不同水环境下苦草腐解对水质的影响

为探究沉水植物在不同水环境下的腐解对水质的影响,在实验室条件下分别模拟不同生物量沉水植物苦草在高纯水、上覆水及底泥悬浮液环境下的腐解过程及其对水体水质的影响,并分别讨论了N、P等含量在底泥和上覆水环境下的差异性.结果表明:① 随着时间的推移,苦草腐解均会导致上覆水及底泥悬浮液中pH先降后升,ρ（DO）急剧降低.在上覆水环境中,pH自7.8降至7.2,再增至8.7;与试验初期相比,ρ（DO）在第10天降低了56%.在底泥悬浮液中,pH自7.8降至7.3,再增至8.3;在第10天ρ（DO）降低了近60%.② 在上覆水及底泥悬浮液中,苦草腐解以释放有机氮为主,NH₃-N次之;ρ（TP）在试验前期呈先升后降趋势,但在试验中期底泥悬浮液环境中ρ（TP）则呈动态平衡,约为1 mg/L.③ 不同生物量（0.1、0.2、0.4 g/L）的苦草腐解后水环境中的营养盐含量有所不同,其中ρ（COD_Cr）、ρ（TP）与生物量呈正相关,在试验前期ρ（TN）、ρ（NO₂--N）随着峰值的增大而增大.研究显示,苦草腐解对两种水环境的物化性质有着相似的影响,而对其主要营养盐氮、磷形态的变化有着显著性的差异.      

沉水植物黑藻腐解过程中营养盐释放过程

为探究沉水植物衰亡过程中营养盐的释放规律,采用黑藻(Hydrilla verticillata Royle)作为研究用沉水植物,在实验室内模拟了黑藻在初春温度下腐解过程中的主要营养盐碳、氮、磷的释放过程.结果表明:黑藻在试验初期迅速腐解,该过程中向水体释放大量碳(81.31%)、氮(81.62%)、磷(85.94%).但随着时间的推移,黑藻向水体释放的磷大部分沉积进入底泥,而氮有部分沉积进入底泥,同时有部分以气体形式移出水体.黑藻腐烂分解产生的厌氧条件以及高TOC供给促进水体反硝化作用加快氮素移出水体.但是较大生物残留量会引起水体缺氧,植物残体分解加剧,导致水质严重恶化,因此需要适时收割水生植物来控制水体残留生物量.     

沉水植物衰亡过程中营养盐的释放过程及规律

在实验室模拟条件下研究了常见沉水植物苦草、金鱼藻在自然衰亡过程中主要营养盐氮、磷的释放过程,探索沉水植物衰亡过程中营养盐的释放规律. 结果表明:秋、冬季低温条件下,苦草、金鱼藻逐渐衰亡腐败,该过程向水体中释放的氮、磷很少,大部分氮、磷保留在植物残体中. 至次年天气回暖后,植物体的腐败分解有所加快,向水体释放氮、磷并有部分氮、磷沉积进入底泥. 苦草、金鱼藻具有较低的分解速度,有利于降低系统中氮、磷的循环速度. 残留植物体的生物量可影响植物体的分解速度和程度,较大的生物残留量会引起水体缺氧,植物残体分解加剧,导致水质严重恶化.      

菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用对水质及植物生长的影响

通过室内实验模拟沉水植物季相交替过程,分析菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用对水质变化影响,探讨菹草不同残体量腐解对金鱼藻生长的影响.结果表明,不同残体量条件下,金鱼藻均能将水体营养盐及有机质保持在相对较低水平,且实验第29 d后基本保持稳定,其中DTN0.514 mg·L-1,TN0.559 mg·L-1,TP0.080 mg·L-1,DTP0.014 mg·L-1,TOC13.94mg·L-1,Chl-a26.546 mg·L-1,菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用对水质的改善效果明显,其中在20 g残体条件下处理效果较好,对水体TN、DTN、TP、TOC和Chl-a的去除率分别达到89.67%、52.51%、94.99%、55.59%和98.55%;不同残体量条件下金鱼藻的叶绿素、可溶性蛋白、丙二醛含量均比初始值增加,残体释放的营养盐促进了金鱼藻生长,在20 g残体条件下其对金鱼藻生长的促进作用最好.结果表明在水体含有20 g残体条件下,菹草腐解-金鱼藻生长耦合作用对水质的改善及植物生长的促进效果最显著.     

