白洋淀水生植物腐解释放特征分析

佟霁坤,赵建国,王军霞,李洪波,陈海婴,王红云

(1.白洋淀流域生态环境监测中心,河北 保定 071051;2.河北省生态环境科学研究院 绿色发展研究所,河北 石家庄 050000;3.河北省水环境科学实验室,河北 石家庄 050000;4.河北大学 生命科学学院, 河北 保定 071002;5.保定市生态环境监控中心,河北 保定 071002)

草型湖泊中,水生植物在生长季节直接从水体和沉积物中摄取大量的营养盐,暂时固定在生物有机体内部并转化成其自身所需物质[1],同时,植物群落通过减缓泥沙再悬浮过程截留营养盐,抑制底泥向上覆水释放污染物,净化水体的作用非常明显[2].然而,随着水生植物生长,植株进入生命周期的衰败阶段,细胞破裂、组织分解,被吸收固定在体内的氮、磷、有机质释放到水体,提高水体营养盐指标水平,甚至造成水质恶化[3-4].

白洋淀为典型的北方浅水草型湖泊湿地,水质状况除受外源污染的影响外,还受底泥释放和水生植物腐解释放的影响.水生植物有机质释放、底泥营养物释放与藻密度增加等因素的耦合作用,对夏季白洋淀水质稳定达标造成冲击.Kistritz[5]发现穗花狐尾藻的腐解过程大约需要50 d.李文朝[6]发现水生植物以生物残体的方式沉积在湖泊底泥,成为湖泊氮、磷污染的内源. 此后研究人员对不同地域的芦苇、荇菜、菰、莲、菹草、篦齿眼子菜、穗花狐尾藻和马来眼子菜等不同水生植物衰败释放过程对水质理化指标的影响进行了实验和模拟研究[7-10],相关研究对于制定科学的水生植物管理策略,消除水生植物腐解释放对水体的负面作用,具有重要的现实意义.本文利用遥感解译和现场采样的方法调查了白洋淀优势水生植物的分布范围和生物量,并以水生植物快速释放期为基准,核算了水生植物氮、磷和有机质腐解释放量,提出了水生植物的管理对策,以期为白洋淀水生植物管理和水质达标策略制定提供依据.

1 研究对象与方法

1.1 白洋淀概况

白洋淀流域属海河流域大清河水系,其控制范围为大清河中上游地区,总汇流面积31 200 km2,占大清河水系流域面积的96.13%[11].白洋淀淀区位于太行山东麓的永定河和滹沱河冲积扇相交汇的地区,主要由143个淀泊和3 700条沟壕组成,构成了淀中有淀、沟壕相连、田园和水域相间的特殊地貌景观.淀区平均水深2～4 m,水体透明度1～3 m.白洋淀为华北地区重要的湿地,生物多样性丰富,各种生物在湿地生态系统中扮演了生产者、消费者、分解者的角色,并形成了复杂的食物网[12].

1.2 白洋淀水生植物调查

结合白洋淀遥感解译和现场采样的方法,对白洋淀淀区不同水生植物进行多维度调查.

选取2020年5月28日4景GF-2和8月20日S2A卫星数据(经预处理操作后空间分辨率达到1 m),作为白洋淀水生植被分类的基础数据,进行可视化解译.具体步骤：结合Google Earth高分辨率影像与实地考察样本点,在GF-2影像选取训练样本,并进行最大似然监督和支持向量机分类.样本共分农田和其他植被、水体、建筑和裸地、挺水植被(莲、芦苇)、沉水植被以及其他地物6类,根据各类地物的形状、纹理、色彩以及反射率的差异,通过添加DEM数据,结合地物分布的高程特征可以有效提高训练样本的准确度.由于沉水植被的纹理特征不明显,本项目分析了沉水植被的波段特征和生长特征,将归一化水体指数(NDWI)与归一化植被指数(NDVI)相结合,共同用于沉水植被的提取.利用沉水植被生长地区NDVI高于其他水体的特征,确定水体范围.将沉水植被提取结果与最大似然分类结果叠加,初步得到白洋淀水生植被分类成果.对于少数分类效果不太好的区域,经人工判别后进行细致的手动修改,得到白洋淀水生植被分类结果.

2020年4月至10月,选取白洋淀20个典型区域,参照文献[13]对白洋淀水生植物多样性进行调查.

挺水植物：在每个区域的水体边缘各选取3条样线,长度为800～1 000 m,样线之间的间隔约为250 m,在每条样线上每隔50 m设置1个2 m×2 m样方,从样方中心将样方划分为4个1 m×1 m的小样方.

浮水植物：在每个区域的入口区、深水区、出口区分别设置1条样线,样线之间的间隔约为250 m,沿样线从岸边向水体中央隔50 m等距离设置1 m×1 m样方.

