干濕循環(huán)對(duì)消落帶狗牙根磷釋放的影響

林俊杰, 曲衍樺, 陳茜, 劉丹, 譚興伶, 張帥, 4

干濕循環(huán)對(duì)消落帶狗牙根磷釋放的影響

林俊杰1,*, 曲衍樺1, 陳茜1, 劉丹2, 譚興伶3, 張帥1, 4

1. 重慶三峽學(xué)院, 三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重慶高校市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 404100 2. 重慶三峽職業(yè)學(xué)院, 農(nóng)林科技系, 重慶 404100 3. 重慶渝久環(huán)保產(chǎn)業(yè)有限公司, 重慶 4011235 4. 拜羅伊特大學(xué), 德國(guó)巴伐利亞州拜羅伊特 95440

為探討干濕循環(huán)對(duì)三峽消落帶狗牙根磷釋放的影響, 以三峽典型支流—澎溪河為例, 選取上游(渠口鎮(zhèn))和下游(雙江鎮(zhèn))兩個(gè)水文斷面, 150、160、170 m 三個(gè)水位高程調(diào)查了狗牙根分布特征, 并于干濕循環(huán)和持續(xù)淹水兩種水文情勢(shì), 15—25—35—25—15℃連續(xù)溫度變化下進(jìn)行培養(yǎng), 測(cè)定了水—土(W-S)、水—狗牙根(W-C)和水—土—狗牙根(W-S-C) 三種體系下水中磷含量隨時(shí)間變化。結(jié)果表明: 狗牙根生物量隨消落帶水位高程降低而下降, 表現(xiàn)為170 m (1.62 kg·DW·m-2) >160 m (0.85 kg·DW·m-2) >150 m (0.19 kg·DW·m-2)。在整個(gè)培養(yǎng)階段, 三種體系水中磷含量均隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加, 表現(xiàn)為W-S-C>W-C>W-S體系, 其釋放動(dòng)力學(xué)過(guò)程符合y=axb冪函數(shù)模型。與持續(xù)淹水相比, 干濕循環(huán)影響下W-S-C體系中狗牙根磷釋放量較低, 可見(jiàn), 干濕循環(huán)有利于降低消落帶狗牙根磷釋放, 降低三峽支流水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

干濕循環(huán); 持續(xù)淹水; 三峽支流; 消落帶; 狗牙根; 磷釋放

0 前言

三峽庫(kù)區(qū)水位呈年際周期性漲落, 隨季節(jié)變化, 消落帶依次經(jīng)歷淹水—落干循環(huán)過(guò)程[1], 氧化還原狀態(tài)隨之改變。每年4—9月消落帶出露成陸[2], 氣溫逐漸升高, 消落帶植被快速生長(zhǎng), 攔截過(guò)濾污染物, 吸收同化氮磷等元素, 從而削減進(jìn)入水體污染物通量, 凈化水質(zhì)[3-4]; 而后至次年3月氣溫持續(xù)降低, 消落帶植物淹水衰亡腐爛, 同時(shí)分解釋放氮磷等元素進(jìn)入水體, 進(jìn)而由“匯”轉(zhuǎn)變成“源”[5-7]。

三峽支流水流緩慢, 水體自?xún)裟芰^弱, 氮磷等元素進(jìn)入水體不易稀釋擴(kuò)散導(dǎo)致短期內(nèi)水生藻類(lèi)大量繁殖, 從而引起水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題[8-9]。三峽消落帶水生態(tài)安全相關(guān)研究主要集中在消落帶適生物種篩選、植被生理生態(tài)適應(yīng)機(jī)制、消落帶水土界面過(guò)程等方面[10-14], 而有關(guān)干濕循環(huán)對(duì)消落帶植被分解磷釋放的研究鮮有報(bào)道, 因此, 查明三峽庫(kù)區(qū)特殊水文條件下, 消落帶植被分解對(duì)水體磷貢獻(xiàn)的影響至關(guān)重要。

本研究以三峽支流澎溪河消落帶水—土—狗牙根體系為研究對(duì)象, 根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)水文特點(diǎn)和溫度特點(diǎn), 設(shè)置兩種水文情勢(shì), 模擬溫度變化進(jìn)行培養(yǎng), 測(cè)定培養(yǎng)過(guò)程中水中總磷含量變化, 探討干濕循環(huán)對(duì)消落帶狗牙根分解磷釋放的影響, 為闡明三峽支流水體富營(yíng)養(yǎng)化成因提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣品采集

根據(jù)澎溪河水文特征及流域城鎮(zhèn)分布(圖1), 設(shè)置上游(渠口鎮(zhèn))和下游(雙江鎮(zhèn))兩個(gè)水文斷面, 采集消落帶落干期原狀新鮮土樣及狗牙根, 立即放入保溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤經(jīng)風(fēng)干、去除礫石和植物殘?bào)w, 過(guò)5 mm篩, 混勻備用; 狗牙根經(jīng)清洗, 晾干剪成5 cm備用。