苦草光合作用日变化对水质的影响

通过静态模拟试验研究晴天时苦草(Vallisneria asiatica)的光合作用日变化对水质的影响. 分别采用水下饱和脉冲荧光仪(Diving-PAM)和多参数水质监测仪(YSI)在线监测苦草叶绿素荧光参数与水质,并定时采样测定水中营养盐的浓度. 结果表明,苦草叶片光合作用的相对电子传递速率(rETR)日变化与叶片表面的光合有效辐射(PAR)和温度同步,呈单峰曲线;光系统Ⅱ(PSⅡ)实际量子产量(Y)的日变化呈“W”型;水体的pH和ρ(DO)的日变化与苦草光合作用趋势一致,也呈单峰曲线,而电导率和浊度与光合作用没有相关性;水体中ρ(TN)一直保持稳定,ρ(TP)在23:00时出现峰值.苦草的光合作用能引起水体pH,ρ(DO)和ρ(TP)的改变;且pH和ρ(DO)对底泥磷释放的影响可能是一个动态平衡的过程.      

洱海湖滨带挺水植物残体腐解特征及其环境效应初探

采用试验模拟的方法,研究洱海4种主要挺水植物茭草(Zizania caduciflora)、香蒲(Typha latifolia)、水葱(Scirpus validus)和芦苇(Phragnites australis)在水体中的腐解特征. 结果表明:在21 d的腐解试验中,水葱腐解速率最快,茭草和香蒲其次,芦苇最慢; 挺水植物单位干物质TN释放量表现为水葱>茭草≈香蒲>芦苇,TP释放量表现为水葱>茭草>香蒲>芦苇; 4种植物TP释放率均高于TN,腐解出的TP进入水体的比例也明显高于TN. 水体中ρ(TN),ρ(TP)及ρ(COD_Cr)均在腐解初期(1～3 d)快速上升,pH和ρ(DO)快速下降; 随后,ρ(TN),ρ(TP)及ρ(COD_Cr)均缓慢下降,pH和ρ(DO)则缓慢回升. 结合洱海湖滨带挺水植物空间分布的调查结果,估算全湖湖滨带4种挺水植物中TN和TP的总质量分别为17.622和2.870 t,其中茭草和香蒲中的TN和TP分别占91%和95%,对茭草和香蒲进行适时、适宜的收割对改善湖滨带的水质具有重要的意义.      

不同生物量苦草在生命周期的不同阶段对水体水质的影响

在玻璃温室大棚内,模拟太湖的水、土、植物情况,研究了不同生物量苦草在1年内生命周期中不同阶段对水体水质的影响.研究结果表明,不同生物量的苦草在对水体水质的影响有较大的差异,此差异受苦草生长状况的影响显著.通过单因素方差分析得出从整个生命周期看,苦草生物量为992.00g时,对水体pH值影响最大,不利于苦草吸收NH4+-N和ρ(TOC)的降低;为496.00g时,水体ρ(DO)的周年平均值处于较高水平,约8.65mg/L;为228.00g时,有利于ρ(TP)的降低,不利于其吸收NO3--N和ρ(TN)的降低.其中,生长期,苦草对水体营养盐的去除率随生物量的增加不断增大,当生物量达到2380.00g时,去除率放缓;衰亡期,苦草生物量为168.00g时,水体TN去除率取得极大值,为784.00g时,水体TP去除率取得极小值.最终确定214.00g的苦草残余生物量为最佳滞留量,此时苦草密度为118.00g/m2.     

