沉积物-水界面中可交换态氮对不同菹草密度的响应

燕文明,麻　林,向　龙,杨家亮

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京　210098;2.湖南省水利厅,湖南 长沙　410007; 3.湖南省水利水电勘测设计研究院,湖南 长沙　410007)

沉积物-水界面中可交换态氮对不同菹草密度的响应

燕文明1,麻林2,向龙1,杨家亮3

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京210098;2.湖南省水利厅,湖南 长沙410007; 3.湖南省水利水电勘测设计研究院,湖南 长沙410007)

摘要：为了认清沉水植物对富营养化浅水湖泊沉积物-水界面可可交换态氮的影响,通过模拟试验,利用连续流动注射分析仪测定了-N、NH3-N等指标,并结合其他环境指标,研究了沉积物-水界面中-N、NH3-N对不同菹草量(0 g、150 g、300 g)的响应。结果表明,菹草的存在增加了间隙水氧化还原电位(Eh),降低了pH,且菹草量越大,间隙水中Eh、pH 值变化越明显;利用单因素方差分析,得出300 g菹草组与对照组的间隙水TN质量浓度有显著差异(P<0.05);菹草量越大,间隙水中-N和NH3-N以及表层沉积物中固定态铵、有机氮、NH3-N和-N的去除效果越好。

关键词：菹草;沉积物;间隙水;硝氮;氨氮

沉水植物可以为底栖动物提供栖息场所,促进悬浮物的物理过滤过程,抑制浮游植物的生长[1],其根系可以吸收沉积物和间隙水中的营养物质。沉水植物对沉积物中氮的形态和迁移过程都有一定的影响[2-3]。有研究[4-5]指出,沉水植物的生长能够明显降低间隙水中的NH3-N,并抑制氮素释放。沉水植物的根系可以固持底泥,减少沉积物的再悬浮;还可为根际好氧微生物输送氧气,改变根际附近氧化还原电位(Eh)和pH值,影响氮的迁移转化过程[1]。沉水植物死亡腐烂会增加沉积物中的有机质含量,并将从上覆水中吸收到自身体内的氮转移到沉积物中,这一过程也在氮的地球化学循环过程中起到了重要作用。

1试验材料与设计

1.1材料与设计

将采集的湖泊沉积物自然风干后过100目筛,去除粗粒及动植物残体,混匀后铺设在整理箱中(预先经过5%的HCl处理后用蒸馏水冲洗干净),铺设厚度为10 cm,每箱的沉积物干重为9 820 g,注入100 L暴晒3 d后的上覆水。试验设置总计9箱,其中6箱种植沉水植物菹草,其余3箱作为对照组。菹草用蒸馏水浸泡,自然光照下培养驯化一周,将性状均一的植株种植于6个整理箱中,其中3箱的种植密度为0.4 kg/m2,每箱种植150 g菹草,为150 g菹草组;另外3箱的种植密度为0.8 kg/m2,每箱种植300 g菹草,为300 g菹草组。常规培养2个月。每个整理箱中埋设4个1 m长的陶土头渗滤装置,用细铁丝固定陶土头。用虹吸法往桶里添加上覆水,水深30 cm。暴雨和大风天气将其收到室内。

1.2取样与分析

1.3数据处理

试验所得数据采用SPSS 17.0统计软件进行单因素方差分析,p<0.05为差异性显著,p<0.01为差异性极显著,试验数据用“平均值 ± 标准差”。

2试验结果与讨论

2.1间隙水中可交换态氮含量的变化

试验开始时,150 g菹草组、300 g菹草组和对照组的间隙水pH差别很小。在整个试验过程中150 g菹草组和300 g菹草组的pH整体上减小,但变幅较小;对照组在整个试验期间变化不大(图1)。3个处理组的间隙水pH平均值大小顺序为:对照组>150 g菹草组>300 g菹草组。利用单因素方差分析,得出150 g菹草组与300 g菹草组的间隙水 pH无显著差异(P>0.05),150 g菹草组与对照组、300 g菹草组与对照组的间隙水 pH有显著差异(P<0.05)。

图1　沉积物间隙水中的pH值和Eh值随时间变化情况

试验开始时,150 g菹草组、300 g菹草组和对照组的Eh基本一致。有研究[8]指出沉积物间隙水的氧化还原特性与Eh的关系为:①Eh值在400～650 mV变化,沉积物表现为氧化性;②Eh值在200～400 mV,沉积物表现为弱氧化性;③Eh在0～200 mV变化,表现为弱还原;④Eh值在Eh在-200～0 mV变化,沉积物表现为还原性。本研究中,150 g菹草组、300 g菹草组和对照组的间隙水Eh值变化表现出相似的规律,呈先降后升的趋势,呈弱还原性,最小值出现在第50天。且在前30 d Eh的变化较大,在后30 d Eh变化较小。对照组间隙水的Eh也呈先降后升的趋势,但至第30天起,Eh值小于0,至第50天时最低。3个处理组的间隙水中的Eh平均值大小顺序为:300 g菹草组>150 g菹草组>对照组。利用单因素进行方差分析,结果表明3个处理组的间隙水Eh相互之间均无显著差异(P>0.05)。