1.2 水文氣象特征

三峽庫(kù)區(qū)水位呈年際周期性漲落, 消落帶不同水位高程經(jīng)歷了不同程度的干濕循環(huán)(圖2)。每年9月水位快速升高, 至11月達(dá)最高水位, 次年1月水位連續(xù)下降, 至6月水位最低。氣溫從1月持續(xù)升高, 至7月后波動(dòng)下降[15], 故本研究設(shè)置15℃—25℃—35℃—25℃—15℃連續(xù)溫度變化對(duì)狗牙根進(jìn)行淹水培養(yǎng)。

圖1 澎溪河消落帶采樣點(diǎn)位[11]

Figure 1 Sampling sites in the WLF zone of Pengxi River

圖2 三峽庫(kù)區(qū)(萬(wàn)州段)水位波動(dòng)特征

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

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將10.00 g狗牙根放入尼龍網(wǎng)袋(200目, 5 cm×5 cm), 風(fēng)干土壤130.00 g, 裝入500 mL培養(yǎng)瓶, 加入去離子水400 mL, 放入培養(yǎng)箱調(diào)節(jié)溫度和水分變化, 設(shè)置W-S、W-C、W-S-C體系三個(gè)體系, 干濕循環(huán)和持續(xù)淹水二種水文情勢(shì), 及溫度變化(15℃—25℃—35℃—25℃—15℃), 每組3個(gè)平行, 分別于 1、3、7、8、10、14、15、17、21、22、24、28、29、31、35、36、38 和 42 d采集水樣(干濕循環(huán)在天數(shù)為15、17、21、22、24、28 d時(shí)無(wú)水樣), 取水樣25 mL, 用鉬酸銨分光光度法測(cè)定水中總磷[15]。每次將全部水樣取出, 用去離子水補(bǔ)至初始體積。

1.4 計(jì)算方法

水中磷含量計(jì)算方法如下:

其中, C—水中磷含量, mg·L-1; n—取樣次數(shù)(干濕循環(huán)12次, 持續(xù)淹水18次); Ci—第i次取樣水中磷含量, mg·L-1; V—水樣體積, L;

狗牙根磷釋放量, 計(jì)算方法如下:

其中, CW-S-C—W-S-C體系水中磷含量; CW-S—W-S體系水中磷含量; M—培養(yǎng)用狗牙根質(zhì)量, g;

消落帶單位面積狗牙根磷釋放量, 計(jì)算方法如下:

其中, B為單位面積消落帶狗牙根生物量, kg ·m–2。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 采用Sigma Plot 12. 5對(duì)磷釋放速率進(jìn)行擬合及繪圖, 通過(guò)IBM SPSS Statistic 20進(jìn)行方差分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕循環(huán)對(duì)水中磷含量的影響

干濕循環(huán)條件下, W-S、W-C、W-S-C體系水中磷含量, 見(jiàn)圖3。從圖3可知, 在整個(gè)培養(yǎng)階段, 磷釋放量隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而增加, 表現(xiàn)為W-S-C> W-C>W-S體系。

2.2 持續(xù)淹水對(duì)水中磷含量的影響

持續(xù)淹水條件下, W-S、W-C、W-S-C體系水中磷含量, 見(jiàn)圖4。從圖4可知, 在整個(gè)培養(yǎng)階段, 磷釋放量隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而增加, 表現(xiàn)為W-S-C> W-C>W-S體系。

圖3 干濕循環(huán)對(duì)水中磷含量的影響

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

圖4 持續(xù)淹水對(duì)水中磷含量的影響

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

2.3 水中磷釋放動(dòng)力學(xué)參數(shù)

干濕循環(huán)和持續(xù)淹水條件, 三種體系下水中磷動(dòng)態(tài)參數(shù)擬合見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn), 兩種水文情勢(shì)下, W-S、W-C、W-S-C體系水中磷釋放動(dòng)力學(xué)過(guò)程均符合y=axb模型(R2>0.8, p<0.0001)。

2.4 干濕循環(huán)和持續(xù)淹水對(duì)狗牙根磷釋放的影響

從圖5可知, 干濕循環(huán)導(dǎo)致W-S-C體系中狗牙根來(lái)源磷釋放量為207.63 mg·kg-1, 而持續(xù)淹水導(dǎo)致W-S-C體系中狗牙根來(lái)源磷釋放量為255.45 mg·kg-1。可見(jiàn), 與持續(xù)淹水相比, 干濕循環(huán)導(dǎo)致的狗牙根分解磷釋放量顯著更低(p<0.05)。

2.5 澎溪河消落帶狗牙根沿水位高程分布特征

狗牙根生物量隨消落帶水位高程降低而下降, 表現(xiàn)為170 m (1.62 kg·DW·m-2) > 160 m (0.84 kg·DW·m-2) > 150 m (0.19 kg·DW·m-2), 見(jiàn)表2。

