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Absorption capacity of nitrogen and phosphorus of aquatic plants and harvest management research

水生植物的氮磷吸收能力及收割管理研究



全 文 :书水生植物的氮磷吸收能力及收割管理研究
余红兵1,2,杨知建2,肖润林3,张树楠3,刘锋3,向佐湘2
(1.湖南城市学院建筑与城市规划院,湖南 益阳413000;2.湖南农业大学农学院,湖南 长沙410128;
3.中国科学院亚热带农业生态研究所,湖南 长沙410125)
摘要:为了探讨水生植物收割对沟渠湿地氮、磷去除的影响。在生态沟渠中选用水生美人蕉、铜钱草、黑三棱、狐尾
藻和灯心草为试验材料,对其氮、磷吸收能力以及收割和不收割进行研究。结果表明,5种植物氮、磷吸收量的季节
变化均呈单峰曲线,水生美人蕉值最高,其氮、磷吸收量峰值分别为75.97和13.52g/m2;多次收割收获的生物量、
总氮、总磷量均是单次收割的几倍,其变化范围为3.62~6.72倍;除黑三棱外,收割措施能够提高湿地底泥氮、磷
的去除率。各植物收割区的底泥氮、磷削减率一般在1月份时达到最大值,5种植物的平均总氮、总磷削减率均依
次为:水生美人蕉>狐尾藻>铜钱草>灯心草>黑三棱。因此,合适的收割措施既能转移出植物中的营养物质,又
能利于植物的恢复和生长,提高底泥氮、磷的去除率。
关键词:生态沟渠;水生植物;收割;氮;磷
中图分类号:Q948.8  文献标识码:A  文章编号:10045759(2013)01029406
  伴随农业化肥的大量使用,氮磷污染在湿地农田生态系统尤为突出[1]。氮、磷既是植物生长必需的营养元
素,也是重要的农业面源污染物[2],而水生植物在水体中的生态功能使其在农业面源污染控制中起着十分重要的
作用[3]。生态沟渠是由农田排水沟渠及其内部种植的植物组成,通过沟渠拦截径流和泥沙,植物滞留和吸收氮、
磷,实现生态拦截氮、磷的功能[46],因此利用沟渠中水生植物去除氮磷是一种重要的措施。如果在秋季水生植物
生长期结束后不及时收割而从沟渠中移走,植物体内的N、P等营养成分将腐烂分解,释放出的N、P等营养物质
将释放到沟渠水体,造成水体二次污染[3,7]。方云英等[8]报道,利用水生植物吸收营养物质,并通过收获植物带
走水中的营养物质是一种简单、高效、代价低的修复污染水体及防治二次污染的方法。
目前,国外有关沟渠湿地对氮、磷污染物净化研究多集中于自然沟渠系统,国内有关生态沟渠与氮、磷污染阻
控效应研究开展不少[9,10],但主要集中在生态沟渠系统对水质净化效应研究,而有关植物收割管理对氮、磷养分
在生态沟渠水-植物-底泥系统中转化和去除效应影响的研究不多。有计划、合理地收割水生植物可以保证水
生植物净化水质的功能,又不会影响水生植物的繁殖,收割水生植物转移氮、磷营养盐的生物治理工程技术可以
长期正常运行。本研究选用5种水生植物作为试验植物,通过氮、磷吸收量的季节性变化,多次收割和一次收割
比较以及水生植物对底泥的影响,进而为生态沟渠更有效地净化氮、磷等面源污染物提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究地概况
试验于2010-2011年在湖南省长沙县金井镇中国科学院长沙农业环境观测站农田区的一条生态沟渠中进
行,该沟渠为城郊农业区环境质量修复与功能提升技术研究与示范基地,试验前对该区的排水沟渠按工艺要求进
行了工程改造以及植物种植。当地属于中亚热带南缘季风气候。周边以水稻田为主,整个试验区与外界的水体
交换都通过沟渠系统,在沟渠中沿水流方向依次种植5种水生植物,分别是水生美人蕉(犆犪狀狀犪犵犾犪狌犮犪)、铜钱草
(犎狔犱狉狅犮狅狋狔犾犲狏狌犾犵犪狉犻狊)、黑三棱(犛狆犪狉犵犪狀犻狌犿狊狋狅犾狅狀犻犳犲狉狌犿)、狐尾藻(犕狔狉犻狅狆犺狔犾犾狌犿狏犲狉狋犻犮犻犾犾犪狋狌犿)和灯心草
(犑狌狀犮狌狊犲犳犳狌狊狌狊)。
294-299
2013年2月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第22卷 第1期