苦草不同生命阶段对水体、底泥中氮迁移转化的影响

沉水植物的生长发育、衰亡过程会对水体中氮循环产生一定影响。为了研究氮在水体-底泥-沉水植物系统中的迁移转化规律,构建了人工模拟的水体-底泥-沉水植物(苦草)系统,连续270 d测定了苦草整个生命周期内水体、底泥、苦草中总氮(TN)及各形态氮浓度的变化。结果表明,在苦草生长期的前90 d中,苦草生物量增长了近30倍,水体和底泥中的TN浓度都有所降低;90 d之后苦草陆续进入衰减期及腐解期,整个体系的TN浓度持续下降,在第180天时苦草组的水体及底泥TN浓度都小于空白组。至试验结束的第270天,苦草已经完全腐解,底泥中TN浓度比第180天下降了9.11%,但水体中的TN浓度与第90天时相当,是第180天的2.42倍。苦草组底泥及苦草中的NH+4-N和NO-3-N浓度在试验周期内变化较大,NH+4-N和NO-3-N在生长期由底泥迁移到苦草中,被植物吸收和利用,随着苦草的逐渐衰亡腐解,NH+4-N和NO-3-N大量释放,一部分沉积在底泥中;而空白组NH+4-N和NO-3-N浓度在底泥及水体中波动不大。     

底泥与衰亡植物营养释放及细菌群落演替差异的比较分析

为揭示两种"湖泛"因素对水质影响及细菌群落演替差异,对泸沽湖草海底泥和衰亡植物营养释放过程进行对比研究,并通过冗余分析阐明影响细菌群落不同阶段变化的主要环境因子.结果表明,前期是衰亡植物与底泥营养释放及细菌演替差异显著的主要阶段.植物腐解过程中,细菌前期厌氧发酵更剧烈,水体迅速处于低pH、低DO和低ORP(Oxidat...     

水体的营养水平对苦草(Vallisneria atans)生长的影响

在室外控制条件下,以太湖梅梁湾水体现状营养水平(ρ(TN)为5 mg/L和ρ(TP)为0.2 mg/L)为依据,研究营养盐含量升高对苦草生长的影响.结果表明:①在满足光补偿点及无种间竞争等的条件下,苦草在营养水平为ρ(TN)＞10 mg/L和ρ(TP)＞0.4 mg/L的水中也能成活.②随着营养盐含量的升高,苦草生物量的增长率逐渐降低,当水中ρ(TN)达到10 mg/L和ρ(TP)达到0.4 mg/L时,苦草的生物量开始减少;营养盐含量升高对苦草叶片特征的影响不明显,而苦草根状茎的生物量却随着营养盐含量的升高而逐渐减少,当水体营养水平达到ρ(TN)为10 mg/L和ρ(TP)为0.4 mg/L时,除叶片长度外,苦草的其他形态指标值均显著下降.③在梅梁湾水体现状营养水平的基础上,当水中磷含量增加1倍时对苦草生长造成的抑制作用大于氮含量增加1倍时;当二者均增加时,对植物生长造成的抑制作用显著增加.     

底泥对沉水植物生长和群落结构的影响

太湖流域中的5种土著沉水植物〔马来眼子菜（Potamogeton malaianus Miq.）、微齿眼子菜（Potamogeton maackianus）、苦草（Vallisneria spiralis L.）、黑藻（Hydrillaverticillata Royle）和金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）〕经人工配置成3种群落,分别栽植在3种不同类型的底泥上,经过53 d的试验,对人工配置的沉水植物的成活、生长和群落结构演变进行了研究.结果表明:有机质和营养盐含量较高、流动性大、稳定性差的淤泥底质不利于沉水植物的定植,植物成活率较低;氮、磷含量较高的淤泥底质比生泥底质更有利于沉水植物的生长,沉水植物具有较高的相对生长速率,但过于肥沃的底泥会对水生植物的生长产生抑制作用.试验条件下,营养盐含量低的底泥有利于提高生物多样性.3种人工配置的群落中,无论黑藻是否为主栽种,其优势度均明显增加,成为群落优势种.因此,人为配置的沉水植物群落是不稳定的,群落优势种和稳定的群落结构主要由环境条件决定.      