沉水植物：在每个区域的入口区、深水区、出口区分别设置1条样线,样线之间的间隔约为250 m,沿样线从岸边向水体中央隔50 m等距离设置2 m×2 m样方,从样方中心将样方划分为4个1 m×1 m的小样方.

1.3 白洋淀水生植物腐解释放实验及数据处理

根据白洋淀水生植物调查结果,选取菹草、篦齿眼子菜和莲3种对白洋淀水质影响较大的优势水生植物研究腐解释放规律.虽然芦苇是白洋淀最具代表性且生物量最大的水生植物,考虑其实际情况,枯落物腐解主要沉积到台地,而且腐解速率较慢,叶片有18%的易腐解组分[14],其余构件由于纤维素含量高,腐解速率慢,且仅有少量叶进入水体并沉到水底,计入底泥释放,对水质影响相对较小,因此不作为研究对象.

按照自然生长规律,分别于5月25日、10月10日、10月19日启动菹草、莲和篦齿眼子菜腐解释放期实验,取0.5 kg新鲜的植株置于30 cm×45 cm的200目尼龙网袋(孔径74 μm)中,并用橡胶带扎口,将尼龙网袋浸入天然水体中,共放置菹草135袋,莲 120袋,篦齿眼子菜180袋,每天各采集3网袋同种残体,用蒸馏水漂洗后,在60 ℃条件下烘干至恒重,测定残体质量及营养组分含量后,进行水生植物物质腐解二次指数模型拟合和累积释放率等核算.

1.3.1 二次指数模型

采用二次指数模型对水生植物的腐解残留率进行线性拟合,得到腐解速率常数k.

式中,Wt为t时刻枯落物腐解残留质量,W0为枯落物初始质量,A和1-A分别为初始干植物中快速腐解和慢速腐解组分的比例,k1和k2分别为快速和慢速腐解组分的腐解常数(d-1).

1.3.2 营养物质累积释放率(ABR)

计算水生植物残体腐解过程中全氮、全磷、有机质的累积释放率,分析各阶段植物腐解过程中全氮、全磷和有机质的变化特征.

式中,Mt为t时刻生物干质重(g),Xt为t时刻元素质量分数(mg/g),M0为实验初始时刻生物干质量(g),X0为实验初始时刻元素质量分数(mg/g).

2 结果与分析

2.1 白洋淀水生植物物种

2020年白洋淀共发现水生高等维管束植物27种,隶属18科,其中,挺水植物11种,占总物种数的40.74%;浮叶和漂浮植物7种,占总物种数的25.93%;沉水植物9种,占总物种数的33.33%.季节分布上,春季种类较少仅有12种,沉水植物优势物种为菹草;夏季种类最多达27种,优势沉水植物为篦齿眼子菜,除芦苇外,生活在水中的优势挺水植物为莲;秋季物种种类逐渐减少.不同月份白洋淀水生植物物种变化见图1.

图1 白洋淀水生植物物种数量变化Fig.1 Changes in the number of aquatic plant species in Baiyangdian Lake

2.2 白洋淀优势水生植物分布及生物量

白洋淀水生植物优势物种包括菹草、篦齿眼子菜和莲等.沉水植物菹草和篦齿眼子菜主要集中在壕沟、台地边缘和零星的航道边坡等水深小于3 m的水域;挺水植物莲生长在荷塘等水深小于2 m的水域.在不同植物生物量最大时期进行卫星解译统计,结果显示：5月份沉水植物菹草面积为22.09 km2;8月份沉水植物篦齿眼子菜面积为20.58 km2,挺水植物莲面积为23.87 km2.5月份、8月份白洋淀水生植被分类结果见图2.

由于受水深和水质影响,不同淀区3种优势植物空间分布有所差异.菹草在5月份生物量达到最大,全淀菹草生物量(干质量)为0.35～1 155 kg/m2,平均值为3.81 kg/m2,其中藻苲淀、大鸭圈、泛鱼淀、池鱼淀菹草的生物量较大;篦齿眼子菜9月份生物量最大,全淀篦齿眼子菜生物量(干质量)为0.1～8.67 kg/m2,平均值为1.45 kg/m2,后塘、泛鱼淀、留通生物量较高;9月份白洋淀特色物种莲生物量达到最大,但分布区较小,平均生物量为2.23 kg/m2.

2.3 白洋淀水生植物腐解释放规律

2.3.1 腐解过程干物质损失

5月上旬,菹草生物量达到最大且体内营养物质含量最高,5月下旬菹草进入腐解释放期.腐解第14天时干物质减少44.5%,第36天菹草腐解结束,全部叶和部分茎腐烂,呈黑泥状,仅存留茎中白色的纤维导管;第42天干物质减少近69%.二次指数模型的拟合结果表明：菹草易腐解组分在总生物量中的质量分数为72%,相应的腐解速率为0.172 35 d-1;难腐解组分在总生物量中的质量分数为28%,相应的腐解速率为0.018 04 d-1.菹草植株蛋白质含量较高,腐解速度较快,腐解残留率较低.

