刈割措施对生态沟内氮磷有效性的影响

刈割措施对生态沟内氮磷有效性的影响

氮和磷是植物生长所必需的养分，也是重要的农业原料。由于农业面源氮、磷污染是水体富营养化的重要养分来源,开展面源污染的阻控技术研究具有重要现实意义。生态沟渠净化技术是近几年发展起来的一种占地面积小,运行和建设费用低的高效水质净化技术,已应用于农业面源污染和生活污水等水质净化。Wu等研究表明,生态沟渠对农业面源污染的氮、磷去除率分别达到60%和64%。生态沟渠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。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,其本身不仅可以直接从水层和底泥中吸收氮、磷,提高泥沙对氮、磷的滞留量,而且其发达的根系还为微生物提供了优良生存环境改变了基质通透性,增加污染物在沟渠中的转化与去除效应。方云英等报道,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,但主要集中在生态沟渠系统对水质净化效应研究,而有关植物刈割管理对氮、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。本研究以生态沟渠为对象,选用水生美人蕉(Cannaglauca)、铜钱草(Hydrocotylevulgaris)、黑三棱(Sparganiumstoloniferum)、穗花狐尾藻(Myriophyllumspicatum)和灯心草(Juncuseffusus)作为试验植物,通过植物刈割管理,对比刈割区和未刈割区底泥样和植物样氮、磷含量及水样氮、磷去除率,分析刈割对生态沟渠中水生植物拦截氮、磷的影响,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材料和方法1.1生态湿地建设试验区位于湖南省长沙县金井镇脱甲村(113°19′E,28°33′N),属于亚热带季风气候,年平均气温16.5~20.5℃,1月平均气温11.9℃,极端最低气温-5.2℃,7月平均气温27.9℃,极端最高气温39.1℃,≥10℃的有效积温6539℃,年平均降雨量1389mm,降雨多集中在4—6月,占全年降雨的76%。试验生态沟渠于2009年初由一条自然排水沟渠改建而成,沟渠工程参数如下:呈倒梯形结构,上口宽4m,下口宽2.8m,深1m。非降雨期沟渠水主要来自上游水塘,该水塘接纳农田排水和农户的生活污水。为防止植物窜长,用水泥墩和波浪形挡板将5个植物区隔开。1.2植物覆盖度改变的时期2010年9月20日在沟渠中沿水流方向依次种植水生美人蕉、铜钱草、黑三棱、穗花狐尾藻和灯心草5种多年生水生植物,每个植物区长30m×宽2m。在进行刈割试验前,试验沟渠中植物覆盖度已经饱和(生态沟渠已正常运行1年多)。为防止农田排水、降雨等因素对试验的影响,刈割试验在当地农闲和降雨量少的时期(2010年9月20日)进行。按照水流方向,刈割区与未刈割区间隔排列,即每间隔5m设置一个5m×2m的刈割区或未刈割区(将植物地上部分刈割即为刈割区,反之为未刈割区),各植物刈割和未刈割区均设3个重复。刈割时,水生美人蕉、铜钱草、穗花狐尾藻和灯心草生长良好,但部分黑三棱植株已枯萎。1.3样品采集与分析1.3.1底泥分析指标与方法植物刈割30d(2010年10月20日)后,在各个植物刈割和未刈割区的上、中、下部(上、中、下按水流方向定,进水方向为上)分别采集0~20cm的底泥样品。为防止边界效应,采样时选择沟渠横向的中间位置取样。底泥分析的指标与方法如下:pH用去离子水提取,玻璃电极法(GB7859—87)测定;全氮含量用半微量开氏法(GB7173—87)测定;全磷含量用钼锑抗比色法(GB9837—88)测定;土壤含水量用烘干法(GB7172—87)测定。1.3.2水样采集和测定总氮和总磷含量在水生植物刈割当天(2010年9月20日),采集5个植物区的水样,其测定值作为初始值,植物刈割20d后,采集第2次水样测定作为终值。水样采集位置与底泥一致。水样运回实验室后,尽快分析总氮和总磷含量。水样总氮用碱性过硫酸钾消化,流动分析仪测定;总磷用过硫酸钾消解,钼锑抗分光光度法测定。1.3.3植物生物量的测定在水生植物刈割当天(2010年9月20日)取第1次植物样,刈割60d后(2010年11月19日),取第2次植物样。