大型水生植物混合腐解对入湖河口水质的影响及适宜生物量研究

为探究水生植物腐解释放的营养盐在泥-水-植物系统中迁移规律以及冬春季衰亡期大型水生植物的最适生物量,在塑料通风大棚内,开展不同梯度生物量下多种水生植物混合腐解试验.选择冬季蠡湖-陆典桥浜河口区的水生植物为研究对象,根据实际收割规律,设定腐解试验的生物量依次为除根部以外总生物量的0%、20%、40%、60%、80%、100%,于2018年12月25日开展试验,共150 d.结果表明:①与恒温室内条件相比,近自然条件下多种混合水生植物腐解的前2个阶段具有长时性和持续性.②水生植物腐解致使含C、N、P元素的指标在0~30 d内快速升高,70 d左右达到峰值,100 d后缓慢降低直至稳定,整个变化过程持续近120 d,但植物茎叶未彻底分解,多数沉积在底泥表面.③泥-水-植物系统中,试验初期底泥以释放营养盐为主,30 d后以吸附为主;相关性分析表明,茎叶生物量与水体和底泥中养分浓度均呈正相关.研究显示,与其他试验组相比,收割后水生植物生物量剩余20%时更有利于入湖河口水质的改善.      

黑藻与金鱼藻自然衰亡过程中营养盐释放规律研究

为研究在自然衰亡状态下黑藻（Hydrilla verticillata）与金鱼藻（Ceratophyllum demersum）营养盐释放规律,采用人工模拟的方式,于黑藻和金鱼藻进入衰亡期时,采用塑料薄膜捆扎植物根部的方式,阻隔水和底泥界面之间的物质交换,避免底泥释放对水营养盐的影响;同时,监测水中环境因子和营养盐的动态变化,分析营养盐的释放与环境因子之间的关系.结果表明:①黑藻和金鱼藻两种沉水植物在模拟自然状态下分解速率和生物量无显著性差异（P>0.05）,Olson指数的分解速率分别为0.011、0.010 d-1.②水中氮、磷质量浓度峰值在试验的第40~50天.水中磷形态以DTP（溶解性总磷）和SRP（溶解性活性磷）为主,氮形态以DTN（溶解性总氮）和NO₃--N为主.由于SRP、NO₃--N分别是DTP、DTN的组分之一,因此黑藻和金鱼藻在衰亡期向水中释放的氮、磷形态主要为NO₃--N和SRP.③环境因子pH、DO、ORP（氧化还原电位）均呈不同程度的先降后升趋势.主成分分析结果表明,金鱼藻和黑藻环境因子主成分F_j和F_h、生物量剩余百分比分别与两植物组营养盐第一主成分之间二次曲线拟合效果较好,因此通过对数据进行降维处理,可建立二者之间的函数方程.研究显示,黑藻和金鱼藻两种沉水植物自然分解速率基本一致,衰亡期间向水中主要释放NO₃--N和SRP,水中氮、磷质量浓度呈单峰变化,通过主成分分析可以建立环境因子和营养盐之间的函数关系.      

