水生植物生物質(zhì)腐爛分解過程研究

水生植物生物質(zhì)腐爛分解過程研究

在草地湖，大型水生植物不僅在生態(tài)平衡和水質(zhì)保護中發(fā)揮著重要作用，而且是湖泊生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。植物自身的碳、氮、磷等養(yǎng)分的吸收、收獲和轉化過程調(diào)節(jié)了水體的養(yǎng)分平衡。研究了大型水生植物在湖泊營養(yǎng)循環(huán)中的作用，闡明了大型水生植物的凈化機制、潛在二次污染和生物聚集效應。這不僅是研究湖泊發(fā)展規(guī)律和機制的重要方面，而且對制定合理的水生植物管理和使用策略具有重要的現(xiàn)實意義。東湖是一個典型的草湖。在5月和8月，對東湖植物的年生長量、收獲能力、湖泊殘留量以及氮、磷等養(yǎng)分的流動進行了大量的詳細研究。然而，生物量在湖泊中的自然分解需要多少時間？能分解的程度是什么？能釋放多少氮和磷？不同分解的物質(zhì)占多少比例？這種生物積累的速度和養(yǎng)分積累的速度是多少？這些問題需要通過進一步的研究來回答。本項實驗以東太湖水生植物為材料,在實驗室條件下模擬東太湖水生植物的自然腐爛分解過程,旨在定量揭示尚未被利用的那一部分水生植物生物量及其所包含的碳、氮、磷等營養(yǎng)元素的變化去向,完善圍繞大型水生植物的營養(yǎng)元素遷移過程研究.1材料和方法1.1樣品的采集實驗材料于1998年8月上旬采自東太湖.東太湖是太湖東南部一個淺水湖灣,平均水深1.2m,水生植被覆蓋率96%.水生植物主要有挺水植物、浮葉植物和沉水植物三大生態(tài)類型.挺水植物以茭草(Zizanialatifolia)為第一優(yōu)勢種,最大分布面積曾達到該湖灣水面積的40%左右,其次有蘆葦(Phragmitescommunis)和蓮(Nelumbonucifera).浮葉植物在90年代才發(fā)展起來,第一優(yōu)勢種為黃花杏菜(Nymphoidespeltata),其次為野菱(Trapaspp.).優(yōu)勢沉水植物主要有苦草(Vallisneria)、黑藻(Hydrillaverticilata)、微齒眼子菜(Potamogetonpectinatus)和馬來眼子菜(P.malaianus)等,其中苦草在80年代為第一優(yōu)勢種,進入90年代之后其優(yōu)勢地位被微齒眼子菜所取代.因此,將采集實驗材料的物種確定為茭草、黃花杏菜、苦草和微齒眼子菜.分別自茭草、黃花杏菜、苦草和微齒眼子菜的單優(yōu)群落采集植物泥面以上樣品(莖、葉)各10kg左右,清洗干凈,風干后切碎備用.1.2樣品的制備和貯藏將容積90L的帶蓋塑料桶置于實驗室中陰暗處.采集東太湖水生植物分布區(qū)表層沉積物2kg,將該沉積物鋪放在塑料桶底,借以引入原位微生物種.在塑料桶中添加自來水80L,穩(wěn)定10d后作為水生植物腐爛實驗的反應器.將風干后的Ⅰ號(茭草),Ⅱ號(杏菜),Ⅲ號(苦草和微齒眼子菜等量混合).樣品各取500g左右,干燥至恒重(105℃).從Ⅰ號樣品中隨機取樣10.00g(用剪除法調(diào)配)13份,分別用100目尼龍篩絹包裹,依次標記為Ⅰ-0、Ⅰ-1、Ⅰ-2……Ⅰ-12,為一組樣品.