挺水植物蘆葦的腐解對水體水質的影響

亓鵬玉，劉金明

諸城市環境保護監測站，山東 濰坊 262200

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挺水植物蘆葦的腐解對水體水質的影響

亓鵬玉，劉金明

諸城市環境保護監測站，山東 濰坊 262200

蘆葦；腐解；水體水質；底泥

水生植物作為湖泊生態系統的重要組成部分，不僅是湖泊生物鏈中的主要生產者，而且是湖泊演化和湖泊生態平衡的重要調控者[1-2]。水生植物不僅具有非常好的觀賞價值，而且能通過其生長過程中的吸收、過濾、截留等作用，主動并有效地吸收水體中的氮、磷、重金屬、有機物等污染物,對污水起到一定的凈化作用[3-5]。此外，生長于植物根際的微生物，亦能夠在一定程度上降解水中的有機污染物[6-7]。因此，培育水生植物已經成為湖泊污染治理和生態修復的重要途徑[8-10]。

水生植物的生長具有周期性,在經歷生長穩定期后，逐漸進入衰亡期。水生植物在腐爛分解過程中,一方面，植物體內的氮、磷等營養鹽會逐漸釋放到水體中,可能導致湖泊水質的惡化，造成水體的二次污染[11-12]；另一方面，其腐解過程中釋放的有機質進入水體后，能夠為水體及底泥中的厭氧微生物提供一定的碳源，并通過反硝化作用將水體中的硝態氮轉化為氮氣，在一定程度上有利于受納水體的脫氮作用[13-14]。因此，研究水生植物腐解過程中物質的釋放規律及其對水體水質的影響，對水體生態修復及污染治理具有重要的現實意義。

蘆葦是種適應性廣、抗逆性強、生物量高的挺水植物，由于其葉、葉鞘、莖、根狀莖和不定根均具有通氣組織，在凈化污水中能夠發揮重要作用[15]。因此，蘆葦在水體生態修復及污染治理中的應用越來越受到專家和學者們的重視。筆者在試驗模擬條件下，選擇典型的挺水植物——蘆葦作為研究對象，綜合考察不同生物量密度下，蘆葦殘體的腐解過程及其對水體水質的影響，深入探討蘆葦殘體腐解過程中養分的釋放規律。以期為殘體在濕地脫氮中的利用提供可靠的依據，最終為實際的濕地生態修復工程提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料的預處理

1)用高純水漂洗收集的蘆葦殘體莖和葉，以去除殘體表面的雜質，隨后將殘體置于烘箱中，于65 ℃烘干至恒重；2)將殘體剪成約1 cm長的碎片，混合均勻后置于密封袋中，并置于干燥器內備用；3)收集蘆葦生長區的表層底泥，將收集的底泥混合均勻，過100目網篩，去除底泥中植物殘體和雜物，再加入適量的高純水混勻，配制成底泥懸浮液備用，底泥的成分如表1所示。

表1 底泥的主要成分

1.2 試驗設計

在室溫(19.5～21.8 ℃)下，用尼龍網將不同質量的蘆葦殘體碎片包裹后，置于1 L的燒杯中進行腐解試驗，試驗用水為高純水。試驗分為0.1 gL殘體、0.2 gL殘體、0.4 gL殘體、0.2 gL殘體+底泥懸浮液、底泥懸浮液5個工況，每個工況設3個重復試驗。整個試驗在避光條件下進行，于第0、2、4、6、8、10、17、24、31、38、52和66天進行采樣監測，每次取20 mL水樣測定-N、TP、DO濃度以及pH和水溫等，并補充適量的高純水以保持整體水量，直至試驗結束。

1.3 水質指標的測定

2 結果與分析

2.1 對水體pH和DO濃度的影響

植物殘體在腐解過程中，極易對水體pH和DO濃度造成較大的影響，從而影響整個水體生態系統。水體pH隨腐解時間的變化見圖1。

圖1 水體pH隨腐解時間的變化Fig.1 Variations of pH in water body with the change of decomposition time

從圖1(a)可以看出，在投加量分別為0.1、0.2和0.4 gL時，水體pH表現出相似的變化趨勢，即腐解第2天，水體pH出現了驟降，隨后出現先急后緩的上升(第2～24天)，最終趨于穩定(第24～66天)。水體pH在第2天均達到了最低值，分別為5.45、5.37和5.13，試驗結束時，水體pH分別為7.56、7.43和7.27，均低于初始值(7.80)。綜上，蘆葦的腐解會降低水體的pH。此外，隨著植物殘體投加量的增加，水體pH的降幅逐漸增大。從圖1(b)可以看出，當蘆葦腐解過程中存在底泥時，水體pH的變化要明顯小于無底泥時，并且試驗結束時水體的pH(8.12)要明顯高于初始值。結果表明，底泥的存在能夠降低蘆葦腐解對水體pH的影響。