狐尾藻在不同营养底泥腐解过程中胡敏酸的变化

采用平行因子分析方法,结合紫外吸收光谱、三维荧光光谱以及傅里叶变换红外光谱技术,研究了沉水植物狐尾藻在低、中、高营养底泥腐解过程中胡敏酸（HA）的变化,进一步揭示了不同营养底泥对沉水植物腐解的影响机制.结果表明,底泥营养水平越高,狐尾藻腐解得越快（P<0.05）,释放出更多的溶解性有机碳（DOC）、溶解性总氮（DTN）、溶解性总磷（DTP）和腐殖质;底泥营养程度与HA的疏水性、分子复杂性、分子量大小呈正相关（P<0.05）;荧光鉴别出不同营养底泥HA都含有1种类蛋白质组分C2和2种类富里酸组分C1、C3,且类富里酸组分和类蛋白质组分在不同腐解条件下具有相似的组分特征;不同营养底泥不同时间提取的HA红外图谱较为相似,表明不同腐解条件不同时间提取的HA含有相似的官能团,狐尾藻腐烂高营养底泥组提取的HA含有更多的芳香性物质和有机磷.采用光谱分析法对狐尾藻腐烂分解HA成分的化学结构特征进行系统的研究,可深入了解不同营养底泥对沉水植物腐解的影响机制,为湖泊水环境生态治理和修复提供理论参考.     

静水与流水条件下沉水植物生长对上覆水和沉积物磷迁移的影响

沉水植物生长可有效降低河湖内源磷污染. 为探究沉水植物在静水(v=0 m/s)和流水(v=0.10 m/s)条件下对上覆水和沉积物磷迁移影响,选取苦草(Vallisneria natans)和黑藻(Hydrilla verticillata)为研究对象,测定其生长期间上覆水、沉积物中各形态磷含量和沉水植物生物量,并监测环境因子变化. 结果表明:①苦草和黑藻生长期间上覆水和沉积物中各形态磷含量总体呈下降趋势,并在一定时期维持在较低水平. 相同流速下黑藻对上覆水磷的吸收效果优于苦草,苦草能抑制沉积物表面磷释放. ②试验20 d后,苦草和黑藻组上覆水各形态磷浓度显著低于对照组,试验结束时静水苦草组、静水黑藻组、流水苦草组和流水黑藻组上覆水TP(总磷)浓度相比对照组分别下降了0.13、0.15、0.19和0.25 mg/L. 静水条件下沉水植物以降低上覆水中DTP(溶解性总磷)为主,流水条件下以减少DTP和PP(颗粒磷)为主. ③试验结束时,苦草组和黑藻组沉积物TP含量在静水条件下分别下降了91.78、93.25 mg/kg,流水条件下分别下降了83.51、81.03 mg/kg;NaOH-P(NaOH提取磷)含量在静水条件下分别下降了57.76、55.86 mg/kg,流水条件下分别下降了24.52、19.24 mg/kg,沉积物从轻度污染逐步转为未受污染. ④试验50 d,苦草生物量在静水和流水条件下分别增加了353.08和402.03 g,黑藻生物量分别增加了415.00和477.08 g,沉水植物生物增长量在流水条件下显著高于静水组. 研究显示,苦草、黑藻生长均能有效吸收磷,在流水条件下可促进沉水植物生长和磷的吸收,同时改变了上覆水溶解氧(DO)浓度和pH等环境因子,从而影响磷在上覆水和沉积物的迁移及磷形态的转变.      

苦草对水-底泥-沉水植物系统中氮素迁移转化的影响

通过模拟水-底泥-沉水植物(苦草)系统,检测了苦草整个生命周期内总氮及各形态氮含量的变化,以反映N在该系统内的迁移转换.结果表明,在整个研究阶段,空白组和苦草组系统氮含量(水体+底泥+苦草中氮含量)均持续降低,但苦草组(实验始末)氮含量降低幅度明显高于空白组,其中苦草组系统中TN、NH4+-N、NO3--N含量分别减少了41.68%、81.96%、93.34%,分别比空白组提高了11.39%、31.90%、0.28%;苦草组底泥中TN、NH4+-N、NO3--N含量分别减少了43.45%、87.41%、96.50%,分别比空白组提高了13.78%、37.26%、1.68%.苦草的存在促进了底泥氮的释放,显著提升了底泥微生物活性及氮循环菌的数量,从而加快了系统内的氮素循环,并在其生命周期的不同阶段明显改变各形态氮的迁移及转化方式.2012年7~10月,苦草组系统总氮(TN)减少幅度最大,到10月份,水体中氮素含量达到最少.     