將Ⅰ-0號樣品作為腐爛實驗的初始樣品密封保存,留做化學分析;其它11個樣品按次序懸掛在尼龍繩上,一同放入準備好的塑料水桶(水生植物腐爛實驗反應器)中.其它兩組樣品也按照同樣方法處理.放入植物樣品后,加桶蓋以減少水分蒸發(fā),但需要保留一定的縫隙以補充塑料桶內(nèi)的氧氣.桶內(nèi)懸掛溫度計,定期觀察記錄實驗水溫.水質(zhì)太差時用一部分自來水更換.1.3樣品含量測定實驗預期在1周年內(nèi)完成.實驗開始之后,根據(jù)腐爛實驗進展情況,在適當?shù)臅r機進行實驗樣品的采集.前期采樣間隔時間較短,后期逐漸拉長.每次采樣從三組樣品中取出編號尾數(shù)相同的三個樣品(比如Ⅰ-2、Ⅱ-2、Ⅲ-2),記錄取樣時間和樣品編號,充分風干后密封保存,留待分析.實驗結束后,將所有樣品(包括初始樣品)在同樣條件下干燥至恒重,精確稱重總重量和包裹尼龍篩絹重量(精度0.01g),計算出經(jīng)過腐爛分解后的剩余樣品重量.對干燥樣品進行研磨粉碎,分析其中的碳、氮、磷含量,TOC,重鉻酸鉀-硫酸消化法;TN,凱氏法;TP,氫氟酸-硫酸溶鉬銻抗比色法.2結果2.1腐爛分解的生物質(zhì)殘留分析根據(jù)水生植物腐爛分解實驗的實際進展,采樣分別在實驗開始后的0.5、1、2、3、4.5、6、8、10、12個月時進行.通過對殘留樣品重量的分析,得出三類水生植物腐爛分解的生物質(zhì)消減過程如圖1.其中浮葉植物杏菜最容易腐爛分解,不僅腐爛速度快,而且不易腐爛分解的殘留量最低.挺水植物茭草的腐爛分解過程一直持續(xù)到實驗結束,不易腐爛分解的殘留量已經(jīng)接近于浮葉植物,但由于本項實驗持續(xù)時間只有一周年,茭草的腐爛分解過程尚未完成.沉水植物的腐爛分解過程比較短暫,不易腐爛分解的殘留量超過50%.2.2類型植物的腐爛分解過程中碳、氮、磷含量的變化對三個系列原始樣品和在腐爛分解實驗過程中收集的殘余樣品分析結果見表1.所采用的三類水生植物生物質(zhì)中,原初碳含量挺水植物>浮葉植物>沉水植物,而氮、磷含量則呈相反的趨勢.在實驗結束時的殘余樣品中,挺水植物茭草殘余物的碳、氮、磷含量接近于原初樣品,其它兩類植物樣品在腐爛分解過程中碳、氮、磷含量則發(fā)生了比較顯著的變化.3討論3.1腐爛分解過程動力學特征水生植物生物質(zhì)的腐爛分解過程十分復雜,包含了植物組織的水解、礦質(zhì)成分及可溶性有機物的溶解、各類有機成分的酶解(植物細胞內(nèi)的酶)和生物降解、微小顆粒的逸散等,因此,很難用物理、化學或生物動力學表達式來描述.這里依據(jù)實驗結果,采用50%分解時間、半月腐爛分解率、周年腐爛分解率來描述水生植物生物質(zhì)的腐爛分解過程特征,以便進行分析比較.50%分解時間指原初植物樣品腐爛分解喪失50%重量所需要的時間,半月腐爛分解率和周年腐爛分解率分別是原初植物樣品經(jīng)過半個月和1周年腐爛分解后所喪失的重量百分比,同時用半月腐爛分解率與周年腐爛分解率之比率表示腐爛分解過程的前期相對進展速度.三類植物樣品腐爛分解過程的動力學特征如表2.浮葉植物的生物質(zhì)最容易腐爛分解,半個月腐爛分解率超過了70%,周年腐爛分解率達80%以上.挺水植物生物質(zhì)的腐爛分解過程比較漫長,但周年腐爛分解率也能達到70%以上.