漂浮和沉水植物降解过程中氮磷的释放规律

殷春雨　关保华　陈梦琪　方淑波　印春生

摘要：将浮萍（Lemna minor）、马来眼子菜（Potamogeton malaianus）烘干植物体悬挂在水柱中，定期检测残存干物质和总氮（TN）、总磷（TP）含量，研究漂浮植物和沉水植物降解速率的差异。试验条件分别是原位池塘、有沉积物温室和无沉积物温室等3种降解条件。结果表明：马来眼子菜干物质降解速率略高于浮萍，2种植物的分解都是在原位池塘的条件下快于温室条件下。马来眼子菜TN的降解速率在有沉积物温室和原位池塘的条件下高于浮萍，但TP的降解速率却在所有处理条件下低于浮萍。2种植物分解1周后，氮磷比（NP）均上升，说明TP的降解速率高于TN，1周后则波动不大。由此可见，无论是漂浮植物还是沉水植物，磷的分解速率在1周之内最快，漂浮植物浮萍TP的降解速率高于沉水植物马来眼子菜。由结果可知，与沉水植物马来眼子菜相比，漂浮植物浮萍释放到水体的TP更多。

关键词：漂浮植物；沉水植物；浮萍；马来眼子菜；降解；氮；磷

中图分类号： X1714文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0275-03

收稿日期：2016-06-06

基金项目：国家自然科学基金（编号：31270409）。

作者简介：殷春雨（1992—），女，安徽萧县人，硕士研究生，主要从事水体生态修复方面的研究。E-mail：1452745392@qqcom。

通信作者：印春生，博士，教授，主要从事环境分析化学、理论环境化学、海洋化学方面的研究。E-mail：csyin@shoueducn。

生长于湖泊中的水生植物是湖泊生态系统中必不可少的组成部分，其生长发育和死亡分解过程对湖泊营养循环起着重要作用1]。无论是沉水植物还是漂浮植物，都可以有效去除水体中的氮磷及其他污染物，同时净化水质，提高水体自净能力，对整个湖泊生态系统的结构、功能及系统稳定性有重要影响2-6]。

水生植物的生长具有一定的周期性，一年生水生植物的生物量在夏季达到最大值，在秋、冬季植物体逐渐凋萎死亡。水生植物在降解过程中会释放部分营养盐，从而提高水体水质和底泥的营养盐含量5，7-8]。水生植物包括挺水、漂浮、浮叶和沉水4种生活类型9]。娄敏等对不同类型的水生植物降解过程的研究表明，不同类型的水生植物降解释放氮磷的规律不同2，4-12]。

本研究通过模拟有无沉积物与原位对比的水体条件，研究浮萍和马来眼子菜死亡植株的降解过程，探究漂浮和沉水水生植物降解和营养盐释放的差异，并分析其影响因素。

1材料与方法

11试验材料

浮萍、马来眼子菜于2012年11月底采自无锡市五里湖，洗净根部淤泥并去除杂质，带回实验室后在40 ℃下烘干至恒质量。将马来眼子菜剪碎成5～10 mm的小段，将浮萍单株分开。随后分别称取（1 000±1）mg处理好的马来眼子菜、浮萍，分别放入编好号的分解网袋（200目尼龙网，10 cm×10 cm）中。试验用水为笔者所在实验室自来水，沉积物为南京信息工程大学内池塘底部的黑色沉积物。

12试验设计

本试验在南京信息工程大学的温室和池塘中进行，具体设置见表1。将浮萍和马来眼子菜各自分成3个处理组，每个处理组有3个重复，每个重复中各有6份样品。

处理组A、B在温室中进行，将每个重复组的样品置于烧杯中。为保证恒温，将烧杯均匀地放置在添加适当水的塑料大桶内。处理组C的样品直接置于校园内池塘中，在每个分解纱网中加入相同质地、大小均匀的干净石块，使得每个分解纱网可以沉在池塘的底部，且放置的位置与取沉积物的位置相同。同时在每个分解纱网上加系1根尼龙绳，以方便每次采样时将纱网取出。

13样品采集与处理

测定马来眼子菜和浮萍总氮（TN）、总磷（TP）的初始值。试验周期为5周，每隔1周随机从各重复组中取1份样品，测定干物质质量和TN、TP含量。

样品取回实验室后，洗净附着于植物残体上的杂质，于40 ℃烘干，称质量并记下干物质質量，随后将烘干后的样品粉碎研磨，分别测定TN、TP含量。其中TN含量通过元素分析仪（意大利，Euro Vector，EA3000）测定，TP含量通过Prodigy电感耦合等离子体发射光谱仪（美国Leeman公司）测定12]。

14数据处理

所有样品的干物质质量和TN、TP含量的数据采用Excel软件处理，绘制变化曲线，并计算植物降解速率。植物降解速率用K表示，干物质、TN、TP对应的降解速率分别为KS、KN、KP。其中干物质降解速率计算方程如下（KN、KP类推）：

KS=（S0-Sn）（d×S0）。

式中：S0为初始干物质质量，g；Sn为第n天干物质质量，g；n为时间，d。

2结果与分析

21干物质降解速率的比较

由图1可知，浮萍和马来眼子菜都是处理组C的干物质降解速率最快，不同的是，浮萍的降解速率以处理组A最低，马来眼子菜的降解速率以处理组B最低，且除处理组B的浮萍的降解速率略高于马来眼子菜的降解速率之外，其余2个处理组的浮萍的降解速率均低于马来眼子菜的降解速率。

