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底泥覆盖对黄花鸢尾微生态系统水体自净效应的影响

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雷晓寒　李林阳　张晴晴　李想　罗康宁　刘茂松

摘要：为了研究覆盖底泥对水质指标的影响，在温室中建立黄花鸢尾（Iris wilsonii）微生态系统，利用河沙覆盖底泥，并向河沙覆盖和无河沙覆盖处理中加入2、4 mg/L营养盐溶液，同时设置无营养盐的对照处理，在试验1、2、3、5、7、9、11、13、17、21 d测定不同处理下水中氨态氮含量、硝态氮含量、总氮含量、磷酸盐含量和总磷含量。研究结果表明，加入营养盐后不同处理组各水质指标变化过程存在一定差异。其中，加入营养盐处理组水体中氨态氮含量在处理后2 d最大，硝态氮含量大都在处理后7 d最大，总氮含量在2～5 d内先后达到最大，水体磷酸盐和总磷含量在处理后2～3 d最大。加入营养盐后，河沙覆盖处理下的氨态氮含量、硝态氮含量、总氮含量最大值明显高于相应的无河沙覆盖处理，而处理后11～21 d河沙覆盖和无河沙覆盖处理间上述水质指标差异不显著。无河沙覆盖处理下水中氨态氮含量、硝态氮含量、总氮含量大都分别在试验5、9、11 d降至较低（该处理组平均质量浓度），而河沙覆盖处理下大都分别在处理后7、13、13 d降至较低;无河沙覆盖处理下水中磷酸盐含量和总磷含量降至较低所需时间为7～9 d，河沙覆盖处理下所需时间为9～11 d。河沙覆盖处理下的各水质指标降至较低所需的时间长于无河沙覆盖处理，河沙覆盖对黄花鸢尾微生态系统水质指标影响大于加入营养盐浓度对其的影响。

关键词：底泥覆盖;黄花鸢尾;微生态系统;水质指标

中图分类号： X524? 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）19-0308-05

收稿日期：2020-02-07

基金项目：国家重点研究计划（编号：2017YFC0506200）。

作者简介：雷晓寒（1992—），女，四川绵阳人，硕士研究生，主要从事湿地生态学研究。E-mail： sophielxh@163.com。

通信作者：刘茂松，副教授，主要从事湿地生态学及景观生态学研究。E-mail： msliu@nju.edu.cn。

底泥覆盖技术最早用于处理污染底泥中的多环芳烃、多氯联苯和重金属等有毒有害物质[1-2]，具有方便快捷和费用较低等优点[3]，近年来广泛应用于富营养化水体底泥的生态修复中[4-5]。底泥覆盖主要通过在底泥表面覆盖1层或多层清洁覆盖物，隔离底泥与上层水体的物质交换，稳固沉积物，防止再悬浮，从而阻止底泥中污染物向水体中迁移[6-8]。研究发现，采用改性土壤和覆盖底泥，可提高水体的氧化还原电位和pH值，抑制沉积物中氮、磷的释放[9-10]。

底泥覆盖可阻滞底泥中营养盐等向水体释放，但其对沉积物表层物理和化学特征的改变[11-12]，也会影响生态系统中植物的生长以及动物和微生物的活动[8，13]，影响水体与沉积物間的物质迁移。研究发现，底泥覆盖对水质的作用因试验条件、覆盖材料和持续时间不同存在较大差异[3，14]。

黄花鸢尾（Iris wilsonii）有较强的氮、磷去除能力，是湿地生态修复中常用的湿地植物之一[15-16]。本试验以种植黄花鸢尾的湿地微生态系统为研究对象，比较了在加入营养盐的湿地微生态系统中覆盖底泥与未覆盖底泥的水质变化及其规律，以期为水体生态修复提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的黄花鸢尾购自江苏省无锡市，选用生长状况良好、大小相近的黄花鸢尾，平均鲜质量为（3.10±1.07） g/株，洗净根系后，浸入生根液（主要成分为萘乙酸NAA）中1 h，之后移入清水中，培养备用。

