沉水植物死亡的氮磷营养物质释放思考

沉水植物死亡的氮磷营养物质释放思考 沉水植物死亡的氮磷营养物质释放思考预读: 摘要:最新杂志:石油和化工节能石油工业计算机应用石油工业与计量润滑油与燃料青海石油南方油气地质录井技术炼油炼油化工自动化勘探家?石油与天然江苏石油化工学院学江汉石油学院学报沉水植物死亡的氮磷营养物质释放思考范文1 自20世纪60年代以后,中国湖泊富营养化不断加重,日益严重地影响着人们的生产和生活用水.湖泊富营养化,一方面,是由于大量的N和P等外源污染物的输入,另一方面,内源污染(包括水生生物死亡后腐烂分解)和湖泊底质污染物的释放也是导致水体富营养化的重要因素.沉水植物特殊的生态功能,使其在维护水域生态系统平衡、调控养殖水体水质、净化污染水体、生物防治湖泊富营养化等方面发挥着举足轻重的作用.与挺水植物相比,以沉水植物(如金鱼藻Ceratophyllumdemersum)为主的湿地群落能更有效地去除水体中氮磷等过剩营养物质[1];而漂浮植物由于容易过度生长繁殖难以控制,从而在水体修复中应用较少;因此,沉水植物在生物修复工程和生态湿地建设中被广泛应用.王国样等[2]曾研究利用伊乐藻(ElodeaNuttallii)、金鱼藻(Ceratophfllumdemersum)、轮叶黑藻(Hydrillavarticillata)等水生植物组成的人工复合生态系统对太湖局部水域水质的净化作用.近年来,随着水域环境日趋恶化,沉水植物作为水体生态修复的重要水生植物之一,其吸收和分解释放营养物质的动态过程渐渐成为讨论和研究的热点.Koukoura等[3]`研究发现,水生植物的腐烂分解过程受到许多因素的影响,其中分解材料的性质,尤其是C/N被认为是主要影响因素;GodshalkandBarko[4]曾报道,水生植物分解过程中,水体中氨氮和磷的浓度升高;Pereira等[5]也发现,水生植物生物化学分解过程中消耗大量氧气,致使水体溶解氧水平降低;Gumbricht[6]曾指出,收割水生植物是1种从水体中去除营养物质(特别是磷)的有效途径.影响水生植物腐烂分解和内含营养物质释放的因素相当复杂,包括植物生理和环境多重因子的相互作用.一方面,水生植物本身的结构特征、生长阶段、化学组成(组织C?N和纤维素含量)等因素对其分解速率和营养盐释放强度有重要影响,甚至同1种植物不同器官的分解情况也不尽相同[7].另一方面,水体环境的温度[8]、pH值[9]、溶解氧水平[8]、光照强度[6]、微生物、附生藻类和浮游动植物[7]、波浪搅动[10]、流速以及水文条件[11]`等也是影响水生植物分解的重要因子. 本实验以上海地区常见5种沉水植物:轮叶黑藻(Hydrillavarticillata)、梅花藻(Batrachiumtrichophyllum)、苦草(Vallisneriaspiralis)、小茨藻(Najasminor)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)为主要研究对象,测定了各种植物氮磷营养成分的含量;并设计好氧和低氧2种实验条件,模拟沉水植物的腐烂分解过程,分析了沉水植物死亡分解过程中氮磷等营养物质的释放强度,比较了2种实验条件下各种沉水植物释放氮磷等营养物质的动态过程,旨在定量揭示沉水植物死亡后对水域生态环境的影响程度,确定沉水植物收割的最佳时间和收割的数量,从而为沉水植物的生态功能研究及其在湖泊富营养化防治过程中管理模式的设计提供科学的理论依据. 2材料和方法 2.1沉水植物样品采集 实验用沉水植物样品于2006年10月采集自上海市青浦区淀山湖. 2.2分析方法 2.2.1沉水植物营养成分分析 含水量(%)测定:采用202-A型电子温控烘箱,105?下杀青30min后调到60,70?烘至恒 重[12].粗灰分(%)测定:使用SRTX-4-9型(配DRZ-4型温度控制仪)马福炉在500,600?下灼烧至恒重.植物总氮(%)测定:采用FOSSKjeltec2300凯氏定氮仪[13].植物总磷(%)测定:采用浓硫酸-高氯酸消解、钼锑抗分光光度法测定[14]. 