挺水植物残体腐解对白龟湖湿地沉积物理化性质的影响

胡红伟，扶咏梅，刘盼，吴俊峰，马爱顺，胡凯耀，郭一飞，刘彪

(1.河南城建学院 市政与环境工程学院，河南 平顶山 467036;2.河南省水体污染防治与修复重点实验室，河南 平顶山 467036)

0 引 言

湿地在维持生态系统平衡方面具有重要作用，沉积物和植物作为湿地生态系统的重要组成部分，影响着湿地生态系统中生物地球化学循环的进程。沉积物是氮、磷等营养元素的储存库，具有源头、汇聚和转化器的功能[1]。植物在其生长过程中通过吸收、过滤和截留等作用，改变沉积物和水体中营养盐的量和存在形式，尤其是挺水植物，在这个过程中发挥着重要作用[2-3]。北方湿地生态系统，挺水植物在冬季会进入衰亡期，从而发生腐解。在挺水植物腐解过程中，会持续向湿地环境释放各种营养盐物质，成为湿地生态系统的内源污染[4]。该过程不仅影响着湿地水体环境，而且其对水体沉积物环境也有着较为明显的影响，营养盐会在水体和沉积物之间发生一系列迁移转化。周林飞等[5]研究表明，湿地水质、沉积物营养盐含量的变化与沉水植物腐解有着密切关系，且正比于生物量。但适量的植物残体可在一定程度上促进湿地氮循环，从而减轻环境氮负荷[2,6-8]。还有研究表明[9]，植物腐解周期内磷主要以无机磷酸盐形式，向底泥迁移转化。叶春等[10]研究也表明，黑藻经过70 d的腐解，底泥氮、磷含量均不同程度增加。由此可见，水生植物腐解过程对湿地环境，特别是湿地沉积物的影响是一个持续的过程，且与植物类型和生物量密度相关。

白龟湖湿地位于河南省平顶山市白龟山水库北侧，菖蒲和芦苇是白龟湖湿地常见的挺水植物。本文以菖蒲和芦苇的枯萎植株为材料，构建室内试验系统，研究不同生物量密度条件下，菖蒲和芦苇腐解过程对白龟湖湿地沉积物的影响，以期对湿地挺水植物的管理利用策略提供参考。

1 材料和方法

1.1 样品采集和预处理

样品的采集方式如文献[2]所述：植物采集于2016年3月25日，选取植物优势群体区域作为采集点(33°46′12.74″N，113°09′20.29″E)，选取距离岸边1 m未倒伏的枯萎植株(菖蒲calamus和芦苇reed)，仅采集水面之上的部分，洗净并烘干(65 ℃)至恒质。原位采集水体和沉积物样品，水样过200目筛网，沉积物过100目筛网，去除其中的植物残体和杂物。

1.2 植物腐解试验系统

采用聚乙烯水桶(12 L，桶底直径21 cm，桶口直径26 cm，桶高27.5 cm)作为容器，加入悬浊液：包含2 kg底泥和10 L水样，静置72 h。将菖蒲(CP)和芦苇(LW)枯萎植株置于网孔袋(200目)，网袋悬浮于水中，设2，4，8 g/L，3个生物量梯度，菖蒲组记为CP2，CP4和CP8，芦苇组记为LW2，LW4和LW8，同时设置对照组，记为C，每组3个重复。试验在室内进行，试验周期60 d，分别在第0，2，6，12，18，24，30，36，42，48，60 d测定沉积物相关理化指标。试验过程中，每周使用双蒸水补充因蒸发损失的水体。

1.3 沉积物理化指标测定和数据分析

沉积物pH采用CaCl2溶液电位法测定，氨氮(NH4—N)、亚硝酸盐氮(NO2—N)和硝酸盐氮(NO3—N)采用氯化钾溶液提取——分光光度法(HJ 634-2012)测定，TP采用酸溶-钼锑抗比色法测定。使用Excel绘制图表、SPSS 18.0进行线性相关性和单因素方差分析。

2 试验结果

2.1 沉积物pH和TP变化趋势

如图1(a)所示，在为期60 d的试验过程中C组pH介于7.40～7.68间，最低点出现在第6 d，最高点出现在第24 d，二者差异显著(p< 0.05)。CP三组变化趋势相似，最高点均出现在第24 d，CP8>CP2>CP4，无显著差异(p> 0.05)。LW4和LW8组变化趋势与CP组趋势相似，最高点出现在第24 d，LW8>LW4，无显著差异(p> 0.05)。与其他组相比，LW2的pH变化趋势略有不同，在第0～36 d，其pH窄幅波动(7.50～7.58)，随后持续下降，在第60 d达到最低,为7.15。如表1所示，试验结束时，各组pH均显著小于初始pH(C0=7.58)(p< 0.05)。第60 d时，沉积物理化参数的单因素方差分析显示，CP组和LW组分别与C组相比，除LW8，其余各组均显著小于C组pH(p< 0.05)；同等生物量密度条件下，CP组均低于LW组，但仅CP8与LW8存在显著差异(p< 0.05)。此外，LW组内不同生物量密度条件下，均呈现显著差异(p< 0.05)。

