干濕交替作用下不同植物對氮素遷移轉化的影響

武軍旭，石麗忠，舒婷婷，曲 麗，晉夢聰

(沈陽大學 建筑工程學院，沈陽 110016)

0 引 言

土壤中的含氮物質經過一系列的物理、化學、生物變化發生的氮素遷移轉化，是土壤時刻發生的一種常見現象，這些變化對于保持土壤肥力和環境的凈化意義重大。土壤對于氮素轉化受各種因素影響，干濕交替是重要因素之一[1]，對土壤肥力和土壤營養循環具有重要意義。在自然界中，土壤氮礦化與土壤反硝化是氮素轉化的基礎[2-3]，有著明顯的季節動態變化[4-5]，氮素的轉化與損失速率較快使土壤有效氮的積累困難。干濕交替是氮素在環境中轉化的主要驅動力，影響著氮素在土壤中的累積、遷移以及損失等[6]，其能夠影響有機氮素的礦化和氮素的損失[7]。

隨著人類社會生產的發展，人們對于自然的影響越來越大，人類在改造自然、發展生產力的時候，對我們的生態環境破環也是不容忽視的。2008年，我國提出科學發展觀的理念[8]，不僅需要金山銀山，還需要綠水青山。而水體富營養是最常見的水體污染形式之一，農業和社會生產導致大量的營養元素N、P、K通過雨水和工業廢水排放到水體中，導致水體生態平衡失調。水體富營養化是全世界普遍存在的生態環境問題之一[9],由于氮循環的不平衡導致水體富營養化是眾多原因中的一個重要因素[10-12]，利用生物學措施對于水體凈化無疑是最好的方法之一。

農業灌溉排水渠道一般是指那些自然形成的暴露在地表亦或是以排水為目的而挖掘的渠道。許多水渠比較淺,水位的波動變化也比較大,渠道存在干濕交替狀態的可能性較大。長久以來,人們往往更重視農業灌溉排水渠道對調節水量平衡的影響,對環境作用和生態效應的研究相對匱乏。近幾年來,在中國農業發展相對發達、經濟水平較高的地區,存在著過度施用化肥和噴施高毒、高殘留農藥等現象，造成水體富營養化，嚴重影響生態環境。為了更好的保護水質，本文選擇苜蓿菜、無芒雀麥、沙打旺、千屈草等北方護坡植物為研究對象，在干濕交替作用后測定水體中氮素的含量，分析不同植物對水體自凈效率的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 渠道采樣點設計

在排水干渠選取一段無支流流入的300 m進水渠段,每隔100 m設置一個采樣點，共4個采樣點，分別標為A0、A1、A2、A3。

1.1.2 水樣的采集

1.1.3 底泥樣品的采集

用小型重力式采泥器(使用水深≤100 m)采集底泥。為了減小偶然誤差，在4個采樣點各采集2～3次，然后及時對采集的底泥樣品做預處理(去除樹葉樹枝、攪拌混合、薄膜包裝等)，防止底泥的硬化、結塊以及土壤理化性質的失衡。

用采集的水樣和底泥模擬農田溝渠水體環境，實驗室種植苜蓿菜、無芒雀麥、沙打旺、千屈草4種植物。苜蓿草耐干旱，北方比較常見，具有改良土壤的作用。無芒雀麥適應性強，是水土保濕、治理水質污染的理想草種。沙打旺可用作綠肥、飼草、水土保濕，具有很強的耐鹽堿能力。千屈草在北方生長普遍，有良好的截污作用。

1.2 實驗設計

1.2.1 濕態試驗

在5個20 L橡膠軟桶中鋪上15 cm底泥(底泥取自農業灌溉渠道)，依次栽種苜蓿草、無芒雀麥、沙打旺、千屈草，另設一個空白對照組，不種植物；將采樣點采集的水樣倒入，控制底泥表面至水面大約在10 cm,設置一個空白對照，作為平行樣，此為A0采樣點水樣的試驗。同上，設置A1、A2、A3的試驗。

