干湿循环对消落带狗牙根磷释放的影响

林俊杰, 曲衍桦, 陈茜, 刘丹, 谭兴伶, 张帅, 4

干湿循环对消落带狗牙根磷释放的影响

林俊杰1,*, 曲衍桦1, 陈茜1, 刘丹2, 谭兴伶3, 张帅1, 4

1. 重庆三峡学院, 三峡库区水环境演变与污染防治重庆高校市级重点实验室, 重庆 404100 2. 重庆三峡职业学院, 农林科技系, 重庆 404100 3. 重庆渝久环保产业有限公司, 重庆 4011235 4. 拜罗伊特大学, 德国巴伐利亚州拜罗伊特 95440

为探讨干湿循环对三峡消落带狗牙根磷释放的影响, 以三峡典型支流—澎溪河为例, 选取上游(渠口镇)和下游(双江镇)两个水文断面, 150、160、170 m 三个水位高程调查了狗牙根分布特征, 并于干湿循环和持续淹水两种水文情势, 15—25—35—25—15℃连续温度变化下进行培养, 测定了水—土(W-S)、水—狗牙根(W-C)和水—土—狗牙根(W-S-C) 三种体系下水中磷含量随时间变化。结果表明: 狗牙根生物量随消落带水位高程降低而下降, 表现为170 m (1.62 kg·DW·m-2) >160 m (0.85 kg·DW·m-2) >150 m (0.19 kg·DW·m-2)。在整个培养阶段, 三种体系水中磷含量均随培养时间的延长而增加, 表现为W-S-C>W-C>W-S体系, 其释放动力学过程符合y=axb幂函数模型。与持续淹水相比, 干湿循环影响下W-S-C体系中狗牙根磷释放量较低, 可见, 干湿循环有利于降低消落带狗牙根磷释放, 降低三峡支流水体富营养化风险。

干湿循环; 持续淹水; 三峡支流; 消落带; 狗牙根; 磷释放

0 前言

三峡库区水位呈年际周期性涨落, 随季节变化, 消落带依次经历淹水—落干循环过程[1], 氧化还原状态随之改变。每年4—9月消落带出露成陆[2], 气温逐渐升高, 消落带植被快速生长, 拦截过滤污染物, 吸收同化氮磷等元素, 从而削减进入水体污染物通量, 净化水质[3-4]; 而后至次年3月气温持续降低, 消落带植物淹水衰亡腐烂, 同时分解释放氮磷等元素进入水体, 进而由“汇”转变成“源”[5-7]。

三峡支流水流缓慢, 水体自净能力较弱, 氮磷等元素进入水体不易稀释扩散导致短期内水生藻类大量繁殖, 从而引起水体富营养化等问题[8-9]。三峡消落带水生态安全相关研究主要集中在消落带适生物种筛选、植被生理生态适应机制、消落带水土界面过程等方面[10-14], 而有关干湿循环对消落带植被分解磷释放的研究鲜有报道, 因此, 查明三峡库区特殊水文条件下, 消落带植被分解对水体磷贡献的影响至关重要。

本研究以三峡支流澎溪河消落带水—土—狗牙根体系为研究对象, 根据三峡库区水文特点和温度特点, 设置两种水文情势, 模拟温度变化进行培养, 测定培养过程中水中总磷含量变化, 探讨干湿循环对消落带狗牙根分解磷释放的影响, 为阐明三峡支流水体富营养化成因提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域与样品采集

根据澎溪河水文特征及流域城镇分布(图1), 设置上游(渠口镇)和下游(双江镇)两个水文断面, 采集消落带落干期原状新鲜土样及狗牙根, 立即放入保温箱带回实验室。土壤经风干、去除砾石和植物残体, 过5 mm筛, 混匀备用; 狗牙根经清洗, 晾干剪成5 cm备用。

1.2 水文气象特征

三峡库区水位呈年际周期性涨落, 消落带不同水位高程经历了不同程度的干湿循环(图2)。每年9月水位快速升高, 至11月达最高水位, 次年1月水位连续下降, 至6月水位最低。气温从1月持续升高, 至7月后波动下降[15], 故本研究设置15℃—25℃—35℃—25℃—15℃连续温度变化对狗牙根进行淹水培养。

图1 澎溪河消落带采样点位[11]

Figure 1 Sampling sites in the WLF zone of Pengxi River

图2 三峡库区(万州段)水位波动特征

Figure 2 Fluctuation of water level in the TGR Area within Wanzhou section

1.3 实验过程

将10.00 g狗牙根放入尼龙网袋(200目, 5 cm×5 cm), 风干土壤130.00 g, 装入500 mL培养瓶, 加入去离子水400 mL, 放入培养箱调节温度和水分变化, 设置W-S、W-C、W-S-C体系三个体系, 干湿循环和持续淹水二种水文情势, 及温度变化(15℃—25℃—35℃—25℃—15℃), 每组3个平行, 分别于 1、3、7、8、10、14、15、17、21、22、24、28、29、31、35、36、38 和 42 d采集水样(干湿循环在天数为15、17、21、22、24、28 d时无水样), 取水样25 mL, 用钼酸铵分光光度法测定水中总磷[15]。每次将全部水样取出, 用去离子水补至初始体积。