如图1(b)所示，沉积物TP在为期60 d的试验过程中窄幅波动，7个试验组在48 d内均未超过400 mg/kg。如表1所示，试验结束时，各组TP均大于初始值(C0=338.97 mg/kg)，但C，LW4和LW8与初始值不存在显著差异(p> 0.05)。

表1 沉积物理化参数单因素方差分析

图1 沉积物pH和TP随时间变化趋势

第60 d时，CP2，CP4,LW2与C组存在显著差异(p< 0.05)；同等生物量密度条件下，CP组均大于LW组，但仅CP4与LW4存在显著差异(p< 0.05)。

2.2 沉积物NH4—N、NO3—N和NO2—N变化 趋势

各试验组沉积物NH4—N整体变化趋势相似(图2(a))，在试验初期(0～6 d)上升较快，随后呈缓慢上升趋势，试验结束时，各组NH4—N质量分数均显著高于初始值(C0=8.58 mg/kg，表1)(p< 0.05)。C组，CP组,LW4最高点均出现在第42 d，LW2和LW8最高点分别出现在第30 d和第12 d。第60 d时(表1)，CP8，LW4与C组存在显著差异(p< 0.05)；同等生物量密度条件下，CP2LW8，且CP4和LW4，CP8和LW8均存在显著差异(p< 0.05)。

图2 沉积物NH4—N、NO2—N和NO3—N随时间变化的趋势

CP组和LW组沉积物NO2—N变化趋势相似(图2(b))，0～6 d快速上升，随后(12 d)下降，第18 d再次上升，随后窄幅波动，试验结束时各组NO2—N质量分数均显著高于初始值(C0=18 mg/kg，表1)(p< 0.05)。此外，LW组最大值均出现在第18 d，CP2和CP4最大值出现在第18 d，CP8最大值出现在第6 d。C组波动较大，最大值出现在第2 d，达到208.00 mg/kg。第60 d时(表1)，仅有LW2与C组不存在显著差异(p> 0.05)；同等生物量密度条件下，CP组均大于LW组，仅CP2和LW2存在显著差异(p< 0.05)。

CP组和LW组沉积物NO3—N变化趋势不同(图2(c))，在两天内，各试验组均出现快速下降，第6 d时，CP组和LW组出现分化，CP组整体上升，LW组整体下降，随后各组变化趋势类似，呈窄幅波动。与此同时，C组变化趋势与LW组类似，但第6～30 d间，变化幅度较大。试验结束时，各组均显著低于初始值(C0=741 mg/kg，表1)(p< 0.05)。第60 d时，仅CP4与C组不存在显著差异(p> 0.05)；同等生物量密度条件下，CP组均大于LW组，且LW和CP组均表现出显著差异(p< 0.05)。此外，LW组内不同生物量密度条件下，均不呈现显著差异(p> 0.05)。

3 讨 论

3.1 挺水植物腐解对沉积物理化参数的影响

在自然环境条件下，植物腐解是一个复杂且漫长的过程，特别是挺水植物在未倒伏状态下，其可长时间存在于自然环境中，成为湿地营养盐成分的潜在来源。挺水植物倒伏后，其腐解过程受到植物C，N含量[11]及其结构组成[6]的影响，一般而言，w(C)/w(N)值越高,其腐解速率越慢[12]。菖蒲w(C)/w(N)值要低于芦苇，且芦苇的纤维素含量较高，因此芦苇的腐解速率低于菖蒲。由于植物结构组成和腐解速率的不同，导致同等生物量密度条件下，CP与LW组沉积物理化参数的差异，试验周期内，CP组对沉积物理化参数的影响要大于LW组。但CP和LW组差异性分析表明，并非所有差异均呈现显著性。植物腐解一般分为快速溶解和缓慢分解[13]两个阶段。快速溶解阶段主要是植物体内易溶的有机颗粒和无机盐类通过淋溶作用进入环境系统，缓慢分解阶段主要是难溶物质在微生物以及酶作用下的分解过程。大量研究表明[2,5,7-9]，在试验初期，植物发生快速溶解，大量营养盐物质进入水体环境导致水质波动较为剧烈。这些营养盐物质最终会以沉积物的形式贮存在水底，仅有少量会以化合物的形式存留在水体中[14]。值得注意的是，本研究中采集的植物在枯萎后直立野外长达5个月，在自然环境条件下，经过淋溶已损失了大部分营养盐成分[2]。尽管如此，在试验初期，依然观察到沉积物理化参数的巨大变化。试验结束时，绝大部分沉积物理化参数与初始值相比呈现显著差异，表明未倒伏的枯萎菖蒲和芦苇植株对湿地沉积物环境依然能够造成显著影响。与此同时，不同生物量密度条件下，植物腐解引起的沉积物理化参数变化趋势虽然类似，但是差异依然明显，该结论与唐金艳等[8]的研究结果类似。