由图2可见，3组试验的间隙水TN变化表现出相似的规律,呈现先降后增再降的趋势;TN在实验结束时分别下降为9.5 mg/L、7.9 mg/L和11.2 mg/L;TN平均质量浓度大小顺序为:对照组>150 g菹草组>300 g菹草组。利用单因素方差分析,得出300 g菹草组与对照组的水体TN有显著差异(P<0.05),而150 g菹草组与对照组、150 g菹草组与300 g菹草组的间隙水TN无显著差异(P>0.05)。

图2　沉积物间隙水中TN质量浓度的变化

图3　沉积物间隙水中的NH3-N和-N质量浓度变化

由图3可见,试验期间150 g菹草组、300 g菹草组和对照组的间隙水NH3-N整体上呈现减小的状态,没有明显的规律性。150 g菹草组、300 g菹草组和对照组的间隙水NH3-N最小值出现在第40天。3个处理组的间隙水NH3-N平均质量浓度大小顺序为:对照组>150 g菹草组>300 g菹草组。利用单因素方差分析,得出3个处理组的间隙水NH3-N相互之间均无显著差异(P>0.05)。

2.2沉积物可交换态氮质量比的变化

图4　沉积物中的TN和有机氮质量比变化

图5　沉积物中的-N和固定铵质量比变化

2.3沉水植物对TN和可交换态氮的影响机制

3组间隙水NH3-N呈下降趋势,且相互之间均无显著差异(P>0.05)。在试验初期,对照组的上覆水中NH3-N明显低于间隙水NH3-N,由于浓度差,间隙水NH3-N向上覆水释放,上覆水的NH3-N增大,间隙水的NH3-N降低;到了试验中期,对照组上覆水体中的浮游藻类大量生长,消耗掉了水体中的NH3-N,明显降低了水体NH3-N;到试验后期,悬浮物增大导致了光合作用减弱,藻类部分死亡后分解的有机碎屑和胶体吸附了水中的NH3-N。

试验结束后,3组沉积物有机氮差别较小,与初始值相比,菹草组的有机氮减小量更明显,且300g菹草组的减小量大于150g菹草组的减小量。沉水植物根系释放出的有机酸、酚类、糖类和酶等物质改变了沉积物的物理性状和根际环境,为微生物的生长提供了良好的环境。可见,沉水植物的存在加快了沉积物有机氮的矿化。

3结语

参考文献：

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Effects of different densities ofPotamogetoncrispusL. on exchangeable nitrogen at sediment-water interface

YAN Wenming1, MA Lin2, XIANG Long1, YANG Jialiang3

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.DepartmentofWaterResourcesofHunanProvince,Changsha410007,China;3.HunanHydro&PowerDesignInstitute,Changsha410007,China)

Abstract：In order to investigate the effects of submerged plants on the exchangeable nitrogen across the interfaces between sediments and water in eutrophic shallow lakes, the concentrations of -N and NH3-N were detected with the continuous flow-injection analyzer through simulation experiments. With other environmental indicators taken into account, the effects of different densities of Potamogeton crispus L. (0 g, 150 g, and 300 g, respectively) on TN, -N, and NH3-N at the sediment-water interface were examined. The experimental results show that Patamogeton crispus L. increased the oxidation-reduction potential (Eh) and decreased the pH of the interstitial water. Moreover, the higher the density of Patamogeton crispus L. was, the more significantly the Eh and pH in the interstitial water changed. According to the results of one-way analysis of variance, there was a significant difference (p<0.05) in TN in the interstitial water with 0g and 300g of Patamogeton crispus L. The higher the density of Patamogeton crispus L. was, the greater the amounts of TN, -N, and NH3-N in the interstitial water, and the greater the amounts of fixed ammonium, organic nitrogen, NH3-N, and -N that were removed from surface sediments.

Key words：Potamogeton crispus L.; sediments; interstitial water; nitrate nitrogen; ammonia nitrogen

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.024

基金项目:湖南省水利基金(201524507);国家自然科学基金(41301531)

作者简介:燕文明(1982—),女,实验师,博士,主要从事环境水文及水环境保护研究。E-mail:ywm0815@163.com 通信作者:麻林,助理研究员,博士。E-mail:155327259@qq.com

中图分类号：X171

文献标志码：A

文章编号：1004-6933(2016)02-0119-04

(收稿日期：2015- 12- 28编辑：徐娟)