幾種水生植物對濕地底泥中有機質、氮含量的影響變化分析

徐 也，周林飛，白庚沐

(沈陽農業大學水利學院，沈陽 110161)

濕地與人類的生存、繁衍、發展息息相關，是自然界最富生物多樣性的生態景觀和人類最重要的生存環境之一，它不僅為人類的生產、生活提供多種資源，而且具有巨大的環境功能和效益[1]。在最近這些年來，我國濕地的面積不斷地減少，并且污染嚴重。大量的研究表明,湖泊沉積物既是水體污染物的匯,又是水體污染物的源[2]。對于濕地的保護與構建是一項重要內容。由于有機質、氮等營養物質的過量會導致水體的富營養化，造成水體低氧狀態促使動植物大量死亡的現象。水體中的營養物質的來源有多種途徑，同污染源分為內源與外源，內源主要是濕地底泥沉積物、濕地植物的死亡腐解等因素造成的。外源就是人類活動影響，主要是生活污水、工業廢水以及農業化肥使用等。沉積物不僅能反映水體區域環境的變遷和水體的類型，也在一定程度上發揮著營養源的作用，加速水體的富營養化。因此引起了各國研究者的關注，并進行了相關的研究。

研究發現，水生植物具有吸附沉積物、抑制浮游類生物繁殖、凈化水質、降低水體富營養化程度等重要功能，同時能為水體中的微生物及部分水生動物提供棲息地和食物，并維持生物多樣性。國內外對于底泥的研究大多是湖泊和濕地營養物質的沉積特征。近年來研究者發現了底泥中的營養物質含量是決定底泥能向水體中釋放物質種類和含量的重要因素[3]，而水生植物能夠影響底泥中各類物質的含量變化，水生植物對濕地底泥的營養物質含量的影響的研究是必要的。本文主要探討水生植物對底泥中有機質、氮含量的影響。

本文以石佛寺人工濕地為研究背景，采集研究區內5個不同區域的表層底泥(荷花區、蒲草區、蘆葦區、沉水植物和浮游植物的混合區、空白對照區)，測出其中的有機質和氮的含量，分析兩者含量的變化，按照不同的季節來分析水生植物對兩者含量變化的影響，按照5個不同的植物區域來討論不同植物對兩者含量的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

石佛寺水庫處沈陽市沈北新區黃家鄉和法庫縣依牛堡鄉之間，距沈陽市中心47 km，是遼河干流上唯一一座滯洪水庫，屬于河道型平原水庫。石佛寺人工濕地建于2009年5月，在石佛寺水庫內遼河的左岸，濕地修建初期，選擇蘆葦、蒲草和荷花三種易于成活、具有觀賞價值的挺水植物進行栽植，同時進行生態蓄水，生態水面面積16.13 km2[4]。隨著生態環境的改善，所栽植的蘆葦、蒲草和荷花面積逐漸增大，同時又新出現了許多水生植物種類，經野外調查共有水生植物85種，包括挺水植物、沉水植物、浮葉植物和濕生植物等。經2012年遙感調查，濕地總面積為25.05 km2，其中荷花1.07 km2，蘆葦1.71 km2，蒲草1.86 km2[4]。石佛寺人工濕地是遼河自然保護區的重要濕地。

1.2 研究方法

1.2.1 實驗數據采集

底泥的采集時間為2015年的12月至2016年12月，每月月初。在石佛寺人工濕地內選定5個具有代表性的區域，確定好一定的點域，做好標記(如圖1)。5個區域分別為荷花區域、蒲草區域、蘆葦區域、沉水植物和浮葉植物混合區域以及空白對照區域，其中，荷花、蒲草和蘆葦為挺水植物。在各區域內選擇植被生長較密集，長勢較好的區域作為采樣點進行底泥的采取，具有良好的代表性。每月采樣1次，除去1、2月，因為在1、2月溫度極低，凍層較厚無法取樣。利用活塞式柱狀沉積物采樣器取出0～10 cm深度的底泥，約200 g，底泥裝進已貼好標簽的塑料袋中封好，帶回實驗室。

將濕地帶回的試驗底泥中的草根等雜物挑出。進行自然風干，7～10 d可使其自然風干，風干后的底泥變成干硬的土塊，將其砸碎，再次挑出剩余的草根等雜物，然后研磨過篩，將細碎的底泥土裝進貼好標簽的密封袋中，測有機質、氮的含量。

