环境科学  2014, Vol. 35 Issue (6): 2156-2163   PDF    
引用本文
杨文斌, 李阳, 孙共献. 两种沉水植物对上覆水和间隙水中可溶性无机氮的影响[J]. 环境科学, 2014, 35(6): 2156-2163.
YANG Wen-bin, LI Yang, SUN Gong-xian. Effects of Two Submerged Macrophytes on Dissolved Inorganic Nitrogen in Overlying Water and Interstitial Water[J]. Environmental Science, 2014, 35(6): 2156-2163.
两种沉水植物对上覆水和间隙水中可溶性无机氮的影响
杨文斌, 李阳, 孙共献    
安徽师范大学环境科学与工程学院, 芜湖 241002
收稿日期: 2013-11-7; 修订日期: 2013-12-28.
基金项目： 安徽省自然科学基金项目（1208085MD60）；安徽省教育厅自然科学研究项目（KJ2010A151）
作者简介：杨文斌(1968~),男,博士,副教授,主要研究方向为水环境生态修复, E-mail:ywb1968@mail.ahnu.edu.cn
摘要：在实验室模拟研究沉水植物金鱼藻（Ceratophyllum demersum）、苦草（Vallisneria spiralis L.）对上覆水、间隙水中可溶性无机氮（dissolved inorganic nitrogen，DIN）的浓度、赋存形态及DIN扩散通量的影响. 结果表明，金鱼藻和苦草对上覆水中 DIN的去除效果均强于间隙水，对各形态 DIN的去除差异： NO2--N>NH4+-N>NO3--N；金鱼藻对上覆水中 DIN的去除效果明显强于苦草，但对间隙水中 DIN的去除效果弱于苦草；金鱼藻和苦草减少了NH4+-N和NO2--N的扩散通量，显著增加了NO3--N的扩散通量，使NO3--N取代NH4+-N成为间隙水向上覆水中扩散DIN的主要形态，但对NO3--N和NH4+-N扩散通量的影响，金鱼藻和苦草之间差异不显著；金鱼藻和苦草增加了上覆水和间隙水中3种形态DIN含量比例的变化幅度，金鱼藻对上覆水中DIN含量比例影响强于苦草，对间隙水中DIN含量比例的影响弱于苦草. 总体来讲，金鱼藻对上覆水中DIN形态影响较大，苦草对间隙水中DIN形态影响较大，两者对DIN扩散通量的影响差别不显著.
关键词： 金鱼藻     苦草     可溶性无机氮     氮形态     氮分配     扩散通量    
Effects of Two Submerged Macrophytes on Dissolved Inorganic Nitrogen in Overlying Water and Interstitial Water
YANG Wen-bin, LI Yang, SUN Gong-xian    
College of Environmental Science and Engineering, Anhui Normal University, Wuhu 241002, China
Abstract: Ceratophyllum demersum (C. demersum) and Vallisneria spiralis L. (V. spiralis L.) were studied as model submerged macrophytes. The effects of the submerged macrophytes on the forms and concentration of the dissolved inorganic nitrogen (DIN) in the overlying water and the interstitial water, as well as the diffusion flux of DIN in the water-sediment interface were investigated by batch simulation experiment. The results indicated that the removal effect of DIN in the overlying water was better than that in the interstitial water by submerged macrophytes. The removal efficiency of DIN in the overlying water and the interstitial water followed the order of NO2--N>NH4+-N>NO3--N. The removal rate of DIN by C. demersum was higher than that of V. spiralis L. in the overlying water, while the result was converse in the interstitial water. C. demersum and V. spiralis L. decreased the diffusion flux of NH4+-N and NO2--N, and increased the diffusion flux of NO3--N significantly. Consequently, NO3--N replaced NH4+-N and became the main form of DIN, which diffused from the interstitial water to the overlying water. The impact of the diffusion flux of NO3--N between C. demersum and V.spiralis L. showed no significant difference, and the result was the same for NH4+-N. C. demersum and V. spiralis L. increased the width of variation of the three nitrogen forms to total DIN in the overlying water and the interstitial water, the influence on the ratio of DIN by C. demersum was greater than that of V. spiralis L. in the overlying water, while the result was opposite in the interstitial water. In general, C. demersum had more influence in the overlying water, while V. spiralis L. had more influence in the interstitial water, and the influence of DIN diffusion flux was not significant.
Key words: Ceratophyllum demersum     Vallisneria spiralis L.     dissolved inorganic nitrogen(DIN)     nitrogen conformation     nitrogen distribution     diffusion flux    