Vol.22,No.1
收稿日期:20120802;改回日期:20121019
基金项目:中国科学院知识创新工程项目(KZCX2YWT07),外国专家局项目(201004910058)和益阳市科技计划项目(2012JZ52)资助。
作者简介:余红兵(1976),女,湖南益阳人,讲师,博士。Email:bingbingyu76@163.com
通讯作者。Email:xiaorl@isa.ac.cn
1.2 试验处理与样品采集
1.2.1 试验处理 在2010年对5种植物进行收割试验。在每个植物区设定多次收割、一次收割和未收割3个
处理,3个处理的面积均是长20m×宽1m,按左-中-右分布。根据植物的生长特性,水生美人蕉多次收割时
间为6,9月,黑三棱、灯心草的收割时间为5,9,11月,铜钱草、狐尾藻的是4,6,9,11月。一次收割的时间定在
2010年9月份进行。
1.2.2 植物样品 于2009年3-11月取植物样品,在各植物区分别随机选取3个植物样方,样方面积为1m×
1m,采用收获法采集地上部分样品。样品带回实验室用自来水清洗,蒸馏水2次清洗。所有样品在70℃下烘干
至恒重,计算生物量。将烘干的植物样碾磨,过60目筛,样品放入自封袋保存,以备分析其氮、磷含量。
1.2.3 底泥样品 于植物收割(2010年9月)一段时间后,即于2010年11月和2011年1,4月分别在5种水生
植物区的收割和未收割区设采样点,采用S形取样法取0~20cm的表层底泥样品。分别分析总氮、总磷含量。
1.3 分析方法
底泥样品:测总氮用半微量凯氏法(GB717387);测总磷用钼锑抗比色法(GB983788);测土壤含水量用烘干
法(GB717287)。
植物样品用 H2SO4-H2O2 消化后,用流动分析仪测全氮,用钼锑抗比色法(GB983788)测全磷。
1.4 数据计算与统计方法
植物氮、磷吸收量的计算公式为:
犘犃=犘犆×犘犅 (1)
收割区底泥氮或磷的削减率的计算公式为:
犚1=
(犆未-犆割)
犆未 ×100%
(2)
植物地上部生物量的提高率或收获植物氮、磷的提高率的计算公式为:
犚2=
(犆多-犆一)
犆多 ×100%
(3)
式中,犘犃为植物氮、磷吸收量,g/m2;犘犆为植物氮、磷的浓度,g/kg;犘犅为植物生物量,kg/m2;犚1 为收割区底泥
氮或磷的削减率,%;犆未为未收割区底泥中氮或磷的含量,g/kg;犆割为收割区底泥中氮或磷的含量,g/kg;犚2 为
多次收割和一次收割地上部生物量或植物氮、磷的提高率,%;犆多为多次收割植物生物量或氮、磷吸收量,kg/m2
或g/m2;犆一 为一次收割植物生物量或氮、磷吸收量,kg/m2 或g/m2。
采用SPSS11.5软件进行数据处理及统计分析,采用Duncan法进行差异显著性检验,用Excel软件作图。
2 结果与分析
2.1 水生植物氮、磷吸收量的季节性变化
5种植物氮、磷吸收量的季节变化均呈单峰曲线,氮吸收量的峰值分布在10.30~75.97g/m2(图1),最高值
为水生美人蕉,最低值为铜钱草,且5种植物的峰值分别出现在4月(狐尾藻和灯心草)、5月(铜钱草和黑三棱)
和6月(水生美人蕉);磷吸收量的峰值分布在1.36~13.52g/m2(图2),最高和最低值仍为水生美人蕉和铜钱
草,5种植物的峰值同样出现在4月(铜钱草、狐尾藻和灯心草)、5月(黑三棱)和6月(水生美人蕉)。5种植物的
年平均吸氮量依次为:水生美人蕉(47.31g/m2)>狐尾藻(12.56g/m2)>黑三棱(8.58g/m2)>灯心草(8.14
g/m2)>铜钱草(6.68g/m2),年平均吸磷量依次为:水生美人蕉(6.72g/m2)>狐尾藻(1.97g/m2)>黑三棱
(1.63g/m2)>灯心草(1.13g/m2)>铜钱草(1.00g/m2)。
2.2 收割频度对水生植物氮磷吸收量的影响
多次收割收获的地上部生物量、植物氮、磷吸收量远高于一次收割(图3,4,5)。多次收割收获的总生物量
(1239.92kg/a)是一次收割总生物量(342.28kg/a)的3.62倍;多次收割收获的总氮(15.74kg/a)、总磷(2.29
