 燕1, 夏品華2

(1.貴州省生物研究所， 貴州 貴陽(yáng) 550009； 2.貴州師范大學(xué)， 貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽(yáng) 550001)

為探明水生植物的氮磷積累規(guī)律，以貴州某生態(tài)溝渠中4種優(yōu)勢(shì)水生植物(菖蒲、黃菖蒲、水蔥、美人蕉)為試驗(yàn)對(duì)象，研究各植物生物量及不同器官氮、磷積累量的變化。結(jié)果表明：隨著生長(zhǎng)時(shí)期的推進(jìn)，4種植物生物量逐漸增加，尤其是夏季過(guò)后地上部生物量增加明顯，秋季達(dá)最大值，至冬季后又逐步降低。4種植物總氮、總磷含量差異明顯，菖蒲總氮與總磷含量最高，分別為41.26 g/kg和11.22 g/kg，美人蕉最低，分別為21.22 g/kg和7.14 g/kg；隨著時(shí)間的推移，4種植物的地上部分(莖葉)和地下部分(根)氮、磷積累量均逐步增加，至秋季達(dá)最大值；10月是多數(shù)水生植物生物量和體內(nèi)氮、磷含量最高的時(shí)段，可通過(guò)收割去除這部分氮、磷；4種植物中，菖蒲的氮、磷回收量最大(氮10.79 kg、磷2.34 kg)，美人蕉最少(氮0.32 kg、磷0.11 kg)，通過(guò)收割4種優(yōu)勢(shì)植物，2 km河段總共可回收氮22.87 kg和磷4.98 kg。

水生植物； 氮； 磷； 積累效應(yīng)

近年來(lái)，水體富營(yíng)養(yǎng)化和地下水污染日益嚴(yán)重，以氮、磷為主導(dǎo)的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染倍受人們關(guān)注。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要控制措施有源頭控制和末端治理，其中源頭控制最為有效，在源頭控制中，生態(tài)溝渠因建設(shè)成本低、污染去除效率高，在農(nóng)村地區(qū)被廣泛推廣[1-4]。水生植物是生態(tài)溝渠的重要組成部分，在其生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)吸收、積累水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為其自身的生長(zhǎng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)。目前，現(xiàn)有的宏觀水質(zhì)凈化效果未能與水生植物的實(shí)際氮、磷積累量聯(lián)系起來(lái)，植物對(duì)氮磷吸收、積累在污水脫氮除磷中的貢獻(xiàn)還不夠清楚，極易造成生態(tài)溝渠中植株體的二次污染[5-8]，因此，研究生態(tài)溝渠中水生植物氮、磷積累規(guī)律對(duì)生態(tài)溝渠的氮、磷去除和溝渠管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者以貴州某生態(tài)溝渠中定植的水蔥(Scirpustabernaemontani)、黃菖蒲(Irispseudacorus)、美人蕉(Cannaindica)和菖蒲(Acoruscalamus)4種挺水植物為研究對(duì)象，研究地上部分(莖葉)和地下部分(根)各器官中氮、磷的分布及其在生長(zhǎng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特征，力求找出水生植物體內(nèi)氮磷積累規(guī)律，為生態(tài)溝渠中水生植物的科學(xué)管理和氮、磷去除及植物修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取貴州省某生態(tài)溝渠的優(yōu)勢(shì)水生植物——美人蕉、黃菖蒲、水蔥和菖蒲4種挺水植物為試驗(yàn)對(duì)象,4種植物均在2011年8月定植于溝渠中，經(jīng)過(guò)1年的觀察，長(zhǎng)勢(shì)良好，未出現(xiàn)嚴(yán)重的病蟲(chóng)災(zāi)害。

1.2 試驗(yàn)方法

2012年11月至2013年10月，每隔30 d對(duì)4種植物的地上部分(莖葉)和地下部位(根)進(jìn)行生物量、植株體內(nèi)N、P含量的測(cè)定，觀察并記錄植物體內(nèi)各器官的N、P含量隨時(shí)間的變化情況。4種植物分別取3～4株樣品，單株進(jìn)行重復(fù)，植物樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，先用自來(lái)水沖洗植物的莖葉、根系，再用蒸餾水沖洗整株植株，然后分地下部和地上部分別取樣。樣品取好后，在70℃下烘干至恒重，計(jì)算生物量；最后粉碎過(guò)100目(0.15 mm)篩，用凱氏定氮法測(cè)總氮(TN)含量，釩鉬黃比色法測(cè)總磷(TP)含量[9]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與作圖，采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種水生植物的生物量

