干濕循環對消落帶狗牙根磷釋放的影響

林俊杰, 曲衍樺, 陳茜, 劉丹, 譚興伶, 張帥, 4

干濕循環對消落帶狗牙根磷釋放的影響

林俊杰1,*, 曲衍樺1, 陳茜1, 劉丹2, 譚興伶3, 張帥1, 4

1. 重慶三峽學院, 三峽庫區水環境演變與污染防治重慶高校市級重點實驗室, 重慶 404100 2. 重慶三峽職業學院, 農林科技系, 重慶 404100 3. 重慶渝久環保產業有限公司, 重慶 4011235 4. 拜羅伊特大學, 德國巴伐利亞州拜羅伊特 95440

為探討干濕循環對三峽消落帶狗牙根磷釋放的影響, 以三峽典型支流—澎溪河為例, 選取上游(渠口鎮)和下游(雙江鎮)兩個水文斷面, 150、160、170 m 三個水位高程調查了狗牙根分布特征, 并于干濕循環和持續淹水兩種水文情勢, 15—25—35—25—15℃連續溫度變化下進行培養, 測定了水—土(W-S)、水—狗牙根(W-C)和水—土—狗牙根(W-S-C) 三種體系下水中磷含量隨時間變化。結果表明: 狗牙根生物量隨消落帶水位高程降低而下降, 表現為170 m (1.62 kg·DW·m-2) >160 m (0.85 kg·DW·m-2) >150 m (0.19 kg·DW·m-2)。在整個培養階段, 三種體系水中磷含量均隨培養時間的延長而增加, 表現為W-S-C>W-C>W-S體系, 其釋放動力學過程符合y=axb冪函數模型。與持續淹水相比, 干濕循環影響下W-S-C體系中狗牙根磷釋放量較低, 可見, 干濕循環有利于降低消落帶狗牙根磷釋放, 降低三峽支流水體富營養化風險。

干濕循環; 持續淹水; 三峽支流; 消落帶; 狗牙根; 磷釋放

0 前言

三峽庫區水位呈年際周期性漲落, 隨季節變化, 消落帶依次經歷淹水—落干循環過程[1], 氧化還原狀態隨之改變。每年4—9月消落帶出露成陸[2], 氣溫逐漸升高, 消落帶植被快速生長, 攔截過濾污染物, 吸收同化氮磷等元素, 從而削減進入水體污染物通量, 凈化水質[3-4]; 而后至次年3月氣溫持續降低, 消落帶植物淹水衰亡腐爛, 同時分解釋放氮磷等元素進入水體, 進而由“匯”轉變成“源”[5-7]。

三峽支流水流緩慢, 水體自凈能力較弱, 氮磷等元素進入水體不易稀釋擴散導致短期內水生藻類大量繁殖, 從而引起水體富營養化等問題[8-9]。三峽消落帶水生態安全相關研究主要集中在消落帶適生物種篩選、植被生理生態適應機制、消落帶水土界面過程等方面[10-14], 而有關干濕循環對消落帶植被分解磷釋放的研究鮮有報道, 因此, 查明三峽庫區特殊水文條件下, 消落帶植被分解對水體磷貢獻的影響至關重要。

本研究以三峽支流澎溪河消落帶水—土—狗牙根體系為研究對象, 根據三峽庫區水文特點和溫度特點, 設置兩種水文情勢, 模擬溫度變化進行培養, 測定培養過程中水中總磷含量變化, 探討干濕循環對消落帶狗牙根分解磷釋放的影響, 為闡明三峽支流水體富營養化成因提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域與樣品采集

根據澎溪河水文特征及流域城鎮分布(圖1), 設置上游(渠口鎮)和下游(雙江鎮)兩個水文斷面, 采集消落帶落干期原狀新鮮土樣及狗牙根, 立即放入保溫箱帶回實驗室。土壤經風干、去除礫石和植物殘體, 過5 mm篩, 混勻備用; 狗牙根經清洗, 晾干剪成5 cm備用。

1.2 水文氣象特征

三峽庫區水位呈年際周期性漲落, 消落帶不同水位高程經歷了不同程度的干濕循環(圖2)。每年9月水位快速升高, 至11月達最高水位, 次年1月水位連續下降, 至6月水位最低。氣溫從1月持續升高, 至7月后波動下降[15], 故本研究設置15℃—25℃—35℃—25℃—15℃連續溫度變化對狗牙根進行淹水培養。

圖1 澎溪河消落帶采樣點位[11]

Figure 1 Sampling sites in the WLF zone of Pengxi River

圖2 三峽庫區(萬州段)水位波動特征

Figure 2 Fluctuation of water level in the TGR Area within Wanzhou section

1.3 實驗過程

將10.00 g狗牙根放入尼龍網袋(200目, 5 cm×5 cm), 風干土壤130.00 g, 裝入500 mL培養瓶, 加入去離子水400 mL, 放入培養箱調節溫度和水分變化, 設置W-S、W-C、W-S-C體系三個體系, 干濕循環和持續淹水二種水文情勢, 及溫度變化(15℃—25℃—35℃—25℃—15℃), 每組3個平行, 分別于 1、3、7、8、10、14、15、17、21、22、24、28、29、31、35、36、38 和 42 d采集水樣(干濕循環在天數為15、17、21、22、24、28 d時無水樣), 取水樣25 mL, 用鉬酸銨分光光度法測定水中總磷[15]。每次將全部水樣取出, 用去離子水補至初始體積。