1.4 计算方法

水中磷含量计算方法如下:

其中, C—水中磷含量, mg·L-1; n—取样次数(干湿循环12次, 持续淹水18次); Ci—第i次取样水中磷含量, mg·L-1; V—水样体积, L;

狗牙根磷释放量, 计算方法如下:

其中, CW-S-C—W-S-C体系水中磷含量; CW-S—W-S体系水中磷含量; M—培养用狗牙根质量, g;

消落带单位面积狗牙根磷释放量, 计算方法如下:

其中, B为单位面积消落带狗牙根生物量, kg ·m–2。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2007进行数据处理, 采用Sigma Plot 12. 5对磷释放速率进行拟合及绘图, 通过IBM SPSS Statistic 20进行方差分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 干湿循环对水中磷含量的影响

干湿循环条件下, W-S、W-C、W-S-C体系水中磷含量, 见图3。从图3可知, 在整个培养阶段, 磷释放量随培养时间的增加而增加, 表现为W-S-C> W-C>W-S体系。

2.2 持续淹水对水中磷含量的影响

持续淹水条件下, W-S、W-C、W-S-C体系水中磷含量, 见图4。从图4可知, 在整个培养阶段, 磷释放量随培养时间的增加而增加, 表现为W-S-C> W-C>W-S体系。

图3 干湿循环对水中磷含量的影响

Figure 3 Effect of drying-rewetting cycles on P content in the water column

图4 持续淹水对水中磷含量的影响

Figure 4 Effect of continuous flooding on P content in the water column

2.3 水中磷释放动力学参数

干湿循环和持续淹水条件, 三种体系下水中磷动态参数拟合见表1。由表1可见, 两种水文情势下, W-S、W-C、W-S-C体系水中磷释放动力学过程均符合y=axb模型(R2>0.8, p<0.0001)。

2.4 干湿循环和持续淹水对狗牙根磷释放的影响

从图5可知, 干湿循环导致W-S-C体系中狗牙根来源磷释放量为207.63 mg·kg-1, 而持续淹水导致W-S-C体系中狗牙根来源磷释放量为255.45 mg·kg-1。可见, 与持续淹水相比, 干湿循环导致的狗牙根分解磷释放量显著更低(p<0.05)。

2.5 澎溪河消落带狗牙根沿水位高程分布特征

狗牙根生物量随消落带水位高程降低而下降, 表现为170 m (1.62 kg·DW·m-2) > 160 m (0.84 kg·DW·m-2) > 150 m (0.19 kg·DW·m-2), 见表2。

2.6 不同水位高程狗牙根磷释放量

从图6可知, 干湿循环条件下澎溪河消落带不同水位高程狗牙根分解磷释放量表现为 170 m(343.07 mg·m-2) > 160 m (176.14 mg·m-2) > 150 m (40.14 mg·m-2), 持续淹水条件下, 消落带不同水位高程狗牙根分解磷释放量表现为170 m (413.33 mg·m-2) >160 m (216.70 mg·m-2) >150 m (49.38 mg·m-2)。在不同水位高程狗牙根分解磷释放量均表现为干湿循环显著小于持续淹水(p<0.05)。

3 讨论

植物淹水衰亡腐烂分解释放养分过程主要受植物质地、环境温度、淹水过程、淹水时长、微生物分解等多重因素影响[16-19]。本研究发现, 无论在干湿循环还是持续淹水条件下, 在培养初期, W-C体系、W-S-C体系水中磷释量增加较快, 而后持续增加并逐渐趋于平稳(图3和图4), 该结果与水生植物分解磷释放过程基本一致[20-21]。Xiao等[22]研究说明了三峡消落带典型植物的淹水分解具有明显的阶段性, 前期主要是受到初始基质控制下的易溶物质快速溶解过程, 而后主要受具体环境条件下的微生物分解控制[23-24]。

表1 磷释放动力学参数拟合

消落带土壤是控制消落带植物淹水释放磷的重要因素。本研究发现, 随培养时间延长, W-S-C体系磷释放量大于W-C体系分解磷释放量, 而W-S体系磷释放速率几乎无变化, 说明了消落带土壤有利于促进狗牙根分解磷释放并进入水体, 可能原因为, 土壤增加了水中微生物多样性, 导致狗牙根分解加快。

