水生植物水质效应及其作用机制研究

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作为水生系统的主要组成部分,水生植物是系统重要的初级生产者,是维持生态系统健康运转的基础。水生植被恢复作为常用的生态修复技术,在水体富营养化控制应用中也发挥着重要的作用。水生植物可通过生长直接吸收营养盐,也可通过促进吸附沉积过程、增加水体透明度、释放化感物质、为微生物提供适宜生境、促进水体及根际微生物生长等间接作用影响水体水质。但不同机制对水质指标变化的相对贡献在不同的研究中存在较大差异。在不同的研究中,水生植物直接吸收的营养盐占水体N、P总去除率可从1.5%至42%。为研究植物影响水体营养盐变化的作用机制,分析植物生长吸收与间接效应对水体营养盐浓度变化的相对贡献,本研究通过室内模拟实验,在高、中、无3个生物量水平的伊乐藻(Elodea nuttalli)微系统中加入高、中、无3种浓度的营养盐配制液,观测水体氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、总氮(TN)、磷酸盐(PO43--P)、总磷(TP)以及植物生物量、植物净生长量等指标的变化,分析主要水质指标变化规律,并对水质指标变化与环境因子DO、pH进行相关性分析,对N素指标消耗速度进行模型模拟分析。结果发现:(1)在伊乐藻微系统中加入高浓度营养盐后,系统各水质指标在达到最大值后均持续下降但各指标(除NO3--N外)均未达到目标配置浓度。各指标变化过程有较大差别,其中NH4+-N浓度降至较低水平后,NO3--N才开始下降;在NH4+-N和NO3--N均下降至较低水平时,TN浓度仍保持较高水平。(2)除未加营养盐高生物量组(C0B2)外,各处理组生物量均有所增长。其中,中浓度中生物量组(C1B1)的相对增长量最高为39.61%±9.82%,其他依次为高浓度中生物量组(C2B1,27.37%±6.72%)、未加营养盐中生物量组(C0B1,22.89%±8.21%)、中浓度高生物量组(C1B2,14.74%±4.21%)以及高浓度高生物量组(C2B2,8.34%±2.04%)。(3)高生物量组各水质指标的平均浓度较低。比较各处理组水体主要水质指标的平均浓度发现,水体中NH4+-N、NO3--N、PO43-P和TP的平均浓度均在无植物组,中生物量组和高生物量组依次减小。其中,在两种外加营养盐浓度水平下TN和PO43-P均在高生物量组显著小于中生物量组和无植物组;有植物组的NH4+-N和N03+-N在中营养盐浓度水平下显著小于无植物组,在不同生物量组间的差异未达显著水平,在高营养盐浓度水平下,NH4+-N和NO3--N在各生物量处理组间的差异均未达到显著水平;而TP在两个营养盐浓度水平下,在各个生物量组间的差异均未达到显著水平。(4)分析系统各水质指标变化的关联特征发现,NH4+-N与P素指标的关联度最高;有植物组的PO43--P与TP的关联度最高;无植物组的TN与pH的关联度最高;比较不同处理组DO和pH的关联度发现,DO与pH的关联度最高,且随生物量和营养盐浓度的增加而减小。水体DO、pH与水质指标变化有较强的相关性。高外加营养盐浓度组和高生物量组的环境因子对水质指标的变化有更高的解释率,相较于pH,DO与水质指标变化的相关性更高。系统的NH4+-N消耗速度可以用米氏方程解释,当生物量增加后,系统水质指标浓度下降,NH4+-N消耗速度在一开始可能保持恒定,但生物量增加至一定程度后,系统NH4+-N的消耗速度随之减小。综合比较在不同生物量伊乐藻微系统中加入不同浓度营养盐后各水质指标的变化过程及其差异性发现,水生植物的存在显著降低了营养盐的变化幅度,各水质指标的平均浓度随着生物量的增加而减小;虽然高生物量组各水质指标下降幅度较大,但伊乐藻在高生物量组的净增长量小于中生物量组,表明相较于植物净生长量,植物总生物量对水质指标变化的影响相对较大,相较于植物直接吸收的营养盐,植物生长过程中所产生的间接作用可能对营养盐变化的影响更大;水生植物对水体中不同营养盐变化的影响有较大区别,对于N素指标,植物存在与否对其影响较为显著,而对于P素指标,生物量的相对大小对其影响更为显著。
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