在各植物区的刈割和未刈割区分别选取3个植物生长较均匀的样方,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,并分析各种植物茎叶中的氮、磷含量。即植物样品用H2SO4-H2O2消化后,用流动分析仪测全氮,用钼锑抗比色法测全磷。1.4全尾矿底泥养分去除率及含量初始值为定量分析刈割措施对氮、磷拦截的影响,以刈割区底泥及水样氮、磷去除率的提高值作为拦截效果的评价指标。计算公式如下:式中:R1为刈割区底泥氮或磷的削减率,%;R未/割分别为未刈割区和刈割区水样氮或磷的去除率,%;R2为刈割区水样氮或磷去除率的提高值,%;W未为未刈割区底泥中氮或磷的含量,g·kg-1;W割为刈割区底泥中氮或磷的含量,g·kg-1;C初为水样氮、磷浓度初始值,mg·L-1;C终为水样氮、磷浓度终值,mg·L-1。1.5处理数据采用SPSS11.5软件进行数据处理及统计分析,选用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不同种类植物叶片养分含量由表1可知,种植在300m2沟渠中的5种水生植物9月、11月两次刈割共带走全氮11.889kg、全磷1.099kg;单种植物(60m2)两次刈割共收获全氮量表现为水生美人蕉(7.686kg)>穗花狐尾藻(1.501kg)>铜钱草(1.128kg)>灯心草(0.974kg)>黑三棱(0.601kg),共收获全磷量表现为水生美人蕉(0.433kg)>穗花狐尾藻(0.233kg)>黑三棱(0.191kg)>铜钱草(0.134kg)>灯心草(0.109kg)。另外,在9月份,水生美人蕉带走的氮、磷最多,可去除氮、磷量分别为4.139kg和0.331kg,是黑三棱带走氮的9.34倍,是灯心草带走磷的3.45倍。水生美人蕉的氮、磷含量在5种试验植物中不是最高,但其刈割后带走的氮、磷却是最多,这是因为水生美人蕉的生物量最大。按当地每年800kg·hm-2氮肥、250kg·hm-2磷肥的使用水平,20%~25%的氮和20%~40%的磷流失量,则每年每hm2水生植物可拦截1.10~1.38hm2农田流失的氮肥、0.29~0.59hm2农田流失的磷肥。因此,水生植物是生态沟渠拦截氮、磷的有效因子。刈割60d后,对11月份的植株茎叶样品分析发现,铜钱草和穗花狐尾藻的氮、磷含量在刈割区和未刈割区差异不显著(P>0.05,余同)。在刈割区和未刈割区,水生美人蕉和灯心草的全氮含量差异显著(P<0.05,余同),全磷含量差异不显著。水生美人蕉的氮、磷含量在刈割区低于未刈割区,而灯心草的氮、磷含量却在刈割区高于未刈割区(见表2)。2.2底泥全磷含量由表3可知,除黑三棱外,刈割区底泥的全氮含量均低于未刈割区,但差异不显著。刈割区底泥的全氮含量依次为:水生美人蕉>铜钱草>黑三棱>灯心草>穗花狐尾藻;未刈割区底泥的全氮含量为:水生美人蕉>铜钱草>穗花狐尾藻>灯心草>黑三棱。与未刈割区相比,刈割区底泥全氮削减率的次序为:穗花狐尾藻(20.73%)>铜钱草(20.00%)>灯心草(16.05%)>水生美人蕉(4.86%)>黑三棱(-9.72%),说明刈割措施对穗花狐尾藻底泥全氮含量的影响最大,对水生美人蕉的影响最小。除了黑三棱和穗花狐尾藻外,其他3种水生植物的底泥全磷含量表现为刈割区低于未刈割区。铜钱草和灯心草的底泥全磷含量在刈割区和未刈割区之间差异显著,水生美人蕉、黑三棱和穗花狐尾藻之间差异不显著。刈割区底泥的全磷平均含量为0.23~0.42g·kg-1,其中灯心草底泥的全磷含量最低,水生美人蕉最高;未刈割区底泥的全磷平均含量为0.25~0.44g·kg-1,其中黑三棱底泥的全磷含量最低,水生美人蕉最高。与未刈割区相比,刈割区底泥全磷削减率的次序为灯心草(20.69%)>铜钱草(16.67%)>水生美人蕉(4.55%)>穗花狐尾藻(0.00%)>黑三棱(-16.00%),说明刈割措施对灯心草拦截氮、磷的影响最大,对穗花狐尾藻影响最小。2.3不同植物的总氮、总磷去除率由于试验植物生长在自然条件下,受到许多偶然因素的影响。水生植物刈割后,部分植物区的氮、磷浓度反而增加,但总体来看,刈割措施提高了氮、磷的去除率。水生植物对沟渠水中氮去除效果见图1。其中,水生美人蕉、铜钱草和灯心草的总氮去除率在刈割区和未刈割区之间差异显著,黑三棱和穗花狐尾藻之间差异不显著。除黑三棱外,其他4种水生植物在刈割区的总氮去除率均高于未刈割区。