2.2.2沉水植物在好氧和低氧状态下的分解 分别称取约50g[(50.95?0.87)g]经0?冰冻处理至将死状态的沉水植物,截成5cm左右小段,放入装有5L经曝气2d的自来水(曝气水的各项初始水质指标为T=25.7?0.3?,DO=6.05?0.16mg/L,pH=(8.0?0.1),NH3-N=(0.1613?0.0348)mg/L,NO2-N=(0.1273 ?0.0164)mg/L,NO3-N=(1.1531?0.0591)mg/L,TN=(1.3298?0.0244)mg/L,活性磷(SOP)=(0.0163?0.0017)mg/L,可溶性总磷酸盐(TDP)=(0.0428?0.0043)mg/L,TP=(0.0589?0.0107)mg/L,CODMn=(8.4618?0.2943)mg/L)的筒状玻璃瓶(Φ=150mm,h=450mm)中,置于光线明亮但非直接照射的试验台上,在室温25,27?的条件下,进行沉水植物释放营养物质的实验.实验分为2组,1组用充气泵进行24h充气,保持好氧状态(DO>3.5mg/L),另一组密闭保持低氧状态(DO<3.5mg/L)[8].分别在实验的第2、4、6、8、10、13、15、17、20、22、24、27和29天从瓶中取出混合均匀的一定量水样进行水质化学分析,测定指标包括总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)、活性磷(SOP)、可溶性总磷酸盐(TDP)、氨氮(NH3-N)、亚硝态氮(NO2-N)和硝态氮(NO3-N).测定方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》[14]. 2.2.3沉水植物死亡分解过程中氮磷等营养物质的释放强度`rn[10][mg(/g•d)].计算公式如下:()/()1110rCCVVmtninnni=?=式中,n——取样次数;Cn——第`n`次取样时水中氮磷营养物质的浓度,mg/L;Cn-1——第`n-1`次取样时水中氮磷营养物质的浓度,mg/L;V0——沉水植物分解释放实验添加水的初始体积,V0=5L;Vi——第`i`次取水样的体积,L;m——沉水植物样品的质量,g;t——分解时间,d. 2.2.4统计分析 沉水植物死亡分解过程中,氮磷等营养物质的释放强度与植物营养成分含量之间的相关性分析采用`SPSS(Version11.5forWindows)统计软件.3结果与讨论 3.1营养成分分析 5`种沉水植物的营养成分分析结果见`1.如表`1`所示,5`种沉水植物的含水量差异较小,变化范围`91.05%,95.59%.粗灰分含量以梅花藻最高(24.00?1.31)%,小茨藻最低(15.06?1.80)%.金鱼藻的总氮和总磷含量都列居第一,分别为(4.07?0.22)%`和(0.99?0.09)%.梅花藻含氮量最低(2.18?0.13)%,轮叶黑藻含磷量最低(0.25?0.02)%. 3.25`种沉水植物在死亡分解过程中释放总氮、总磷和有机物(CODMn)的平均强度 5`种沉水植物在好氧和低氧条件下死亡分解释放总氮、总磷和有机物(CODMn)的平均强度如图`1`所示.由图`1`可见,沉水植物死亡分解过程中,好氧状态`TN`的平均释放强度是低氧状态的`2,6`倍(见图`1a).好氧状态下`TN`的平均释放强度由高到低排列为:金鱼藻>苦草>轮叶黑藻>小茨藻>梅花藻;低氧状态:金鱼藻>苦草>小茨藻>轮叶黑藻>梅花藻.5`种沉水植物死亡分解过程中`TP`的释放强度,好氧和低氧状态的变化趋势基本一致,TP`的释放强度值差异不明显(见图`1b).2`种状态下`TP`的平均释放强度由高到低排列均为:轮叶黑藻>金鱼藻>苦草>小茨藻>梅花藻.5种沉水植物死亡分解过程中有机物的释放强度总体上比总氮和总磷高(见图1c).好氧状态下有机物的平均释放强度由高到低排列为:轮叶黑藻>梅花藻>苦草>金鱼藻>小茨藻;低氧状态:梅花藻>轮叶黑藻>苦草>小茨藻>金鱼藻.