2.6 不同水位高程狗牙根磷釋放量

從圖6可知, 干濕循環(huán)條件下澎溪河消落帶不同水位高程狗牙根分解磷釋放量表現(xiàn)為 170 m(343.07 mg·m-2) > 160 m (176.14 mg·m-2) > 150 m (40.14 mg·m-2), 持續(xù)淹水條件下, 消落帶不同水位高程狗牙根分解磷釋放量表現(xiàn)為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釋放量均表現(xiàn)為干濕循環(huán)顯著小于持續(xù)淹水(p<0.05)。

3 討論

植物淹水衰亡腐爛分解釋放養(yǎng)分過(guò)程主要受植物質(zhì)地、環(huán)境溫度、淹水過(guò)程、淹水時(shí)長(zhǎng)、微生物分解等多重因素影響[16-19]。本研究發(fā)現(xiàn), 無(wú)論在干濕循環(huán)還是持續(xù)淹水條件下, 在培養(yǎng)初期, W-C體系、W-S-C體系水中磷釋量增加較快, 而后持續(xù)增加并逐漸趨于平穩(wěn)(圖3和圖4), 該結(jié)果與水生植物分解磷釋放過(guò)程基本一致[20-21]。Xiao等[22]研究說(shuō)明了三峽消落帶典型植物的淹水分解具有明顯的階段性, 前期主要是受到初始基質(zhì)控制下的易溶物質(zhì)快速溶解過(guò)程, 而后主要受具體環(huán)境條件下的微生物分解控制[23-24]。

表1 磷釋放動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合

消落帶土壤是控制消落帶植物淹水釋放磷的重要因素。本研究發(fā)現(xiàn), 隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng), W-S-C體系磷釋放量大于W-C體系分解磷釋放量, 而W-S體系磷釋放速率幾乎無(wú)變化, 說(shuō)明了消落帶土壤有利于促進(jìn)狗牙根分解磷釋放并進(jìn)入水體, 可能原因?yàn)? 土壤增加了水中微生物多樣性, 導(dǎo)致狗牙根分解加快。

注: *表示干濕循環(huán)和持續(xù)淹水之間存在顯著差異

Figure 5 P release from Cyn.L

表2 澎溪河消落帶狗牙根生物量分布

注: *表示同一高程不同處理差異顯著, 不同小寫(xiě)或大寫(xiě)字母表示不同高程相同處理差異顯著

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

此外, 干濕循環(huán)有利于降低消落帶狗牙根磷釋放。與持續(xù)淹水相比, 干濕循環(huán)條件下更低(圖6), 狗牙根在持續(xù)淹水情況下更易分解釋放磷并進(jìn)入水體。可能為干濕循環(huán)使狗牙根淹水時(shí)間縮短, 落干條件下不利于微生物降解狗牙根中纖維素等大分子有機(jī)物質(zhì), 代謝分解速率下降, 從而使狗牙根淹水腐爛分解過(guò)程減緩[25]。另一方面, 土壤微生物對(duì)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], 持續(xù)淹水導(dǎo)致消落帶土壤微生物總量下降[27], 因此, 與干濕循環(huán)相比, 持續(xù)淹水條件下土壤磷固持量較小。可見(jiàn), 三峽庫(kù)區(qū)周期性干濕循環(huán)的水文情勢(shì)有利于降低消落帶狗牙根磷釋放對(duì)水體磷的貢獻(xiàn)。另外, 開(kāi)展三峽消落帶適生、高固磷、低磷釋放植物品種比選和應(yīng)用, 是控制三峽支流水體富營(yíng)養(yǎng)化的有效途徑之一, 有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

三峽庫(kù)區(qū)特殊的調(diào)蓄水制度, 使消落帶生境呈氧化還原狀態(tài)周期性變化, 消落帶適生植物狗牙根分解過(guò)程隨之改變, 與持續(xù)淹水相比, 干濕循環(huán)有利于降低消落帶狗牙根磷釋放, 降低水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31770529, 41601090); 重慶市自然科學(xué)基金(cstc2018jcyjAX0813); 重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJZD- K201801201, KJQN20181230, KJ1710260); 教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目(Z2015133); 萬(wàn)州科技人才專(zhuān)項(xiàng)(2016-1); 三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重慶高校市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(WEPKL2016ZD-01, WEPKL2016ZZ-01)

林俊杰( 1982—), 男, 吉林長(zhǎng)春人, 博士, 副教授, 主要從事環(huán)境土壤學(xué)研究, E-mail: ybu_lin@ 126.com

陳文(1963—), 男, 副研究員, 主要從事地理環(huán)境與生態(tài)學(xué)研究, E-mail: cyw1018@sina.com

林俊杰, 曲衍樺, 陳茜, 等. 干濕循環(huán)對(duì)消落帶狗牙根磷釋放的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 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.