对湖泊营养盐循环与生物地球化学过程研究是目前国内外湖泊及流域科学的学科前沿和优先领域. 营养盐循环的生化动力学机制是该领域研究的重要内容，其中水-沉积物界面营养盐的迁移转化规律研究是重中之重[1, 2, 3]. 目前对营养盐的探讨多集中在物理化学性质[4]、 营养元素的赋存形态[5]、 吸附与解吸及其动力学[6,7]与环境因子[1]影响等方面，以上研究主要考虑的是水-沉积物二相之间的作用，而对湖泊水体中生物相的存在作用考虑的仍不够全面[8]. 沉水植物作为湖泊生物相的重要组成之一，占据了湖泊中水和沉积物的主要界面，对湖泊生态系统的物质循环和能量传递起到重要的调控作用[9,10]. 沉水植物对水体的净化起到非常重要的作用[11]，除了通过直接吸收同化去除环境中NH+4-N和NO-3-N外，其代谢的过程会对周围物理、 化学和微生物环境条件造成改变，很大程度上会改变可溶性无机氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)的迁移和转化[12]，还有学者研究发现沉水植物对氮盐的吸收存在选择性[13]，均可能致使水体中DIN的赋存形态比例发生变化，进而对直接利用DIN的藻类和其他水生植物有直接的影响. 如胡章喜等[14]研究发现NH+4-N和NO-3-N浓度对藻类的生长有显著的影响，王珺等[15]发现不同NH+4-N与NO-3-N的比值对轮叶黑藻的生理活动和生长具有明显的影响，因此研究沉水植物对DIN的影响是有必要的. 近年来，越来越多的研究着重于沉水植物系统降低水体中氮磷营养盐浓度的综合效应[16,17]，对沉水植物代谢过程中DIN在环境中赋存形态转化的研究相对较少，尤其是不同根系特点的沉水植物对上覆水和间隙水中DIN赋存形态变化的影响更鲜见报道.

本研究通过模拟浅水湖泊环境，选择根系差异较大的沉水植物金鱼藻和苦草，分析其对上覆水、 间隙水中DIN浓度和赋存形态转化及DIN扩散通量的影响，以期为湖泊内源污染治理及湖泊生态修复提供科学依据. 1 材料与方法 1.1 试验材料

在芜湖市龙窝湖采集试验所需的沉积物和沉水植物. 金鱼藻为金鱼藻科金鱼藻属，其叶轮生，无根系； 苦草为水鳖科多年生无茎草本沉水植物，根系较发达. 采集生长旺盛的金鱼藻和高约10 cm的苦草幼苗. 采集原位上覆水备用，用迈克逊采泥器采集表层10 cm的沉积物. 采集的沉水植物在试验室条件下进行自然光照培养驯化； 底泥样品经搅拌至均匀，用筛孔径2 mm的金属筛子过滤去除腐叶和大颗粒物等杂质后，静置备用.

1.2 试验设计

试验选取9个圆形塑料桶(直径65 cm，高75 cm)，设置3组，每组试验设3个平行样，在每个塑料桶内均匀铺上厚15 cm的沉积物，缓慢加入经25号浮游生物网(Φ0.064 mm)过滤后的原位上覆水到桶内至65 cm高. 对照组不种植物，处理组分别种植经驯化后生长旺盛的金鱼藻和苦草，桶内初始生物量约为500 g，试验期间定期在上覆水中添加去离子水，以维持上覆水水位恒定.

