沉水植物衰亡过程中氮磷释放规律及温度影响的研究
摘要：为揭示含植物的土地处理与修复系统中植物衰亡对系统中氮和磷转化的影响规律。为此类系统运行管理中植物收割与否提供依据。选取在室内水缸中培养的常见沉水植物——蜈蚣草(Eremochloa ophiuroides)、菹草(Potamogeton crispus L)和金鱼藻(Ceratophyllum demersum)进行浸泡试验，考察植物类型对因植物组织溶解而导致的污染物释放的影响。另外，选取狐尾藻(Myrio–phyllum spicatnm)进行浸泡试验，设定5℃、15℃、25℃和35℃四个温度，考察温度对因植物组织溶解而导致的污染物释放的影响。研究结果表明，最快的释放发生在最初的8h内，总氮(TN)的释放量小于总磷(TP)的释放量；TN单位湿重释放量从大到小排序依次为：蜈蚣草(0．164 mg／g)>金鱼藻(0．081 mg／g)>菹草(0．064 mg／g)；TP依次为：金鱼藻(3．043 mg／g)>菹草(2．404 mg／g)>蜈蚣草(1．906 mg／g)。对于蜈蚣草、菹草和金鱼藻而言，单位质量植物的磷释放量较高，需要及时进行收割以避免植物溶解释放引起含植物的土地处理与修复系统中水相磷浓度的升高。狐尾藻研究结果表明，在其他环境条件一样，只改变温度时，最快的释放发生在第8h内，狐尾藻的氮、磷和碳的释放量及释放率均在25℃时最大。
关键词：沉水植物；浸泡；氮；磷；释放
中国湖泊众多，据调查，中国主要淡水湖泊除了处于人烟稀少地区和原始状态的部分湖泊外，其营养盐水平基本上具备了富营养化发生的条件或基础，许多大型湖泊，如长江流域的太湖、滇池、巢湖、鄱阳湖和洞庭湖等，都已经处于富营养或重富营养状态㈣，水体的富营养化己成为中国突出的环境问题之一。沉水植物作为初级生产者，是水体食物链的重要基础，沉水植物对水体理化环境也有重要的作用，在维持水生态系统的结构和功能以及生物多样性方面起到关键作用叫。但在气候寒冷、生物活动较弱的冬季，由于大量沉水植物残体仍存在水体中，不可避免会造成营养物质的释放，造成二次污。
以植物为主体的生态修复或污水处理系统(如人工湿地系统、生物塘系统、前置库系统)对水体的内源和外源氮磷负荷的降低有重要贡献，在水环境修复与污染控制中非常重要。植物是其中的重要贡献者，不仅体现在植物直接的吸收作用上，而且植物可为微生物提供适宜的生境、植物对水流的均匀分布作用、植物对系统的充氧作用等都可间接地为系统中污染物的去除作出积极贡献。而植物的生命周期决定了植物在衰亡期对系统中氮磷的影响可能由生长旺盛期时系统中氮磷的“汇”而转变成氮磷的“源”。对于植物溶出释放能力的探索将有助于为植物收割与否提供支持。卢少勇等的研究表明，不同植物在其衰亡期间均具有不同的氮和磷释放潜能。植物本身的氮和磷的含量、植物的生长周期、植物的氮和磷的含量中易于溶出释放部分的含量都会因物种的不同而异。笔者研究了植物类型对系统中氮磷分布的影响。为以沉水植物为主体的生态修复或污水处理系统中的植物选择提供支持。目前国内关于温度对沉水植物生长方面的研究较多，但是对于对植物衰亡过程温度等环境因素的影响却鲜有研究，该试验旨在通过浸泡模拟试验来考察温度对植物衰亡过程中碳、氮和磷释放的影响。
1材料与方法
试验于2008年6月在中国环境科学研究院进行。试验均匀选取野外采集后在温室培养驯化植物样品，切成0．5～1 cm段，称取菹草茎叶30g、蜈蚣草茎叶10g、金鱼藻茎叶10g，在105℃烘箱中杀青30 min，置于l L烧杯中，加蒸馏水O．8 L，置于2～4℃冰箱中。各烧杯中均投加抑制剂，旨在抑制微生物的活性。所有水均用蒸馏水。每次采样后补水到原液面，每次补水均用蒸馏水。定期取样，取样后加蒸馏水补充至原液面，采用标准方法分析pH值、总氮(TN3)硝氮(N03–N)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)和溶解性无机磷(DIP)。取样时间为第0h，第8h，第36 h，第96 h，第240 h，其中第36h，第96h只测定TN和TP。
为便于比较，有机氮(ON)用TN扣除N03-N、NH，N和NO2-N表示。而NO2-N浓度很低，可以忽略。
最大释放量为实际测定得到的单位重量样品(湿重)的释放量的最大值。累积释放量的计算如下：
