种植沉水植物对富营养化水体沉积物中磷形态的影响

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Aug.,2006

ChineseJournalofSoilScience2006年8月

种植沉水植物对富营养化水体沉积物中磷形态的影响

包先明

1,2

,陈开宁,范成新

113

(11中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京　210008;21中国科学院研究生院,北京　100039)

　　摘　要:研究太湖常见6种沉水植物在五里湖未扰动底泥上生长情况及其对沉积物磷化学形态的影响。通过综合分析沉积物中磷的化学形态,释放规律及其影响因素,结果表明,由于沉水植物生长过程使水体的pH、Eh以及藻类含量的变化,使铁磷、有机磷等主要化学形态磷的释放得到明显的控制,同时沉水植物的生长使沉积物中总磷水平也有明显的降低。所以恢复沉水植物是控制湖泊内源磷负荷的有效方式。

关　键　词:沉水植物;沉积物;磷;化学形态;影响因素中图分类号:X524　　　文献标识码:A　　　文章编号:0523945(2006)0420710206

　　湖泊沉积物是湖泊营养物质的重要储蓄库。来自各种途径的营养物,经过一系列的物理、化学以及生物作用,其中一部分沉积于湖泊底部,成为湖体营养物的内负荷。在一定条件下,部分营养元素又可从沉积物

[1]

中向上层水体释放,使水体营养负荷增加。当湖泊的外源污染减少或完全截污后,沉积在湖底的营养物质会逐步释放出来补充湖水中的营养物质,仍可以导致藻类繁殖,水体水质恶化,湖水继续保持富营养状态,甚至出现“水华”现象,由此可见,在一定条件下,沉积物中的营养盐可能成为湖泊富营养化的主导因子。磷是造成湖泊水质富营养化的关键性因素之一,研究磷在沉积物-水界面的循环对于湖泊富营养

[2,3]

化的治理起着关键的作用。目前在内源负荷的控制方面主要有底泥疏浚、引水清污及深层水的排放、物

[4]

理化学方法、以及生态恢复。利用水生植物的方法,以其良好的净化效果,独特的经济效益、能耗低、简单易行以及有利于重建和恢复良好的水生生态系统等

[5,6]

特点,正日益受到人们的关注。太湖北部的五里湖是无锡市城郊湖泊,该湖面积

2

约5.6km,平均水深2m,底泥深约1.3m,pH8.5左

+3-右,水体中NH4-N和PO4-P及总磷和总氮水平

多年来为全太湖各湖区最高,底泥未疏浚时氮、磷的夏

-2-1

季释放速率平均为158.2mgmd和2.05

-2-1[7]

mgmd,是一典型的内外源负荷均较显著、底泥氮磷含量较高的湖泊。本实验采集太湖五里湖污染底泥,在不破坏沉积物层理结构的情况下,在实验室中培养种植不同种类的太湖常见沉水植物,研究沉水植物生长过程对沉积物内源氮磷负荷的控制。

1　材料与方法

1.1　样品的采集与准备

1.1.1　沉积物与水样　根据沉积物分布的特点,于2004年8月4日用全球定位系统(GPS)在东五里湖水

域选取了一个未经疏浚采样点。用装有￠110mm×500mm有机玻璃管的柱状采样器采集上层底泥样,垂直取样深度为20cm。共采集42根柱状底泥样,样品上层用水样注满,上下两端用橡皮塞塞紧,垂直放置,小心带回实验室。1.1.2　沉水植物　实验中选用了6种沉水植物,物种包括:苦草(Vallisneriaspimlis)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)、马莱眼子菜(Potamogetonmalaianus

Miq.)、伊乐藻(Elodencanadinsis)、石龙尾(LimnophilasessilifloraBlume)、轮叶黑藻(HydrilliaverticillataRoyle),所有物种全部来自太湖东五里湖水域。

1.2　实验方法

用虹吸法将每个柱状采样器中的上覆水吸出,然后将每种沉水植物的健壮枝条直接移栽到有机玻璃管(￠110mm×500mm),每个柱状采样管用虹吸的方法定量地加入3L的实验用水。实验用水就是从全部采样器中虹吸出的水样混合。实验在露天自然光照下进行,水温的范围是19～25℃,每个物种的初始水草生物量为3g,每个物种有7个重复,6个物种共有42组实验。1.3　测定项目

实验进行41天(2004年8月5日～9月15日),除8月5日种植外,取样时间分别选择在10,16,22,30,36,41天取样,大约一周一次的频率。取样主要是

收稿日期:2005207202;修订日期:2005208208

基金项目:中国科学院知识创新项目(KZCX1-SW-12)、国家高技术研究发展计划(2002AA601013)和国家自然科学基金(No:40171083)共同资助作者简介:包先明(1978-),男,安徽人,博士研究生,主要研究方向:沉水植物恢复对湖泊内源负荷控制研究。3通讯作者:E-mail:cxfan@niglas.ac.cn

