芦苇生长对沉积物中氮磷元素地球化学形态的影响

丁卓丽

摘 要：研究了南四湖3种不同水深（5cm、30cm、90cm）沉积物中磷的地球化学形态及间隙水中NH4+、PO43-、NO3-、NO2-含量的垂向分布特征。在无芦苇的90cm水深对照区，沉积物处于高度还原状态，氨氮在沉积物间隙水中含量急剧增加，在表层3cm时达到最大值，间隙水中硝态氮在沉积物界面附近含量急剧下降，在2cm以下含量趋于稳定。有芦苇存在的情况下，在水土界面2cm处PO43-和NH4+的含量急剧增大随后趋于稳定。硝态氮在整个剖面的根际溶液中变化不大，上覆水和间隙水浓度相当，仅在90cm水深时亚硝态氮在离界面2cm处急剧增加。LP（可交换态磷）在30cm水深和90cm水深中根际沉积物中含量低于非根际沉积物，这与5cm水深有着相似的规律。但30cm水深和90cm水深BD-P（铁磷）在根际沉积物的含量高于非根际沉积物，铝磷的根际含量低于非根际沉积物中的含量。在3个水深梯度中钙磷无明显的变化规律。

关键词：南四湖；水位变化；芦苇；磷形态；间隙水

中图分类号 TV882.9 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）06-11-04

水文情势是湿地生态系统最重要的环境因素之一，对土壤环境、物种分布及植被组成具有先决作用，水文情势的变化是引起湿地群落快速演替的关键因素。在湿地恢复过程中，水文条件也是人为可以控制的最直接、有效的环境条件。因此，探讨水文情势对湿地植物根茎萌发及其生长的影响尤为重要。湖泊、河流和水库消落区指的是季节性水位涨落而使周边被淹没土地周期性地出露于水面的一段特殊区域，是水生生态系统和陆生生态系统能量、物质输移与转化的活跃地带[1]。消落区的植被由于不适应水生生境而消亡，生态系统结构和功能简单化，生态系统稳定性降低，脆弱性增强；水土流失加剧，岸边污染加重。消落区环境敏感性强、波动频率大、适应范围窄且容易发展灾变，在人类不合理的干扰下，如消落区不合理的开发利用，极易消弱消落区的生态服务功能，甚至引发环境灾难。因此对消落区进行生态修复，重建健康稳定的湿地生态系统才可以解决上述问题。其中从自然界筛选耐淹植物在水间带种植、增加植物生物量、减少淤积是迫在眉睫的问题。Loucks[2]提出在水位容易出现波动的地区（如水库、河岸、堤岸等湿地）种植耐淹植物可减少水土流失从而保护湿地，许多学者[3-5]对耐淹植物的筛选、植物对淹水的反应和适应等问题进行了较深入的研究，但国内有关报道较少，经初步研究发现芦苇幼苗具有一定的耐淹能力。研究芦苇在不同水位条件下的幼苗生长、生物量、及其淹水逆境的适应能力与其相应的结构和生理特征，可以为湖泊、河流和水库消落区植物生态系统和群落的物种组成研究、湿地恢复中的植物选种提供一定的理论依据。

对于湖泊湿地中水生植物而言，水是一个重要的生态因子。不仅直接影响湿地植物的生长发育，而且影响湿地生态系统结构、功能的稳定性。水的不同作用方式、时间、强度和理化性质等对植物会产生不同影响，这些影响包括生命周期、存活力、繁殖策略、形态可塑性、对淹水、干旱及盐分的忍耐等。水是湿地生态系统中最为敏感的环境因子[6-8]。水资源的盈亏丰欠、质量品质、时空组合等将制约植被的空间布局、生态过程的顺畅运行与生态系统服务功能的正常发挥。湿地与水关系的定量分析是合理利用和保护湿地生物多样性，保证湿地结构与功能的完整性，实现区域可持续发展的重要手段[9-11]。当前研究多局限于微观试验研究和宏观生态需水量的计算，本文就水环境梯度对植物群落和典型物种的影响进行了研究，有助于理解湿地植物对水环境适应的生态对策，揭示水对湿地生态系统影响的部分机理。