试验所用的底泥采自江苏省南京市栖霞区九乡河，共采底泥约100 kg。底泥中总有机碳含量为（8 278.13±496.92） mg/kg，全磷含量为（666.84±18.12） mg/kg，全氮含量为（659.09±116.11） mg/kg。

在蒸馏水中加入（NH4）2SO4、KNO3和KH2PO4，配制营养盐溶液，配制的溶液中氨态氮、硝态氮和磷酸盐质量浓度都为230 mg/L。

1.2 试验设计

试验于2016年12月在南京大学智能温室内进行，温室内气温为18 ℃，空气湿度为71.59%。选用长48 cm、宽34 cm、高25 cm的塑料箱作为培养箱，共设置24个培养箱。在每个培养箱中加入底泥4 kg，在箱中均匀种植6株黄花鸢尾，加入蒸馏水至水深9 cm。湿地微生态系统中的平均水温为15.5 ℃。

培养7 d后，在其中12个培养箱中均匀撒入粒径为0.7～1.0 mm的细河沙，用以覆盖底泥表面，铺设厚度约1 cm，其他12个培养箱不加河沙。

在河沙覆盖和无河沙覆盖的培养箱中，分别加入营养盐溶液0、100、200 mL，再加入蒸馏水，使各培养箱中的水位保持基本一致（水深10 cm，体积约11.5 L），此时加入100 mL营养盐溶液的培养箱水中的氨态氮、硝态氮和磷酸盐含量都为2 mg/L，加入200 mL营养盐溶液的培养箱水中的氨态氮、硝态氮和磷酸盐含量都为4 mg/L。

共设6个处理，分别为河沙覆盖+无营养盐处理（SC0）、河沙覆盖+2 mg/L营养盐处理（SC1）、河沙覆盖+4 mg/L营养盐处理（SC2）、无河沙覆盖+无营养盐处理（NC0）、无河沙覆盖+2 mg/L营养盐处理（NC1）、无河沙覆盖+4 mg/L营养盐处理（NC2），每个处理有4个培养箱。

2016年12月20日加入营养盐，试验共持续21 d。在试验后1、2、3、5、7、9、11、13、17、21 d，利用蒸馏水淋洗过的塑料广口瓶，采集水样，共采集水样10次。每天补充蒸馏水，以保持水位。将采集的水样放入保温箱中，立即带回实验室，测定水样的氨态氮含量、硝态氮含量、总氮含量、磷酸盐含量和总磷含量。

本研究发现，在培养箱中加入营养盐溶液后，各水质指标都快速上升，达到最高值后下降，但除硝态氮含量外，都未达到加入的营养盐配制浓度。这是由于营养盐溶液在微生态系统中扩散的同时，系统中的黄花鸢尾和微生物对营养物质具有吸收转化和物理吸附作用，消耗了输入的部分营养盐。硝态氮含量在其他指标达到最高值后，仍持续上升并超过加入的营养盐中的含量，直到氨态氮含量下降到较低时，硝态氮含量才开始下降，表明在微生态系统中，除了外加营养盐，硝态氮还有其他来源，考虑到微生态系统中硝态氮与氨态氮含量变化的对应关系，推测氨态氮经硝化作用转化为硝态氮可能是其主要来源。各形态氮含量在试验后期持续下降但仍有小幅波动，而磷酸盐和总磷含量达到最大后即持续下降，其变化过程比各形态氮含量变化相对简单。

在无植物且厌氧条件的底泥覆盖试验中发现，沙土（粒径约2 mm）覆盖和热改性凹凸棒黏土覆盖对底泥总磷释放的抑制率达40%以上[21];在无植物且非厌氧条件的系统中使用生物炭（粒径为0.15～1.00 mm）覆盖底泥，覆盖处理的氨态氮累计释放量比未覆盖的平均少82.71%[22]。底泥覆盖能够阻滞底泥中的营养盐向水体释放，但同时也可能降低水生态系统的自净能力。研究发现，当有外源营养盐输入时，底泥覆盖+水生植物处理下水中的总氮含量和总磷含量高于底泥裸露+水生植物处理[23];也有研究发现，物理材料覆盖率高的处理下水中氨态氮含量高于覆盖率低的处理[24]。因此，不同的试验条件、对底泥的覆盖材料以及覆盖率，都对水质指标有不同的影响。

