干湿交替作用下不同植物对氮素迁移转化的影响

武军旭，石丽忠，舒婷婷，曲 丽，晋梦聪

(沈阳大学 建筑工程学院，沈阳 110016)

0 引 言

土壤中的含氮物质经过一系列的物理、化学、生物变化发生的氮素迁移转化，是土壤时刻发生的一种常见现象，这些变化对于保持土壤肥力和环境的净化意义重大。土壤对于氮素转化受各种因素影响，干湿交替是重要因素之一[1]，对土壤肥力和土壤营养循环具有重要意义。在自然界中，土壤氮矿化与土壤反硝化是氮素转化的基础[2-3]，有着明显的季节动态变化[4-5]，氮素的转化与损失速率较快使土壤有效氮的积累困难。干湿交替是氮素在环境中转化的主要驱动力，影响着氮素在土壤中的累积、迁移以及损失等[6]，其能够影响有机氮素的矿化和氮素的损失[7]。

随着人类社会生产的发展，人们对于自然的影响越来越大，人类在改造自然、发展生产力的时候，对我们的生态环境破环也是不容忽视的。2008年，我国提出科学发展观的理念[8]，不仅需要金山银山，还需要绿水青山。而水体富营养是最常见的水体污染形式之一，农业和社会生产导致大量的营养元素N、P、K通过雨水和工业废水排放到水体中，导致水体生态平衡失调。水体富营养化是全世界普遍存在的生态环境问题之一[9],由于氮循环的不平衡导致水体富营养化是众多原因中的一个重要因素[10-12]，利用生物学措施对于水体净化无疑是最好的方法之一。

农业灌溉排水渠道一般是指那些自然形成的暴露在地表亦或是以排水为目的而挖掘的渠道。许多水渠比较浅,水位的波动变化也比较大,渠道存在干湿交替状态的可能性较大。长久以来,人们往往更重视农业灌溉排水渠道对调节水量平衡的影响,对环境作用和生态效应的研究相对匮乏。近几年来,在中国农业发展相对发达、经济水平较高的地区,存在着过度施用化肥和喷施高毒、高残留农药等现象，造成水体富营养化，严重影响生态环境。为了更好的保护水质，本文选择苜蓿菜、无芒雀麦、沙打旺、千屈草等北方护坡植物为研究对象，在干湿交替作用后测定水体中氮素的含量，分析不同植物对水体自净效率的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 渠道采样点设计

在排水干渠选取一段无支流流入的300 m进水渠段,每隔100 m设置一个采样点，共4个采样点，分别标为A0、A1、A2、A3。

1.1.2 水样的采集

1.1.3 底泥样品的采集

用小型重力式采泥器(使用水深≤100 m)采集底泥。为了减小偶然误差，在4个采样点各采集2～3次，然后及时对采集的底泥样品做预处理(去除树叶树枝、搅拌混合、薄膜包装等)，防止底泥的硬化、结块以及土壤理化性质的失衡。

用采集的水样和底泥模拟农田沟渠水体环境，实验室种植苜蓿菜、无芒雀麦、沙打旺、千屈草4种植物。苜蓿草耐干旱，北方比较常见，具有改良土壤的作用。无芒雀麦适应性强，是水土保湿、治理水质污染的理想草种。沙打旺可用作绿肥、饲草、水土保湿，具有很强的耐盐碱能力。千屈草在北方生长普遍，有良好的截污作用。

1.2 实验设计

1.2.1 湿态试验

在5个20 L橡胶软桶中铺上15 cm底泥(底泥取自农业灌溉渠道)，依次栽种苜蓿草、无芒雀麦、沙打旺、千屈草，另设一个空白对照组，不种植物；将采样点采集的水样倒入，控制底泥表面至水面大约在10 cm,设置一个空白对照，作为平行样，此为A0采样点水样的试验。同上，设置A1、A2、A3的试验。

