几种水生植物对湿地底泥中有机质、氮含量的影响变化分析

徐 也，周林飞，白庚沐

(沈阳农业大学水利学院，沈阳 110161)

湿地与人类的生存、繁衍、发展息息相关，是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一，它不仅为人类的生产、生活提供多种资源，而且具有巨大的环境功能和效益[1]。在最近这些年来，我国湿地的面积不断地减少，并且污染严重。大量的研究表明,湖泊沉积物既是水体污染物的汇,又是水体污染物的源[2]。对于湿地的保护与构建是一项重要内容。由于有机质、氮等营养物质的过量会导致水体的富营养化，造成水体低氧状态促使动植物大量死亡的现象。水体中的营养物质的来源有多种途径，同污染源分为内源与外源，内源主要是湿地底泥沉积物、湿地植物的死亡腐解等因素造成的。外源就是人类活动影响，主要是生活污水、工业废水以及农业化肥使用等。沉积物不仅能反映水体区域环境的变迁和水体的类型，也在一定程度上发挥着营养源的作用，加速水体的富营养化。因此引起了各国研究者的关注，并进行了相关的研究。

研究发现，水生植物具有吸附沉积物、抑制浮游类生物繁殖、净化水质、降低水体富营养化程度等重要功能，同时能为水体中的微生物及部分水生动物提供栖息地和食物，并维持生物多样性。国内外对于底泥的研究大多是湖泊和湿地营养物质的沉积特征。近年来研究者发现了底泥中的营养物质含量是决定底泥能向水体中释放物质种类和含量的重要因素[3]，而水生植物能够影响底泥中各类物质的含量变化，水生植物对湿地底泥的营养物质含量的影响的研究是必要的。本文主要探讨水生植物对底泥中有机质、氮含量的影响。

本文以石佛寺人工湿地为研究背景，采集研究区内5个不同区域的表层底泥(荷花区、蒲草区、芦苇区、沉水植物和浮游植物的混合区、空白对照区)，测出其中的有机质和氮的含量，分析两者含量的变化，按照不同的季节来分析水生植物对两者含量变化的影响，按照5个不同的植物区域来讨论不同植物对两者含量的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

石佛寺水库处沈阳市沈北新区黄家乡和法库县依牛堡乡之间，距沈阳市中心47 km，是辽河干流上唯一一座滞洪水库，属于河道型平原水库。石佛寺人工湿地建于2009年5月，在石佛寺水库内辽河的左岸，湿地修建初期，选择芦苇、蒲草和荷花三种易于成活、具有观赏价值的挺水植物进行栽植，同时进行生态蓄水，生态水面面积16.13 km2[4]。随着生态环境的改善，所栽植的芦苇、蒲草和荷花面积逐渐增大，同时又新出现了许多水生植物种类，经野外调查共有水生植物85种，包括挺水植物、沉水植物、浮叶植物和湿生植物等。经2012年遥感调查，湿地总面积为25.05 km2，其中荷花1.07 km2，芦苇1.71 km2，蒲草1.86 km2[4]。石佛寺人工湿地是辽河自然保护区的重要湿地。

1.2 研究方法

1.2.1 实验数据采集

底泥的采集时间为2015年的12月至2016年12月，每月月初。在石佛寺人工湿地内选定5个具有代表性的区域，确定好一定的点域，做好标记(如图1)。5个区域分别为荷花区域、蒲草区域、芦苇区域、沉水植物和浮叶植物混合区域以及空白对照区域，其中，荷花、蒲草和芦苇为挺水植物。在各区域内选择植被生长较密集，长势较好的区域作为采样点进行底泥的采取，具有良好的代表性。每月采样1次，除去1、2月，因为在1、2月温度极低，冻层较厚无法取样。利用活塞式柱状沉积物采样器取出0～10 cm深度的底泥，约200 g，底泥装进已贴好标签的塑料袋中封好，带回实验室。

将湿地带回的试验底泥中的草根等杂物挑出。进行自然风干，7～10 d可使其自然风干，风干后的底泥变成干硬的土块，将其砸碎，再次挑出剩余的草根等杂物，然后研磨过筛，将细碎的底泥土装进贴好标签的密封袋中，测有机质、氮的含量。