水體DO濃度隨腐解時間的變化見圖2。

圖2 水體DO濃度隨腐解時間的變化Fig.2 Variations of DO in water body with the change of decomposition time

從圖2(a)可以看出，投加量分別為0.1、0.2和0.4 gL時，水體DO濃度表現出相似的變化趨勢。腐解第2天，DO濃度出現了驟降，隨后緩慢上升(第2～31天)，最終趨于穩定(第31～66天)。DO濃度在第2天達到最低值，分別為6.37、5.00和3.11 mgL，試驗結束時，DO濃度分別為7.57、6.74和5.43 mgL，均低于初始濃度(8.30 mgL)。此外，隨著殘體投加量的增加，水體DO濃度逐漸降低。綜上，蘆葦腐解是消耗氧的過程，即好氧過程，因此，蘆葦腐解可造成水體缺氧。從圖2(b)可以看出，當腐解過程中存在底泥時，雖然水體DO濃度沒有發生明顯變化，但出現了一定程度的降低，即蘆葦腐解過程中，底泥的存在會在一定程度上降低水體中的DO濃度。

2.2 對水體TOC濃度的影響

水體中TOC濃度是微生物及植物生長的一個重要影響因素，會影響整個水體的生態系統。水體TOC濃度隨腐解時間的變化見圖3。

圖3 水體TOC濃度隨腐解時間的變化Fig.3 Variations of TOC in water body with the change of decomposition time

從圖3(a)可以看出，在殘體投加量分別為0.1、0.2和0.4 gL時，水體TOC濃度表現出相似的變化趨勢，即殘體投加量未對水體TOC濃度的變化趨勢產生明顯的影響，僅對TOC濃度產生了一定的影響。腐解前期(第0～4天)，水體TOC濃度出現了明顯的升高(尤其是第2天)，隨后水體TOC濃度進入緩慢降低的階段(第4～31天)，最終進入了穩定階段(第32～66天)。腐解第4天，水體TOC濃度均達到了最高值，分別為16.58、23.43和28.67 mgL。腐解試驗結束時，水體TOC濃度分別為5.53、10.48、16.48 mgL，均高于初始濃度(0)。此外，隨著蘆葦殘體投加量的增加，水體的TOC濃度亦逐漸升高。綜上，蘆葦殘體的腐解可增加水體中的TOC濃度，且殘體投加量越大，TOC濃度升高幅度越大。從圖3(b)可以看出，蘆葦腐解過程中，底泥的存在對水體中TOC濃度產生了一定的影響，在腐解前期(第0～4天)，水體TOC的濃度要明顯高于無底泥時(僅投加蘆葦殘體)，而腐解中期和后期(第4～66天)，水體TOC濃度要明顯低于無底泥時。總體上，底泥的存在能夠降低蘆葦殘體腐解過程對水體TOC的影響。

2.3 對水體氮濃度的影響

氮的濃度及存在形式可能對水體中的微生物群落、水體氧環境、水生生物等造成較大的影響，因此，研究水體中氮濃度及存在形式的變化至關重要。

水體TN濃度隨腐解時間的變化見圖4。

圖4 水體TN濃度隨腐解時間的變化Fig.4 Variations of TN in water body with the change of decomposition time

從圖4(a)可以看出，在殘體投加量分別為0.1、0.2和0.4 gL時，水體TN濃度表現出相似的變化趨勢。腐解前期(第0～4天)，水體TN濃度迅速增加；腐解中期(第4～31天)，水體TN濃度進入先迅速降低后緩慢降低的階段；腐解后期(第32～66天)，水體TN濃度趨于穩定。在腐解第4天，水體TN濃度達到了最高值，分別為1.77、1.85和2.21 mgL。腐解試驗結束時，水體TN濃度分別為0.82、0.91和0.61 mgL，均高于初始濃度(0)。雖然腐解前期，水體TN濃度隨殘體投加量的增加而逐漸增大，但腐解中期及后期，水體中的TN濃度與殘體投加量并不呈正相關性。總之，蘆葦腐解可增加水體中的TN濃度，但并不與殘體投加量呈正相關性。從圖4(b)可以看出，當存在底泥時，腐解過程中的TN濃度要明顯低于無底泥時，說明底泥的存在能夠降低蘆葦殘體腐解過程對水體TN濃度的影響。