与未刈割区相比,刈割措施提高总氮去除率的次序为:灯心草(24.33%)>铜钱草(10.99%)>水生美人蕉(5.58%)>穗花狐尾藻(3.03%)>黑三棱(-3.10%),说明刈割对灯心草净化氮的影响最大,对穗花狐尾藻影响最小。由图1B可知,除穗花狐尾藻外,其他4种植物的总磷去除率在刈割区和未刈割区差异显著。与未刈割区相比,刈割措施提高了水生美人蕉、穗花狐尾藻、铜钱草和灯心草的总磷去除率,降低了黑三棱的总磷去除率。刈割措施对水生美人蕉的影响最大,对穗花狐尾藻影响最小,分别提高了其总磷去除率的51.07%和4.00%。3植物加工对土壤养分含量的影响生态沟渠管理不仅有利于防止沟渠植物腐烂、底泥中养分再释放等形式的二次污染,还可以提高其净化污染物的能力,最终达到减少面源污染中氮、磷流失的目的。人工生态沟渠的植物刈割是沟渠管理的重要方法,也是去除沟渠系统中氮、磷的有效途径。本研究中5种植物两次刈割试验共带走全氮11.889kg和全磷1.099kg。其他研究也表明植物刈割是去除湿地中氮、磷污染的重要途径。胡秋香等研究发现植物地上器官对氮、磷的累积量大于地下部,通过刈割植物地上部能有效去除湿地系统中的氮、磷。蒋跃平等也发现植物的氮、磷累积主要集中在植物地上部,地上部分的氮、磷累积量对水体氮、磷去除的贡献率分别达到38.5%和40.5%,通过对植物地上部分的刈割,可以去除轻度富营养化水体中大部分氮、磷。植物在不同生长季节和发育阶段具有不同的养分吸收特性。尹炜等选择辽宁盘锦天然芦苇场为研究对象,分析了芦苇地上部氮、磷含量在不同生长期的变化,结果表明,植物在8—9月积累的氮、磷最多。本研究结果表明,9月份5种水生植物地上部分刈割以后,共带走氮为6.611kg、磷为0.885kg,11月份5种水生植物共收获氮5.279kg、磷0.215kg。从时间角度比较,水生植物在9月份带走的氮、磷量高于11月份。但不同种类植物的刈割处理对收获氮、磷的影响存在差异。铜钱草和穗花狐尾藻收获的氮、磷在刈割区和未刈割区之间无明显差异,水生美人蕉在刈割区带走的氮、磷量低于未刈割区,灯心草带走的氮、磷量却在刈割区高于未刈割区。姜翠玲等研究表明,秋季芦苇和茭草刈割以后,可带走463~515kg·hm-2氮、127~149kg·hm-2磷按照黄漪平等的计算标准,则每年每1hm2的天然湿地植物可拦截2.3~3.2hm2农田流失的氮肥、1.3~3.0hm2农田流失的磷肥。本研究的5种水生植物秋季刈割后,每年每hm2植物平均可拦截1.10~1.38hm2农田流失的氮肥、0.29~0.59hm2农田流失的磷肥。本研究中水生植物拦截农田流失的氮、磷低于姜翠玲等的结果,这可能与试验条件的不同有关。Calheiros等研究发现人工湿地中污染物的去除率受植物种类的影响,污水性质、湿地基质等对植物氮、磷的吸收也有重要影响。刈割后的不同植物在同一时间存在生育期的差异,进而会影响各刈割区植物的氮、磷含量。当植物刈割后,往往会进行补偿性生长,这种补偿生长现象是植物在受到阙值内的胁迫压力(动物的采食、践踏、机械损伤等)之后形成的。本研究的供试植物中除黑三棱外,其他4种植物都出现了明显的补偿性生长。经过60d的补偿性生长,水生美人蕉、铜钱草、穗花狐尾藻和灯心草在刈割区的生物量分别为0.66kg·hm-2、0.27kg·hm-2、0.89kg·hm-2和0.16kg·hm-2,未刈割区的生物量分别为2.67kg·hm-2、0.29kg·hm-2、0.88kg·hm-2和0.60kg·hm-2。铜钱草和穗花狐尾藻在刈割区和未刈割区的生物量差异不显著,其氮、磷含量也无明显差异;水生美人蕉和灯心草的生物量在刈割区低于未刈割区,水生美人蕉在刈割区的氮、磷含量也低于未刈割区,而灯心草的氮、磷含量却高于未刈割区。说明刈割60d后铜钱草和穗花狐尾藻的生长已恢复到未刈割区的水平,而水生美人蕉和灯心草则处于生长的不同生育期。植物刈割影响湿地底泥和水体中的氮、磷水平。姜翠玲等利用芦苇湿地刈割和未刈割的对比试验发现,芦苇刈割区40cm以上底泥中的有机质、全氮和全磷含量低于未刈割区。本研究中植物刈割对底泥氮、磷的去除结果与其相似。刈割水生植物收获的氮、磷直接降低沟渠生态系统中内源氮、磷的循环,导致刈割区底泥的氮、磷含量低于未刈割区。同时,刈割后的水生植物将长出新芽,保持较旺盛的长势,在生长过程中会从外界环境吸收大量的氮、磷养分,进而降低刈割区底泥中氮、磷的含量,而未刈割区的植物已达到成熟期(部分植株会凋落),需要的养分不多。植物凋落时会将地上部的氮、磷转移至地下部,这些生长在底泥中植物的地下部自然会增加底泥中总体氮、磷水平。植