kg/a)分别是一次收割带走总氮(4.16kg/a)、总磷(0.34kg/a)的3.78和6.72倍。与一次收割相比,多次收割
收获地上部生物量的提高率依次为:灯心草(92.91%)>黑三棱(81.11%)>狐尾藻(80.40%)>铜钱草
592第22卷第1期 草业学报2013年
(79.67%)>水生美人蕉(55.69%);收获植物氮的提高率依次为:灯心草(87.58%)>黑三棱(86.71%)>狐尾藻
(84.23%)>铜钱草(77.78%)>水生美人蕉(58.81%);收获植物磷的提高率依次为:黑三棱(96.06%)>灯心草
(92.29%)>狐尾藻(88.64%)>铜钱草(82.86%)>水生美人蕉(75.00%),经检验,灯心草、黑三棱多次收割均
与一次收割存在极显著差异,铜钱草、狐尾藻差异显著,而水生美人蕉无显著差异,这是由于在11月份植物收割
时,灯心草和黑三棱已完全枯萎,水生美人蕉仍然生长旺盛。
图1 水生植物全氮吸收量的季节性变化
犉犻犵.1 犛犲犪狊狅狀犪犾犱狔狀犪犿犻犮狊狅犳狋犺犲狌狆狋犪犽犲狅犳
狋狅狋犪犾犖犫狔犪狇狌犪狋犻犮狆犾犪狀狋狊
图2 水生植物全磷吸收量的季节性变化
犉犻犵.2 犛犲犪狊狅狀犪犾犱狔狀犪犿犻犮狊狅犳狋犺犲狌狆狋犪犽犲狅犳
狋狅狋犪犾犘犫狔犪狇狌犪狋犻犮狆犾犪狀狋狊
2.3 水生植物收割对底泥氮磷的影响
图3 多次收割与一次收割收获生物量的比较
犉犻犵.3 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅狀犫犻狅犿犪狊狊狅犳犪狇狌犪狋犻犮狆犾犪狀狋狊犫犲狋狑犲犲狀
犿犪狀狔犮狌狋狋犻狀犵犪狀犱狊犻狀犵犾犲犮狌狋狋犻狀犵
   A:水生美人蕉犆.犵犾犪狌犮犪;B:铜钱草 犎.狏狌犾犵犪狉犻狊;C:黑三棱犛.狊狋狅犾狅
狀犻犳犲狉狌犿;D:狐尾藻犕.狏犲狉狋犻犮犻犾犾犪狋狌犿;E:灯心草犑.犲犳犳狌狊狌狊.下同Thesame
below.
2010年11月和2011年1,4月分别采集5个
植物收割区和未收割区的底泥样品分析,结果表明,
5种水生植物在收割区的总氮削减率差异显著(犘<
0.05)(图6),除黑三棱外,其他4种植物收割区的
氮、磷含量明显低于未收割区。除狐尾藻1月份的
总氮削减率显著高于其他2个月外,1月份的水生
美人蕉、灯心草总氮削减率分别与11,4月份的差异
显著(犘<0.05),其他植物在11,1和4月的总氮削
减率差异不显著(犘>0.05)。水生美人蕉、铜钱草、
狐尾藻和灯心草在收割区的总氮削减率均为正值,
峰值最高的为1月份的水生美人蕉,高达38.59%。
5种植物的平均总氮削减率依次为:水生美人蕉
(29.00%)>狐尾藻(21.93%)>铜钱草(16.46%)>
灯心草(12.37%)>黑三棱(-18.40%),说明收割
措施对水生美人蕉的底泥全氮含量影响最大,对黑
三棱的影响最小。
水生美人蕉、铜钱草、狐尾藻和灯心草在收割区的总磷削减率均为正值(图7),除铜钱草外,其他4种植物的
峰值均出现在1月份,峰值最高的为水生美人蕉,高达31.31%。5种植物的总磷削减率平均值依次为:水生美人
蕉(21.40%)>狐尾藻(19.32%)>铜钱草(13.01%)>灯心草(11.32%)>黑三棱(-9.47%),说明收割措施对
水生美人蕉的底泥全磷含量影响最大,对黑三棱的影响最小。
692 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.1
图4 多次收割与一次收割收获植物氮的比较
犉犻犵.4 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅狀狋犺犲狌狆狋犪犽犲狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犫狔犪狇狌犪狋犻犮
狆犾犪狀狋狊犫犲狋狑犲犲狀犿犪狀狔犮狌狋狋犻狀犵犪狀犱狊犻狀犵犾犲犮狌狋狋犻狀犵
图5 多次收割与一次收割收获植物磷的比较
犉犻犵.5 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅狀狋犺犲狌狆狋犪犽犲狅犳狆犺狅狊狆犺狅狉狌狊犫狔犪狇狌犪狋犻犮
