李艷暉 王瑜 李砧 郝磊 劉茜

(太原師范學(xué)院，晉中，030619)

凋落物分解在全球的物質(zhì)循環(huán)及能量流動(dòng)的過程中占有十分重要的角色。河岸帶植物凋落葉隨溪流水體流動(dòng)的分解過程被認(rèn)為是水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的重要來(lái)源[1-2]，且對(duì)水體微生物及底棲無(wú)脊椎動(dòng)物的種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量有著重要影響[3-4]。河流源頭河岸帶凋落物的分解甚至可以影響整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)的功能[5]，河岸帶凋落物對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)和能量流動(dòng)有比對(duì)陸地更重要的作用[6]。

目前，多采用網(wǎng)袋法開展凋落葉在自然水體中氮、磷元素釋放特征及其影響因素研究的原位實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于凋落葉釋放的氮、磷等生源要素對(duì)水體水質(zhì)影響的研究相對(duì)較少，尤其是一些小型、水流緩慢的水體，如人工湖、水庫(kù)等[7]。秋季是我國(guó)北方大量樹種落葉的季節(jié)，調(diào)查落葉分解釋放特征及其對(duì)水體氮、磷質(zhì)量濃度的影響具有重要的生態(tài)學(xué)意義。白蠟(Fraxinuschinensis)，木犀科，梣屬，奇數(shù)羽狀復(fù)葉，葉通常7片或7～9片，近革質(zhì)，是我國(guó)常見行道樹種。本文以白蠟凋落葉為材料，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬了其在北方秋季小型水體中營(yíng)養(yǎng)元素的動(dòng)態(tài)釋放過程，分析了水體中總氮、總磷和高錳酸鹽質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)，以探究白蠟凋落葉在水體中的養(yǎng)分釋放規(guī)律，為進(jìn)一步明確樹木凋落葉分解特征及其對(duì)城市綠化行道樹種種植提供一定理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

收集太原師范學(xué)院(位于山西省晉中市榆次區(qū))校園內(nèi)白蠟凋落葉(主要為新鮮凋落葉)，去除落葉上雜質(zhì)，于通風(fēng)、陰涼處自然晾干，收集入密封袋中并密封袋口，于室溫、黑暗處保存，供后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和處理方法

選擇2個(gè)12 L玻璃水缸(長(zhǎng)×寬×高為30 cm×20 cm×20 cm)作為模擬小型水體的裝置，水缸中分別裝入7 L蒸餾水，其中1個(gè)水缸不加凋落葉，作為對(duì)照組。將白蠟凋落葉烘干至恒質(zhì)量后剪碎，準(zhǔn)確稱取2 g放于水缸中，將水缸置于培養(yǎng)箱中，溫度設(shè)置為16 ℃。分別于處理后的2、4、6、8、10、12、24、84、96、108、120、124、128和132 h取適量體積水樣用于總氮(TN)、總磷(TP)和高錳酸鹽質(zhì)量濃度(DMn)指標(biāo)測(cè)定，每個(gè)指標(biāo)設(shè)3個(gè)平行。實(shí)驗(yàn)期間，對(duì)照組水體中TN質(zhì)量濃度(0.060±0.01 mg·L-1)、TP質(zhì)量濃度(0.011±0 mg·L-1)和DMn質(zhì)量濃度(0.076±0.02 mg·L-1)基本穩(wěn)定。處理組各時(shí)間點(diǎn)TN、TP和DMn質(zhì)量濃度為實(shí)測(cè)值減去對(duì)照組對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)所測(cè)值。

1.2 測(cè)定方法

按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)[8]方法分別測(cè)定水體TN、TN和DMn質(zhì)量濃度，其中，總氮質(zhì)量濃度測(cè)定采用過硫酸鉀氧化、紫外分光光度法；總磷質(zhì)量濃度測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法；高錳酸鹽質(zhì)量濃度測(cè)定采用酸性法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2010和SPSS17.0軟件，利用單因素方差分析中最小顯著性差異法和Duncan法比較不同時(shí)間水體中TN、TN和DMn質(zhì)量濃度變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 白蠟凋落葉分解過程中水體總氮變化

凋落物分解既有物理過程，又有生化過程。物理過程指樣品通過機(jī)械或動(dòng)物作用成為碎片；生化過程指微生物使枯落物分解的過程，分解過程中凋落物養(yǎng)分質(zhì)量濃度的變化，反映了樣品在分解過程中的生化過程[9]。