沉水植物生长期对沉积物和上覆水之间磷迁移的影响

分别在春季培养黑藻(Hydrilla verticillata)和苦草(Vallisneria natans),在冬季培养菹草(Potamogeton crispus),跟踪监测在沉水植物影响下环境因子的变化,及上覆水和沉积物各形态磷的浓度变化,以探讨沉水植物对磷在沉积物和上覆水中迁移转化的规律.结果表明,不同季节实验条件下沉水植物均能不同程度降低上覆水中各形态磷的浓度.在植物生长期上覆水磷浓度保持在相对较低的水平,黑藻、苦草和菹草组上覆水中总磷(TP)的浓度分别保持在0.03～0.05、0.04～0.12和0.02～0.11 mg.L-1.沉水植物组沉积物中各形态磷的浓度均呈现不同程度的降低,黑藻、苦草和菹草组沉积物TP的含量最大降低幅度分别为35.34、60.67和25.92 mg.kg-1.植物组上覆水溶解氧(DO)、氧化还原电位(Eh)和pH均显著提高(DO 10.0～14.0mg.L-1;Eh 185～240 mV;pH 8.0～11.0),沉积物中Eh(-140～-23 mV)也明显提高,并使得沉积中pH保持在中性范围内(7.2～8.0).沉水植物通过提高上覆水中的DO、Eh和pH及沉积物Eh的方式影响上覆水和沉积物之间磷的迁移转化.     

滨岸带水华堆积与消散特征及其营养盐效应

为了解滨岸带植被、地形等地貌要素对蓝藻水华堆积及消散过程的影响,在太湖滨岸带设置不同形式的围格和植被实验区,通过逐日监测水体叶绿素a（Chl-a）的消长过程及同步营养盐变化,研究夏季蓝藻水华在湖泊滨岸带堆积与消散特征和营养盐效应.结果表明,滨岸带的地形地貌及植被状况对蓝藻水华的堆积程度及消散过程影响较大,软围隔营造的滨岸带静水环境,以及不同植被所形成的不同滞水区,显著加剧了蓝藻水华的局部堆积,从岸边挺水和浮叶植被区到开敞水域对照区,蓝藻水华的堆积程度依次递减;近岸挺水和浮叶植被区蓝藻水华堆积最严重,堆积时间最早,持续时间长;蓝藻水华堆积对营养盐等水质指标影响极大,堆积严重时该区域Chl-a含量达到了457.42μg/L,总氮（TN）达到11.04mg/L,总磷（TP）达到1.32mg/L;橡胶围格内浮叶植物区藻类堆积程度与近岸区类似,而浮叶植物与沉水植物混合区藻类堆积程度低于单一浮叶植物区;水体围隔能够加剧蓝藻水华的堆积,没有围隔的浮叶植物区藻类堆积程度最低.在蓝藻水华堆积过程中,蓝藻细胞仍在继续增殖,水体Chl-a仍会明显增加,而同期的水体营养盐的增幅小于Chl-a,甚至随着藻类生长消耗及生态系统的脱氮效应,溶解态氮磷下降明显.蓝藻水华消散过程中,TN、TP与Chl-a同步下降,但藻体中的氮磷释放到水中,导致堆积区的溶解态氮、磷有所增加,显示出明显的营养盐效应.本研究定量刻画了蓝藻水华局部堆积并快速致灾的地形地貌要素特点,揭示了蓝藻水华的水质与生态效应,为科学评估富营养化水体蓝藻水华的生态灾害风险提供科学依据.