水體NH3-N濃度隨腐解時間的變化如圖5所示。

圖5 水體NH3-N濃度隨腐解時間的變化Fig.5 Variations of NH3-N in water body with the change of decomposition time

從圖5(a)可以看出，殘體投加量分別為0.1、0.2和0.4 gL時，水體NH3-N濃度呈現出相似的變化趨勢，同時，水體NH3-N濃度隨殘體投加量的增加而升高。腐解第2天，水體NH3-N濃度出現了陡增，隨后進入逐漸降低的過程(第4～38天)，最終進入穩定階段(第38～66天)。水體NH3-N在腐解第2天達到最大值，分別為0.96、1.12和1.43 mgL，腐解結束時，其濃度分別為0.22、0.38和0.51 mgL，均高于初始濃度(0)。綜上，蘆葦腐解過程可增加水體NH3-N的濃度，且其濃度隨殘體投加量的增加而升高。從圖5(b)可以看出，底泥存在時，水體NH3-N濃度在整個腐解過程中均低于無底泥時，因此，底泥的存在能夠降低蘆葦腐解對NH3-N濃度的影響，但降低程度較小。

圖6 水體-N濃度隨腐解時間的變化Fig.with the change of decomposition time

從圖6(a)可以看出，殘體投加量分別為0.1、0.2和0.4 gL時，水體-N濃度呈現出相似的變化趨勢，但其變化趨勢明顯不同于TN和NH3-N濃度。腐解前期(第0～4天)，水體-N濃度出現了迅速增加；腐解中前期(第4～10天)，水體-N濃度出現了迅速降低；腐解中后期(第10～31天)及后期(第31～66天)，水體-N濃度又呈現出了緩慢升高的趨勢。腐解第4天，水體濃度達到了最大值，分別為0.76、0.73和0.63 mgL；第10天達到了最小值，分別為0.08、0.18和0 mgL；腐解結束時，水體-N濃度分別為0.59、0.53、0.10 mgL。綜上，蘆葦腐解過程可增加水體的-N濃度，水體-N的增加幅度與殘體投加量呈負相關性。從圖6(b)可以看出，在蘆葦腐解的中期及后期，底泥的存在能夠明顯降低水體-N濃度，即底泥的存在能夠降低蘆葦腐解過程對水體-N濃度的影響。

從圖7(a)可以看出，投加量分別為0.1、0.2和0.4 gL時，水體-N濃度無明顯的變化趨勢。腐解前期(第0～4天)，水體-N濃度呈迅速增加的趨勢，并且于第4天達到最大值，分別為0.10、0.07和0.28 mgL；腐解中期及后期，水體-N濃度先迅速降低后緩慢降低；腐解結束時，水體-N濃度均接近于初始值(0)。綜上，蘆葦腐解對水體-N濃度的影響較小，而且最終的影響程度并不隨投加量的變化而變化。從圖7(b)可以看出，當底泥存在時，水體-N濃度要低于無底泥時，因此，底泥的存在能夠降低蘆葦腐解對水體-N濃度的影響。

2.4 對水體TP濃度的影響

水體TP濃度隨腐解時間的變化情況見圖8。

圖7 水體-N濃度隨腐解時間的變化Fig.7 Variations of -N in water body with the change of decomposition time

圖8 水體TP濃度隨腐解時間的變化Fig.8 Variations of TP in water body with the change of decomposition time

從圖8(a)可以看出，植物腐解過程中，磷的釋放比碳和氮的釋放要緩慢一些。在投加量分別為0.1、0.2和0.4 gL時，腐解前期(第0～4天)或前期及中前期(第0～10天)，水體TP濃度逐漸增加，在此期間，水體的TP濃度均達到了最高值，分別為0.15、0.21和0.28 mgL；隨后水體TP濃度均進入了緩慢降低的階段；最終，水體TP濃度分別為0.05、0.07和0.16 mgL，均高于初始值(0)。此外，隨著殘體投加量的增加，水體TP濃度亦相應的升高。綜上，蘆葦腐解可增加水體的TP濃度，且隨著殘體投加量的增加而升高。從圖8(b)可以看出，當蘆葦腐解過程中存在底泥時，水體TP濃度出現了較為明顯的變化，即腐解中后期，水體TP濃度出現了較為快速的下降，明顯低于無底泥時，因此，底泥能夠降低蘆葦腐解對水體TP濃度的影響。