Ra=Vi⊕Ci＋∑(Vsj⊕Cj)
式中：Ra为累积释放量，g；Vi为第i次采样前溶液总体积，L；G为第i次采样前溶液总浓度，mg／L；Vsj为第j次采样体积，L；Cj为第j次采样前溶液总浓度，mg／L；i=1,2，3，4?；j＝1，2，3?(j一1)。累积释放量与样品湿重的比值即为单位重量样品的累积释放量，简称单位释放量。
另均匀选取植物样品，切成O．5～1 cm段，均匀称取狐尾藻茎叶六份，每份10．0 g。在105℃烘箱中杀青30min，实验条件见表1，将植物置于1 L烧杯中，同时设置空白组2组，分别为加抑制剂和不加抑制剂。添加的抑制剂为氯仿2滴。加蒸馏水O．8 L，置于生化培养箱中。每次采样后补水到原液面，每次补水均用蒸馏水。定期取样，取样后加蒸馏水补充至原液面，采用标准方法分析总氮(TN)、硝氮(N03-N)，氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、溶解性总磷和溶解性无机磷。取样时间为第0 h、第8 h、第36 h、第96 h、第240 h，其中第36 h、第96 h只测定总氮(TN)和总磷(TP)。实验过程中pH值保持在6．2-8．0之间。测定方法参考文献。
2结果与讨论
2．1系统中氮和磷的去向分析测定结果表明，试验过程中各组水中的pH值介于6．2～8．0，可不计氨挥发。因植株死亡，不计生物吸收和异化作用。温度为2～4℃，硝化反硝化反应很弱。试验在冰箱中进行，忽略大气沉降。系统中N浓度降低主要是因为吸附表面积(植物残体和容器壁)增大，植物残体与水之间因浓度梯度而引起的扩散。N浓度升高主要是因为组织的溶解释放作用。
P有一种气体形式(膦化氢)，但通常是微量，因此忽略。植株已死亡，可忽略生物吸收作用。系统主要发生矿化作用(即溶解释放作用)，吸附沉淀络合作用不可忽略。
2．2污染物释放规律
试验系统中的TN，N03-N，NH4+-N，ON，TP，DTP和DD的释放规律见图1。结果表明，在浸泡过程中，蜈蚣草中TN的释放量在第96 h达到最大，在最初8 h内释放的氮接近最大值，而在第36h略有降低，说明蜈蚣草中TN的释放和吸附(吸附在器壁上和植物残体上)存在动态平衡。96 h后，除了金鱼藻之外，菹草和蜈蚣草的氮吸附量均大于释放量。金鱼藻中TN释放量逐渐上升，可能是因为在试验期间，尚未达到吸附与释放的动态平衡。三种植物中蜈蚣草的TN释放量最大，最大TN浓度为8．15 mg／L，其次为金鱼藻，最大TN浓度为3．82 mg／L。而菹草的最低，其最大TN浓度为2．42 mg／L。
除金鱼藻在浸泡过程中N03．N的释放量下降外，菹草和蜈蚣草的N03"．N均呈上升趋势，特别是蜈蚣草的NO3-N浓度最高达1．03 mg／L。三种植物浸泡过程中NH4+．N的释放规律较一致，均呈缓慢上升趋势。金鱼藻的肼N释放量最大，其次为蜈蚣草，菹草最低。蜈蚣草的ON浓度在第8h到第240h的时间段里，虽然逐渐下降，但始终比金鱼藻和菹草的浓度高，最高ON浓度为6．76 mg／L。金鱼藻和菹草在240 h的ON浓度相差不多，分别为1．26 mg／L和1．31 mg／L。该研究中氮浓度的变化可忽略微生物作用、植物吸收大气沉降、渗漏损失和氨氮挥发，因为植物已死亡且在腐烂分解，植物变化造成的营养盐释放是一个重要原因；此外，水相中的氮与植物残体之间存在的迁移转化也是一个重要原因。三种植物的浸泡过程中，TP浓度在第8 h最高，随后缓慢下降。金鱼藻的TP释放量最大，最大TP浓度为O．24 mg／L，且受抑制的现象不明显；其次为蜈蚣草的TP释放量，而菹草的总磷释放量最小。三种植物的DTP的释放规律也比较一致，在第8 h到第240 h均明显下降，其中金鱼藻组水中的DTP浓度下降的最快。在第240 h蜈蚣草的DTP释放浓度最低，为O．046 mg／L。三种植物的DIP的释放规律一致，在第8 h到第240 h均明显下降。DIP的释放量从大到小排序依次为金鱼藻>菹草>蜈蚣草。
2．3单位重量植物的最大释放量及累积释放量