22TN降解速率的比较

由图2可知，浮萍TN的降解速率在3个处理组中的变化不是很明显，最高的是处理组C，为0013 3 mg（mg·d），最低的是处理组B，为0011 8 mg（mg·d），且处理组B和处理组C的降解速率均低于马来眼子菜。马来眼子菜TN的降解速率在3个处理组中的区别很明显，处理组C的降解速率明显高于另外2组，处理组A的降解速率最低，处理组C的降解速率是处理组A的2倍。

23TP降解速率的比较

由图3可知，在3个处理组中浮萍和马来眼子菜的TP含量降解速率的变化趋势相同，均是处理组C降解得最快，处理组A降解得最慢，每种植物在各处理间差别不大，但浮萍TP的降解速率明显高于马来眼子菜TP的降解速率。endprint

FK（W11]TPYCY2tif]

FK（W11]TPYCY3tif]

23残存干物质中氮磷比（NP）的比较

浮萍残存干物质中NP呈先上升后下降趨势，第1周上升迅速，之后4周总体呈下降趋势；处理组A在试验的5周内，NP均是3个处理组中最低的（图4-a）。马来眼子菜残存干物质中N P在第1周急速上升，且处理组C的数值高于处理组A、处理组B，之后在15上下波动（图4-b），且3个处理组的NP差别不大。对比图4-a和图4-b可以看出，马来眼子菜干物质初始NP比浮萍高，降解过程中残存NP比也高于浮萍。

3讨论

31浮萍与马来眼子菜降解规律的区别

通常将水生植物的降解过程分为2个阶段：第1个阶段为残体干物质的快速减少阶段，该阶段主要是易分解物质的释放过程；第2个阶段为残体干物质的缓慢减少阶段，主要是微生物将难分解的化合物转化为无机化合物的过程13-14]。在本试验中，可以明显看出，第1周是浮萍和马来眼子菜的降解第1阶段，干物质快速减少，之后的4周减少得比较缓慢。

对比图4-a和图4-b可知，浮萍和马来眼子菜残存 NP 在整个降解过程中都有明显差异，浮萍降解过程中残存NP低于马来眼子菜。在降解的第2个阶段中，浮萍残存 NP 有波动性变化，而马来眼子菜几乎保持不变。综合本研究结果可知，浮萍和马来眼子菜干物质降解速率差异不大，浮萍TN的降解速率略低于马来眼子菜，浮萍TP的降解速率明显高于马来眼子菜。浮萍的初始NP低于马来眼子菜，说明浮萍TP含量比较高，这可能是浮萍TP的释放速率高于马来眼子菜的原因，此外，高TP含量的水生植物释放TP的速率也高。

32影响水生植物降解的环境因素

水生植物的降解过程主要受温度、沉积物、营养盐及微生物分布因素的影响，同时也与降解的水生植物本身性质有关13-16]。已有研究表明，沉积物的存在会加快水生植物的降解速率16-17]，这与本研究结果一致。这可能跟沉积物中富含微生物有关。在3个处理组中，原位池塘中自然条件复杂，模拟的是水生植物自然分解条件；温室中的2组处理，温度会高于池塘，但环境因素较少，特别是微生物的种类和丰度会远低于池塘原生环境，未添加沉积物的处理组A中，微生物会更少。浮萍残存干物质和马来眼子菜残存TN的降解速率明显是有沉积物大于无沉积物的处理。浮萍和马来眼子菜TP的降解速率在有沉积物的情况下要稍快一些，但速率相差不大。同时，磷的损失是快速的，相比之下氮要慢得多，同时磷的降解主要集中在第1阶段。该结果与陈见等的研究结果16]类似，这是由氮磷在植物体内的存在形式决定的，植物体内的磷主要存在于一些易于分解的生物活性物质中，可优先释放出磷，当植物腐败到一定程度后，随着植物体中一些难溶性物质（如纤维素、多糖等）的比例提高，使得植物降解速率降低17-18]。

微生物对水体植物的降解影响很大，尤其在降解的第2阶段影响更大，因为该阶段主要是难溶性的物质在微生物以及胞外酶作用下缓慢降解19]。在本试验中，所有处理组的数据均验证了该观点。2种植物的残存干物质和TN、TP的降解速率均是有微生物的最快，尤其是在残存干物质的变化上，在有微生物的情况下，降解要明显快于没有微生物的。

不同种类的水生植物的降解速率也会因本身性质的不同而各有差异，大量研究显示，木质素和纤维素含量较高的植物降解速率较低5，16，20]。马来眼子菜的干物质降解速率明显高于浮萍，但是TN、TP的降解速率明显低于浮萍，而且TN、TP的降解速率相差很大。在刘伟龙等的研究中表明，马来眼子菜的NP要偏高些，尤其是叶片的NP要高于其他器官，但并未与其他水生植物进行平行试验20]。本研究加强了这方面的研究，结果表明，2种植物的NP虽然都是升高的，但无论是初始值还是在整个试验过程中，浮萍的NP要低于马来眼子菜的NP。

33结论

不同类型的水生植物在降解过程中释放氮磷的速率是不同的。沉水植物马来眼子菜干物质和TN降解速率高于漂浮植物浮萍，马来眼子菜TP的降解速率低于浮萍。2种水生植物TP的降解量、降解速率远远高于TN的降解量和降解速率。可见沉积物和微生物的存在，会加快水生植物的降解。

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