狆犾犪狀狋狊犫犲狋狑犲犲狀犿犪狀狔犮狌狋狋犻狀犵犪狀犱狊犻狀犵犾犲犮狌狋狋犻狀犵
图6 收割区的底泥总氮削减率
犉犻犵.6 犚犲犿狅狏犪犾狉犪狋犲狅犳狋狅狋犪犾犖犻狀狊犲犱犻犿犲狀狋狅犳狆犾狅狋狊狑犻狋犺
狋犺犲犺犪狉狏犲狊狋犲犱犪狇狌犪狋犻犮狆犾犪狀狋狊
图7 收割区的底泥总磷削减率
犉犻犵.7 犚犲犿狅狏犪犾狉犪狋犲狅犳狋狅狋犪犾犘犻狀狊犲犱犻犿犲狀狋狅犳狆犾狅狋狊狑犻狋犺
狋犺犲犺犪狉狏犲狊狋犲犱犪狇狌犪狋犻犮狆犾犪狀狋狊
不同字母表示差异显著(犘<0.05)。Thedifferentlettersmeansignificantdifferenceat0.05level.
3 讨论
Gumbricht[11]指出,收割水生植物是一种从水体中去除营养物质的有效途径。李燕等[12]研究发现沉水植物
对磷的释放一般需要10d左右,而总氮的释放需要28~30d,因此沉水植物必须在其死亡1周之内收割,这样才
能有效防止水体的二次污染。
植物收割能够影响湿地底泥的氮、磷水平。姜翠玲等[13]利用芦苇(犘犺狉犪犵犿犻狋犲狊犪狌狊狋狉犪犾犻狊)湿地收割和未收割
的对比试验发现,芦苇收割区40cm以上底泥中的有机质、全氮、全磷含量低于未收割区。在本研究中,除黑三棱
外,其他植物的收割区底泥氮、磷含量都低于未收割区,这和姜翠玲等[13]的研究结果相似。这主要是因为收割后
的植物将发出新芽,从生长初期渐趋于生长旺盛期,植物生长中吸收的氮、磷养分主要从沟渠水体和底泥中吸收,
使沟渠底泥和水中的氮、磷含量减少,而黑三棱已经枯萎。在未收割区的植物生长已趋于稳定,所吸收养分已饱
和。同时,收割水生植物除带走植物的氮、磷营养成分以外,还改善了沟渠湿地的曝气和光照条件,促进氮、磷营
养物质的分解与转化,使植物收割区底泥中的总氮、总磷含量比未收割区明显降低。
从时间尺度上比较,本试验结果也表明各植物收割区的底泥氮、磷削减率一般在1月份时达到最大值。收割
水生植物收获的氮、磷直接降低沟渠生态系统中氮、磷的循环,导致收割区底泥的氮、磷含量低于未收割区。植物
凋落时会将地上部的氮、磷转移至地下部[14],这些生长在底泥中的植物地下部自然会增加底泥中总体氮、磷水
平。另外,植物收割可以改善沟渠曝气和光照条件,加快有机质和氮、磷的分解,也导致底泥中总氮、总磷明显低
于未收割区[4]。
792第22卷第1期 草业学报2013年
为了使收割管理更有效地去除氮、磷,除了秋冬季节收割即将枯萎的植物外,其他季节则根据不同植物的生
长特性,进行定期收割。本研究中多次收割收获的生物量、可带走的总氮、总磷量均是单次收割的几倍。收割作
为一种农艺手段,既能提高植物地上部的再生能力[1517],又能降低沟渠湿地的氮、磷水平[18]。蒋跃平等[19]的研
究结果也表明,植物的氮磷积累量主要集中在植物的地上部,其平均氮磷积累对去除水中氮磷的贡献率分别为
38.5%和40.5%,所以通过对植物地上部分的收割,就可以去除水中大部分的氮、磷。因此,适时对植物地上部
进行收割可以有效地从水体中移除氮、磷,并促进植物的再生,以维持生态沟渠对水体的持续净化作用,避免植物
枯落物对水体产生二次污染。
4 结论
1)水生植物氮、磷吸收量的年度季节性变化表明水生美人蕉的最佳收割时间是6月,铜钱草、黑三棱的最佳
收割时间是5月,狐尾藻和灯心草的最佳收割时间是4月。
2)多次收割收获的植物生物量(1239.92kg/a)是一次收割(342.28kg/a)的3.62倍;多次收割可带走的总
氮、总磷量为15.74和2.29kg/a,分别是一次收割带走总氮量(4.16kg/a)和总磷量(0.34kg/a)的3.78和6.72
倍。多次收割的植物管理对灯心草、黑三棱影响最大,对水生美人蕉的影响最小。
3)除黑三棱外,其他4种植物在11,1和4月份的底泥氮、磷含量明显低于未收割区,各植物收割区的底泥
氮、磷削减率一般在1月份时达到最大值。5种植物收割区中对底泥的总氮、总磷平均削减率最强的为水生美人
蕉,最弱的为黑三棱,说明收割措施对水生美人蕉的底泥总氮、总磷含量影响最大,对黑三棱的影响最小。