表1 不同處理時(shí)間白蠟調(diào)落葉分解過程中水體總氮變化

由表1可知，白蠟凋落葉在水中浸泡24 h內(nèi)，水體中總氮變化呈現(xiàn)為升高—降低—升高—降低—再升高的過程，水體TN質(zhì)量濃度在24 h內(nèi)顯著升高了0.340 mg·L-1(升高了241.1%)。相應(yīng)地，白蠟凋落葉分解24 h內(nèi)，N元素為釋放—吸收—釋放—吸收—再釋放的變化過程，呈現(xiàn)波浪型的變化特征。從整體看，白蠟凋落葉分解過程中，氮呈現(xiàn)出顯著的釋放特征。若將24 h內(nèi)的變化看做一個(gè)整體，從起始到第132 h，水體中TN變化過程為升高(24 h，1 d)—降低(84 h，3.5 d)—升高(96 h，4 d)—降低(108 h，4.5 d)—再升高(132 h，5.5 d)，到第132 h(5.5 d)水體N質(zhì)量濃度達(dá)到最大值0.484 mg·L-1。相應(yīng)地，白蠟落葉在132 h分解過程中，N素變化為釋放—吸收—釋放—吸收—再釋放，這與24 h(1 d)內(nèi)的變化規(guī)律相同。由此可見，短時(shí)間內(nèi)，無(wú)論是以24 h為一個(gè)尺度，還是以132 h(5.5 d)為一個(gè)尺度，白蠟落葉分解過程中N元素變化趨勢(shì)均為釋放—吸收—釋放—吸收—再釋放的波浪型變化，從整體上看，落葉分解過程中的氮素是以釋放為主。

2.2 白蠟凋落葉分解過程中水體總磷變化

由表2可知，水體中TP的變化趨勢(shì)為先顯著升高，在12 h即達(dá)到峰值0.094 mg·L-1(質(zhì)量濃度升高154.1%)，隨后下降，在24 h內(nèi)整體呈磷釋放的特征；84 h時(shí)水體TP質(zhì)量濃度最低(0.041 mg·L-1)，至132 h時(shí)水體TP呈整體上升趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)于白蠟落葉分解過程中磷元素的動(dòng)態(tài)變化為釋放—吸收—釋放，這種變化趨勢(shì)與以往實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)論基本相一致[10]。從整體上看，白蠟凋落葉在水體分解過程中呈現(xiàn)出磷元素的快速釋放，12 h內(nèi)即達(dá)釋放高峰，不同于N元素的是，P在快速釋放階段后有一個(gè)明顯吸附的過程，至84 h時(shí)水體TP值最低，隨后在0.057～0.074 mg·L-1范圍內(nèi)波動(dòng)。同時(shí)，白蠟凋落葉分解過程中，磷元素的釋放量少于氮元素，其原因可能與白蠟葉本身的C與N質(zhì)量濃度比和C與P質(zhì)量濃度比有關(guān)。

表2 不同處理時(shí)間白蠟調(diào)落葉分解過程中水體總磷變化

2.3 白蠟調(diào)落葉分解過程中水體高錳酸鹽質(zhì)量濃度變化

高錳酸鹽質(zhì)量濃度，是指在酸性或堿性介質(zhì)中，以高錳酸鉀為氧化劑，處理水樣時(shí)所消耗的量，以氧的質(zhì)量濃度(mg·L-1)來(lái)表示。水中的亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等還原性無(wú)機(jī)物和在此條件下可被氧化的有機(jī)物，均可消耗高錳酸鉀。因此，高錳酸鹽質(zhì)量濃度常被作為地表水體受有機(jī)污染物和還原性無(wú)機(jī)物質(zhì)污染程度的綜合指標(biāo)[8]。表3是白蠟凋落葉浸泡分解后，水體中高錳酸鹽質(zhì)量濃度的動(dòng)態(tài)變化。從整體趨勢(shì)來(lái)看，在模擬實(shí)驗(yàn)期間，水體中DMn質(zhì)量濃度在13.469～21.633 mg·L-1間呈上升—下降—波狀波動(dòng)的變化趨勢(shì)。凋落葉進(jìn)入水體浸泡分解12 h內(nèi)，快速釋放物質(zhì)，12 h時(shí)DMn質(zhì)量濃度達(dá)峰值，較2 h的DMn質(zhì)量濃度顯著升高了60.6%；隨后在17.434～19.926 mg·L-1范圍內(nèi)波動(dòng)變化。可見，白蠟凋落葉浸泡分解過程中還原性無(wú)機(jī)物和可被氧化的有機(jī)物質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)為12 h內(nèi)為明顯的釋放過程，隨后表現(xiàn)為吸收和釋放的動(dòng)態(tài)變化，總體上呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的釋放過程。

表3 不同處理時(shí)間白蠟調(diào)落葉分解過程中水體高錳酸鹽質(zhì)量濃度變化

3 討論與結(jié)論

凋落葉在水體中的分解是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程，其分解速率通常受多方面因素的影響，與其自身的品質(zhì)和水體特征的影響有關(guān)，包括葉片大小、吸水性和可溶性物質(zhì)質(zhì)量濃度、初始養(yǎng)分質(zhì)量濃度、水溫和流速等[11]，其中主要與溫度、生物、葉片組織結(jié)構(gòu)和凋落物所含元素種類及質(zhì)量濃度有關(guān)[12]。凋落葉分解過程中C、N和P元素的釋放率與河流水溫具有不同程度的顯著相關(guān)性，整體表現(xiàn)為較高溫度促進(jìn)元素的釋放[13]，即夏季比冬季分解迅速[14]，秋冬季節(jié)比春夏季節(jié)分解緩慢[15-16]。落葉分解速率還受河水流速和水質(zhì)特征的影響[17]。本次實(shí)驗(yàn)主要模擬了山西省秋季(平均氣溫16 ℃)白蠟凋落葉在小型水體分解過程中氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的釋放，實(shí)驗(yàn)期間溫度穩(wěn)定(16 ℃)，水體靜止，因此，溫度和流速這兩個(gè)因素對(duì)白蠟凋落葉分解的影響不大，主要是落葉本身特征和水體微生物作用兩方面因素。凋落物的分解還與植物本身的葉片組織結(jié)構(gòu)和所含元素種類及質(zhì)量濃度有關(guān)。相較于濕地松的粗硬針葉和高纖維素質(zhì)量濃度[18]，白蠟近革質(zhì)的葉片可能更易分解。水體中微生物活動(dòng)越強(qiáng)，凋落物的分解速率就越快。