1.4 計算方法

水中磷含量計算方法如下:

其中, C—水中磷含量, mg·L-1; n—取樣次數(干濕循環12次, 持續淹水18次); Ci—第i次取樣水中磷含量, mg·L-1; V—水樣體積, L;

狗牙根磷釋放量, 計算方法如下:

其中, CW-S-C—W-S-C體系水中磷含量; CW-S—W-S體系水中磷含量; M—培養用狗牙根質量, g;

消落帶單位面積狗牙根磷釋放量, 計算方法如下:

其中, B為單位面積消落帶狗牙根生物量, kg ·m–2。

1.5 數據處理

利用Microsoft Excel 2007進行數據處理, 采用Sigma Plot 12. 5對磷釋放速率進行擬合及繪圖, 通過IBM SPSS Statistic 20進行方差分析及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 干濕循環對水中磷含量的影響

干濕循環條件下, W-S、W-C、W-S-C體系水中磷含量, 見圖3。從圖3可知, 在整個培養階段, 磷釋放量隨培養時間的增加而增加, 表現為W-S-C> W-C>W-S體系。

2.2 持續淹水對水中磷含量的影響

持續淹水條件下, W-S、W-C、W-S-C體系水中磷含量, 見圖4。從圖4可知, 在整個培養階段, 磷釋放量隨培養時間的增加而增加, 表現為W-S-C> W-C>W-S體系。

圖3 干濕循環對水中磷含量的影響

Figure 3 Effect of drying-rewetting cycles on P content in the water column

圖4 持續淹水對水中磷含量的影響

Figure 4 Effect of continuous flooding on P content in the water column

2.3 水中磷釋放動力學參數

干濕循環和持續淹水條件, 三種體系下水中磷動態參數擬合見表1。由表1可見, 兩種水文情勢下, W-S、W-C、W-S-C體系水中磷釋放動力學過程均符合y=axb模型(R2>0.8, p<0.0001)。

2.4 干濕循環和持續淹水對狗牙根磷釋放的影響

從圖5可知, 干濕循環導致W-S-C體系中狗牙根來源磷釋放量為207.63 mg·kg-1, 而持續淹水導致W-S-C體系中狗牙根來源磷釋放量為255.45 mg·kg-1。可見, 與持續淹水相比, 干濕循環導致的狗牙根分解磷釋放量顯著更低(p<0.05)。

2.5 澎溪河消落帶狗牙根沿水位高程分布特征

狗牙根生物量隨消落帶水位高程降低而下降, 表現為170 m (1.62 kg·DW·m-2) > 160 m (0.84 kg·DW·m-2) > 150 m (0.19 kg·DW·m-2), 見表2。

2.6 不同水位高程狗牙根磷釋放量

從圖6可知, 干濕循環條件下澎溪河消落帶不同水位高程狗牙根分解磷釋放量表現為 170 m(343.07 mg·m-2) > 160 m (176.14 mg·m-2) > 150 m (40.14 mg·m-2), 持續淹水條件下, 消落帶不同水位高程狗牙根分解磷釋放量表現為170 m (413.33 mg·m-2) >160 m (216.70 mg·m-2) >150 m (49.38 mg·m-2)。在不同水位高程狗牙根分解磷釋放量均表現為干濕循環顯著小于持續淹水(p<0.05)。

3 討論

植物淹水衰亡腐爛分解釋放養分過程主要受植物質地、環境溫度、淹水過程、淹水時長、微生物分解等多重因素影響[16-19]。本研究發現, 無論在干濕循環還是持續淹水條件下, 在培養初期, W-C體系、W-S-C體系水中磷釋量增加較快, 而后持續增加并逐漸趨于平穩(圖3和圖4), 該結果與水生植物分解磷釋放過程基本一致[20-21]。Xiao等[22]研究說明了三峽消落帶典型植物的淹水分解具有明顯的階段性, 前期主要是受到初始基質控制下的易溶物質快速溶解過程, 而后主要受具體環境條件下的微生物分解控制[23-24]。

表1 磷釋放動力學參數擬合

消落帶土壤是控制消落帶植物淹水釋放磷的重要因素。本研究發現, 隨培養時間延長, W-S-C體系磷釋放量大于W-C體系分解磷釋放量, 而W-S體系磷釋放速率幾乎無變化, 說明了消落帶土壤有利于促進狗牙根分解磷釋放并進入水體, 可能原因為, 土壤增加了水中微生物多樣性, 導致狗牙根分解加快。