图1 采样点分布图

1.2.2 数据处理

将测得的有机质、氮含量数据用Microsoft Excel 2007软件进行处理。运用Origin软件进行绘图。使用SPSS软件分析相关性。

2 分析与讨论

本文将按照4个季节来分析，春季(3月初-6月初)，夏季(6月初-9月初)，秋季(9月初-12月初)，冬季(12月初-次年3月初)，冬季的看作一个整体来分析。用1年的数据分析水生植物对底泥中有机质、氮含量的影响。

2.1 有机质含量的分析

有机质是动植物体生长发育过程中不可缺少的营养物质，也是碳循环的重要保证，在水体营养物质的交换过程中起到十分重要的作用。有机质是湖泊内源污染的重要指标[5]，有机质在水体中过量，出现黑水现象，影响水质，造成水污染。

图2 不同区域底泥中有机质含量

图2为有机质含量变化图，按4个阶段分析其含量变化，分析不同水生植物对有机质含量的影响。冬季(12月初-次年3月初)芦苇、荷花区的有机质含量减少，虽然微生物活动较弱，但是芦苇、荷花区的残体较多仍在分解，且难溶物质经过微生物再次转化，有机质含量减少。混合区的有机质含量稍有减少，沉水植物与浮叶植物的剩余残体稍少，腐解相对较少，含量变化幅度小。蒲草区与空白区的有机质含量上升，蒲草具有耐寒的特性，死亡量相对少，上一阶段腐解较多，此阶段大多为不易分解的形式，留在底泥中。空白区不存在水生植物的残体，大多是不可分解的有机质沉积在底泥中。

春季(3月初-6月初)，荷花区与蒲草区的变化趋势为下降-上升，3月温度开始提升，荷花区的残体较多剩余未腐解的继续腐解，且易溶解，且3月开始水面慢慢融化，水体也有所扰动，导致有机质含量的下降。5月份剩余部分进入腐解第二阶段产生了一些难溶解物质，难溶解的大于腐解的易溶物质，导致有机质含量上升。蒲草在腐解的同时，部分没有死亡的蒲草开始复苏消耗了少量的有机质，导致有机质含量下降。5月蒲草腐解一些难溶解的物质，蒲草消耗少量的有机质，有机质含量上升。芦苇区的变化趋势为缓慢上升-下降-上升，芦苇腐解一些难溶解物质，同时也有一些易溶的物质，难溶解的稍多于易溶解的，有机质含量稍有上升。4月温度上升腐解速度加快，易溶解的多于难溶解的，水面受到水库的影响，少量物质向水体释放，导致有机质下降。5月份大多进入腐解的第二阶段产生大量的难溶解的物质，生长消耗远小于腐解产生，有机质含量上升。混合区变化趋势为下降-缓慢上升-缓慢下降，混合区为沉水植物与浮叶植物，混合区的剩余残体继续腐解，但是混合区腐解速度比挺水植物快，4月就有一些难溶解的物质产生，混合区的水生植物残体的物质成分决定难溶物质较少，从而有机质含量稍有上升，5月混合区的水生植物开始生长，消耗了有机质，残体腐解基本完成，有机质的含量稍有减少。空白区变化规律为下降-缓慢下降，3月温度稍有上升，微生物开始活动，对冬季沉积下来的物质分解，水面融化，水体扰动，导致有机质含量下降，4、5月空白区的物质剩余量较少，有机质含量下降缓慢。

夏季(6月初-9月初)，芦苇区变化趋势为上升-下降，说明芦苇的残体仍然有腐解，同时外源的输入增加，根部吸附作用强，生长消耗和微生物分解的小于增加的含量，7、8月为芦苇快速生长对有机质的消耗大量增加，降雨量加大，导致有机质含量下降。蒲草区变化趋势为始终缓慢下降，6月外源输入较多，但蒲草的生长消耗大于外源的输入，7、8月降雨量的增大，水体扰动大，导致有机质含量下降。荷花区变化趋势为下降-上升-下降，荷花的残体剩余较多，所以到了夏季仍有在腐解的，同时荷花的生长消耗较大以至于在外源输入较多的6月，有机质含量仍是下降的趋势，7月是花期，对有机质消耗减少，荷叶阻拦了有机质扩散，同时有难溶物质，有机质含量上升，8月开始为结果做准备，消耗大量有机质，降雨量加大，会对底泥冲刷导致有机质含量下降。混合区变化趋势为上升-下降，混合区受到外源的影响有机质含量上升，7、8月同样受到降雨量的影响自身生长消耗导致有机质含量下降。空白区变化趋势为上升-平稳-下降，外源输入的增加，有机质含量增加。7月份开始进入汛期，但降雨量相对不大，同时没有水生植物的生长消耗，有机质含量趋于平缓，8月为主汛期降雨量对底泥冲刷严重导致有机质含量下降。

