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养殖水体中富含大量的氮、磷等营养元素,易引起富营养化等污染问题,这已成为全球广泛关注的热点。红树作为一种耐盐木本植物,在水体污染物的净化上具有极大的潜力。目前研究多集中于红树对水体氮、磷净化效应的研究,缺乏红树对氮、磷净化机理的深入探讨。本研究选择红树植物秋茄(Kandelia candel)、桐花树(Aegiceras corniculatum)、木榄(Bruguiera gymnorrhiza)和红海榄(Rhizophora stylosa)四种单种模式(分别编号为A-1、A-2、B-1、B-2)及秋茄-桐花树混种、木榄-红海榄两种混种模式(编号为A-3、B-3),构建室内模拟种植系统,处理人工配制养殖水体以及深圳海上田园养殖塘水,考察其对氮、磷的净化效应,筛选高效净化率的红树植物种类及其合理的组合,以氮、磷在系统中的物质平衡和净化机理作为重点开展研究,为今后红树林种植-养殖系统的推广提供科学依据。结果表明:
(1)根据主要水质因子的期间变化,结果显示,模拟系统对人工配制养殖水体及深圳海上田园养殖塘水的净化效果较为一致。系统A相较系统B,出水pH较低(7.8~8.3),DO较高(比对照系统提高9.57%~28.14%),对TOC、DIN、Org-N、TN、PO4-P、DOP、PP、TP等指标具有良好的净化效应。系统A累计12周对DIN、TN、PO4-P和TP相应的去除率分别为91.08%~92.25%、84.90%~88.20%、90.54%~96.20%、79.38%~83.63%。根据《海水水质标准》(GB3097-1997),系统A的水质基本为一类或二类水质,红海榄单种系统因对磷的去除效果不佳,水质达不到四类水质,而对照系统出水则因为DIN超标达不到四类水质标准。以DIN和PO4-P为主要参考指标,四种红树的净化效果按优劣排序为:桐花>秋茄>木榄>红海榄。
(2)系统A通过植物吸收的氮可以占到系统水体氮输入的51.37%~65.43%,而系统B仅有24.97%~37.25%。氮损失最大的是秋茄单种系统,桐花树单种系统次之,对照系统最小。磷主要赋存在土壤中,水体输入的磷超过40%赋存在土壤中。红树植物累积磷比例最大的是秋茄-桐花树混种系统,达38.98%,而土壤中累积的磷占40.87%。秋茄单种系统中植物和土壤的贡献分别为10.94%和67.87%。桐花树单种系统中植物和土壤的贡献则为21.47%和59.27%。木榄单种系统有74.77%的磷被土壤吸附,植物吸收的部分仅有1.11%。红海榄单种系统、木榄-红海榄系统对磷的吸收是负效应。对照系统有73.20%的磷被土壤吸附。
(3)从根系结构、根系分泌低分子量有机酸、磷细菌数量和磷转化作用强度、土壤磷形态变化等差异,揭示不同红树植物对磷素净化效率差异的原因。秋茄、桐花树根具有较长的根长和较大根表面积,根系分泌低分子量有机酸和根际微生物磷转化作用强度高于木榄和红海榄,有利于使土壤难溶性磷(Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P)转化成生物有效性高的磷(速效磷),并通过植物体对磷的吸收利用,增强了土壤的再吸附能力,实现系统水体较高的磷素去除率。
(4)从土壤氮形态变化、矿化速率、根际微生物数量和微生物作用强度等差异,揭示不同红树植物对氮素净化效率差异的原因。秋茄、桐花树具有较强的矿化和硝化速率,促进氮的迁移转化,土壤TN、固定态铵和无机氮均减少。秋茄、桐花树促进氮通过硝化-反硝化等其它作用离开系统,相当于对照的1.89~4.68倍。秋茄、桐花树的相对生长速率较木榄和红海榄高,吸收的氮占进水氮中的51.37%~65.43%,高于木榄和红海榄的24.97%~46.84%。红树植物吸收与微生物作用共同促进了水体较高的氮素去除率。