注: *表示干濕循環和持續淹水之間存在顯著差異

Figure 5 P release from Cyn.L

表2 澎溪河消落帶狗牙根生物量分布

注: *表示同一高程不同處理差異顯著, 不同小寫或大寫字母表示不同高程相同處理差異顯著

Figure 6 P release of Cyn.L in the WLF zone

此外, 干濕循環有利于降低消落帶狗牙根磷釋放。與持續淹水相比, 干濕循環條件下更低(圖6), 狗牙根在持續淹水情況下更易分解釋放磷并進入水體。可能為干濕循環使狗牙根淹水時間縮短, 落干條件下不利于微生物降解狗牙根中纖維素等大分子有機物質, 代謝分解速率下降, 從而使狗牙根淹水腐爛分解過程減緩[25]。另一方面, 土壤微生物對水中磷有一定固持作用, 土壤微生物量越大, 固持水中磷越多[26], 持續淹水導致消落帶土壤微生物總量下降[27], 因此, 與干濕循環相比, 持續淹水條件下土壤磷固持量較小。可見, 三峽庫區周期性干濕循環的水文情勢有利于降低消落帶狗牙根磷釋放對水體磷的貢獻。另外, 開展三峽消落帶適生、高固磷、低磷釋放植物品種比選和應用, 是控制三峽支流水體富營養化的有效途徑之一, 有待進一步研究。

4 結論

三峽庫區特殊的調蓄水制度, 使消落帶生境呈氧化還原狀態周期性變化, 消落帶適生植物狗牙根分解過程隨之改變, 與持續淹水相比, 干濕循環有利于降低消落帶狗牙根磷釋放, 降低水體富營養化風險。

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Effect of drying-rewetting cycles on the phosphorus release of(L).. decomposition in the water level fluctuation zone

LIN Junjie1*, QU Yanhua1, CHEN Xi1, LIU Dan2, TAN Xingling3, ZHANG Shuai1, 4

1. Key Laboratory of Water Environment Evolution and Pollution Control in Three Gorges Reservoir, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China 2. Department of Agricultural and Forestry Science and Technology, Chongqing Three Gorges Vocation College, Chongqing 404100, China 3. Chongqing Yujiu Environmental Protection Industry Co., LTD, Chongqing 401123, China 4. University of Bayreuth, Bavaria 95440, Germany

To investigate the effect of the drying-rewetting cycle on phosphorus (P) release from(L).. (L) in the water level fluctuation (WLF) zone of the Three Gorges, two hydrological sections of the upper (Qukou) and lower (Shuangjiang) of Pengxi River, a typical tributary of the Three Gorges, were selected to investigate the distribution ofL with the altitudes of WLF zone. The P contents released from water-soil (W-S), water-(W-C) and water-soil-(W-S-C) systems were measured under drying-wetting cycle and continuous flooding at the temperature of 15-25-35-25-15℃variation during a 42 d incubation. The results showed that the biomass ofL decreased with the decrease of the altitudes of WLF zone, with the order of 170 m (1.62 kg·DW·m-2) > 160 m (0.85 kg·DW·m-2) > 150 m (0.19 kg·DW·m-2). The P release increased with the increase of incubation time, which was shown as W-S-C system > W-C system > W-S system during the incubation. The P release from W-C and W-S-C system increased rapidly at the initial stage of incubation, and then tended to be stable at the end of incubation. Compared with the continuous flooding, the drying-rewetting cycles reduced the P release fromL in the W-S-C system, and the dynamic process of P release fromL adopted to the model of=ab. It can be seen that the drying-rewetting cycle is conducive to inhibit the P release fromL in the WLF zone and alleviate the risk of eutrophication.

drying-rewetting cycles; continuous flooding; three Gorges tributary; water level fluctuation zone;()..; phosphorus release

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.002

X52

A

1008-8873(2019)04-007-06

2018-09-19;

2018-10-22

國家自然科學基金項目(31770529, 41601090); 重慶市自然科學基金(cstc2018jcyjAX0813); 重慶市教育委員會科學技術研究項目(KJZD- K201801201, KJQN20181230, KJ1710260); 教育部春暉計劃項目(Z2015133); 萬州科技人才專項(2016-1); 三峽庫區水環境演變與污染防治重慶高校市級重點實驗室開放基金(WEPKL2016ZD-01, WEPKL2016ZZ-01)

林俊杰( 1982—), 男, 吉林長春人, 博士, 副教授, 主要從事環境土壤學研究, E-mail: ybu_lin@ 126.com

陳文(1963—), 男, 副研究員, 主要從事地理環境與生態學研究, E-mail: cyw1018@sina.com

林俊杰, 曲衍樺, 陳茜, 等. 干濕循環對消落帶狗牙根磷釋放的影響[J]. 生態科學, 2019, 38(4): 7-12.

LIN Junjie, QU Yanhua, CHEN Xi, et al. Effect of drying-rewetting cycles on the phosphorus release of().. decomposition in the water level fluctuation zone[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 7-12.