圖1 采樣點分布圖

1.2.2 數據處理

將測得的有機質、氮含量數據用Microsoft Excel 2007軟件進行處理。運用Origin軟件進行繪圖。使用SPSS軟件分析相關性。

2 分析與討論

本文將按照4個季節來分析，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)，冬季的看作一個整體來分析。用1年的數據分析水生植物對底泥中有機質、氮含量的影響。

2.1 有機質含量的分析

有機質是動植物體生長發育過程中不可缺少的營養物質，也是碳循環的重要保證，在水體營養物質的交換過程中起到十分重要的作用。有機質是湖泊內源污染的重要指標[5]，有機質在水體中過量，出現黑水現象，影響水質，造成水污染。

圖2 不同區域底泥中有機質含量

圖2為有機質含量變化圖，按4個階段分析其含量變化，分析不同水生植物對有機質含量的影響。冬季(12月初-次年3月初)蘆葦、荷花區的有機質含量減少，雖然微生物活動較弱，但是蘆葦、荷花區的殘體較多仍在分解，且難溶物質經過微生物再次轉化，有機質含量減少。混合區的有機質含量稍有減少，沉水植物與浮葉植物的剩余殘體稍少，腐解相對較少，含量變化幅度小。蒲草區與空白區的有機質含量上升，蒲草具有耐寒的特性，死亡量相對少，上一階段腐解較多，此階段大多為不易分解的形式，留在底泥中。空白區不存在水生植物的殘體，大多是不可分解的有機質沉積在底泥中。

春季(3月初-6月初)，荷花區與蒲草區的變化趨勢為下降-上升，3月溫度開始提升，荷花區的殘體較多剩余未腐解的繼續腐解，且易溶解，且3月開始水面慢慢融化，水體也有所擾動，導致有機質含量的下降。5月份剩余部分進入腐解第二階段產生了一些難溶解物質，難溶解的大于腐解的易溶物質，導致有機質含量上升。蒲草在腐解的同時，部分沒有死亡的蒲草開始復蘇消耗了少量的有機質，導致有機質含量下降。5月蒲草腐解一些難溶解的物質，蒲草消耗少量的有機質，有機質含量上升。蘆葦區的變化趨勢為緩慢上升-下降-上升，蘆葦腐解一些難溶解物質，同時也有一些易溶的物質，難溶解的稍多于易溶解的，有機質含量稍有上升。4月溫度上升腐解速度加快，易溶解的多于難溶解的，水面受到水庫的影響，少量物質向水體釋放，導致有機質下降。5月份大多進入腐解的第二階段產生大量的難溶解的物質，生長消耗遠小于腐解產生，有機質含量上升。混合區變化趨勢為下降-緩慢上升-緩慢下降，混合區為沉水植物與浮葉植物，混合區的剩余殘體繼續腐解，但是混合區腐解速度比挺水植物快，4月就有一些難溶解的物質產生，混合區的水生植物殘體的物質成分決定難溶物質較少，從而有機質含量稍有上升，5月混合區的水生植物開始生長，消耗了有機質，殘體腐解基本完成，有機質的含量稍有減少。空白區變化規律為下降-緩慢下降，3月溫度稍有上升，微生物開始活動，對冬季沉積下來的物質分解，水面融化，水體擾動，導致有機質含量下降，4、5月空白區的物質剩余量較少，有機質含量下降緩慢。

夏季(6月初-9月初)，蘆葦區變化趨勢為上升-下降，說明蘆葦的殘體仍然有腐解，同時外源的輸入增加，根部吸附作用強，生長消耗和微生物分解的小于增加的含量，7、8月為蘆葦快速生長對有機質的消耗大量增加，降雨量加大，導致有機質含量下降。蒲草區變化趨勢為始終緩慢下降，6月外源輸入較多，但蒲草的生長消耗大于外源的輸入，7、8月降雨量的增大，水體擾動大，導致有機質含量下降。荷花區變化趨勢為下降-上升-下降，荷花的殘體剩余較多，所以到了夏季仍有在腐解的，同時荷花的生長消耗較大以至于在外源輸入較多的6月，有機質含量仍是下降的趨勢，7月是花期，對有機質消耗減少，荷葉阻攔了有機質擴散，同時有難溶物質，有機質含量上升，8月開始為結果做準備，消耗大量有機質，降雨量加大，會對底泥沖刷導致有機質含量下降。混合區變化趨勢為上升-下降，混合區受到外源的影響有機質含量上升，7、8月同樣受到降雨量的影響自身生長消耗導致有機質含量下降。空白區變化趨勢為上升-平穩-下降，外源輸入的增加，有機質含量增加。7月份開始進入汛期，但降雨量相對不大，同時沒有水生植物的生長消耗，有機質含量趨于平緩，8月為主汛期降雨量對底泥沖刷嚴重導致有機質含量下降。