1.2.2 干态试验

大多数农田灌渠的水位随着灌溉、降雨等活动而呈现季节性变化，所以农田灌渠经常会出现干湿交替的状况。农田灌渠的水位和底泥中水分含量对灌渠湿地生态系统中的氨素去除转化有着一定程度的影响，不同植物也会对不同的水分环境作出不同的反应。为此，本课题将设立不同植物在缺水干涸状态下的对底泥中氮素迁移转化的模拟试验。

在5个容量为20 L塑料桶中铺上厚15 cm农田灌渠底泥，分别栽种苜蓿草、无芒雀麦、沙打旺、千屈草，另一个不种植物；用采样点采集的水样培养植物24 h，然后水样倒掉，使植物在干涸状态生长，设置一个空白对照，作为平行样，此为A0采样点水样的试验。同上，设置A1、A2、A3的试验。

1.2.3 样品采集

2 数据分析

通过对所得的数据进行列表和作图的方式 ，进行直观比较。然后对所得数据通过计算氮素去除率，判断对氮素的转移效率。

去除率=(C0-Ci)/C0×100%

从表1和图1中可以看出，苜蓿草、无芒雀麦、沙打旺和千屈草都对湿态上覆水中的氨氮有很好的吸收，但千屈草的去除效率略高(86.0%)。

图1 湿态上覆水氨氮变化(mg/L)Fig.1 The Vary of ammonia nitrogen in the overlying water (mg/L)

从表2和图2中可以看出，千屈草对干态底泥上覆水中的氨氮吸收明显优于苜蓿草、无芒雀麦及沙打旺，氮素去除效率为(83.3%)。

表2 干态底泥上覆水氨氮含量Tab.2 Ammonia nitrogen content on overlying water of dry sediment /mg·L-1

图2 干态底泥上覆水氨氮变化(mg/L)Fig.2 The Vary of ammonia nitrogen in overlying water on dry bottom sediment (mg/L)

从表3和图3中可以直观地看出，对于湿态上覆水的硝酸盐氮的吸收效果依次为苜蓿草 > 沙打旺 > 无芒雀麦 >千屈草。

表3 湿态上覆水硝酸盐氮含量Tab.3 Nitrate nitrogen content in wet overlying water /mg·L-1

图3 湿态上覆水硝酸盐氮变化(mg/L)Fig.3 The vary of nitrate nitrogen in wet overlying water (mg/L)

从表4和图4中可以直观地看出，对于干底泥上覆水的硝酸盐氮的吸收效果依次为千屈草> 沙打旺 >苜蓿草> 无芒雀麦。

表4 干态底泥上覆水硝酸盐氮含量Tab.4 Nitrate nitrogen content on overlying water of dry sediment /mg·L-1

图4 干态底泥上覆水硝酸盐变化(mg/L)Fig.4 The Vary of nitrate nitrogen in overlying water on dry bottom sediment (mg/L)

3 结 论

通过实验初步研究，可以得出以下结论：

3) 干态底泥中氨氮变化趋势呈现下降-平缓的状态，而硝酸盐氮呈现上升-下降-平缓的波动状态。随着硝化作用的进行，氨氮被转化成硝酸盐氮，进而导致硝酸盐氮的含量达到峰值。这是因为起初底泥中氨氮的含量高而硝酸盐氮的含量低，对硝化作用更有利。

4 展 望

我国是个农业大国，研究土壤中的氮素转化对于农业发展至关重要。干湿交替作用对土壤中不同形态的氮素转化和微生物种类以及土壤物理化学性质息息相关, 研究干湿交替作用下土壤中不同氮素的转化和微生物的种类和土壤物理化学性质关系, 特别是肥料氮素的微生物转化过程是今后研究的一个热门方向。本文通过设计实验，发现千屈草对氮素有很好的去除效果，本研究对于植物在干湿交替作用下水体中的氮素吸收利用率的分析有一定的意义，对于氮素迁移转化和植物净化富营养水体有一定的参考价值。