1.3 样品采集和测定

试验从2012-07-22开始，至2012-09-07结束，共进行48 d，每隔8 d取样. 用毛细管在水-沉积物界面上方5~10 cm处采集上覆水100 mL； 用注射器改装成的微型柱状采样器采集表层0~5cm的沉积物，经离心(3000 r ·min-1，10 min)获得间隙水. 水样经过0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤后，分别测定NH+4-N、 NO-3-N、 NO-2-N浓度，测定方法依次为纳氏试剂光度法、 紫外分光光度法、 N-(1-萘基)-乙二胺光度法[18]. 孔隙率通过烘干法测定[19]. 监测采样时温度、 pH(上海雷磁 PHSJ-3F)、 DO(上海雷磁 JPB-607A)等理化指标，同时观察沉水植物金鱼藻与苦草的生长状况.

1.4 数据分析与计算

运用SPSS 19.0对数据进行统计分析，对上覆水和间隙水中DIN浓度和DIN在水-沉积物界面的扩散通量先用单因素方差分析(One-Way ANOVA)，然后进行Duncan多重比较，用Sigma Plot 10进行绘图.

根据下式计算水体中第i天的氮素去除率(%)： 氮素去除率= ci0×Vi0-ci×Vi/ci0×Vi0 ×100% 式中,ci0为第i天对照组水体中NH+4-N、 NO-3-N和NO-2-N浓度； Vi0为第i天对照组水样体积； ci为第i天处理组水体中NH+4-N、 NO-3-N和NO-2-N的浓度； Vi为第i天处理组水样体积. 氮素平均去除率为7次氮素去除率的平均值.

2 结果与讨论 2.1 两种沉水植物对上覆水和间隙水中DIN浓度的影响

试验期间，上覆水中DIN浓度随时间变化如图 1(a)、 1(c)和1(e)所示，对照组中DIN浓度均有先升后降的变化. 金鱼藻组和苦草组中NO-3-N浓度随时间逐渐减少； NH+4-N在第8 d有所减少，后缓慢增加； NO-2-N在第8 d后有所减少并保持在较低浓度. 在第48 d，对照组、 金鱼藻组和苦草组上覆水中相应形态的DIN之间均存在显著差异(P<0.05)，见表 1，说明在微环境稳定后，金鱼藻和苦草对上覆水中DIN有明显的去除效果，并且金鱼藻对DIN的去除效果明显好于苦草.

间隙水中DIN浓度随时间变化的情况如图 1(b)、 1(d)和1(f)所示，2个处理组间隙水中NO-3-N浓度较对照组降低均不明显； NH+4-N浓度在试验前期降低均较明显，在试验后期趋于稳定； NO-2-N浓度在3组中均存在相似的变化. 在第48 d，金鱼藻组和苦草组中相应形态的DIN与对照组之间均存在显著差异(P<0.05)，在金鱼藻组和苦草组之间，除间隙水中NH+4-N浓度之间存在显著差异(P<0.05)外，对应的NO-3-N和NO-2-N之间均无显著差异(P＞0.05)，见表 1. 说明在微环境稳定后，金鱼藻和苦草对间隙水中DIN的去除效果显著，并且苦草对NH+4-N的去除效果明显好于金鱼藻.

表 1 试验第48 d上覆水和间隙水中DIN浓度变化 1)/mg ·L-1

Table 1 Concentration of DIN in the overlying water and the interstitial water on the 48th day of the test/mg ·L-1

图 1 沉水植物对上覆水和间隙水中DIN的影响(平均值±标准误)

Fig. 1 Effects of three species submerged macrophytes on the DIN in the overlying water and the interstitial water(Mean±SE)

对照组上覆水中NH+4-N和NO-3-N浓度先升后降的变化，主要是NH+4-N、 NO-3-N在上覆水和间隙水中存在较明显的浓度梯度(见图 1)，由间隙水中NH+4-N和NO-3-N向上覆水释放所导致[20,21]，这一现象与间隙水中NH+4-N和NO-3-N浓度在试验第8 d均出现降低相对应. 在试验后期，2个处理组上覆水中NH+4-N缓慢增加，一方面是沉积物的释放作用对上覆水中NH+4-N进行补充； 另一方面与沉水植物生长状况有关，在试验后期，沉积物表面均发现金鱼藻和苦草的腐叶，腐叶的分解可能会导致上覆水中NH+4-N的增加[22].