秋季(9月初-12月初)蘆葦區與蒲草區變化趨勢均為上升-下降-上升，9月開始蘆葦與蒲草漸漸進入停止生長期，減少對有機質的消耗，微生物分解減弱，根部仍在吸收，有機質含量有上升趨勢。10月開始漸漸死亡，殘體開始分解，第一階段產生大量的可溶性物質，含量開始下降，11月腐解進入第二階段，產生大量難溶性物質，有機質含量上升。荷花區變化趨勢為下降-平穩-上升，9月荷花殘解初期大部分為掉落的花瓣、莖葉，產生可溶性物質，并且荷花已經開始結果消耗部分有機質，10月荷花大部分開始腐解，微生物活動開始減弱，難溶物質與溶解物質都產生且相對平衡，有機質含量趨于平緩。11月溫度較低，微生物活動急劇下降，死亡的殘體較多，部分進入腐解第二階段產生較多的難溶物質，有機質含量上升。混合區變化趨勢為上升-平穩-上升，混合區包含的沉水植物與浮葉植物，腐解比挺水植物速度快，且腐解較早，9月有機質含量就開始上升，10月腐解的第一階段與第二階段都有進行，有機質含量較平緩，由于第二階段較第一階段緩慢，11月處于腐解第二階段較多，有機質含量上升。空白區變化趨勢為下降-上升，微生物分解，且水體交換導致底泥中的有機質向水體釋放，有機質含量下降，隨著溫度的降低微生物分解小于水體中有機質的沉積，有機質含量上升。

2.2 氮含量的分析

氮在動植物的生長過程是必不可少的元素，氮是蛋白質、葉綠素、核酸、酶、生物激素等重要生命物質的組成部分，是植物結構組分元素[6]。在水體中過量造成水體富營養化影響水生動物生存和人類生存用水，水體污染會影響空氣污染。

圖3 不同區域底泥中氮含量

圖3為氮含量的變化圖，將其劃分4個階段觀察變化趨勢，大致分析不同水生植物對氮含量變化的影響。

冬季(12月初-次年3月初)蘆葦、荷花區的變化趨勢為下降，雖然微生物活動較弱，但是蘆葦、荷花區的殘體較多仍在分解，且難溶物質經過微生物再次轉化，氮含量減少。混合區的有機質含量稍有減少，沉水植物與浮葉植物的腐解速度快，剩余殘體稍少，腐解相對較少，含量變化少。蒲草區與空白區的氮含量上升，蒲草具有耐寒的特性，死亡量相對少，上一階段腐解較多，此階段大多為不易分解的形式，留在底泥中，蒲草區的氮含量變化稍有上升。空白區不存在水生植物的殘體，大多是不可分解的物質和微生物沉積在底泥中，氮含量上升。

春季(3月初-6月初)，蘆葦、荷花的變化趨勢為下降-上升，3月開始回溫，底泥中的光照不足，且氧氣含量低，部分微生物活動提高，分解硝態氮等。年末未腐解的殘體開始腐解，大部分溶解在水體。5月光照增強，一些微生物的活動減弱，另有一些微生物活動增強，植物殘解難溶性物質，5月蘆葦開始生長，對氮消耗較大，氮含量上升不明顯接近平緩。蒲草區變化趨勢為下降-緩慢上升，蒲草與蘆葦的區別在于蒲草耐寒，蒲草殘體較蘆葦少，底泥的氮含量相對較少，3、4月殘體在不斷的腐解，并且蒲草生長消耗氮，氮含量呈下降趨勢。5月植物生長消耗的氮小于微生物聚集在植物根部吸收水中的氮鹽和腐解產生的難溶物質，氮含量出現上升。混合區變化趨勢下降-緩慢上升，沉水植物的腐解速率大于挺水植物，4月開始上升，由于難溶物質增多含量增多，5月開始非常緩慢上升，殘體基本腐解完成，植物生長消耗較少，上升趨勢減緩。空白區的含量始終在下降，經過冬天的幾個月，水體中的部分氮沉積在底泥中，3月微生物開始分解，氮含量下降，經過3月的分解，剩余少量氮在4-5月分解緩慢，水體的擾動造成少量氮含量向水體釋放，氮含量緩慢下降。