总的来说,沉水植物对磷的释放较氮快,一般在10d左右释放完毕;而总氮的释放需要28,30d左右;有机物的释放需要20d左右.由此可以确定沉水植物的最佳收割时间为死亡后1周之内,以防止营养物质大量释放对水体造成二次污染. 3.3沉水植物氮磷营养物质的释放强度与植物营养成分含量之间的相关性分析 氮磷营养物质的平均释放强度与沉水植物营养成分含量的相关性分析结果见表2.由表2可见,在好氧状态下,沉水植物分解过程中亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和可溶性总磷酸盐的平均释放 强度与植物总氮含量呈显著正相关(p<0.05);氨氮的平均释放强度同植物总磷含量亦呈显著正相关(p<0.05).在低氧分解条件下,亚硝酸盐氮的平均释放强度和总氮含量、硝酸盐氮的平均释放强度和总磷含量分别呈显著正相关(p<0.05);此外,有机物(以CODMn表示)的平均释放强度与植物总磷含量呈极显著负相关(p<0.01).实验表明,金鱼藻的氮和磷含量最高,相应地,它在好氧分解过程中释放NH3-N[0.0020mg/(g•d)]、NO2-N[0.0002mg/(g•d)]和NO3-N[0.0244mg/(g•d)]的平均强度就最高,在 /g•d)]低氧分解过程中释放NO2-N[0.0008mg/(g•d)]和NO3-N[-0.0004mg(的平均强度最高,而有机物[0.0070mg(/g•d)]的平均释放强度就最低.同样,5种沉水植物中,梅花藻含氮量最低,它在好氧状态下释放NO2-N[-0.0003mg(/g•d)]、NO3-N[0.0056mg(/g•d)]和`TDP[0.0010mg/(g•d)]的平均强度相应最低,在低氧状态下释放NO2-N[-0.0003mg/(g•d)]的平均强度也最低. 4结果讨论 实验测定沉水植物的氮磷含量分别在1.3%和0.13%以上,这与Gerloff[15]和吴爱平等[16]的研究结果一致.尽管植物营养成分含量会随季节发生变化[16],但是实验所用材料均选择各组分含量相对稳定的成熟植株,其测定结果与2周前预实验所采集的沉水植物组分含量分析结果没有显著差异.实验过程中好氧和低氧状态下的平均溶氧水平分别为(7.41?0.08)mg/L和(1.11?0.06)mg/L.张智等[8]采用2种常见水草混合浸泡的实验表明,当水体处于好氧状态(DO>3.5mg/L),水草可大量吸收水中营养盐;缺氧加速水草死亡.但是实验结果表明,好氧状态下,沉水植物同样分解释放营养物质;低氧环境中总氮和有机物的总释放量和平均释放强度都明显低于好氧环境(见图1a,1c);2种溶氧水平下总磷的释放情况差异不明显.这可能与水生植物本身的生理特征、实验材料种类、以及实验进行时植物材料所处生理状态有关.本实验选用水草均为沉水植物,并按种类独立进行分解实验,而且实验前经冷冻处理基本处于死亡状态. 关于水生植物分解速率的研究,BruquetasdeZozaya&Neiff[17]提出,植物总是开始以较快的速率分解,之后逐渐变慢.此次分解实验中也观察到了与之相应的变化趋势,释放强度遵循由高逐渐降低的规律.Michael&Kathleen[1]研究发现,金鱼藻的分解速率最快,本实验中,它在2种状态下分解释放总氮的平均强度也最高,两者一致.Michael&Kathleen(2006)[1]还发现,反映分解速率的数学模型中,最简单的指数模型(Wt=W0e-kt)与其它复杂模型相比同样能够准确反映水生植物分解的动态过程.但是在此次研究中,我们还没有找到合适的数学模型来描述营养物质的释放速率或强度.目前,大多数学者都研究了水生植物分解速率或水柱营养水平与植物体营养组成的关系.例如,Michael&Kathleen[1]曾研究发现分解速率与植物体有机碳含量、C?N和C?P值呈负相关,与N含量呈正相关;吴爱平等[16]曾报道春季黄丝藻(Potamogeonmaackianus)的P含量与水体TP明显相关,夏季与TDP明显相关.但是关于分解过程中水生植物释放营养物质的速率和强度与其营养组成关系的研究记载尚且不多.