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犃犫狊狅狉狆狋犻狅狀犮犪狆犪犮犻狋狔狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犪狀犱狆犺狅狊狆犺狅狉狌狊狅犳犪狇狌犪狋犻犮狆犾犪狀狋狊犪狀犱犺犪狉狏犲狊狋犿犪狀犪犵犲犿犲狀狋狉犲狊犲犪狉犮犺
YUHongbing1,2,YANGZhijian2,XIAORunlin3,ZHANGShunan3,LIUFeng3,XIANGZuoxiang2
(1.ColegeofArchitectureandUrbanPlanning,HunanCityUniversity,Yiyang413000,China;
2.ColegeofAgronomy,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China;
3.InstituteofSubtropicalAgricultureandEcologyChineseAcademy
ofSciences,Changsha410125,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Inordertoinvestigatethefacthowharvestingaquaticplantsaffectstheremovalofnitrogenandphos
phorus.犆犪狀狀犪犵犾犪狌犮犪,犎狔犱狉狅犮狅狋狔犾犲狏狌犾犵犪狉犻狊,犛狆犪狉犵犪狀犻狌犿狊狋狅犾狅狀犻犳犲狉狌犿,犕狔狉犻狅狆犺狔犾犾狌犿狏犲狉狋犻犮犻犾犾犪狋狌犿and
犑狌狀犮狌狊犲犳犳狌狊狌狊wereselectedforthestudyinecologicalditch,absorptioncapacityofnitrogenandphosphorus
weretestedandeachplantwasdividedintoharvestedandnonharvestedplots.Theresultsshowedthat,sea
sonaldynamicsoftheuptakeoftotalnitrogenandphosphorusbyaquaticplantschangedinasinglepeakcurve,
犆.犵犾犪狌犮犪ishighest,theabsorptioncapacitypeakvalueofnitrogenandphosphoruswere75.97and13.52
g/m2,respectively;Removingbiomass,totalnitrogenandphosphorusofaquaticplantsthroughrepeatedcut
tingwereseveraltimessinglecutting,thechangesintherangeof3.62-6.72times.Inadditionto犛.狊狋狅犾狅
狀犻犳犲狉狌犿,theharvestcanimprovetheremovalrateofnitrogenandphosphorusinsedimentofotheraquatic
plants.Comparedwiththenonharvestedplot,theharvestcanimprovetheremovalrateofsedimenttotalni
trogenandphosphorusinthefolowingorder:犆.犵犾犪狌犮犪>犕.狏犲狉狋犻犮犻犾犾犪狋狌犿>犎.狏狌犾犵犪狉犻狊>犑.犲犳犳狌狊狌狊>犛.
狊狋狅犾狅狀犻犳犲狉狌犿.Therefore,appropriateharvestmeasurescannotonlytransfernutrientsofplants,butalsocon
ducivetotherecoveryandgrowthofplantsandimprovetheremovalrateofsedimenttotalnitrogenandphos
phorus.
犓犲狔狑狅狉犱狊:ecologicalditch;aquaticplants;harvest;nitrogen;phosphorus
992第22卷第1期 草业学报2013年