3 討論

3.1 蘆葦腐解對水體pH和DO濃度的影響

腐解前期(第0～2天)，水體pH出現了驟降，主要是因為蘆葦在腐解初期釋放出大量的有機酸[17]，隨著腐解過程的進行，水體中的有機酸被水體微生物吸收利用并分解。因此，植物腐解中期，水體pH逐漸增加。當水體中的大部分有機酸被消耗時，腐解進入緩慢或停滯階段，水體pH也趨于穩定。但對比試驗始末的水體pH，最終，蘆葦腐解在一定程度上降低了水體的pH，而且隨著殘體投加量的增加，水體pH的降幅增大。此外，當水體中存在底泥時，水體pH的降幅要明顯小于無底泥時，通過與底泥空白的對比，可以推斷，由于底泥存在少量的堿性物質，其釋放減緩了蘆葦腐解對水體pH的影響。

腐解前期(第0～2天)，水體DO濃度出現了驟降，主要是因為植物腐解過程屬于消耗氧的過程[18]，水體微生物對植物及其釋放的有機物的分解同樣需要消耗水體中的溶解氧。隨著腐解時間的延長，腐解速度越來越慢，導致水體DO消耗速率的降低，空氣中的氧氣不斷補充入水體中，因此腐解中后期，水體DO濃度逐漸升高并趨于穩定。對比試驗始末，蘆葦腐解在一定程度上降低了水體的DO濃度，而且降幅隨殘體投加量的增加而增大。此外，當存在底泥時，水體DO濃度要明顯低于無底泥時，可能是由于底泥的介入，引入了一些底泥微生物，加快了對水體DO的消耗。

3.2 蘆葦腐解對水體C、N、P濃度的影響

在植物腐解前期(第0～4天)，水體TOC濃度出現了較大幅度的升高，主要來源于蘆葦腐解釋放出的有機物，其中，部分有機物逐漸被水中的微生物作為碳源吸收利用[19]。隨著時間的延長，蘆葦腐解速率逐漸減慢，因此，腐解的中期及后期，水體TOC濃度逐漸降低并趨于穩定。總之，蘆葦腐解可增加水體TOC濃度，且增幅隨蘆葦殘體投加量的增加而升高。此外，當底泥存在時，腐解前期，水體TOC濃度明顯高于無底泥時，可能是由于底泥微生物的引入促進了蘆葦的腐解，而微生物的增加加快了水體TOC的消耗，因此，腐解中期和后期，水體TOC濃度明顯低于無底泥時。綜上，底泥的存在能夠促進蘆葦的腐解，同時能夠加快水體TOC的消耗[20-21]。

在植物腐解的前期及中前期(第0～10天)，水體TP濃度呈顯著的升高趨勢，可能是來源于蘆葦腐解的釋放，腐解前期水體DO濃度的下降，也促進了TP的釋放；腐解中后期，水體DO濃度逐步上升，促進了對TP的吸收[25]，因此，水體TP濃度出現了降低趨勢。總之，蘆葦腐解在一定程度上增加了水體TP濃度，且增幅隨殘體投加量的增加而增大。此外，當存在底泥時，水體TP濃度明顯低于無底泥時，這主要是由于底泥對水體中磷的吸收作用，使水體中的磷遷移至底泥中。

4 結論

(1)蘆葦殘體的腐解造成了受納水體pH和DO濃度的明顯降低，其降幅隨蘆葦殘體投加量的增加而增大。尤其在腐解前期，受納水體的pH和DO濃度會出現急劇下降。

(3)若蘆葦殘體的腐解在底泥表層進行時，其腐解過程對水體水質的影響要明顯小于無底泥時，這主要源于底泥自身的吸附作用以及底泥微生物的反硝化作用。因此，實際濕地生態修復過程中，應采取適當的方法避免植物殘體漂浮于水面，不僅能避免殘體覆蓋造成的水體DO濃度急劇降低，而且能使殘體的腐解在底泥的表層進行，降低了腐解過程對水體水質的影響。

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The Influence of Bulrush Litter Decomposition on Water Quality

QI Pengyu, LIU Jinming

Zhucheng Environmental Monitoring Station, Weifang 262200, China

bulrush; decomposition; water quality; sediment

2016-04-27

亓鵬玉(1986—)，男，工程師，碩士，主要從事人工濕地與環境監測管理，zchbj001@163.com

X522

1674-991X(2016)06-0591-09

10.3969j.issn.1674-991X.2016.06.085

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