3.2 沉积物理化参数与水体和植物相关性分析

植物腐解速率除与其结构组成有关以外，还与所处水体环境也有着密切联系[15-17]，而水体环境与沉积物之间的影响又是相互的、持续的和复杂的[6,8]。徐也等[18]研究表明，沉积物中有机物和氮含量变化受到水生植物生长和腐解影响。

表2 沉积物总磷和氨氮含量皮尔逊线性相关性分析

本研究中，皮尔逊线性相关性分析如表2所示。各组沉积物TP质量分数与水体及植物腐解速率并未呈现出具有规律性的显著相关性。CP组TP质量分数均与腐解天数呈现显著的正相关(p< 0.05)，LW2和LW4组与腐解天数呈正相关(p> 0.05)，LW8组则呈负相关(p> 0.05)。CP各组与水体TP和NH4—N均呈负相关，但仅CP8组的相关性为显著(p> 0.01)。此外，CP8组还与水体pH呈显著正相关(p> 0.05)，与沉积物NH4—N呈显著正相关(p> 0.01)。LW组仅有LW2与沉积物pH呈显著负相关(p> 0.05)，其余均不显著。由此可见，各处理组并未呈现出具有规律性的显著相关性。由单因素方差分析可知(表1)，第60 d时，各处理组沉积物理化参数与初始值相比区别明显，表明植物腐解对沉积物理化参数的影响是明显且复杂的过程。

有研究表明[9]，狐尾藻、菱角和荷花3种植物经过120 d腐解，沉积物中TP质量分数上升了240%以上，而水体中TP与初始值相差不大。本研究在试验结束时，各试验组沉积物TP含量均高于初始值，而水体TP含量低于初始值[2]。一方面，随着植物腐解过程进行，水体中颗粒物增多，使磷的吸附沉淀作用增强[19-20]，另一方面，在碳源充足且好氧的情况下，微生物迅速繁殖，进一步促进了磷向沉积物迁移[9]。

同样，沉积物NH4—N质量分数与水体和植物腐解速率也未发现规律性的显著相关性。各组与腐解天数及水体pH均呈正相关，CP2，CP8和LW4呈显著的相关性(p< 0.05)。CP和LW组均与水体NH4—N呈负相关，其中CP8呈现显著性(p< 0.01)。CP和LW组与植物腐解速率均呈正相关，其中CP2和CP8呈呈显著性(p< 0.05)。此外，CP2与水体NO3—N呈显著负相关(p< 0.01)，CP4与水体NO2—N呈显著正相关(p< 0.01)，CP8和LW4分别与水体TP显著负相关(p< 0.01)，LW2与沉积物NO2—N呈显著负相关(p< 0.05)。湿地环境中的无机氮分为NH4—N，NO3—N和NO2—N，而植物腐解和沉积物中有机氮分解会为系统持续提供无机氮源，在碳源充足的条件下，微生物通过硝化、反硝化反应以及厌氧氨氧化，使氮素在沉积物和水界面迁移和交换，最终生成N2等气体扩散到空气中，该过程是湿地生态系统氮素迁移转化的主要途径。研究也表明[6]，适量的植物腐解可促使湿地水体无机氮负荷减少，但对于沉积物而言，植物进入衰亡期后，其腐解将产生大量有机氮并储存于沉积物中，进而成为湿地的内源污染。

湿地沉积物营养盐成分含量受到诸多因素的影响，如植物组织结构、生物量密度、水体温度、降雨量、微生物以及湿地水文状况等。此外，相对于水体环境，沉积物成分更为复杂，表层和深层沉积物的微环境也存在差异，必然导致其微生物群落结构的不同。同时，在野外环境条件下，植物生长和根系分泌物都会对微生物产生影响，进而影响到沉积物理化特性。此外，外源营养盐的输入对湿地物质循环也有一定影响[21-24]。由于湿地沉积物的复杂性，未能发现植物腐解过程中沉积物理化参数变化的规律性。李家兵等[1]在研究pH对闽江河口湿地沉积物氮素转化过程时，也未发现规律性，说明湿地沉积物环境的变化是在多种因素影响下进行的。

4 结 论

(1)在为期60 d的试验周期内，各试验组沉积物理化参数相较于初始值均发生了较大变化，其中，pH和w(NO3—N)显著变小(p<0.05)；w(NH4—N)和w(NO2—N)显著变大(p>0.05)；CP2，CP4和LW2组的TP显著变大(p<0.05)，其余各组TP变化无显著差异。

(2)不同植物残体腐解过程对沉积物理化性质影响不同，并且与植物生物量密度相关。各试验组沉积物TP和w(NH4—N)与水体理化参数和植物腐解速率的皮尔逊线性相关性分析并未发现普遍的规律性。

(3)挺水植物枯萎后对湿地沉积物理化性质的影响具有持续性，对湿地挺水植物的生物量应进行有效控制和科学管理，避免造成潜在的二次污染。