秋季(9月初-12月初)芦苇区与蒲草区变化趋势均为上升-下降-上升，9月开始芦苇与蒲草渐渐进入停止生长期，减少对有机质的消耗，微生物分解减弱，根部仍在吸收，有机质含量有上升趋势。10月开始渐渐死亡，残体开始分解，第一阶段产生大量的可溶性物质，含量开始下降，11月腐解进入第二阶段，产生大量难溶性物质，有机质含量上升。荷花区变化趋势为下降-平稳-上升，9月荷花残解初期大部分为掉落的花瓣、茎叶，产生可溶性物质，并且荷花已经开始结果消耗部分有机质，10月荷花大部分开始腐解，微生物活动开始减弱，难溶物质与溶解物质都产生且相对平衡，有机质含量趋于平缓。11月温度较低，微生物活动急剧下降，死亡的残体较多，部分进入腐解第二阶段产生较多的难溶物质，有机质含量上升。混合区变化趋势为上升-平稳-上升，混合区包含的沉水植物与浮叶植物，腐解比挺水植物速度快，且腐解较早，9月有机质含量就开始上升，10月腐解的第一阶段与第二阶段都有进行，有机质含量较平缓，由于第二阶段较第一阶段缓慢，11月处于腐解第二阶段较多，有机质含量上升。空白区变化趋势为下降-上升，微生物分解，且水体交换导致底泥中的有机质向水体释放，有机质含量下降，随着温度的降低微生物分解小于水体中有机质的沉积，有机质含量上升。

2.2 氮含量的分析

氮在动植物的生长过程是必不可少的元素，氮是蛋白质、叶绿素、核酸、酶、生物激素等重要生命物质的组成部分，是植物结构组分元素[6]。在水体中过量造成水体富营养化影响水生动物生存和人类生存用水，水体污染会影响空气污染。

图3 不同区域底泥中氮含量

图3为氮含量的变化图，将其划分4个阶段观察变化趋势，大致分析不同水生植物对氮含量变化的影响。

冬季(12月初-次年3月初)芦苇、荷花区的变化趋势为下降，虽然微生物活动较弱，但是芦苇、荷花区的残体较多仍在分解，且难溶物质经过微生物再次转化，氮含量减少。混合区的有机质含量稍有减少，沉水植物与浮叶植物的腐解速度快，剩余残体稍少，腐解相对较少，含量变化少。蒲草区与空白区的氮含量上升，蒲草具有耐寒的特性，死亡量相对少，上一阶段腐解较多，此阶段大多为不易分解的形式，留在底泥中，蒲草区的氮含量变化稍有上升。空白区不存在水生植物的残体，大多是不可分解的物质和微生物沉积在底泥中，氮含量上升。

春季(3月初-6月初)，芦苇、荷花的变化趋势为下降-上升，3月开始回温，底泥中的光照不足，且氧气含量低，部分微生物活动提高，分解硝态氮等。年末未腐解的残体开始腐解，大部分溶解在水体。5月光照增强，一些微生物的活动减弱，另有一些微生物活动增强，植物残解难溶性物质，5月芦苇开始生长，对氮消耗较大，氮含量上升不明显接近平缓。蒲草区变化趋势为下降-缓慢上升，蒲草与芦苇的区别在于蒲草耐寒，蒲草残体较芦苇少，底泥的氮含量相对较少，3、4月残体在不断的腐解，并且蒲草生长消耗氮，氮含量呈下降趋势。5月植物生长消耗的氮小于微生物聚集在植物根部吸收水中的氮盐和腐解产生的难溶物质，氮含量出现上升。混合区变化趋势下降-缓慢上升，沉水植物的腐解速率大于挺水植物，4月开始上升，由于难溶物质增多含量增多，5月开始非常缓慢上升，残体基本腐解完成，植物生长消耗较少，上升趋势减缓。空白区的含量始终在下降，经过冬天的几个月，水体中的部分氮沉积在底泥中，3月微生物开始分解，氮含量下降，经过3月的分解，剩余少量氮在4-5月分解缓慢，水体的扰动造成少量氮含量向水体释放，氮含量缓慢下降。

