漂浮和沉水植物降解過程中氮磷的釋放規律

殷春雨　關保華　陳夢琪　方淑波　印春生

摘要：將浮萍（Lemna minor）、馬來眼子菜（Potamogeton malaianus）烘干植物體懸掛在水柱中，定期檢測殘存干物質和總氮（TN）、總磷（TP）含量，研究漂浮植物和沉水植物降解速率的差異。試驗條件分別是原位池塘、有沉積物溫室和無沉積物溫室等3種降解條件。結果表明：馬來眼子菜干物質降解速率略高于浮萍，2種植物的分解都是在原位池塘的條件下快于溫室條件下。馬來眼子菜TN的降解速率在有沉積物溫室和原位池塘的條件下高于浮萍，但TP的降解速率卻在所有處理條件下低于浮萍。2種植物分解1周后，氮磷比（NP）均上升，說明TP的降解速率高于TN，1周后則波動不大。由此可見，無論是漂浮植物還是沉水植物，磷的分解速率在1周之內最快，漂浮植物浮萍TP的降解速率高于沉水植物馬來眼子菜。由結果可知，與沉水植物馬來眼子菜相比，漂浮植物浮萍釋放到水體的TP更多。

關鍵詞：漂浮植物；沉水植物；浮萍；馬來眼子菜；降解；氮；磷

中圖分類號： X1714文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0275-03

收稿日期：2016-06-06

基金項目：國家自然科學基金（編號：31270409）。

作者簡介：殷春雨（1992—），女，安徽蕭縣人，碩士研究生，主要從事水體生態修復方面的研究。E-mail：1452745392@qqcom。

通信作者：印春生，博士，教授，主要從事環境分析化學、理論環境化學、海洋化學方面的研究。E-mail：csyin@shoueducn。

生長于湖泊中的水生植物是湖泊生態系統中必不可少的組成部分，其生長發育和死亡分解過程對湖泊營養循環起著重要作用1]。無論是沉水植物還是漂浮植物，都可以有效去除水體中的氮磷及其他污染物，同時凈化水質，提高水體自凈能力，對整個湖泊生態系統的結構、功能及系統穩定性有重要影響2-6]。

水生植物的生長具有一定的周期性，一年生水生植物的生物量在夏季達到最大值，在秋、冬季植物體逐漸凋萎死亡。水生植物在降解過程中會釋放部分營養鹽，從而提高水體水質和底泥的營養鹽含量5，7-8]。水生植物包括挺水、漂浮、浮葉和沉水4種生活類型9]。婁敏等對不同類型的水生植物降解過程的研究表明，不同類型的水生植物降解釋放氮磷的規律不同2，4-12]。

本研究通過模擬有無沉積物與原位對比的水體條件，研究浮萍和馬來眼子菜死亡植株的降解過程，探究漂浮和沉水水生植物降解和營養鹽釋放的差異，并分析其影響因素。

1材料與方法

11試驗材料

浮萍、馬來眼子菜于2012年11月底采自無錫市五里湖，洗凈根部淤泥并去除雜質，帶回實驗室后在40 ℃下烘干至恒質量。將馬來眼子菜剪碎成5～10 mm的小段，將浮萍單株分開。隨后分別稱?。? 000±1）mg處理好的馬來眼子菜、浮萍，分別放入編好號的分解網袋（200目尼龍網，10 cm×10 cm）中。試驗用水為筆者所在實驗室自來水，沉積物為南京信息工程大學內池塘底部的黑色沉積物。

12試驗設計

本試驗在南京信息工程大學的溫室和池塘中進行，具體設置見表1。將浮萍和馬來眼子菜各自分成3個處理組，每個處理組有3個重復，每個重復中各有6份樣品。

處理組A、B在溫室中進行，將每個重復組的樣品置于燒杯中。為保證恒溫，將燒杯均勻地放置在添加適當水的塑料大桶內。處理組C的樣品直接置于校園內池塘中，在每個分解紗網中加入相同質地、大小均勻的干凈石塊，使得每個分解紗網可以沉在池塘的底部，且放置的位置與取沉積物的位置相同。同時在每個分解紗網上加系1根尼龍繩，以方便每次采樣時將紗網取出。

13樣品采集與處理

測定馬來眼子菜和浮萍總氮（TN）、總磷（TP）的初始值。試驗周期為5周，每隔1周隨機從各重復組中取1份樣品，測定干物質質量和TN、TP含量。

樣品取回實驗室后，洗凈附著于植物殘體上的雜質，于40 ℃烘干，稱質量并記下干物質質量，隨后將烘干后的樣品粉碎研磨，分別測定TN、TP含量。其中TN含量通過元素分析儀（意大利，Euro Vector，EA3000）測定，TP含量通過Prodigy電感耦合等離子體發射光譜儀（美國Leeman公司）測定12]。

14數據處理

所有樣品的干物質質量和TN、TP含量的數據采用Excel軟件處理，繪制變化曲線，并計算植物降解速率。植物降解速率用K表示，干物質、TN、TP對應的降解速率分別為KS、KN、KP。其中干物質降解速率計算方程如下（KN、KP類推）：

KS=（S0-Sn）（d×S0）。

式中：S0為初始干物質質量，g；Sn為第n天干物質質量，g；n為時間，d。

2結果與分析

21干物質降解速率的比較

由圖1可知，浮萍和馬來眼子菜都是處理組C的干物質降解速率最快，不同的是，浮萍的降解速率以處理組A最低，馬來眼子菜的降解速率以處理組B最低，且除處理組B的浮萍的降解速率略高于馬來眼子菜的降解速率之外，其余2個處理組的浮萍的降解速率均低于馬來眼子菜的降解速率。