4期　　　　　　　　　　　　　包先明等:种植沉水植物对富营养化水体沉积物中磷形态的影响711

对上覆水和水草以及沉积物样品采集。水草取样是将柱状底泥从有机玻璃管的上部取出,从中小心将水草植株与沉积物剥离,取出的水草尽快分别测定湿重、长度以及干重;上覆水测定pH、Eh、电导率、水温和叶绿素a等项目;沉积物则按照0～1、1～2、2～3、3～4、4～5、5～6、6～7和7～8cm间隔分层,一部分沉积物自然风干,测定沉积物中的总氮总磷,余下的部分进行磷的化学形态分析。检测方法均采用《湖泊富营养化调

[8]

查规范》规定的方法进行。

长良好。据跟踪观察,在实验初期,初始水草生物量植入底泥后仅7天就可观察到有新叶和新芽萌出,长度以及生物量都有明显的增加,其中苦草、马来眼子菜和黑藻生长最为迅速。图1为每种沉水植物生物量(湿重)的变化情况。从图1中可以看出,实验沉水植物生物量在有机玻璃管中生长的前20天左右有很大的增长,表明前期生长较快;此后则都有经历一个相对缓慢的增长期甚至是停滞期(大约在10～30d间),其原因可能是因为水草的快速生长,对底泥维持其根系的物化要求增加,同时也要适应上覆水体环境。此后,大约在30～40天左右,生物量又开始了新一轮的增长,这与水草对周围底泥和上覆水环境和玻璃管空间已适应,而且营养供应也较充足,水温(19～25℃)适宜,从而刺激了水草的再一次旺盛地生长。

2　结果与分析

2.1　水草的生物量分析以及对上覆水体叶绿素a的

控制

参试的每种沉水植物移栽到有机玻璃管中均能生

图1　沉水植物的生长以及对水体叶绿素a的控制效果

Fig.1　GrowingofsubmergedmacrophytesandefficiencyofChlaremoving

Note:◆Vallisneriaspimlis;■PotamogetonmalaianusMiq.;▲Elodencanadinsis;×Ceratophyllumdemersum;△HydrilliaverticillataRoyle;○LimnophilasessilifloraBlume;

　　从图1可以看出,沉水植物的生长对实验水体的叶绿素a的含量有很大的降低,特别是在开始的阶段,降低的十分的快,主要是由于沉水植物在和浮游藻类在营养物质和光能的利用上是竞争者,由于沉水植物生命周期长,个体比较大,吸收和储存营养盐的能力比较强,同时藻类的生长产生克藻物质,抑制藻类的生

[9]

长,从而降低藻类的现存量。同时由于水草生长旺盛,白天的光合作用强烈,水体几乎都是处于富氧甚至过饱和状态,一些悬浮物很快被分解,悬浮物大量的减少,透明度显著的增加,水体明显变清。2.2　沉水植物生长对沉积物中总氮总磷的影响

图2是沉水植物恢复生长后沉积物中总氮总磷在实验前后的变化。由图2中可以看出,实验开始未种植沉水植物沉积物中总氮(TN)、总磷(TP)的垂直变

化,随深度的增加,其中的垂直变化是没有明显的规

律,从下向表层,氮含量有表现为增加的趋势。据80年代以来的研究表明,1987～1995年间,太湖水体中

[10]

凯氏氮和总磷的含量分别上升了66%和79%,1987～1988年湖体污染物出入湖平衡研究表明,总氮和总磷的湖体残留率(湖体净入湖量:湖体原有量)分

[11]

别为1.33和6.80。这样,湖体中不断增加的氮磷负荷使得一些溶解或颗粒态的氮磷物质通过絮凝、吸附、沉降等作用而蓄积于湖底,从而逐步增加了表层沉

[12]

积物中总氮和总磷含量。

从图2看出,相对于开始的沉积物中总氮(TN)、总磷(TP)的浓度,在沉水植物恢复生长实验结束后沉积物中总氮、总磷的浓度都有明显的降低,主要是由于沉水植物通过根系的直接吸收,同时沉积物中的氮、

712土　壤　通　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　37卷

磷本身在生物以及化学作用下的降解释放导致的。从垂直方向看,在表层0～4cm降低的幅度相对大于下

层,这主要与沉水植物的根系不是很发达,根系集中在沉积物的表层有关。

图2　沉水植物生长对沉积物TN、TP的影响

Fig.2　EffectsofsubmergedmacrophytegrowingonTN、TPinthesediments

2.3　沉水植物生长对沉积物中各种形态磷的影响2.3.1　实验沉积物中各种形态磷的含量　沉积物中

的磷一般分为溶解态磷(DP),铝磷(AlP)、铁磷

(FeP)、钙磷(CaP)、闭蓄态磷(OP)以及有机磷(OrgP)等化学形态,沉积物中磷的形态分布情况取决于各种形态磷结合态的性质、含量及有机物的数量。一般来说,碱性水质湖泊(pH7～9),FeP表面会形成一层Fe(OH)3保护膜,使FeP相对比较的稳定;AlP也有同样的闭蓄机理,但是一般AlP的含量没有FeP含量高。在相当长的时间内,FeP和AlP存在一个转化