夏季(6月初-9月初)，芦苇区变化趋势为上升-下降，6月外源输入增加，芦苇的拦截能力较强，使得氮含量沉积，生长消耗小于拦截增加的含量，7-8月生长消耗的氮含量增加，同时7-8月为汛期，降雨量加大，雨水冲刷也使得氮含量下降，7月降雨量较少些，氮含量的变化较平缓。蒲草上升-下降-稳定，通过遥感图像显示水流方向由蒲草区穿过芦苇区，从而外源的输入影响蒲草区的氮含量，蒲草拦截了部分的氮，使得氮含量增加，7月蒲草的生长消耗增大，氮含量下降，8月大量的降雨会有外源物质进入蒲草区域，同时也推移着底泥，蒲草有拦截作用，生长消耗部分氮，氮含量变化趋于稳定。荷花区下降-上升-下降，6月荷花开始大量消耗氮为进入下一阶段开花，即使有外源的输入，花期对氮含量的消耗减少，氮含量上升，8月开始进入结果期，对氮的消耗开始增加，同时受到雨水的影响，氮含量开始下降。混合区的变化趋势为上升-下降，由于外源的输入导致氮含量上升，沉水植物与浮叶植物根部不发达，易受到大量降雨冲刷的影响，同时生长消耗氮，7、8月氮含量下降。空白区变化趋势为上升-下降-上升，外源的大量输入且空白区没有植物对其消耗，仅有微生物少量的消耗，从而氮含量大幅度增加，7月来水量加大，导致氮含量减少，8月可能有氮含量较大的污水进入空白区，即使雨水冲刷影响，氮含量仍是上升的趋势。

秋季(9月初-12月初)，芦苇、蒲草的变化趋势为上升-下降-上升，9月开始芦苇与蒲草渐渐进入停止生长期，减少对氮的消耗，微生物分解减弱，根部仍在吸收，氮含量上升，10月芦苇、蒲草开始死亡，腐解溶于水体的物质，10月光照减弱，水底温度降低，氧含量减少，厌氧微生物活动增加，氮含量下降，11月温度骤降，微生物活动明显减弱，腐解产生难溶物质沉积在底泥中，氮含量上升。荷花区变化趋势为下降-激增，9月荷花结果消耗部分的氮，掉落少量的花瓣、茎叶，分解产生溶于水物质，氮含量有所下降，10月开始大部分都已凋落，花瓣、茎叶的分解的速度较快，含氮的物质较多，氮含量持续下降，11月有大部分已进入第二阶段的腐解难于溶解的物质，沉积物氮含量会激增。混合区变化趋势为缓慢上升-大幅度上升，9月混合区水生植物腐解出易溶物质，沉水植物阻隔部分物质向水体的释放，溶于水的小于被阻挡的含量，氮含量缓慢上升，沉水植物腐解速度快优先于挺水植物进入腐解第二阶段，10月腐解第二阶段开始，难溶物质增多，氮含量增加，混合区残体较多，部分处于腐解第一阶段，导致上升幅度较小。11月微生物分解减弱，腐解仍在进行，大多处于腐解第二阶段，氮含量持续增加。空白区的变化趋势为下降-上升，9月份水库正处于蓄水期，对水体造成扰动，使得空白区的氮含量下降，10月基本停止蓄水，水体悬浮物自然沉积，底泥氮含量增加，11月悬浮物基本沉积完成，微生物活动降低，氮含量缓慢上升。

由以上对有机质与氮含量的变化分析看出不同的水生植物在不同的季节对底泥中的有机质与氮的含量都有不同的影响。

2.3 综合分析

2.3.1 有机质与氮的相关性分析

由有机质、氮含量的变化图(图2和图3)可发现两者变化趋势比较接近，进行有机质与氮的相关性分析发现各研究区均显著相关，说明具有较高的协同性。底泥中的有机质与氮含量变化大多与水生植物残体的分解和微生物的活动相关。水生植物对有机质和氮含量影响大致相同。