本研究中黄花鸢尾微生态系统加入营养盐溶液后，河沙覆盖处理的各水质指标最大值都显著大于相应的无河沙覆盖处理，在试验后期有无河沙覆盖处理之间水中的氨态氮含量、硝态氮含量和总氮含量无显著差异;河沙覆盖处理下各水质指标降至较低水平所需时间显著大于无河沙覆盖处理，而加入营养盐含量为4 mg/L处理下水质指标降至较低所需时间仅略大于2 mg/L处理。表明底泥覆盖后，黄花鸢尾微生态系统的自净能力减弱，相较于加入营养盐的含量，覆盖对各水质指标的下降速度影响更大。

研究认为，覆盖材料能够对底泥营养盐的释放产生抑制作用主要是通过覆盖效应、化学效应和吸附效应，不同覆盖材料起作用的原因不同。其中，河沙主要通过覆盖效应（物理隔离）来抑制底泥中营养盐的释放[24]。而底泥-水界面是水中氮、磷等物质交换较频繁和复杂的区域，任何环境条件的变化都会直接或间接影响界面的物质交换和能量交换[25]。在底泥营养盐含量高、水体pH值高[26]、底泥扰动[27-28]和水中溶氧量较低[29]等情况下，会促进底泥中的营养盐向水体中释放。底泥覆盖还会改变沉积物-水界面的氧化还原条件，影响底泥表面的物化环境[30]。底泥覆盖可以通过物理隔离抑制底泥营养盐释放，同时有外源营养盐输入时，底泥覆盖对沉积物-水界面的影响会使水中的营养盐无法顺利通过底泥表面吸附、沉积以及硝化作用和反硝化作用等过程消减。

在本研究中，河沙覆盖对水质指标降低速度的影响大于营养盐浓度对其的影响，一方面可能是由于清洁的河沙作为覆盖层，阻碍了水中的营养盐向底泥中转移，同时河沙的吸附作用并不明显，没有有效去除水中的营养盐，使得覆盖处理后微生态系统中加入的营养盐需要更长的时间来降到相对较低的浓度;另一方面，河沙覆盖阻碍了底泥与上覆水的直接接触，改变了沉积物-水界面环境，这种对界面过程的影响可能导致水中营养盐浓度的下降速度减慢，减弱黄花鸢尾微生态系统的水体自净能力。

3.2 结论

加入营养盐后不同处理组各水质指标变化过程存在一定的差异，水中氨态氮、磷酸盐和总磷含量在试验后2～3 d即可达到最大，总氮含量在试验后2～5 d内达到最大，硝态氮含量达到最大的时间较晚，大都在试验后7 d。当氨态氮含量开始下降时，硝态氮含量仍在上升，与氨态氮含量和硝态氮含量变化不同，水中总氮含量的变化相对平缓。在不同处理条件下，水中磷酸盐含量和总磷含量的变化规律相似。未加营养盐的处理下，水质指标变化相对平缓。

相较于加入的营养盐浓度，河沙覆盖对黄花鸢尾微生态系统水质指标影响更大。加入营养盐后，河沙覆盖处理下的氨态氮含量、硝态氮含量、总氮含量最大值明显高于相应的无河沙覆盖处理。无河沙覆盖处理下水中氨态氮含量、硝态氮含量和总氮含量大都分别在试验后5、9、11 d降至较低，而河沙覆盖处理下大都分别在试验后7、13、13 d降至较低。无河沙覆盖处理下水中磷酸盐含量和总磷含量降至较低所需时间为7～9 d，河沙覆盖处理下所需时间为9～11 d。河沙覆盖处理下的各水质指标降至较低所需时间长于无河沙覆盖处理。河沙覆盖一定程度上影响了黄花鸢尾微生态系统对加入的营养盐的消减能力。

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