1.2.2 干態試驗

大多數農田灌渠的水位隨著灌溉、降雨等活動而呈現季節性變化，所以農田灌渠經常會出現干濕交替的狀況。農田灌渠的水位和底泥中水分含量對灌渠濕地生態系統中的氨素去除轉化有著一定程度的影響，不同植物也會對不同的水分環境作出不同的反應。為此，本課題將設立不同植物在缺水干涸狀態下的對底泥中氮素遷移轉化的模擬試驗。

在5個容量為20 L塑料桶中鋪上厚15 cm農田灌渠底泥，分別栽種苜蓿草、無芒雀麥、沙打旺、千屈草，另一個不種植物；用采樣點采集的水樣培養植物24 h，然后水樣倒掉，使植物在干涸狀態生長，設置一個空白對照，作為平行樣，此為A0采樣點水樣的試驗。同上，設置A1、A2、A3的試驗。

1.2.3 樣品采集

2 數據分析

通過對所得的數據進行列表和作圖的方式 ，進行直觀比較。然后對所得數據通過計算氮素去除率，判斷對氮素的轉移效率。

去除率=(C0-Ci)/C0×100%

從表1和圖1中可以看出，苜蓿草、無芒雀麥、沙打旺和千屈草都對濕態上覆水中的氨氮有很好的吸收，但千屈草的去除效率略高(86.0%)。

圖1 濕態上覆水氨氮變化(mg/L)Fig.1 The Vary of ammonia nitrogen in the overlying water (mg/L)

從表2和圖2中可以看出，千屈草對干態底泥上覆水中的氨氮吸收明顯優于苜蓿草、無芒雀麥及沙打旺，氮素去除效率為(83.3%)。

表2 干態底泥上覆水氨氮含量Tab.2 Ammonia nitrogen content on overlying water of dry sediment /mg·L-1

圖2 干態底泥上覆水氨氮變化(mg/L)Fig.2 The Vary of ammonia nitrogen in overlying water on dry bottom sediment (mg/L)

從表3和圖3中可以直觀地看出，對于濕態上覆水的硝酸鹽氮的吸收效果依次為苜蓿草 > 沙打旺 > 無芒雀麥 >千屈草。

表3 濕態上覆水硝酸鹽氮含量Tab.3 Nitrate nitrogen content in wet overlying water /mg·L-1

圖3 濕態上覆水硝酸鹽氮變化(mg/L)Fig.3 The vary of nitrate nitrogen in wet overlying water (mg/L)

從表4和圖4中可以直觀地看出，對于干底泥上覆水的硝酸鹽氮的吸收效果依次為千屈草> 沙打旺 >苜蓿草> 無芒雀麥。

表4 干態底泥上覆水硝酸鹽氮含量Tab.4 Nitrate nitrogen content on overlying water of dry sediment /mg·L-1

圖4 干態底泥上覆水硝酸鹽變化(mg/L)Fig.4 The Vary of nitrate nitrogen in overlying water on dry bottom sediment (mg/L)

3 結 論

通過實驗初步研究，可以得出以下結論：

3) 干態底泥中氨氮變化趨勢呈現下降-平緩的狀態，而硝酸鹽氮呈現上升-下降-平緩的波動狀態。隨著硝化作用的進行，氨氮被轉化成硝酸鹽氮，進而導致硝酸鹽氮的含量達到峰值。這是因為起初底泥中氨氮的含量高而硝酸鹽氮的含量低，對硝化作用更有利。

4 展 望

我國是個農業大國，研究土壤中的氮素轉化對于農業發展至關重要。干濕交替作用對土壤中不同形態的氮素轉化和微生物種類以及土壤物理化學性質息息相關, 研究干濕交替作用下土壤中不同氮素的轉化和微生物的種類和土壤物理化學性質關系, 特別是肥料氮素的微生物轉化過程是今后研究的一個熱門方向。本文通過設計實驗，發現千屈草對氮素有很好的去除效果，本研究對于植物在干濕交替作用下水體中的氮素吸收利用率的分析有一定的意義，對于氮素遷移轉化和植物凈化富營養水體有一定的參考價值。