夏季(6月初-9月初)，蘆葦區變化趨勢為上升-下降，6月外源輸入增加，蘆葦的攔截能力較強，使得氮含量沉積，生長消耗小于攔截增加的含量，7-8月生長消耗的氮含量增加，同時7-8月為汛期，降雨量加大，雨水沖刷也使得氮含量下降，7月降雨量較少些，氮含量的變化較平緩。蒲草上升-下降-穩定，通過遙感圖像顯示水流方向由蒲草區穿過蘆葦區，從而外源的輸入影響蒲草區的氮含量，蒲草攔截了部分的氮，使得氮含量增加，7月蒲草的生長消耗增大，氮含量下降，8月大量的降雨會有外源物質進入蒲草區域，同時也推移著底泥，蒲草有攔截作用，生長消耗部分氮，氮含量變化趨于穩定。荷花區下降-上升-下降，6月荷花開始大量消耗氮為進入下一階段開花，即使有外源的輸入，花期對氮含量的消耗減少，氮含量上升，8月開始進入結果期，對氮的消耗開始增加，同時受到雨水的影響，氮含量開始下降。混合區的變化趨勢為上升-下降，由于外源的輸入導致氮含量上升，沉水植物與浮葉植物根部不發達，易受到大量降雨沖刷的影響，同時生長消耗氮，7、8月氮含量下降。空白區變化趨勢為上升-下降-上升，外源的大量輸入且空白區沒有植物對其消耗，僅有微生物少量的消耗，從而氮含量大幅度增加，7月來水量加大，導致氮含量減少，8月可能有氮含量較大的污水進入空白區，即使雨水沖刷影響，氮含量仍是上升的趨勢。

秋季(9月初-12月初)，蘆葦、蒲草的變化趨勢為上升-下降-上升，9月開始蘆葦與蒲草漸漸進入停止生長期，減少對氮的消耗，微生物分解減弱，根部仍在吸收，氮含量上升，10月蘆葦、蒲草開始死亡，腐解溶于水體的物質，10月光照減弱，水底溫度降低，氧含量減少，厭氧微生物活動增加，氮含量下降，11月溫度驟降，微生物活動明顯減弱，腐解產生難溶物質沉積在底泥中，氮含量上升。荷花區變化趨勢為下降-激增，9月荷花結果消耗部分的氮，掉落少量的花瓣、莖葉，分解產生溶于水物質，氮含量有所下降，10月開始大部分都已凋落，花瓣、莖葉的分解的速度較快，含氮的物質較多，氮含量持續下降，11月有大部分已進入第二階段的腐解難于溶解的物質，沉積物氮含量會激增。混合區變化趨勢為緩慢上升-大幅度上升，9月混合區水生植物腐解出易溶物質，沉水植物阻隔部分物質向水體的釋放，溶于水的小于被阻擋的含量，氮含量緩慢上升，沉水植物腐解速度快優先于挺水植物進入腐解第二階段，10月腐解第二階段開始，難溶物質增多，氮含量增加，混合區殘體較多，部分處于腐解第一階段，導致上升幅度較小。11月微生物分解減弱，腐解仍在進行，大多處于腐解第二階段，氮含量持續增加。空白區的變化趨勢為下降-上升，9月份水庫正處于蓄水期，對水體造成擾動，使得空白區的氮含量下降，10月基本停止蓄水，水體懸浮物自然沉積，底泥氮含量增加，11月懸浮物基本沉積完成，微生物活動降低，氮含量緩慢上升。