2 实验设计方案

本研究以拌匀后性质相对均一的沉积物为研究对象，在现场湿地中采用根袋培养方法研究根际微环境。本实验利用根袋内插入peeper获得根际沉积物溶液，在根袋外插入peeper来获得非根际沉积物的间隙水。采用3种不同水位：沉积物中上覆水5cm水位种植芦苇、沉积物中上覆水30cm水位种植芦苇、沉积物上覆水90cm种植芦苇。

水位控制采用毛竹搭成三脚架上绳子吊桶方法来控制水位高低。芦苇种植在桶中的根袋里，同时在根袋里插入peeper，芦苇紧贴peeper种植在其两旁。每桶2个根袋来获得重复样。同时在根袋外面插入peeper做无植物种植对照。实验安排在2013年7月5日种植芦苇，25d的缓苗期。

3 结果与讨论

3.1 淹水条件对沉积物间隙水中营养盐的影响 从图1可看出，在不种芦苇的情况下，淹水对间隙水中可溶性PO43-的影响是不同的，5cm水深和90cm水深间隙水的分布均为沉积物高于上覆水，磷酸盐有顺着浓度梯度向表层界面扩散的趋势。在30cm水深处间隙水界面附近的沉积物中可溶性PO43-含量低于上覆水，PO43-有从上覆水向间隙水扩散的趋势，表现为由PO43-的汇向源的功能转化。氨氮在剖面的分布5cm水深和30cm水深有大致相同的分布规律，沉积物间隙水中高于上覆水中含量，但90cm水深处氨氮在沉积物间隙水中含量急剧增加，在表层3cm时达到最大值。5cm水深和30cm水深间隙水中硝态氮的分布和氨氮分布基本一致，但在90cm水深处间隙水中硝态氮在沉积物界面附近含量急剧下降，在2cm以下含量趋于稳定。亚硝态氮在5cm水深和30cm水深间隙水中要远高于上覆水，也是在距水土界面2cm左右时含量有个较大的跳跃，在2cm层面以下的沉积物间隙水中分布趋于稳定。

从图2所示，可以看出有个明显的趋势，在根际溶液中4种营养盐的含量均高于上覆水，可溶性磷酸盐和氨氮的分布特征最为明显，即在水土界面2cm处，PO43-和NH4+的含量急剧增大随后便趋于稳定。90cm水深处芦苇根际溶液中PO43-的含量要高于5cm水深和30cm水深处。根际溶液中氨氮含量却是30cm水深处高于其它2种水位。这可能与此水位较适宜芦苇的生长有关。硝态氮在整个剖面的根际溶液中变化不大，上覆水和间隙水浓度相当，仅在90cm水深时亚硝态氮在离界面2cm处急剧增加。这可能与在此水位条件下芦苇根部急剧缺氧高度还原的环境有关。

3.2 淹水对沉积物磷组分的影响 从沉积物各种形态磷含量来看（表1），5cm水深根际沉积物交换态磷含量表层明显高于下层，但低于非根际沉积物中的含量。一般认为交换态磷与溶解态磷呈显著正相关[14-16]，这一现象可为表层间隙水中可溶性磷酸根含量极高提供很好的解释。5cm水深BD-P（铁磷）根际沉积物中含量低于非根际沉积物，而NaOH-P（铝磷）则与此相反，根际中含量相对较高，在总磷占的比例也高于非根际沉积物。LP（可交换态磷）在30cm水深和90cm水深根际沉积物中含量低于非根际沉积物，这与5cm水深有着相似的规律。但30cm水深和90cm水深BD-P（铁磷）在根际沉积物的含量高于非根际沉积物，铝磷的含量根际低于非根际沉积物中的含量。在3个水深梯度中钙磷无明显的变化规律，另外它一般很难被植物利用。