[13]

的过程,沉积物中的AlP将转化为FeP。溶解性磷(DP)能够迅速的溶解进入上覆水体中,可以很方便的被水生生物吸收,但是在湖泊沉积物中含量一般很少,对磷的释放影响不大,其它结合形态的磷可能通过水体中的生物和化学的水解作用转化为溶解态无机[14]磷,有机磷可在水中溶解态磷酸酶的催化作用下转化为可溶性磷酸盐,随着水体中磷酸盐浓度的增加,其转化速度会由于竞争性抑制作用而进一步变慢。　　图3是实验沉积物中各种形态磷的含量,从图中可以看出,实验五里湖未疏浚沉积物中的溶解性磷(DP)和铝磷(AlP)的含量很少,铁磷(FeP)、钙磷(CaP)、闭蓄态磷(OP)的在沉积物中含量占有重要的分量,而有机磷(OrgP)含量是本实验沉积物中最主要的。从沉积物垂直方向来看,有机磷(OrgP)和闭蓄态磷(OP)的含量随深度的增加含量有所降低的趋势,其它形态磷的含量在表层的变化不明显。

图3　实验沉积物中各种磷形态含量的垂直分布

Fig.3　Verticaldistributionofthephosphorusconformationinsedments

2.3.2　实验沉积物中各种形态磷在实验前后的含量

变化　通过图4可以看出,沉积物中各种形态磷在沉水植物种植实验前后的变化结果,沉积物中AlP、DP、OP以及OrgP都有不同程度的减少,AlP在实验结束

后含量极低超出实验的检出范围,OrgP的含量降低幅度最大,而CaP、FeP反而有所增加。这种结果可能与沉积物中磷的各种形态的性质相吻合,CaP的溶解度极小,在湖泊水体pH8.0条件下,可能会发生一些化学沉淀反应或在表面形成难溶的羟基磷酸钙使CaP增加了;FeP略有增加可能与沉水植物的生长使水-沉积物中氧化还原电位的增加导致的。AlP、DP的降

4期　　　　　　　　　　　　　包先明等:种植沉水植物对富营养化水体沉积物中磷形态的影响713

低主要是通过水解直接进入水体而被沉水植物吸收;OP与OrgP的降低主要与沉水植物的生长有关,随沉

无机磷的转化,不溶性磷向可溶性的磷的转化。Dunbabin等测试了小型湿地植物根区的氧浓度及氧

水植物的生长,根系的逐渐发达,水生植物将氧气输送至根区,使植物根区的还原态介质中形成了氧化态的微环境,这种根区有氧区域和缺氧区域的共同存在为根区的好氧、兼性和厌氧微生物提供了不同适宜的小生境,各种微生物共同作用加速了沉积物中有机磷向

化能力,发现两者在有植物系统中皆高于无植物系统,

[15]

有植物系统根区仍然能保持氧化状态。本实验过程中,在沉积物中发现同样的现象,在沉水植物根区氧化还原电位(Eh)明显的高于空白对照沉积物。

图中1对照(CK);2苦草(Vallisneriaspimlis);3马莱眼子菜(PotamogetonmalaianusMiq.);4伊乐藻(Elodencanadinsis);5金鱼藻(Ceratophyllum

demersum);6黑藻(HydrilliaverticillataRoyle);7石龙尾(LimnophilasessilifloraBlume)

图4　沉积物中各种形态磷在实验结束后的变化

Fig.4　Changesofphosphorusconformationinsediments

3　沉水植物的生长对影响沉积物磷释

放因素的影响

3.1　氧化还原电位的影响

物中磷的释放,好氧抑制磷的释放,两者差一个数量

[16]

级。由于水中溶解氧的含量会影响氧化还原电位

3+2+

的变化,在厌氧情况下,容易发生Fe→Fe转化的化学反应,FeP表面的Fe(OH)3保护层转化为Fe(OH)2,然后溶解释放,FeP是沉积物向水体中释放磷的重要形态。有些学者认为,在好氧状态下,沉积物