由以上對有機質與氮含量的變化分析看出不同的水生植物在不同的季節對底泥中的有機質與氮的含量都有不同的影響。

2.3 綜合分析

2.3.1 有機質與氮的相關性分析

由有機質、氮含量的變化圖(圖2和圖3)可發現兩者變化趨勢比較接近，進行有機質與氮的相關性分析發現各研究區均顯著相關，說明具有較高的協同性。底泥中的有機質與氮含量變化大多與水生植物殘體的分解和微生物的活動相關。水生植物對有機質和氮含量影響大致相同。

表1 不同區域有機質與氮的相關分析

2.3.2 不同區域不同季節的有機質和氮含量分析

表2為不同區域不同季節有機質、氮含量平均值。在春季底泥中有機質的含量，蘆葦區>荷花區>蒲草區>混合區>空白區，氮的含量為荷花區>蘆葦區>蒲草區>空白區>混合區。在夏季有機質的含量，荷花區>蘆葦區>混合區>蒲草區>空白區，氮的含量荷花區>混合區>蘆葦區>蒲草區>空白區。在秋季有機質的含量，蘆葦區>荷花區>混合區>蒲草區>空白區，氮的含量荷花區>蘆葦區>混合區>蒲草區>空白區。在冬季有機質的含量，荷花區>蘆葦區>混合區>蒲草區>空白區，氮的含量荷花區>蘆葦區>蒲草區>混合區>空白區。

根據季節劃分，春季濕地底泥中有機質與氮含量較高的區為蘆葦區與荷花區，夏季含量較高的區為荷花區，秋季蘆葦區和荷花區含量較高些，冬季荷花區的含量較高。由于荷花的花瓣，莖葉較多，所以荷花區的有機質與氮含量較高。

表2 不同區域不同季節有機質、氮含量平均值 mg/g

表3是1年來各研究區的有機質、氮含量的平均值，由表可看出幾個研究區有機質的含量為蘆葦>荷花>混合>蒲草>空白，氮的含量為荷花>蘆葦>混合>蒲草>空白。結合季節分段的分析與1年整體水平分析，根據水生植物的不同性能，位置上可以將具有攔截能力的種植在濕地外側，例如挺水植物的蘆葦與蒲草，根據秋季水生植物腐解產生大量的有機質與氮，在水生植物死亡時就開始打撈殘體，防止腐解污染水體。即合理種植水生植物和在恰當的時間采取恰當的措施以改善濕地的水環境，防止二次污染。

表3 不同區域1年整體有機質、氮含量平均值 mg/g

3 結 論

底泥中的有機質含量與氮含量受到多個因素的影響，如水生植物自身、溫度、降雨量、微生物、水流方向，這些因素影響著有機質、氮的含量變化。隨著季節的變化溫度隨之變化微生物活動變化影響著含量的變化，溫度升高微生物分解強降低了有機質與氮的含量，不同的微生物對有機質和氮的分解程度不同，影響有機質、氮的含量。在汛期，降雨量大同時加大了雨水的沖刷從而導致了有機質與氮含量的降低，降雨量不均對不同的研究區的含量產生不同的影響，降雨對水體的擾動使得有機質與氮的含量降低。水流對沉積物有推移作用，從而導致了底泥中有機質與氮的含量的變化。流速越大推移的沉積物越多，有機質與氮的沉積量越小。最主要的因素不同的水生植物，功能性的不同，對底泥中有機質、氮含量的影響也就不同，挺水植物的根部吸附作用強于沉水植物，有機質、氮的含量增多，沉水植物受水體的擾動影響較小同時遏制底泥中的有機質、氮向水體的釋放，促使有機質、氮的增加。不同的水生植物在生長過程中對有機質、氮的消耗與植物死亡時殘體腐解產生了有機質、氮都影響著含量變化。經對研究區有機碳與氮的相關性分析，結果顯示有機質與氮顯著相關，表明有機質與氮含量變化多來自植物殘解與微生物分解的影響，同時說明水生植物對有機質與氮的含量變化影響差異不大。本文發現蘆葦區、混合區、荷花區的含量較高，蒲草區域的含量較低，高于空白區的含量，可以將蘆葦與蒲草等具有攔截污染物的挺水植物種植在濕地外側，在秋季水生植物進入死亡期開始進行殘體打撈，防止二次污染。

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