由圖1可知，隨著生長(zhǎng)時(shí)期的推進(jìn)，4種植物生物量逐漸增加，尤其是夏季過(guò)后地上部生物量增加明顯，秋季達(dá)最大值，之后因植株衰老，枯死量增加，生物量逐漸下降。在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)，地上部、地下部和總生物量最大，變化最明顯的是水蔥，秋季根、莖葉達(dá)生長(zhǎng)高峰，總生物量為28.0 kg/m2，是春季的9.3倍；地上部和總生物量最低的是菖蒲，分別是3.38 kg/m2和5.74 kg/m2；地下部生物量最低的是菖蒲，僅1.19 kg/m2。根冠比(地下部分/地上部分)差異顯著，根冠比最大的是水蔥，達(dá)0.79，最小的是美人蕉，僅0.12；4種植物根冠比均小于1，表明4種植物地上部生物量均大于地下部，植物生長(zhǎng)良好。

圖1 4種水生植物地上及地下部分的生物量

Fig.1 Biomass of aboveground and underground part of the four hydrophytes

2.2 4種水生植物總氮與總磷的積累

4種植物地上部分、地下部分氮含量差異明顯，地上部氮含量菖蒲最高，為26.08 g/kg；美人蕉最低，為11.54 g/kg。地下部氮含量水蔥最高，為16.03 g/kg；美人蕉最低，為9.68 g/kg。4種植物地上部、地下部分磷含量無(wú)明顯差異，地上部分磷含量菖蒲最高，為5.18 g/kg；黃菖蒲最低，為3.74 g/kg。地下部磷含量菖蒲最高，為5.57 g/kg；最低為美人蕉，僅3.03 g/kg(圖2)。4種植物整株總氮、總磷含量差異明顯，總氮與總磷含量最高是菖蒲，分別為41.26 g/kg和11.22 g/kg；含量最低是美人蕉，分別為21.22 g/kg和7.14 g/kg。不同植物整株氮磷比差異較大，以黃菖蒲最高，為4.10；美人蕉最低，僅2.97；水蔥和菖蒲為3.75～3.68。

2.3 不同時(shí)期植株各器官總磷及總氮的積累量

從圖3可知，隨著時(shí)間的推移，4種植物地上部分(莖葉)和地下部分(根)氮、磷積累量總體呈增加趨勢(shì)，至秋季達(dá)最大值(水蔥根除外)。地上部氮含量變化趨勢(shì)略有不同，菖蒲、水蔥莖葉氮含量在8月前變化相對(duì)較小，8月后增加明顯，至10月達(dá)最大值；黃菖蒲和美人蕉秋季氮含量雖有增加，但幅度較小。地下部氮含量變化明顯，除水蔥6月份根部含氮量最高外，菖蒲、黃菖蒲和美人蕉3種植物含氮量均逐步增加，至10月出現(xiàn)峰值。地上部分、地下部分磷含量變化趨勢(shì)基本一致，均是隨時(shí)間推移總體呈增加趨勢(shì)。菖蒲從3月開(kāi)始體內(nèi)磷含量急劇增加，至8月達(dá)最大值，之后略減少；水蔥體內(nèi)磷含量在8月前增加幅度較小，8月后增加明顯，10月達(dá)最大值；黃菖蒲和美人蕉隨時(shí)間推移磷含量雖略有增加，但增加幅度較小，美人蕉和黃菖蒲的最大值分別出現(xiàn)在7月和8月，之后兩種植物的莖葉磷含量都逐步降低；地下部磷含量變化趨勢(shì)和莖葉基本相同，除水蔥個(gè)別月份值較高外，4種植物根部磷含量均呈隨時(shí)間增加而增加，美人蕉、菖蒲和水蔥的最大值均出現(xiàn)在10月。可見(jiàn)，8-10月是植物體內(nèi)積累氮磷含量最高的月份，而10月又是多數(shù)水生植物生物量和體內(nèi)氮磷含量最高的時(shí)段，可通過(guò)收割去除這部分氮磷。

圖2 4種水生植物總氮及總磷的含量

圖3 4種水生植物地上部及地下部氮、磷的積累量

表 4種水生植物氮、磷的回收量

2.3 4種水生植物氮、磷的回收量

每株菖蒲莖葉內(nèi)氮的平均含量為1.70 g，磷的平均含量為0.37 g，試驗(yàn)河段長(zhǎng)度為2 km，共種植菖蒲6 366株，收割菖蒲地上部分可回收氮10.79 kg、磷2.34 kg。同理，收割黃菖蒲可回收氮8.11 kg、磷1.55 kg；收割美人蕉回收氮0.32 kg、磷0.11 kg；收割水蔥回收氮3.65 kg、磷0.98 kg(表)，通過(guò)收割4種優(yōu)勢(shì)植物，2 km河段總共可回收氮22.87 kg和磷4.98 kg。

3 小結(jié)

1) 在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)，地上部、地下部和總生物量最大，變化最明顯的是水蔥，秋季根、莖葉達(dá)到生長(zhǎng)最高峰，總生物量為28.0 kg/m2，是春季的9.3倍；地上部和總生物量最低的是菖蒲，生物量分別為3.38 kg/m2和5.74 kg/m2，地下部生物量最低的是菖蒲，僅為1.19 kg/m2。