凋落葉在水體中的分解大致可分為易溶復(fù)合物的迅速溶解(物理過程)和凋落葉的緩慢分解(分解作用)兩個(gè)過程[6]。在植物組織中，磷元素主要以磷酸根離子或化合物的形態(tài)存在，極易被淋溶而損失[19]。白蠟凋落葉中P元素經(jīng)歷淋溶階段時(shí)間較短，12 h水體TP即達(dá)峰值，其原因可能是葉片中不穩(wěn)定P在淋溶階段的快速釋放造成的。之后，磷呈現(xiàn)出明顯的吸附過程，84 h時(shí)水體TP值最低，可能是因?yàn)榈蚵淙~自身缺乏包括P在內(nèi)的N、S等大量元素[20]，難以滿足微生物生長(zhǎng)生存的需要，微生物就會(huì)從外界環(huán)境中吸收已釋放的磷元素來(lái)滿足自身生長(zhǎng)生理活動(dòng)所需[21]，這樣便引起了磷元素的吸收。當(dāng)微生物從外界環(huán)境中吸收的營(yíng)養(yǎng)元素達(dá)到某一閾值時(shí)才會(huì)分解凋落物中的養(yǎng)分[11]，造成了白蠟凋落葉中P的再次釋放。凋落葉中P元素這種釋放—吸收—釋放的模式與長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)中P的動(dòng)態(tài)變化特征相似[10]。

凋落葉在水體的分解過程中，氮的動(dòng)態(tài)變化一般分為淋溶(N釋放)、固定(N吸收)、礦化(N釋放)3個(gè)階段，最初的淋溶為氮的快速釋放[6，17]。經(jīng)過淋溶階段后，葉片和水中的微生物開始強(qiáng)烈活動(dòng)，對(duì)N的大量需求使其將水體中的無(wú)機(jī)N迅速轉(zhuǎn)化為自身蛋白質(zhì)，水中養(yǎng)分開始向凋落葉轉(zhuǎn)移以滿足微生物的生長(zhǎng)，表現(xiàn)為氮的吸收現(xiàn)象[15，17]。作為決定植物生長(zhǎng)和微生物礦化有機(jī)質(zhì)的重要影響因子，氮的釋放還受到初始氮質(zhì)量濃度以及C與N質(zhì)量濃度比的重要影響[22]。C與N質(zhì)量濃度比和C與P質(zhì)量濃度比是影響枯落物分解的重要指標(biāo)。因此，受多方面因素的影響，白蠟凋落葉中N素的復(fù)雜變化使得水體TN質(zhì)量濃度呈復(fù)雜的雙峰波浪型趨勢(shì)。長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)表明，凋落物分解過程中氮、磷的動(dòng)態(tài)變化大致分為釋放、吸收、釋放3個(gè)階段[10，12]，但也有研究表明，凋落葉分解過程中N元素動(dòng)態(tài)變化并沒有表現(xiàn)出一致的規(guī)律，多數(shù)研究中氮的變化無(wú)規(guī)律[23]。

水體中DMn質(zhì)量濃度在12 h內(nèi)顯著上升至峰值后下降，隨后呈波狀波動(dòng)的變化趨勢(shì)，說明凋落葉中還原性無(wú)機(jī)物和可被氧化的有機(jī)物質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)為明顯釋放后的波動(dòng)吸收—釋放動(dòng)態(tài)，可能也是淋溶現(xiàn)象和微生物共同作用的結(jié)果。

綜上，白蠟凋落葉在水體分解過程中，氮元素呈現(xiàn)出釋放—吸收—釋放—吸收—再釋放的復(fù)雜波動(dòng)型變化；磷元素變化特征為釋放—吸收—釋放；DMn質(zhì)量濃度表現(xiàn)為上升—下降—波動(dòng)變化特征，整體上都表現(xiàn)為元素的釋放過程，水體TN、TP、DMn質(zhì)量濃度整體升高。但釋放物對(duì)水體TP和DMn質(zhì)量濃度的影響集中于落葉浸泡12 h內(nèi)，而氮在24 h內(nèi)有兩次明顯的釋放高峰，于132 h仍有釋放高峰。影響白蠟凋落葉分解的因素主要包括微生物的分解活性、葉片的組織結(jié)構(gòu)和凋落物本身所含的元素種類及質(zhì)量濃度等，具體作用還需進(jìn)一步分析研究。