3组间隙水中NO-3-N的浓度相差不大，这与沉水植物的吸收和氮素间转化有关，本试验无外源氮进入，沉积物的释放是上覆水和间隙水中氮的主要来源，在7、 8月环境温度较高，沉积物中有较强的矿化作用[23]，从而导致沉积物向间隙水释放NH+4-N，进而发生硝化反应转化成NO-2-N和NO-3-N，对间隙水中DIN进行补充，导致间隙水中NO-3-N的浓度降低不明显. 在试验过程中，对照组上覆水中NO-2-N浓度均高于间隙水中浓度，这是由于硝化-反硝化作用主要是发生在水-沉积物界面[24]，会产生大量作为中间产物的NO-2-N导致的.

对比金鱼藻和苦草对上覆水、 间隙水中DIN的平均去除率(表 2)可发现，金鱼藻和苦草对

NH+4-N的平均去除率均高于NO-3-N，说明金鱼藻和苦草对NH+4-N的去除作用更明显. 金鱼藻和苦草对上覆水中NO-2-N平均去除率均高于NH+4-N，但对间隙水中NO-2-N的平均去除率均却低于NH+4-N，这可能是间隙水中NO-2-N浓度(小于0.1mg ·L-1)一直保持在较低水平的原因. 沉水植物的光合作用会增加水体中溶解氧(dissolved oxygen，DO)浓度，好氧的条件有利于NH+4-N和NO-2-N进行硝化作用转化为NO-3-N，加快NH+4-N和NO-2-N的消耗，补充间隙水向上覆水扩散和被沉水植物吸收消耗的NO-3-N，因此沉水植物对NO-3-N去除效果不明显，而对NH+4-N和NO-2-N的去除率更高. 综合NO-2-N作为中间产物极易被氧化的性质，笔者认为，沉水植物对DIN的去除效果NO-2-N＞NH+4-N＞NO-3-N.

表 2 沉水植物对上覆水和间隙水中DIN的平均去除率 /%

Table 2 Average removal rate of DIN in the overlying water and the interstitial water by two submerged macrophytes/%

由表 2可知，金鱼藻和苦草对上覆水中DIN的平均去除率均高于间隙水，说明两者对上覆水中DIN的去除效果均强于间隙水. 金鱼藻对上覆水中DIN的平均去除率高于苦草组，但对间隙水中DIN的平均去除率却低于苦草组. 可能的原因，一方面是由于金鱼藻无根，主要利用茎叶吸收上覆水中营养物质. 苦草的根系发达，除了依靠叶吸收营养物质外，也能通过根系从间隙水中吸收营养物质满足自身的需求，从而减少对上覆水中营养物质的吸收[25]； 另一方面，可能是苦草根系周围形成了根系网络，根系的泌氧作用使沉积物中氧化还原电位升高，硝化作用更易进行，导致苦草组间隙水中NH+4-N浓度低于对照组； 最后，苦草根系会为不同种类的微生物附着和繁殖提供了场所和条件，促进了苦草根际硝化-反硝化作用的进行[26,27]，加强了对DIN的去除效果[13].

2.2 两种沉水植物对水-沉积物界面DIN扩散通量的影响

水土界面氮扩散通量的计算采用 Fick第一扩散定律[28]：

式中，Fx为扩散通量，正值表示由沉积物向上覆水扩散，负值相反； φ为沉积物样品的孔隙率； DS为无机氮离子在沉积物中的扩散系数； dc/dz为沉积物水界面的浓度梯度，是间隙水样品与上覆水样品之间的浓度差，在本试验中，采用表层 0~2 cm 沉积物间隙水与底层上覆水之间的浓度差来计算(dz=1 cm). 沉积物的扩散系数(DS，cm2 ·s-1)可以用下式来计算[29]：

式中，D0为水中的扩散系数，θ 为沉积物弯曲度. 25℃时NH+4、 NO-3、 NO-2无限稀释溶液中溶质的扩散系数分别为19.8×10-6、 19×10-6、 19.1×10-6 cm2 ·s-1[30]. 沉积物的弯曲度可以通过下式来计算[31]：

孔隙率的计算公式如下[32]：

式中，Ww是沉积物的湿重，Wd是沉积物的干重，2.5是湿沉积物密度与水浓度比值的平均值.