4 结论

湿地沉积物间隙水中磷酸盐有顺着浓度梯度向表层界面扩散的趋势。在90cm水深时，沉积物处于高度还原状态，氨氮在沉积物间隙水中含量急剧增加，在表层3cm时达到最大值。在90cm水深时间隙水中硝态氮在沉积物界面附近含量急剧下降，在2cm以下含量趋于稳定。在有芦苇存在的情况下，在水土界面2cm处PO43-和NH4+的含量急剧增大随后便趋于稳定。硝态氮在整个剖面的根际溶液中变化不大，上覆水和间隙水浓度相当，仅在90cm水深时亚硝态氮在离界面2cm处急剧增加。LP（可交换态磷）在30cm水深和90cm水深中根际沉积物中含量低于非根际沉积物，这与5cm水深有着相似的规律。但30cm水深和90cm水深BD-P（铁磷）在根际沉积物的含量高于非根际沉积物，铝磷的根际含量低于非根际沉积物中的含量。在3个水深梯度中钙磷无明显的变化规律。

参考文献

[1]王学雷，蔡述明，任宪友，等.三峡库区消落带湿地生态建设与保护利用[J].长江流域资源与环境，2004，13（2）：149-152.

[2]Loucks W L.Flood to lerant tress[M].J.For.，1987，85：36-40.

[3]Kozlow ski T T.Plant responses to flooding of soil[J].Bio Science ，1984，34：162-167.

[4]Hook D D.Waterlogging to lerance of low land tree species of the south.South[J].J.Appl.For ，1984，8：136-149.

[5]Missouri department of conservation.The effect of flooding on tree[J].Missouri forest management notes，1993，5：1-2.

[6]王海洋，陈家宽，周进.水位梯度对湿地植物生长、繁殖和生物量分配的影响[J].植物生态学报，1999，23（3）：269-274.

[7]HardejM，Ozimek T.The effect of sewage sludge flooding on growth and morphometric parameters of Phragm ites australis （Cav.） Trin.exSteudel[J].Ecol Engin，2002，18 （3）：343-350.

[8]Vretare V，Stefan EB，Weisner JA，GranéliW.Phenotypic plasticity in Phragmites australis as a functional response to water depth[J].Aquat Bot，2001，69 （2-4）：127-145.

[9]White SD，George G.A comparison of themorphology，gas space anatomy and potential for internal aeration in Phragmites australis under variable and static water regimes[J].Aquat Bot，2002，73（2）：115-127.

[10]Grace JB.Effects of water depth on Typha latifolia and Typha dom in gensis[J].Am J Bot，1989，76（5）：762-768.

[11]Hayball N，PearceM.Influences of simulated grazing and water-deep thon the growth of juvenile B olboschoenus caldwellii，Phragm ites australisand Schoenoplectus validus plants[J].Aquat Bot，2004，78（3）：233-242.

[12]Kopp itz H，Kuhl H，Kohl JG.Differences inmorphology and C/N balance between clones of Phragm ites australiswithin a plantation at a degraded fen[J].Folia Geobot，2000，35：389-402.

[13]EnglonerA I.Annual growth dynamics and morphological differences of reed （Phragmites australis[Cav.]Trin.ex Steudel） in relation to water supply[J].Flora，2004，199（3）：256-262.

[14]王建军.湖泊疏浚后新生表层生物地球化学过程对内源回复的影响[D].北京：中国科学院研究生院，2004.

[15]王圣瑞，金相灿，赵海超，等.沉水植物黑藻对上覆水中各形态磷浓度的影响[J].地球化学，2006，35（2）：179-186.

[16]张路，范成新，池俏俏，等.太湖及其主要人湖河流沉积磷形态分布研究[J].地球化学，2004，33（4）：423-432.

（责编：施婷婷）