结合文献的研究结果，可见就植物收割部分而言，单位重量植物的TN最大释放量从高到低依次为茭草>芦苇>水葫芦>金鱼藻>蜈蚣草>菹草。单位重量植物的TP最大释放量从高到低依次为芦苇>茭草>水葫芦>菹草>蜈蚣草>金鱼藻。三种植物中，TN单位释放量从大到小排序依次为：蜈蚣草(0．164 mg／g)>金鱼藻(0．081 mg／g)>菹草(0．064 mg／g)。TP单位释放量从大到小排序依次为：菹草(0．139 mg／g)>蜈蚣草(0．0812 mg／g)>金鱼藻(0．080 mg／g)。TN的最大释放量均高于TP，和文献的结论相同，主要是因为植物体内氮的含量高于磷的含量。
2．4植物收割的意义
假设收割上述植物各1t(湿重)，那么10天期间，通过收割而减少的溶出释放量见图2。因为植物收割而在10天内菹草、蜈蚣草和金鱼藻可减少TN的释放量分别为64kg，164 kg和81 kg，减少TP的释放量分图3为系统中水的总氮、总磷、氨氮、硝氮、有机氮、溶解性总磷、溶解性无机磷和CODCr的浓度一时间变化曲线。
狐尾藻TN释放在最初的8个小时释放量达到最大，而后呈逐渐下降的趋势。在温度为5℃～25℃范围内，随着温度的升高，TN的释放量增加。但是温度从25℃升高到35℃时，TN释放量反而下降，TN释放量的总体趋势从大到小依次为25℃>35℃>15℃>5℃。其中第8 h(25℃1取样时释放量最大，达到4．79 mg／L。TP在不同温度下的释放规律与TN略有不同，在5℃、15℃、25℃时，从开始到240h过程中均在第8h释放量最大，虽然最大值1．45 mg／L在25℃时出现，但总体看在35℃则呈现随着时间的推移而上升的趋势，最终达到1．37 mg／L。氨氮的释放规律与TN较为相似，开始的8个小时内释放量达到最大，而后呈逐渐下降的趋势。但氨氮释放量的总体趋势从大到小依次为25℃>35℃>5℃>15℃，与TN略微不同。不过氨氮在温度25℃的释放量也达最大，其中第8h取样时释放量最大达到3．73 mg／L。硝氮的释放规律与TN也较为相似，呈逐渐下降的趋势，在最初的8个小时释放量达到最大。但硝氮释放量的总体趋势与TN略微不同，35℃时下降的最为缓慢。不过硝氮也在温度25℃的第8 h取样时释放量为最大。达到2．28 mg／L。有机氮的释放规律与TN和氨氮都相似，但规律性更好，四个温度下均在整个试验过程中呈逐渐下降趋势，在最初的8个小时释放量为最大。有机氮释放量的总体趋势从大到小依次为25℃>35℃>15℃>5℃，与TN略微不同。有机氮在温度25℃的释放量也为最大，其中第8 h取样时释放量最大为0．22 mg／L。溶解性无机磷在25℃和35℃时呈现缓慢上升的趋势，而在5℃和15℃则缓慢下降。从整体上看，25℃时DIP的释放量在整个试验过程中一直为最高，最大值为在第240 h取样时的0，84 mg／L。溶解性总磷的释放规律与溶解性总磷的相似，总体规律为25℃>35℃>15℃>5℃，但只有在35℃时呈现缓慢上升的趋势。从整体上看，释放量最大仍在25℃，在第8 h达到最大为1．1 1 mg／L。CODCr的变化规律不明显，第8 h、第36h为15℃>25℃>35℃>5℃。但从整体来看，依然是在25℃的CODCr最高为97．69 mg／L。这说明当植物处在25℃下时，水体中含碳物质的释放量最高。
3结论
在浸泡过程中，三种植物释放最快的时段为最初的8 h，随后释放量逐渐降低。金鱼藻的氮释放与吸附平衡所需时间最长，而菹草和蜈蚣草的释放与吸附平衡所需时间为96h。蜈蚣草、菹草、金鱼藻的TN的单位释放量小于TP的释放量。三种植物的单位释放量从大到小排序依次为，TN：蜈蚣草>金鱼藻>菹草。TP：金鱼藻>菹草>蜈蚣草。植物浸泡浸出的TN／TP比值，从高到低依次为蜈蚣草>菹草>金鱼藻。假设植物的收割量均为lt(湿重)，通过对菹草、蜈蚣草和金鱼藻的，在10天内，能降低氮磷释放量：分别为总氮64 kg，164 kg和8l埏，总磷114 kg，91 kg和145 kg。在其他环境条件都一样时，只改变温度，狐尾藻的氮、磷和碳的释放有其最适温度，此时释放量最大。在该试验设定的四个温度中，25℃为最适温度。从浸泡试验来看，狐尾藻在水体中衰亡后会释放大量的氮、磷和碳，因此应设法防止富营养化湖泊中植物衰亡所带来的二次污染。
参考文献
[1]刘健康．高级水生生物学[M]．北京：科学出版社，1999乌梁素海沉水植物腐烂分解试验研究’顾久君，金朝晖，刘振英
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