如图 2所示，在对照组和2个处理组中NH+4-N和NO-3-N的扩散通量均为正值，均由沉积物向上覆水扩散，说明NH+4-N和NO-3-N主要是从沉积物向上覆水中迁移. 对照组中NO-2-N的扩散通量为负值，由上覆水向沉积物中扩散. 对比NH+4-N和NO-3-N的扩散通量发现，对照组NH+4-N的扩散通量均大于NO-3-N的扩散通量，而2个处理组情况相反(试验第1 d除外)，可能是金鱼藻和苦草吸收、 泌氧作用致使NO-3-N取代NH+4-N成为间隙水向上覆水中扩散的主要DIN形态.

图 2 水-沉积物界面DIN扩散通量的变化(平均值±标准误)

Fig. 2 Diffusion fluxes of DIN between water and sediment (Mean±SE)

就NH+4-N而言，在8~16 d，金鱼藻组和苦草组中NH+4-N的扩散通量与对照组均有显著差异(P＜0.05)，且苦草对NH+4-N扩散通量的减少作用强于金鱼藻，在32 d后，金鱼藻和苦草对NH+4-N扩散通量的减少作用开始变弱并趋于平缓，在第48 d，苦草组和对照组中NH+4-N扩散通量之间存在显著差异(P＜0.05)(图 2)； 就NO-3-N而言，在1~16 d，金鱼藻组和苦草组中NO-3-N扩散通量均无明显减少，在24 d后，金鱼藻组和苦草组中NO-3-N扩散通量均高于对照组中通量，说明金鱼藻和苦草促进了NO-3-N向上覆水释放，且金鱼藻组和苦草组中NO-3-N扩散通量之间差异不显著(P＞0.05)； 就NO-2-N而言，金鱼藻和苦草均能明显地减少NO-2-N扩散通量，且3组之间差异性显著(P＜0.05)，在16 d后，金鱼藻组中NO-2-N由间隙水向上覆水扩散，苦草组由上覆水向间隙水扩散. 由图 1可知，金鱼藻组上覆水中NO-2-N浓度低于间隙水，使金鱼藻组NO-2-N的扩散通量呈向上方向； 2个处理组水体中NO-2-N浓度较低，界面浓度梯度较小，NO-2-N的扩散通量保持在较低水平.

由公式(1)可知，DIN在水-沉积物界面的扩散通量与沉积物的孔隙度和界面浓度梯度呈正相关. 在试验初期，3组中沉积物孔隙度相似，随着试验的进行，金鱼藻组和苦草组中表层沉积物的孔隙率较对照组有所增加，对照组、 金鱼藻组和苦草组中表层沉积物的孔隙率均值分别为70%、 72%和76%. 苦草对沉积物孔隙率的影响较金鱼藻明显，这可能是苦草根孔的存在使沉积物含水率增加，并且与苦草根系环境中微生物活动有关[33]. 古小治等[34]研究也证明了水生植物能明显提高沉积物的孔隙率. 金鱼藻组和苦草组中对应的NH+4-N和NO-3-N扩散通量均差异不显著(P＞0.05)，可能是表层沉积物孔隙率和浓度梯度共同作用的结果.

2.3 两种沉水植物对上覆水和间隙水中DIN含量比例的影响

由图 3(a)、 3(c)和3(e)可知，在试验初期，2个处理组上覆水中NO-3-N含量比例明显增加，在8~48 d，金鱼藻组中NO-3-N含量比例基本保持不变，而苦草组中有减少的趋势，这可能是苦草的腐叶分解释放NH+4-N增加，相应减少了NO-3-N含量比例[22]. 初始上覆水中3种形态氮在DIN中含量比例为：NO-3-N 58.8%，NH+4-N 31.5%，NO-2-N 10.7%，NO-3-N是上覆水中DIN的主要赋存形态. 在第48 d后，对照组、 金鱼藻组和苦草组上覆水中NO-3-N占DIN的含量比例比较原位上覆水(58.8%)分别增加了12.4%、 19.7%和13.5%，NH+4-N 分别降低了11.4%、 11%和8.3%. 金鱼藻对上覆水中NO-3-N 和NH+4-N影响更明显，但金鱼藻和苦草均没有改变上覆水DIN中氮的分配格局，NO-3-N始终是上覆水中DIN的主要形态.

