白蜡凋落叶在水体中的分解及对水质的影响1)

李艳晖 王瑜 李砧 郝磊 刘茜

(太原师范学院，晋中，030619)

凋落物分解在全球的物质循环及能量流动的过程中占有十分重要的角色。河岸带植物凋落叶随溪流水体流动的分解过程被认为是水生态系统物质和能量的重要来源[1-2]，且对水体微生物及底栖无脊椎动物的种群结构和数量有着重要影响[3-4]。河流源头河岸带凋落物的分解甚至可以影响整个流域生态系统的功能[5]，河岸带凋落物对水生生态系统中养分循环和能量流动有比对陆地更重要的作用[6]。

目前，多采用网袋法开展凋落叶在自然水体中氮、磷元素释放特征及其影响因素研究的原位实验，而对于凋落叶释放的氮、磷等生源要素对水体水质影响的研究相对较少，尤其是一些小型、水流缓慢的水体，如人工湖、水库等[7]。秋季是我国北方大量树种落叶的季节，调查落叶分解释放特征及其对水体氮、磷质量浓度的影响具有重要的生态学意义。白蜡(Fraxinuschinensis)，木犀科，梣属，奇数羽状复叶，叶通常7片或7～9片，近革质，是我国常见行道树种。本文以白蜡凋落叶为材料，在实验室内模拟了其在北方秋季小型水体中营养元素的动态释放过程，分析了水体中总氮、总磷和高锰酸盐质量浓度的变化趋势，以探究白蜡凋落叶在水体中的养分释放规律，为进一步明确树木凋落叶分解特征及其对城市绿化行道树种种植提供一定理论指导。

1 材料与方法

收集太原师范学院(位于山西省晋中市榆次区)校园内白蜡凋落叶(主要为新鲜凋落叶)，去除落叶上杂质，于通风、阴凉处自然晾干，收集入密封袋中并密封袋口，于室温、黑暗处保存，供后续实验。

1.1 实验设计和处理方法

选择2个12 L玻璃水缸(长×宽×高为30 cm×20 cm×20 cm)作为模拟小型水体的装置，水缸中分别装入7 L蒸馏水，其中1个水缸不加凋落叶，作为对照组。将白蜡凋落叶烘干至恒质量后剪碎，准确称取2 g放于水缸中，将水缸置于培养箱中，温度设置为16 ℃。分别于处理后的2、4、6、8、10、12、24、84、96、108、120、124、128和132 h取适量体积水样用于总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐质量浓度(DMn)指标测定，每个指标设3个平行。实验期间，对照组水体中TN质量浓度(0.060±0.01 mg·L-1)、TP质量浓度(0.011±0 mg·L-1)和DMn质量浓度(0.076±0.02 mg·L-1)基本稳定。处理组各时间点TN、TP和DMn质量浓度为实测值减去对照组对应时间点所测值。

1.2 测定方法

按照《水和废水监测分析方法》(第4版)[8]方法分别测定水体TN、TN和DMn质量浓度，其中，总氮质量浓度测定采用过硫酸钾氧化、紫外分光光度法；总磷质量浓度测定采用钼锑抗分光光度法；高锰酸盐质量浓度测定采用酸性法。

1.3 数据分析

数据统计分析采用Excel 2010和SPSS17.0软件，利用单因素方差分析中最小显著性差异法和Duncan法比较不同时间水体中TN、TN和DMn质量浓度变化。

2 结果与分析

2.1 白蜡凋落叶分解过程中水体总氮变化

凋落物分解既有物理过程，又有生化过程。物理过程指样品通过机械或动物作用成为碎片；生化过程指微生物使枯落物分解的过程，分解过程中凋落物养分质量浓度的变化，反映了样品在分解过程中的生化过程[9]。