表1 不同区域有机质与氮的相关分析

2.3.2 不同区域不同季节的有机质和氮含量分析

表2为不同区域不同季节有机质、氮含量平均值。在春季底泥中有机质的含量，芦苇区>荷花区>蒲草区>混合区>空白区，氮的含量为荷花区>芦苇区>蒲草区>空白区>混合区。在夏季有机质的含量，荷花区>芦苇区>混合区>蒲草区>空白区，氮的含量荷花区>混合区>芦苇区>蒲草区>空白区。在秋季有机质的含量，芦苇区>荷花区>混合区>蒲草区>空白区，氮的含量荷花区>芦苇区>混合区>蒲草区>空白区。在冬季有机质的含量，荷花区>芦苇区>混合区>蒲草区>空白区，氮的含量荷花区>芦苇区>蒲草区>混合区>空白区。

根据季节划分，春季湿地底泥中有机质与氮含量较高的区为芦苇区与荷花区，夏季含量较高的区为荷花区，秋季芦苇区和荷花区含量较高些，冬季荷花区的含量较高。由于荷花的花瓣，茎叶较多，所以荷花区的有机质与氮含量较高。

表2 不同区域不同季节有机质、氮含量平均值 mg/g

表3是1年来各研究区的有机质、氮含量的平均值，由表可看出几个研究区有机质的含量为芦苇>荷花>混合>蒲草>空白，氮的含量为荷花>芦苇>混合>蒲草>空白。结合季节分段的分析与1年整体水平分析，根据水生植物的不同性能，位置上可以将具有拦截能力的种植在湿地外侧，例如挺水植物的芦苇与蒲草，根据秋季水生植物腐解产生大量的有机质与氮，在水生植物死亡时就开始打捞残体，防止腐解污染水体。即合理种植水生植物和在恰当的时间采取恰当的措施以改善湿地的水环境，防止二次污染。

表3 不同区域1年整体有机质、氮含量平均值 mg/g

3 结 论

底泥中的有机质含量与氮含量受到多个因素的影响，如水生植物自身、温度、降雨量、微生物、水流方向，这些因素影响着有机质、氮的含量变化。随着季节的变化温度随之变化微生物活动变化影响着含量的变化，温度升高微生物分解强降低了有机质与氮的含量，不同的微生物对有机质和氮的分解程度不同，影响有机质、氮的含量。在汛期，降雨量大同时加大了雨水的冲刷从而导致了有机质与氮含量的降低，降雨量不均对不同的研究区的含量产生不同的影响，降雨对水体的扰动使得有机质与氮的含量降低。水流对沉积物有推移作用，从而导致了底泥中有机质与氮的含量的变化。流速越大推移的沉积物越多，有机质与氮的沉积量越小。最主要的因素不同的水生植物，功能性的不同，对底泥中有机质、氮含量的影响也就不同，挺水植物的根部吸附作用强于沉水植物，有机质、氮的含量增多，沉水植物受水体的扰动影响较小同时遏制底泥中的有机质、氮向水体的释放，促使有机质、氮的增加。不同的水生植物在生长过程中对有机质、氮的消耗与植物死亡时残体腐解产生了有机质、氮都影响着含量变化。经对研究区有机碳与氮的相关性分析，结果显示有机质与氮显著相关，表明有机质与氮含量变化多来自植物残解与微生物分解的影响，同时说明水生植物对有机质与氮的含量变化影响差异不大。本文发现芦苇区、混合区、荷花区的含量较高，蒲草区域的含量较低，高于空白区的含量，可以将芦苇与蒲草等具有拦截污染物的挺水植物种植在湿地外侧，在秋季水生植物进入死亡期开始进行残体打捞，防止二次污染。

[1] 任伊滨,李福生,李继光,等.哈尔滨市松北区城市自然湿地功能分析[J].环境科学与管理,2011,36(2):94-97.

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[3] 李 勇,王 超,朱 亮,等.长荡湖底泥污染特征及水体富营养化状况[J].环境科学与技术,2005,28(2):38-40.

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