沉水植物生物質(zhì)的腐爛分解率不高,但半月腐爛分解率與周年腐爛分解率之比率卻達到了88.4%,在三類植物樣品中居于首位,腐爛分解過程十分短暫.在太湖自然條件下,水生植物莖葉部分的凋落一般發(fā)生在11-12月,此時水位還比較高,水溫一般在攝氏15度以下.浮葉植物及沉水植物凋落物的腐爛分解基本上在冬季可以完成,這可能是東太湖出現(xiàn)冬季水質(zhì)惡化的重要原因.茭草凋落物的腐爛分解過程則比較持久,來年5-6月份溫度回升、腐爛分解速度加快,又逢最低水位,往往容易引起明顯的水質(zhì)有機污染,出現(xiàn)“茭黃水”現(xiàn)象.3.2氧化對總重量的周年損失率和沉積特征的影響在水生植物樣品的腐爛分解過程中,碳、氮、磷的損失并非與總干重的消減同步.將三類水生植物樣品總重量以及所含碳、氮、磷的損失過程特征值列于表3,分析比較可得出以下規(guī)律.(1)碳是構成植物有機體的主要元素,因而TOC和總重量的損失過程基本同步.只有沉水植物TOC的損失過程略有滯后,且周年損失率高于總重量的周年損失率.(2)磷的釋放遠遠超前于碳,因為植物體內(nèi)的磷主要存在于一些生物活性物質(zhì)中,這些物質(zhì)易于分解,可優(yōu)先釋放出磷.比較難以分解的結構物質(zhì)纖維素、多糖等不含磷.挺水植物和浮葉植物磷的周年損失率接近于總重量的周年損失率,但在半個月時間內(nèi)就釋放出70%左右的磷.沉水植物磷的周年損失率遠遠高于總重量.對東太湖沉積物中磷的沉積特性分析表明,磷的沉積似乎與TOC的沉積無明顯的相關,這與本項實驗中發(fā)現(xiàn)的磷超前釋放現(xiàn)象一致.(3)三類植物氮的周年損失率接近于總重量的周年消減率,這與研究東太湖沉積物中磷的沉積特性時發(fā)現(xiàn)的TOC-N顯著相關現(xiàn)象完全一致.但挺水植物氮的釋放過程超前于總重量的消減過程,浮葉植物和沉水植物則相反.氮是構成植物蛋白質(zhì)的重要元素,這三類植物體內(nèi)物質(zhì)形態(tài)及組成比例的差異以及各類物質(zhì)分解的難易程度差異可能是造成在腐爛分解過程中氮釋放特征差異的主要原因.3.3腐殖層沉積相本項實驗持續(xù)了1周年,在實驗結束時,浮葉植物和沉水植物的腐爛分解過程已基本完成,夏季2個月的總重量消減率接近零;挺水植物的腐爛分解過程也已接近尾聲,夏季2個月的總重量消減率不到5%.這些在1周年內(nèi)尚未分解的殘余生物質(zhì)會堆積在湖底,年復一年,不斷積累,形成腐殖層.這種生物沉積過程一方面能加速淺水湖泊的進一步淤淺,引起沼澤化,最終導致湖泊消亡;從另一個角度看,這種生物沉積過程每年可將一定數(shù)量的生物營養(yǎng)元素送入沉積物,是構成生物-地球化學循環(huán)的重要環(huán)節(jié),這對于調(diào)節(jié)湖泊營養(yǎng)平衡具有積極意義.4生物營養(yǎng)方面根據(jù)本項實驗結果,可以得出以下初步結論:(1)凋落在湖泊等水體內(nèi)的水生植物生物質(zhì)經(jīng)過自然腐爛分解后,所含氮、磷的70%以上會在短期內(nèi)被釋放進入水體,參與水體的營養(yǎng)再循環(huán);只有不到30%的氮、磷將會伴隨著生物沉積進入沉積物,參與地球化學循環(huán).(2)茭草(挺水植物)的腐爛分解過程進展比較緩慢,容易引起湖泊淤積