2) 4種植物中，地上部氮含量差異明顯，菖蒲氮含量(26.08 g/kg)最高，美人蕉最低(11.54 g/kg)。地下部氮含量最高的是水蔥(16.03 g/kg)，最低的是美人蕉(9.68 g/kg)。菖蒲的地上部及地下部磷含量最高，分別為5.18 g/kg和5.57 g/kg，黃菖蒲和美人蕉最低，分別為3.74 g/kg和3.03 g/kg。植株整株總氮、總磷含量差異明顯，菖蒲總氮(41.26 g/kg)與總磷(11.22 g/kg)含量均最高；水蔥、黃菖蒲次之，美人蕉總氮(21.22 g/kg)和總磷(7.14 g/kg)最低。

3) 8-10月是植物體內(nèi)積累氮、磷含量最高的月份，10月是多數(shù)水生植物生物量和氮磷含量最高的時(shí)段，可通過(guò)收割去除這部分氮、磷。結(jié)合植物的種植數(shù)量和體內(nèi)氮磷含量，菖蒲的氮磷回收量最大(氮10.79 kg、磷2.34 kg)，美人蕉最少(0.32 kg、磷0.11 kg)，通過(guò)收割4種優(yōu)勢(shì)植物，2 km河段總共可回收氮22.87 kg和磷4.98 kg。

[1] 李強(qiáng)坤,李懷恩,胡亞偉,等.黃河干流潼關(guān)斷面非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算[J].水科學(xué)進(jìn)展,2008,19(4):460-466．

[2] 歐陽(yáng)威,蔡冠清,黃浩波,等.小流域農(nóng)業(yè)面源氮污染時(shí)空特征及與土壤呼吸硝化關(guān)系分析[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(6):2411-2418．

[3] 宋立芳,王 毅,吳金水,等.水稻種植對(duì)中亞熱帶紅壤丘陵區(qū)小流域氮磷養(yǎng)分輸出的影響[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(1):150-156．

[4] 張樹(shù)楠,肖潤(rùn)林,劉 鋒,等.生態(tài)溝渠對(duì)氮、磷污染物的攔截效應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué),2015,36(12):4516-4522.

[5] 金衛(wèi)紅,付融冰,顧國(guó)維.人工濕地中植物生長(zhǎng)特性及其對(duì)TN和TP的吸收[J].環(huán)境科學(xué)研究,2007,20(3):75-80.

[6] 徐德福,徐建民,王華勝,等.濕地植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮、磷吸收能力研究[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2005,11(5):597-601.

[7] 呂改云,何懷東,楊丹菁.刈割對(duì)人工濕地風(fēng)車草生長(zhǎng)及污水凈化效果的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(15):4932-4939.

[8] 何淑英.四種水生植物各器官的氮、磷積累效應(yīng)分析[J].中國(guó)給水排水,2011,27(13):92-95.

[9] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1999:308-315.

(責(zé)任編輯： 劉 海)

Nitrogen and Phosphorus Accumulation in Macrophytes in Ecological Ditch

LIU Yan1, XIA Pinhua2

(1.GuizhouInstituteofBiology,Guiyang,Guizhou550009; 2.GuizhouKeyLaboratoryforMountainousEnvironmentalInformationandEcologicalProtection,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China)

In order to reveal the nitrogen and phosphorus accumulation regularity of macrophytes, four dominant hydrophytes,Cannaindica,Irispseudacorus,ScirpustabernaemontaniandAcoruscalamuswere used for water purification in ecological ditch. The accumulation amounts of biomass, N and P in different organs of the above mentioned plants were analyzed around a year. Results:With the development of growth period, four kinds of plant biomass increased gradually, especially aboveground biomass increased significantly over the summer, and in autumn reached the maximum, then gradually reduced in winter. A wide range of TN and TP contents existed in different plants, with the highest TN content of 41.26 g/kg and the highest TP content of 11.22 g/kg inA.calamus. Besides, The lowest TN content of 21.22 g/kg and the lowest TP content of 7.14 g/kg inC.indica. With the increasing of N and P accumulation in aboveground parts (stem and leaf) and the underground part (the root) ,the N and P accumulation gradually increased ,and reached the maximum value in the Autumn. According to accumulation of TN and TP, hydrophytes’ best harvest time were October. Furthermore, they were the highest inA.calamus(N 10.79 kg, P 2.34 kg) and the lowest inC.indica(N 0.32 kg， P0.11kg), 22.87 kg N and 4.98 kg P could be recovered by harvesting the four dominant hydrophytes in the 2 km river reach, according to the number and contents of TN and TP.

macrophytes; nitrogen; phosphorus; accumulation

2015-09-06； 2016-03-10修回

貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目“人工濕地植物氮磷的吸收、積累及分配規(guī)律研究”[黔科合J字(2013)2025]

劉 燕(1981-)，女，副研究員，碩士，從事生態(tài)修復(fù)研究。E-mail: yanyan19810431.student@sina.com

1001-3601(2016)04-0181-0147-03

S682.32

A