9月份,篦齿眼子菜的生物量最大,营养物质含量最高.10月中下旬,篦齿眼子菜进入衰败期,腐解时间主要为10月份至11月份.篦齿眼子菜腐解第57天,干物质损失率为33%.二次指数模型的拟合结果表明：篦齿眼子菜易腐解组分在总生物量中的质量分数为40%,相应的腐解速率为0.021 25 d-1;难腐解组分在总生物量中的质量分数为60%,相应的腐解速率为0.002 06 d-1.

9月份,莲泥上部分生物量最大,营养物质含量最高.经现场观察,10月上旬莲叶出现枯斑,进入衰败期,腐解时间主要为10月份至11月份.莲腐解第40天,干物质损失率为12%.二次指数模型的拟合结果表明：莲易腐解组分在总生物量中的质量分数为12.14%,相应的腐解速率为0.025 38 d-1;难腐解组分在总生物量中的质量分数为87.86%,相应的腐解速率为0.001 14 d-1.3种水生植物腐解过程中干物质残留动态及其指数模型见图3.

2.3.2 腐解过程营养物质释放特征

菹草腐解释放过程中有机质释放较快,前16 d累积释放率达到69.91%,之后有机质释放速率减缓,40 d累积释放率达到83.6%;磷累积释放率前2 d达到25.06%,14 d累积释放率快速上升至61.51%,40 d累积释放率为76.8%;氮释放速率比磷慢,累积释放率也比磷低,前40 d累积释放率达到68.3%.菹草的不同物质释放速率在腐解实验开始时的10～12 d达到峰值,36 d后不同物质累积释放率变化不明显,总体呈现稳定.菹草不同物质累积释放率在腐解前期的表现为有机质>全磷>全氮.

篦齿眼子菜腐解释放过程中磷释放较快,前10 d累积释放率为21.29%,之后释放速率减缓,56 d累积释放率为34.74%;氮的释放速率比磷低,但累积释放率比磷高,释放结束时达到43.57%;有机质的释放较慢,尤其是前12 d累积释放率仅为5.47%,之后稍增加,但56 d累积释放率达到33.74%.氮与有机质释放速率相对稳定.52 d后不同物质累积释放率变化不明显.篦齿眼子菜中不同物质累积释放率在腐解前期的表现为全磷>全氮>有机质.

莲中磷的释放较快,在前10 d释放速率较高,之后释放速率减缓,16 d累积释放率为16.14%,40 d为20%;腐解释放前10 d氮的释放率比磷低,但腐解结束时累积释放率较高,达到25%;有机质的释放较慢,尤其是前12 d内累积释放率仅为4%,之后稍增加,但40 d累积释放率达到18%.34 d左右,全氮、全磷和有机质的释放均减缓,不同物质累积释放率变化不明显,总体呈现稳定.莲不同物质累积释放率在腐解前10 d的表现为全磷>全氮>有机质,快速释放期累积释放率为全氮>全磷>有机质.3种水生植物腐解过程营养物质释放率见图4.

a.菹草;b.篦齿眼子菜;c.莲图4 白洋淀优势水生植物腐解过程中营养物质累积释放率(ABR)Fig.4 Cumulative release rate of nutrients from the decomposition process of dominant aquatic plants in Baiyangdian Lake

水生植物的腐解释放分为2个时期：一是快速释放期,这个阶段主要是糖类、有机酸、蛋白质[15]和K、Ca、Mn、Mg等矿物质的释放以及有机质在微生物作用下进行降解,其间植物生物量损失非常迅速,是生物量损失的主要阶段.二是缓慢释放期,这个阶段释放速率明显减慢且趋于稳定.快速释放期结束后,残体主要构成为木质素、纤维素[16],这些物质容易沉积到底泥.从污染物类型分析,3种优势水生植物磷释放到水中最快,氮和有机质释放较慢.从植物有机体构成分析,N/C是表征释放速率最理想的指标[17],不同植物的腐解释放速率不同,释放速率与植物体N/C呈正相关[18].N/C越高的植物腐解越快,且快速释放期腐解比例较高,易腐解组分在总生物量中的质量分数菹草为72%,篦齿眼子菜为40%,莲为12.14%;N/C越低的植物腐解越慢,且快速释放期腐解比例较低,如芦苇的腐解过程比较漫长,腐解系数是0.002 0,1 500 d才能腐解完成95%[19].