22TN降解速率的比較

由圖2可知，浮萍TN的降解速率在3個處理組中的變化不是很明顯，最高的是處理組C，為0013 3 mg（mg·d），最低的是處理組B，為0011 8 mg（mg·d），且處理組B和處理組C的降解速率均低于馬來眼子菜。馬來眼子菜TN的降解速率在3個處理組中的區別很明顯，處理組C的降解速率明顯高于另外2組，處理組A的降解速率最低，處理組C的降解速率是處理組A的2倍。

23TP降解速率的比較

由圖3可知，在3個處理組中浮萍和馬來眼子菜的TP含量降解速率的變化趨勢相同，均是處理組C降解得最快，處理組A降解得最慢，每種植物在各處理間差別不大，但浮萍TP的降解速率明顯高于馬來眼子菜TP的降解速率。endprint

FK（W11]TPYCY2tif]

FK（W11]TPYCY3tif]

23殘存干物質中氮磷比（NP）的比較

浮萍殘存干物質中NP呈先上升后下降趨勢，第1周上升迅速，之后4周總體呈下降趨勢；處理組A在試驗的5周內，NP均是3個處理組中最低的（圖4-a）。馬來眼子菜殘存干物質中N P在第1周急速上升，且處理組C的數值高于處理組A、處理組B，之后在15上下波動（圖4-b），且3個處理組的NP差別不大。對比圖4-a和圖4-b可以看出，馬來眼子菜干物質初始NP比浮萍高，降解過程中殘存NP比也高于浮萍。

3討論

31浮萍與馬來眼子菜降解規律的區別

通常將水生植物的降解過程分為2個階段：第1個階段為殘體干物質的快速減少階段，該階段主要是易分解物質的釋放過程；第2個階段為殘體干物質的緩慢減少階段，主要是微生物將難分解的化合物轉化為無機化合物的過程13-14]。在本試驗中，可以明顯看出，第1周是浮萍和馬來眼子菜的降解第1階段，干物質快速減少，之后的4周減少得比較緩慢。

對比圖4-a和圖4-b可知，浮萍和馬來眼子菜殘存 NP 在整個降解過程中都有明顯差異，浮萍降解過程中殘存NP低于馬來眼子菜。在降解的第2個階段中，浮萍殘存 NP 有波動性變化，而馬來眼子菜幾乎保持不變。綜合本研究結果可知，浮萍和馬來眼子菜干物質降解速率差異不大，浮萍TN的降解速率略低于馬來眼子菜，浮萍TP的降解速率明顯高于馬來眼子菜。浮萍的初始NP低于馬來眼子菜，說明浮萍TP含量比較高，這可能是浮萍TP的釋放速率高于馬來眼子菜的原因，此外，高TP含量的水生植物釋放TP的速率也高。

32影響水生植物降解的環境因素

水生植物的降解過程主要受溫度、沉積物、營養鹽及微生物分布因素的影響，同時也與降解的水生植物本身性質有關13-16]。已有研究表明，沉積物的存在會加快水生植物的降解速率16-17]，這與本研究結果一致。這可能跟沉積物中富含微生物有關。在3個處理組中，原位池塘中自然條件復雜，模擬的是水生植物自然分解條件；溫室中的2組處理，溫度會高于池塘，但環境因素較少，特別是微生物的種類和豐度會遠低于池塘原生環境，未添加沉積物的處理組A中，微生物會更少。浮萍殘存干物質和馬來眼子菜殘存TN的降解速率明顯是有沉積物大于無沉積物的處理。浮萍和馬來眼子菜TP的降解速率在有沉積物的情況下要稍快一些，但速率相差不大。同時，磷的損失是快速的，相比之下氮要慢得多，同時磷的降解主要集中在第1階段。該結果與陳見等的研究結果16]類似，這是由氮磷在植物體內的存在形式決定的，植物體內的磷主要存在于一些易于分解的生物活性物質中，可優先釋放出磷，當植物腐敗到一定程度后，隨著植物體中一些難溶性物質（如纖維素、多糖等）的比例提高，使得植物降解速率降低17-18]。

微生物對水體植物的降解影響很大，尤其在降解的第2階段影響更大，因為該階段主要是難溶性的物質在微生物以及胞外酶作用下緩慢降解19]。在本試驗中，所有處理組的數據均驗證了該觀點。2種植物的殘存干物質和TN、TP的降解速率均是有微生物的最快，尤其是在殘存干物質的變化上，在有微生物的情況下，降解要明顯快于沒有微生物的。

不同種類的水生植物的降解速率也會因本身性質的不同而各有差異，大量研究顯示，木質素和纖維素含量較高的植物降解速率較低5，16，20]。馬來眼子菜的干物質降解速率明顯高于浮萍，但是TN、TP的降解速率明顯低于浮萍，而且TN、TP的降解速率相差很大。在劉偉龍等的研究中表明，馬來眼子菜的NP要偏高些，尤其是葉片的NP要高于其他器官，但并未與其他水生植物進行平行試驗20]。本研究加強了這方面的研究，結果表明，2種植物的NP雖然都是升高的，但無論是初始值還是在整個試驗過程中，浮萍的NP要低于馬來眼子菜的NP。

33結論

不同類型的水生植物在降解過程中釋放氮磷的速率是不同的。沉水植物馬來眼子菜干物質和TN降解速率高于漂浮植物浮萍，馬來眼子菜TP的降解速率低于浮萍。2種水生植物TP的降解量、降解速率遠遠高于TN的降解量和降解速率?？梢姵练e物和微生物的存在，會加快水生植物的降解。

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