富营养化水体中附植生物夏季反硝化脱氮作用研究

于洪刚　杨希晨　孟琦　刘胜雪　党坤　雷泽远　董彬

摘要：指出了反硝化作用是水体去除氮素污染的重要途径之一，水生植物茎叶表面的附着层为反硝化作用提供了微环境和物质基础。用微宇宙培养法分析了夏季水生植物附植生物的反硝化作用，结果表明：水体营养状态对金鱼藻附植生物的反硝化作用有明显的影响，富营养和中度富营养水体中附植生物的反硝化作用速率较高，贡献较大；水生植物附植生物反硝化作用能力存在差异，挺水植物芦苇的最高，苦草的最低，与植物形态和生理特征有关。说明在夏季水生植物丰富、生物量大的季节，水生植物附植生物的反硝化作用在水生态系统反硝化脱氮过程中占据着重要地位，可用于提高水环境质量，应予以重视。

关键词：水生植物；附植生物；反硝化作用；氮去除

中图分类号：X52

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）20003602

1引言

在富营养化水体中，位于水下的植物茎叶表面常附着微藻、微生物、菌胶团、碎屑、颗粒物等多种物质，形成厚度不等的附植生物聚集体[1]。研究发现，这种植物表面的附植生物聚集体内部环境并不均一，存在富氧-微氧的复杂微环境[2]，且含有丰富的硝酸盐、有机质和微生物，这为反硝化作用的发生提供了重要场所和基质[3]。初步的研究发现，在养分丰富的水域，水生植物附植生物的反硝化作用比较可观，已接近甚至超过沉积物的[4，5]。反硝化作用是水体去除氮素的重要途径之一，因此，在夏季水生植物丰富且生物量比较大的季节，比较研究不同程度富营养化水体中附着生物反硝化作用和不同种类水生植物附植生物反硝化作用，探明附植生物反硝化对水生态系统反硝化脱氮的贡献，对利用生态学手段消减富营养化水体氮负荷具有重要的科学意义。

2材料与方法

2.1研究区和实验材料的选取

在前期野外调查的基础上，轻度富营养化水域选取临沂市206国道沂河大桥附近，中度富营养化水域选择临沂市祊河城区段角沂拦河坝南，富营养化水域选择临沂市武河湿地北段，重度富营养化水域选择祊河城区段沂龙湾大桥至金锣大桥段。上述水域夏季均有沉水植物金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）存在。

临沂市祊河城区段角沂拦河坝南侧夏季沉水植物和挺水植物丰富，群落稳定。选择典型沉水植物金鱼藻、穗状狐尾藻（Myriophyllum spicatum L.）、苦草（Vallisneria natans Hara）和挺水植物芦苇（Phragmites australis），比较分析不同种类附植生物的反硝化作用。

2017年6月至8月，每月中旬选择晴朗天气在上述不同富营养化程度水体中采集沉水植物金鱼藻及其下表层沉积物、表层水。在祊河城区段角沂拦河坝南侧区域采集沉水植物金鱼藻、穗状狐尾藻、苦草和挺水植物芦苇及其下表层沉积物、表层水带回实验室。用多参数水质测定仪现场测定水体溶解氧pH值、氧化还原电位（Eh）、水温、透明度、水深等水环境指标。

2.2样品培养与测定

取水生植物10 g 左右，装入气密性圆柱形微宇宙中，用橡胶塞封口在原位温度下黑暗中预培养6 h，使系统内的氧气降低到微量或耗尽。往预培养的植物样品柱中注入原位水，用铝箔包裹微宇宙后置于黑暗中，在原位温度下继续培养18 h。培养结束后2 mL 氯化锌 （0.5 g/mL）溶液以终止微生物活性。混匀后取上清液用质谱仪测定N2含量，计算反硝化作用速率。培养结束后取出植物，洗脱附植生物后按文献[1]的方法进行分析测定。水样的培养与测定方法同植物的。

将采回的每个点的沉积物样品混匀成泥浆。取已知体积的泥浆10 g加入10 mL脱气水，混匀，取10 mL转移至气密性圆柱形微宇宙培养系统中，封口后在原位温度下预培养18 h，后续培养与测定方法同植物的。

为便于比较附植生物、沉积物和水体的反硝化作用，笔者按单位湿地面积计算反硝化作用速率。沉积物、水质理化指标的测定采用《水和废水监测分析方法》（第四版）方法。

3结果与分析

3.1不同營养状态水体中附植生物的反硝化作用存在差异

水体营养状态对金鱼藻附植生物的反硝化作用有明显的影响。总得来说，水体的富营养化程度越高，附植生物反硝化作用速率越高（图1）。以富营养化水域武河湿地北段金鱼藻附植生物的反硝化作用最高，重度富营养化水域的其次，轻度富营养化水域206国道沂河大桥附近的最低，中度富营养化水域祊河城区段角沂拦河坝南的居中。重度富营养化水域金鱼藻附植生物的反硝化作用并不是最高，可能是由于该区域金鱼藻生物量相对较小的缘故。