图 3 上覆水和间隙水中DIN形态转变规律

Fig. 3 DIN conformation transform principles in the overlying water and the interstitial water

由图 3(b)、 3(d)和3(f)可知，在第24 d，较对照组发现，金鱼藻组和苦草组间隙水中NH+4-N含氮比例均快速增加，NO-3-N含量比例均快速减少，这与NO-3-N向上的扩散通量增加密切相关(图 2). 初始间隙水中3种形态氮在DIN中含量比例为：NH+4-N 54.8%，NO-3-N 45%，NO-2-N 0.2%，NH+4-N是间隙水中DIN的主要赋存形态. 在第48 d后，对照组、 金鱼藻组和苦草组间隙水中NO-3-N所占DIN的含量比例分别为50.6%、 54.7%和55.4%，相较于初始状态，间隙水中NO-3-N在DIN含量比例分别增加了5.6%、 9.7%和10.4%，NH+4-N 分别降低了6%、 9.8%和10.6%，苦草对间隙水中NO-3-N 和NH+4-N影响较金鱼藻明显，并且NO-3-N取代NH+4-N成为间隙水中DIN的主要赋存形态，此时，间隙水中DIN的各赋存形态氮的含量比例大小为NO-3-N＞NH+4-N＞NO-2-N.

在第48 d，相较于起始状态，上覆水和间隙水中NO-3-N的含量比例均有所增加，NH+4-N含量比例均有所降低，NO-2-N含量比例基本不变化. 在对照组、 金鱼藻组和苦草组上覆水中NO-3-N占DIN的含量比例均值分别为51.8%、 80.7%和76.1%，而在对照组、 金鱼藻组和苦草组间隙水中NO-3-N占DIN的含量比例均值分别为46%、 61.8%和62.1%，对照组上覆水和间隙水中NO-3-N占DIN的含量比例均值明显低于2个处理组中均值，相比于初始NO-3-N含量比例，沉水植物增大了上覆水和间隙水中DIN的含量比例变化幅度. 沉水植物对DIN含量比例变化的影响是综合作用的结果，原因可能为以下4个方面：①沉水植物对NH+4-N和NO-3-N的选择性吸收[13]，造成了NH+4-N消耗加快，有研究认为，植物优先吸收NH+4-N和其他还原态氮，当NH+4-N浓度极低时才会吸收NO-3-N[35]； ②沉水植物的光合作用会增加DO浓度，加快NH+4-N和NO-2-N通过硝化作用转化为NO-3-N； ③沉水植物减少了NH+4-N和NO-2-N的扩散通量，促进了NO-3-N扩散，影响了DIN在水-沉积物界面迁移； ④沉水植物的根系可能改变了根际微环境中的DO和氧化还原电位，从而改变沉积物的矿化速率[23]，影响间隙水中DIN浓度，进而对DIN含量比例产生影响. 在试验结束时，NO-3-N均为上覆水和间隙水中DIN的主要赋存形态，该结果与王圣瑞等[36]对黑藻的研究认为NH+4-N是上覆水中主要的氮形态的结果不同，导致这种不同结果的原因可能是初始上覆水水质、 沉积物基质和其他试验条件存在差异.

3 结论

(1)金鱼藻和苦草对上覆水中 DIN的去除效果均强于间隙水，对各形态 DIN的去除差异： NO-2-N>NH+4-N>NO-3-N. 金鱼藻对上覆水中 DIN的去除效果明显强于苦草，但对间隙水中 DIN的去除效果弱于苦草.

(2)金鱼藻和苦草减少了NH+4-N和NO-2-N的扩散通量，显著增加了NO-3-N的扩散通量，使NO-3-N取代NH+4-N成为沉积物向上覆水中扩散DIN的主要形态，但金鱼藻和苦草对NO-3-N和NH+4-N扩散通量的影响差异不显著.

(3)金鱼藻和苦草增加了上覆水和间隙水中3种形态DIN含量比例的变化幅度，金鱼藻对上覆水中DIN含量比例影响强于苦草，对间隙水中DIN含量比例的影响弱于苦草.

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