表1 不同处理时间白蜡调落叶分解过程中水体总氮变化

由表1可知，白蜡凋落叶在水中浸泡24 h内，水体中总氮变化呈现为升高—降低—升高—降低—再升高的过程，水体TN质量浓度在24 h内显著升高了0.340 mg·L-1(升高了241.1%)。相应地，白蜡凋落叶分解24 h内，N元素为释放—吸收—释放—吸收—再释放的变化过程，呈现波浪型的变化特征。从整体看，白蜡凋落叶分解过程中，氮呈现出显著的释放特征。若将24 h内的变化看做一个整体，从起始到第132 h，水体中TN变化过程为升高(24 h，1 d)—降低(84 h，3.5 d)—升高(96 h，4 d)—降低(108 h，4.5 d)—再升高(132 h，5.5 d)，到第132 h(5.5 d)水体N质量浓度达到最大值0.484 mg·L-1。相应地，白蜡落叶在132 h分解过程中，N素变化为释放—吸收—释放—吸收—再释放，这与24 h(1 d)内的变化规律相同。由此可见，短时间内，无论是以24 h为一个尺度，还是以132 h(5.5 d)为一个尺度，白蜡落叶分解过程中N元素变化趋势均为释放—吸收—释放—吸收—再释放的波浪型变化，从整体上看，落叶分解过程中的氮素是以释放为主。

2.2 白蜡凋落叶分解过程中水体总磷变化

由表2可知，水体中TP的变化趋势为先显著升高，在12 h即达到峰值0.094 mg·L-1(质量浓度升高154.1%)，随后下降，在24 h内整体呈磷释放的特征；84 h时水体TP质量浓度最低(0.041 mg·L-1)，至132 h时水体TP呈整体上升趋势，对应于白蜡落叶分解过程中磷元素的动态变化为释放—吸收—释放，这种变化趋势与以往实验的研究结论基本相一致[10]。从整体上看，白蜡凋落叶在水体分解过程中呈现出磷元素的快速释放，12 h内即达释放高峰，不同于N元素的是，P在快速释放阶段后有一个明显吸附的过程，至84 h时水体TP值最低，随后在0.057～0.074 mg·L-1范围内波动。同时，白蜡凋落叶分解过程中，磷元素的释放量少于氮元素，其原因可能与白蜡叶本身的C与N质量浓度比和C与P质量浓度比有关。

表2 不同处理时间白蜡调落叶分解过程中水体总磷变化

2.3 白蜡调落叶分解过程中水体高锰酸盐质量浓度变化

高锰酸盐质量浓度，是指在酸性或碱性介质中，以高锰酸钾为氧化剂，处理水样时所消耗的量，以氧的质量浓度(mg·L-1)来表示。水中的亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等还原性无机物和在此条件下可被氧化的有机物，均可消耗高锰酸钾。因此，高锰酸盐质量浓度常被作为地表水体受有机污染物和还原性无机物质污染程度的综合指标[8]。表3是白蜡凋落叶浸泡分解后，水体中高锰酸盐质量浓度的动态变化。从整体趋势来看，在模拟实验期间，水体中DMn质量浓度在13.469～21.633 mg·L-1间呈上升—下降—波状波动的变化趋势。凋落叶进入水体浸泡分解12 h内，快速释放物质，12 h时DMn质量浓度达峰值，较2 h的DMn质量浓度显著升高了60.6%；随后在17.434～19.926 mg·L-1范围内波动变化。可见，白蜡凋落叶浸泡分解过程中还原性无机物和可被氧化的有机物质量浓度变化趋势为12 h内为明显的释放过程，随后表现为吸收和释放的动态变化，总体上呈现出动态的释放过程。

