白洋淀典型水生植物腐解水质变化特征与元素释放、归趋分析

来源 :华北水利水电大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:xiaogengwhy
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白洋淀是华北平原最大的草型淡水湖泊,有“华北明珠”之称。白洋淀水生植物种类繁多,淀内生长有芦苇、菹草等大型水生植物。水生植物参与水体营养盐循环,一方面在湖泊食物链中承担生产者的作用,另一方面也是湖泊演化和生态平衡的重要调控者。生长期的水生植物对水体水质有较好的维护作用,但水生植物在腐烂分解时易影响水体水质,各营养盐和耗氧污染物指标在短时间内呈增高趋势,过量繁殖时易引起水体的“二次污染”。因此,研究白洋淀水生植物腐烂分解过程引起的水质效应、探索腐解过程中各元素迁移转化规律,对于湖泊水体保护和生态修复,具有重要意义。本文以白洋淀典型沉水植物(菹草)、挺水植物(芦苇)、浮叶植物(浮萍)为研究对象,基于现场测量数据和实验室模拟研究,分析不同类型水生植物自然腐解过程中对水体常规理化指标、耗氧污染指标和营养盐指标等的影响,为白洋淀水生植物打捞、收割提供数据支撑,对白洋淀水生植物管理和水质保护具有重要意义。同时定量计算碳、氮、磷元素在植物残体、水体和沉积碎屑等不同介质中的动态平衡,揭示腐解过程中各元素迁移转化规律,为后续水环境模拟关键参数的确定提供基础研究数据。主要研究内容和结论如下:(1)本腐解试验研究中水生植物C、N、P元素释放速率不同,总体表现为P>C>N。二次指数模型拟合结果显示,菹草腐解速率>芦苇腐解速率。菹草易分解组分相对整体占比72.1%,相应的分解速率k1为0.082d-1,难分解组分相对整体占比27.9%,相应的分解速率k2为0.0053d-1;芦苇易分解组分相对整体占比18.1%,相应的分解速率k1为0.047d-1,慢分解组分相对整体占比81.9%,相应的分解速率k2为0.0027d-1。菹草、浮萍植物残体C含量在腐解初期均有小范围的升高后植物C含量明显降低。芦苇植物残体C含量总体变化较稳定。三种植物残体中N元素变化趋势不同,总体表现为腐解后期菹草、浮萍N元素含量低于芦苇N元素含量。在整个腐解过程中P元素的释放速率远超其它两种元素,三种植物残体P在腐解初期显著下降。(2)菹草、芦苇、浮萍3种水生植物在腐解过程中均引起水体指标变化,p H、ORP、DO等呈现先下降后上升趋势。菹草腐烂分解过程中DOC、COD变化趋势相似都在第16天达到最大值分别为39.26mg/L和52.01mg/L,N指标(TN、氨氮、硝氮)也在腐烂分解进行的第16天对水体水质影响最大,浓度分别为2.23mg/L、0.85mg/L、0.48mg/L,在腐解进行的第8天水体TP、SRP浓度达到最大,此时浓度为(0.51mg/L、0.24mg/L)。菹草腐烂分解对区域水质影响的持续时间短,程度大。芦苇腐解过程中,水体中DOC、COD一直处于较高的状态在腐烂分解进行的第20天达到最大值后开始降低,总体浓度较高,水体中N指标(TN、氨氮、硝氮)、P指标(TP、SRP)浓度变化规律都是先升高后降低的趋势,芦苇腐解速度慢,对水质的影响持续时间长,累积效应大。浮萍腐解过程中水体C指标(DOC、COD)、N指标(TN、氨氮、硝氮)和P指标(TP、SRP),分别在腐烂分解的第12、12和8天对水体水质影响最大。随着腐解进行实验结束时水体各营养盐指标恢复正常水平,浮萍腐烂分解对水质影响跟菹草相似,持续时间短,程度大。(3)菹草、芦苇、浮萍在整个腐解周期中C、N、P元素明显向沉积物迁移、转化,部分C、N元素在转化的过程中会形成气体向外界扩散。菹草腐解分别在第16、16、8天对水体C、N、P指标影响达到最大,此时菹草体内40.6%C、31.8%N和71.5%P以溶解态和悬浮碎屑态转移到水体中,导致水质劣于地表Ⅴ类水标准。菹草44d的腐解量为72.1%,C、N、P留存在水体中的比例由33.7%、32.8%和66.8%减少为11.1%、7.2%和8.0%,以气体形式离开水体的C占29.8%和N占16.3%,沉积碎屑去向的占比分别为38.5%、52.7%、76.2%。芦苇腐解全过程中,水体中C占比一直处于1.9%-4.2%的较低状态,水体中N、P占比最高为16.8%和10.0%。芦苇腐解90d时腐解量为18.1%,此时C、N、P留存在水体中的占比不足3%,植物残体占比分别为62.8%、73.6%和33.3%。浮萍腐解过程中水体C、N、P指标分别在第12、12、8天影响达到最大,此时浮萍体内55.1%C、52.6%N和85.7%P以溶解态和悬浮碎屑态转移到水体中。水体中C、N、P指标分别达到最高,随着腐解进行实验结束时水体C、N、P指标分别降低,最终29.8%的C和22.1%的N以气体的形式离开水体。腐解过程中的元素去向动态平衡计算说明,菹草、浮萍腐解对白洋淀水质影响时间相对集中,主要影响途径为植物残体腐解以可溶态和悬浮碎屑态直接进入水体;芦苇腐解速度较慢且相对均一,对白洋淀水质尤其是DOC影响持续时间长、累积效应大,通过植物残体腐解和沉积碎屑释放2个途径共同影响水质。
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