在重度富营养化水域，金鱼藻附植生物的反硝化速率低于沉积物的，为沉积物的68.91%左右，但远高于水体的（为水体的8.67倍）。在富营养化水域，金鱼藻附植生物的反硝化速率与沉积物的相当，远高于水体的（图1）。而中度富营养化水域和轻度富营养化水域，金鱼藻附植生物的反硝化速率略高于沉积物的，远高于水体的，这可能与该区域金鱼藻比较密集、生物量较大而沉积物和水体营养盐尤其是硝酸盐浓度相对较低有关。

沉水植物附植生物的反硝化作用在水生态系统氮去除过程中占据着重要地位。沉水植物金鱼藻附着生物的反硝化脱氮作用贡献在重度富营养化、富营养化、中度富营养化和轻度富营养化水体中分别为38.96%、47.53%、53.62%、51.70%，其中中度富营养化水体中金鱼藻附着生物反硝化贡献最高，重度富营养化的最低。沉积物反硝化作用贡献为46%～57%，水体的为2%～4%。

于洪刚，等：富营养化水体中附植生物夏季反硝化脱氮作用研究

环境与安全

3.2不同种类水生植物附植生物的反硝化作用存在差异

不同种类水生植物附植生物的反硝化作用存在明显差异（图2）。芦苇的最高，穗状狐尾藻的仅次于芦苇的，再次是金鱼藻的，苦草的最低。这种种间差异主要与植物的形态和生理特征有关。芦苇为多年生湿生禾草，在水深20～50 cm水流较缓的水域均可形成高大的芦苇群落，根状茎十分发达。芦苇强大的地下根茎系和密集的地上植株，对污染水体有较强的净化作用。芦苇茎叶表面粗糙，位于水下部分的茎叶表面易于附着微生物和水体颗粒物，为反硝化作用提供了巨大场所。沉水植物穗状狐尾藻为多年生草本植物，根状茎发达，可在水底沉积物中蔓延，节间部可生根，水下叶丝状全裂、无叶柄，这种羽毛状形态的叶比表面积大，为微生物和颗粒物提供了良好的附着表面，为反硝化提供了微环境。沉水植物金鱼藻为多年生草本，叶轮生，呈丝状条形，叶比表面积较大，附着物易于附着。苦草为多年生沉水草本，叶基生，条带型，叶表光滑，与狐尾藻和金鱼藻相比，附着物不易附着，因此，其反硝化作用最低。endprint

不同種类植物其附着生物的反硝化作用贡献存在差异。芦苇、穗状狐尾藻、金鱼藻、苦草附植生物的反硝化作用贡献分别为67.56%、57.29%、53.62%、44.12%，呈依次降低的趋势。沉积物反硝化作用的贡献为29.68%～53.52%，水体的贡献最小（2.10%～2.76%）。由此可见，夏季附植生物的反硝化作用贡献较大，是水生态系统氮去除的重要环节，应加以重视。

4结语

（1）夏季水生植物附植生物的反硝化作用在水生态系统反硝化脱氮过程中占据着重要地位。以富营养和中度富营养水体中附着生物反硝化贡献较大，与沉积物的相当，水体的反硝化作用最小，可忽略。

（2）水生植物附着生物反硝化作用能力存在差异。挺水植物芦苇的最高，沉水植物穗状狐尾藻的最高，苦草的最低，与植物形态和生理特征有关。

参考文献：

[1]

于洪刚，褚雪，戚兴勇，等.富营养化水中三种水生植物附着物的比较研究[J].绿色科技，2016（6）：24～26.

[2]董彬， 韩睿明， 王国祥，等. 菹草茎叶微界面O2时空动态[J]. 生态学报， 2015， 35（24）：8202～8210.

[3]董彬，韩睿明，王国祥.沉水植物茎叶微界面特性研究进展[J].生态学报，2017，37（6）：1769～1776.

[4]Toet S， Huibers L H， Van Logtestijn R S， et al. Denitrification in the periphyton associated with plant shoots and in the sediment of a wetland system supplied with sewage treatment plant effluent [J]. Hydrobiologia， 2003， 501（1～3）：29～44.

[5]Eriksson P G， Weisner S E. An experimental study on effects of submersed macrophytes on nitrification and denitrification in ammonium-rich aquatic systems [J]. Limnology and Oceanography， 1999， 44（8）： 1993～1999.endprint