表3 不同处理时间白蜡调落叶分解过程中水体高锰酸盐质量浓度变化

3 讨论与结论

凋落叶在水体中的分解是一个复杂的物理、化学和生物过程，其分解速率通常受多方面因素的影响，与其自身的品质和水体特征的影响有关，包括叶片大小、吸水性和可溶性物质质量浓度、初始养分质量浓度、水温和流速等[11]，其中主要与温度、生物、叶片组织结构和凋落物所含元素种类及质量浓度有关[12]。凋落叶分解过程中C、N和P元素的释放率与河流水温具有不同程度的显著相关性，整体表现为较高温度促进元素的释放[13]，即夏季比冬季分解迅速[14]，秋冬季节比春夏季节分解缓慢[15-16]。落叶分解速率还受河水流速和水质特征的影响[17]。本次实验主要模拟了山西省秋季(平均气温16 ℃)白蜡凋落叶在小型水体分解过程中氮、磷营养元素的释放，实验期间温度稳定(16 ℃)，水体静止，因此，温度和流速这两个因素对白蜡凋落叶分解的影响不大，主要是落叶本身特征和水体微生物作用两方面因素。凋落物的分解还与植物本身的叶片组织结构和所含元素种类及质量浓度有关。相较于湿地松的粗硬针叶和高纤维素质量浓度[18]，白蜡近革质的叶片可能更易分解。水体中微生物活动越强，凋落物的分解速率就越快。

凋落叶在水体中的分解大致可分为易溶复合物的迅速溶解(物理过程)和凋落叶的缓慢分解(分解作用)两个过程[6]。在植物组织中，磷元素主要以磷酸根离子或化合物的形态存在，极易被淋溶而损失[19]。白蜡凋落叶中P元素经历淋溶阶段时间较短，12 h水体TP即达峰值，其原因可能是叶片中不稳定P在淋溶阶段的快速释放造成的。之后，磷呈现出明显的吸附过程，84 h时水体TP值最低，可能是因为凋落叶自身缺乏包括P在内的N、S等大量元素[20]，难以满足微生物生长生存的需要，微生物就会从外界环境中吸收已释放的磷元素来满足自身生长生理活动所需[21]，这样便引起了磷元素的吸收。当微生物从外界环境中吸收的营养元素达到某一阈值时才会分解凋落物中的养分[11]，造成了白蜡凋落叶中P的再次释放。凋落叶中P元素这种释放—吸收—释放的模式与长期实验中P的动态变化特征相似[10]。

凋落叶在水体的分解过程中，氮的动态变化一般分为淋溶(N释放)、固定(N吸收)、矿化(N释放)3个阶段，最初的淋溶为氮的快速释放[6，17]。经过淋溶阶段后，叶片和水中的微生物开始强烈活动，对N的大量需求使其将水体中的无机N迅速转化为自身蛋白质，水中养分开始向凋落叶转移以满足微生物的生长，表现为氮的吸收现象[15，17]。作为决定植物生长和微生物矿化有机质的重要影响因子，氮的释放还受到初始氮质量浓度以及C与N质量浓度比的重要影响[22]。C与N质量浓度比和C与P质量浓度比是影响枯落物分解的重要指标。因此，受多方面因素的影响，白蜡凋落叶中N素的复杂变化使得水体TN质量浓度呈复杂的双峰波浪型趋势。长期实验表明，凋落物分解过程中氮、磷的动态变化大致分为释放、吸收、释放3个阶段[10，12]，但也有研究表明，凋落叶分解过程中N元素动态变化并没有表现出一致的规律，多数研究中氮的变化无规律[23]。

水体中DMn质量浓度在12 h内显著上升至峰值后下降，随后呈波状波动的变化趋势，说明凋落叶中还原性无机物和可被氧化的有机物质量浓度变化趋势为明显释放后的波动吸收—释放动态，可能也是淋溶现象和微生物共同作用的结果。

综上，白蜡凋落叶在水体分解过程中，氮元素呈现出释放—吸收—释放—吸收—再释放的复杂波动型变化；磷元素变化特征为释放—吸收—释放；DMn质量浓度表现为上升—下降—波动变化特征，整体上都表现为元素的释放过程，水体TN、TP、DMn质量浓度整体升高。但释放物对水体TP和DMn质量浓度的影响集中于落叶浸泡12 h内，而氮在24 h内有两次明显的释放高峰，于132 h仍有释放高峰。影响白蜡凋落叶分解的因素主要包括微生物的分解活性、叶片的组织结构和凋落物本身所含的元素种类及质量浓度等，具体作用还需进一步分析研究。