根据测定水体中溶解性氧的含量,厌氧加速沉积

714土　壤　通　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　37卷

也会发生磷的释放,只是释放的速度和释放量要比厌氧状态下小的多,好氧磷的释放机制主要是沉积物的

矿化以及有机物质的好氧分解,将有机磷转化为无机磷释放出来。在本实验过程中,由于沉水植物的生长过程中的光合作用向水体中释放氧,使上覆水体中氧甚至达到过饱和的状态,同时随沉水植物根系的逐渐发达,水生植物将多余的氧输送至根区,使植物根区的还原态介质中形成了氧化态的微环境,所以沉水植物的生长过程使沉积物-水体系的氧化还原电位(Eh)明显的提高,使化学形态磷中迁移能力很强的FeP的释放增强,FeP的含量在沉水植物恢复实验后反而有所增加,从图4中可以看出,苦草FeP增加的效果最明显,这可能与苦草的泌氧能力强有关,实验第41天沉积物界面向上5cm左右Eh实测值,种植沉水植物Eh值分别达到60～100之间,苦草的为最高,Eh达到11819。

实验沉积物中有机磷(OrgP)是沉积物中磷重要的化学形态,在实验后有明显的含量降低。沉积物中有机磷多数以磷酸脂(包括肌醇六磷酸)、磷酸、核酸、磷蛋白和磷酸糖类以及一些未知的化合物等形态出现,其中肌醇六磷酸是沉积物中重要形态,含量达到150mgkg左右,在厌氧条件下肌醇六磷酸能被有效

-1

越多,磷就释放的越快,反过来,沉积物磷的释放又进一步促进藻类的生长,两者间有相互促进的关[24,25]系。高等水生植物的生长能够很好的克制藻类的生长,有很好的克藻效应,主要是分泌克藻物质进行的克藻,从而降低藻类的现存量,改善水质。所以通过对沉水植物的恢复,进而克制藻类的生物量,从而对沉积物的磷的释放影响有一定的抑制作用。

4　结　论因为沉水植物根系直接与底泥接触,不仅吸收从底泥中释放到水中的营养盐,还可以直接吸收沉积物中的养分,从实验中看出,沉水植物的生长恢复能有效的降低沉积物中TN、TP的浓度。沉水植物的生长过程中使水体-沉积物体系氧化还原电位、pH值改变,对沉积物中磷的释放有一定的抑制作用。沉水植物在稳定生态系统方面也有其特有的作用,减少由于风和摄食底栖生物的鱼类所引起的沉积物再悬浮,降低浊度。同时沉水植物对藻类的克制效应,降低藻类的现存量。沉水植物恢复成为今后解决湖泊内源负荷和重建富营养化湖泊的重要措施。参考文献:

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关:在厌氧条件下,肌醇六磷酸40天内几乎降解完全,而需氧的条件下在60天左右的时间内大约只能降解

[17,18,19]

一半。所以种植沉水植物可以使沉积物中有机磷的释放有一定的抑制效果。3.2　pH的影响

水体pH对沉积物磷吸附的潜在作用很大,根据模拟实验的研究,沉积物磷的释放量随pH升高呈“U”形曲线变化,即释放量在中性范围内最小,升高或降低pH值释磷量成倍的增加。由于pH值影

-响磷与沉积物的吸附和离子交换作用。OH对沉积

-物中的AlP、FeP中磷的交换作用,在pH值高时,OH可与无定型铁铝胶合体中的磷酸根发生交换,沉积物中磷释放量的增加是水合氧化物负电荷数量的以及增加OH和H2PO4竞争吸附点位两者综合作用的结果,而在pH值较低时,沉积物释磷主要以溶解作用为[23]

主。沉水植物的恢复生长,能够使沉积物中的pH

[15]

值较未种植水生植物的有所升高,从本实验实测值来看,pH值平均升高0.6～1左右,pH值的升高使沉积物中磷的释放有明显的抑制。3.3　藻类的影响

藻类对沉积物磷的释放有促进作用,藻类生长的

--[20,21,22]

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EffectsofRestorationofSubmergedMacrophytesonPhosphorus

formsinSedimentsunderEutrophicWater

BAOXian-ming,CHENKai-ning,FANCheng-xin

(11NanjingInstituteofGeography&limnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China;

21GraduateSchoolofChineseAcdemyofSciences,Beijing,100039)

Abstrct:GrowingofsixsubmergedmacrophytesandeffectsonphosphorusconformsbyusingpollutedsedimentsandeutrophicatedwatersfromLakewulihuofJiangsuwerestudiedwithoutdestroyingtextureofsediments.Chemicalforms,releaserulesandeffectfactorsofphosphorusinthesedimentsofeutrophicwaterwerediscussed.BecauseofthechangesofpH,Ehandalgalbysubmergedmacrophytesgrowing,phosphorusreleasewereapparentlydepressed,andTPconcentrationinthesedimentswasalsodecreased.Itwasdemonstratedthatrestorationofsubmergedmacrophytescouldefficientlycontrolinnerloadingofsediments.

Keywords:Submergedmacrophytes;SedmentsPhosphorus;Chemicalforms;Effectfactors