注: *表示干湿循环和持续淹水之间存在显著差异

Figure 5 P release from Cyn.L

表2 澎溪河消落带狗牙根生物量分布

注: *表示同一高程不同处理差异显著, 不同小写或大写字母表示不同高程相同处理差异显著

Figure 6 P release of Cyn.L in the WLF zone

此外, 干湿循环有利于降低消落带狗牙根磷释放。与持续淹水相比, 干湿循环条件下更低(图6), 狗牙根在持续淹水情况下更易分解释放磷并进入水体。可能为干湿循环使狗牙根淹水时间缩短, 落干条件下不利于微生物降解狗牙根中纤维素等大分子有机物质, 代谢分解速率下降, 从而使狗牙根淹水腐烂分解过程减缓[25]。另一方面, 土壤微生物对水中磷有一定固持作用, 土壤微生物量越大, 固持水中磷越多[26], 持续淹水导致消落带土壤微生物总量下降[27], 因此, 与干湿循环相比, 持续淹水条件下土壤磷固持量较小。可见, 三峡库区周期性干湿循环的水文情势有利于降低消落带狗牙根磷释放对水体磷的贡献。另外, 开展三峡消落带适生、高固磷、低磷释放植物品种比选和应用, 是控制三峡支流水体富营养化的有效途径之一, 有待进一步研究。

4 结论

三峡库区特殊的调蓄水制度, 使消落带生境呈氧化还原状态周期性变化, 消落带适生植物狗牙根分解过程随之改变, 与持续淹水相比, 干湿循环有利于降低消落带狗牙根磷释放, 降低水体富营养化风险。

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Effect of drying-rewetting cycles on the phosphorus release of(L).. decomposition in the water level fluctuation zone

LIN Junjie1*, QU Yanhua1, CHEN Xi1, LIU Dan2, TAN Xingling3, ZHANG Shuai1, 4

1. Key Laboratory of Water Environment Evolution and Pollution Control in Three Gorges Reservoir, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China 2. Department of Agricultural and Forestry Science and Technology, Chongqing Three Gorges Vocation College, Chongqing 404100, China 3. Chongqing Yujiu Environmental Protection Industry Co., LTD, Chongqing 401123, China 4. University of Bayreuth, Bavaria 95440, Germany

To investigate the effect of the drying-rewetting cycle on phosphorus (P) release from(L).. (L) in the water level fluctuation (WLF) zone of the Three Gorges, two hydrological sections of the upper (Qukou) and lower (Shuangjiang) of Pengxi River, a typical tributary of the Three Gorges, were selected to investigate the distribution ofL with the altitudes of WLF zone. The P contents released from water-soil (W-S), water-(W-C) and water-soil-(W-S-C) systems were measured under drying-wetting cycle and continuous flooding at the temperature of 15-25-35-25-15℃variation during a 42 d incubation. The results showed that the biomass ofL decreased with the decrease of the altitudes of WLF zone, with the order of 170 m (1.62 kg·DW·m-2) > 160 m (0.85 kg·DW·m-2) > 150 m (0.19 kg·DW·m-2). The P release increased with the increase of incubation time, which was shown as W-S-C system > W-C system > W-S system during the incubation. The P release from W-C and W-S-C system increased rapidly at the initial stage of incubation, and then tended to be stable at the end of incubation. Compared with the continuous flooding, the drying-rewetting cycles reduced the P release fromL in the W-S-C system, and the dynamic process of P release fromL adopted to the model of=ab. It can be seen that the drying-rewetting cycle is conducive to inhibit the P release fromL in the WLF zone and alleviate the risk of eutrophication.

drying-rewetting cycles; continuous flooding; three Gorges tributary; water level fluctuation zone;()..; phosphorus release

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.002

X52

A

1008-8873(2019)04-007-06

2018-09-19;

2018-10-22

国家自然科学基金项目(31770529, 41601090); 重庆市自然科学基金(cstc2018jcyjAX0813); 重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJZD- K201801201, KJQN20181230, KJ1710260); 教育部春晖计划项目(Z2015133); 万州科技人才专项(2016-1); 三峡库区水环境演变与污染防治重庆高校市级重点实验室开放基金(WEPKL2016ZD-01, WEPKL2016ZZ-01)

林俊杰( 1982—), 男, 吉林长春人, 博士, 副教授, 主要从事环境土壤学研究, E-mail: ybu_lin@ 126.com

陈文(1963—), 男, 副研究员, 主要从事地理环境与生态学研究, E-mail: cyw1018@sina.com

林俊杰, 曲衍桦, 陈茜, 等. 干湿循环对消落带狗牙根磷释放的影响[J]. 生态科学, 2019, 38(4): 7-12.

LIN Junjie, QU Yanhua, CHEN Xi, et al. Effect of drying-rewetting cycles on the phosphorus release of().. decomposition in the water level fluctuation zone[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 7-12.