2.4 白洋淀水生植物碳、氮、磷释放量

白洋淀属暖温带大陆性季风气候区,冬季寒冷干燥,淀区多数水生植物的生长周期低于1 a.水生植物腐败后成为淀区水污染的内源,释放大量的营养[20].根据白洋淀3种优势水生植物腐解释放的规律,得出全氮、全磷、有机质释放量参数,结合2020年现场调查出的水生植物的生物量和典型优势种菹草、篦齿眼子菜和莲的面积,核算淀区水生植物腐解释放通量,见表1.

表1 白洋淀优势水生植物腐解释放量参数及释放通量

由表1可知,白洋淀水生植物菹草、篦齿眼子菜和莲的全氮、全磷、有机质全年释放量分别为132.57、20.77、1 030.79 t,大部分营养物质进入水体后,迅速沉降到底泥表面,并被微生物分解,仅部分营养物质会造成水质的变化.

2.5 白洋淀水生植物生长与衰败释放周期

水生植物生长周期各有差异,存在生态位的时间替换,直接影响淀区水环境安全.水生植物生长期分为停滞期、指数期和静止期[16].停滞期,生物体的准备生长期;指数期,植株营养物质快速积累,生物量增长迅速;静止期,植株生长速率均趋向于零,植株将进入衰败释放阶段.多数水生植物生长周期为春生,夏长,秋败,如芦苇、篦齿眼子菜、莲等.少数水生植物为冬生,春长,夏败,如菹草等.白洋淀3种优势水生植物生长周期见图5.

图5 白洋淀优势水生植物生长周期Fig.5 Growth cycle of dominant species of aquatic plants in Baiyangdian Lake

秋季(10月份)菹草繁殖体在湖底开始发芽并缓慢生长.冬天可在冰下生存,翌年早春开始密集生长,3月份生长加速,4月初开始快速生长,5月中旬生物量及氮、磷累积量达到最大,穗状花序开始出现,并挺出水面,菹草种子成熟,并产生大量石芽.农历芒种节气前后,为菹草衰败释放期,石芽和种子沉入湖底,衰败期大约1个月.经资料查询和现场调研确定,菹草的衰败释放期主要为5、6月份,菹草释放到水中的大量有机质与夏季底泥释放增加、藻密度增加等因素共同造成夏季白洋淀COD指标升高.

3月下旬,篦齿眼子菜开始发芽、返青,6月份至9月份为生长旺盛期.9月份植物体内的氮、磷累积量最大.10月中旬,植物进入衰败期,其残体漂浮于水面之上,向水中释放大量的氮、磷.

莲为喜热植物,3月下旬至7月初,处于早期生长阶段.9月份,植物生长达到稳定期,10月初出现枯斑,开始腐解释放.

3 水生植物管理

综合考虑水生植物的经济价值及生态环境等方面的复合作用,根据白洋淀水生植物的生长周期及腐解释放强度,对植物采取科学的管理措施,确定适宜收割时间,以最大限度移除氮、磷营养盐,拓展水生植物资源化利用途径,降低腐解释放对水质的影响.

菹草应在5月中旬适时进行采收,合理控制菹草的生物量[18],采收过程中需轻微抖动,保证其繁殖体石芽落入水中,有利于下一个生长期菹草的萌发.由于菹草适口性较好,可作为良好的动物饲料.

结合篦齿眼子菜的生长繁殖过程,收割时间应为9月中下旬.篦齿眼子菜种子发生量较大,但种子发芽率低,不到6%,种子繁殖对种群恢复贡献不大,其繁殖主要依赖地下块茎和根状茎[21],收割时应保留地下块茎和根状茎.

9月底,莲的氮、磷积累量最大,应在9月下旬收割莲的泥上部分,由于莲的生长发育主要靠地下藕部分,采收过程中不会对地下部分造成伤害.

4 结论

1)2020年白洋淀共发现水生植物27种,其中,挺水植物11种,浮叶和漂浮植物7种,沉水植物9种.对白洋淀水质影响较大的物种为菹草、篦齿眼子菜和莲.

2)用二次指数模型对水生植物干质量保有率进行拟合,结果表明：易腐解组分在总生物量中的质量分数为菹草72%,篦齿眼子菜40%,莲12.14%;难腐解组分在总生物量中的质量分数为菹草28%,篦齿眼子菜60%,莲87.86%.本研究中水生植物全氮、全磷、有机质的释放速率不同,但所有植物腐解前期磷释放速率最快,菹草有机质释放量最大.

3)白洋淀水生植物中营养物质释放有明显的周期性,集中在优势种的腐解时期.白洋淀水生植物全氮、全磷、有机质的释放量分别为132.57 、20.77 、1 030.79 t.为控制白洋淀水生植物腐解释放污染,应根据水生植物的生长周期及腐解释放规律,适时收割并进一步拓展水生植物的资源化利用途径.