2種典型濕地植物枯落物分解后汞的變化

2種典型濕地植物枯落物分解后汞的變化

由于人類(lèi)活動(dòng)的增多，全球汞流量也在增加。中國(guó)東部是世界上最大的鈉水沉降地區(qū)之一。由于相對(duì)較低的水位，汞流通常形成于濕潤(rùn)區(qū)。通過(guò)沼澤和地表徑流的干燥沉積，汞流可以積累在潮濕地區(qū)。在國(guó)外，濕地的生物地球化學(xué)循環(huán)研究較多。人們認(rèn)為，沼澤濕地對(duì)區(qū)域內(nèi)的水和土壤循環(huán)起著重要作用。這是許多河流和湖泊a-i的主要來(lái)源。根據(jù)國(guó)內(nèi)研究，三江平原濕地中的水含量很高，與沼澤沼澤類(lèi)型有關(guān)。濕地的砍伐會(huì)顯著降低土壤中的水含量。濕植物吸收大氣中的鉛，濕植物可以積累更多的鉛儲(chǔ)存。然而，阿波羅對(duì)濕地水循環(huán)系統(tǒng)中的影響尚不清楚。采用分段袋法可研究阿波羅生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化及影響因素，但用分段袋法難以研究阿波羅生態(tài)系統(tǒng)中的鈉變化。作者研究了阿波羅水生態(tài)系統(tǒng)中液體轉(zhuǎn)化和積累的變化，以及形態(tài)的變化。1樣品的采集和測(cè)定實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇在中國(guó)科學(xué)院三江平原沼澤濕地生態(tài)實(shí)驗(yàn)站.該站位于我國(guó)最大的淡水沼澤濕地分布區(qū).由于4月份僅表層有解凍,不利于野外實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,所以選擇2002年5月中旬至10月進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn),這個(gè)時(shí)間也能夠反映枯落物在一個(gè)生長(zhǎng)季的變化趨勢(shì).采集毛果苔草(Carexlasiocarpa)和小葉章(Calamagrostisangustifolia)濕地植物立枯,剔除雜物,用自來(lái)水沖洗干凈,晾干后稱(chēng)取15g左右樣品分別放入18目和300目的2種尼龍分解袋中,按照10cm、20cm、30cm、40cm深度埋在小葉章和毛果苔草沼澤濕地土壤中.每個(gè)樣品有3個(gè)平行樣,每月取樣品.樣品取出后,除去分解袋表面雜物,晾干、稱(chēng)重、粉碎待測(cè).18目孔隙分解袋具有較大的孔隙,小的土壤動(dòng)物可以進(jìn)出,可參與植物殘?bào)w的分解;300目分解袋則不可以.實(shí)驗(yàn)同期氣溫、降水和積水深度的時(shí)間變化見(jiàn)圖1.從5月到7月開(kāi)始,積水深度逐漸下降,8月降水增多,水位上升,到9月又有下降.毛果苔草濕地在整個(gè)生長(zhǎng)季都有積水,而小葉章濕地為周期性淹水.總汞的測(cè)定采用V2O5-H2SO4-HNO3法消解,F732-V智能型冷原子吸收測(cè)汞儀測(cè)定總汞.用同樣的方法測(cè)定空白,加標(biāo)回收率大于90%,所有的樣品總汞含量都高于3倍空白標(biāo)準(zhǔn)差.測(cè)定精確度用土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品(GSS-2)進(jìn)行檢驗(yàn).在枯落物分解過(guò)程中,其質(zhì)量和汞含量都將發(fā)生變化.為了反映總體上汞的質(zhì)量變化,用式(1)計(jì)算了汞的損失率.Li=(1?wi×Miw0×M0)×100%(1)Li=(1-wi×Μiw0×Μ0)×100%(1)式中,Li為i時(shí)間段汞的損失率(%),損失率是正值表示損失,而負(fù)值表示增加;w0為初始植物汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ng·g-1);M0為植物初始質(zhì)量(g);wi為i時(shí)間段植物殘?bào)w汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ng·g-1);Mi為i時(shí)間段植物殘余質(zhì)量(g).2結(jié)果2.1枯落物汞的變化計(jì)算了通過(guò)分解袋取回后的質(zhì)量與初始質(zhì)量之差,并將此差值與初始質(zhì)量的比值定義為枯落物的損失率(圖2).損失的越快也說(shuō)明分解的速度越快.就18目分解袋毛果苔草枯落物而言,10cm深分解袋質(zhì)量損失率基本上逐漸增加,其它3層的損失率在90d達(dá)到最高,隨后增長(zhǎng)緩慢或下降,分解造成的質(zhì)量損失主要是在前90d.從損失率上可以看出,10cm深分解速度高于下面各層,40cm深分解速度最低.這表明各層枯落物的分解速率隨深度逐漸減小.在垂直變化上,各時(shí)間段不同層損失率的變異系數(shù)以第1個(gè)月(49.6%)變化最大,其它幾個(gè)時(shí)間段均小于25%,這是由于5~6月不同層次之間溫度相差最大,影響到分解.對(duì)于300目分解袋,各層枯落物損失率也表現(xiàn)出相似的時(shí)間變化特征.在10cm深,18目分解袋的損失率高于300目分解袋,說(shuō)明表層土壤動(dòng)物對(duì)枯落物的分解有影響.18目和300目毛果苔草分解袋中枯落物汞的含量變化趨勢(shì)基本一致(圖3).除底層外,其它各層都表現(xiàn)出以下共同變化特征:在分解初期汞含量略有升高;然后,隨著分解程度的增強(qiáng),汞的含量逐漸降低,并低于初始濃度.可以推測(cè),伴隨著枯落物的分解,其中的汞逐漸向濕地水和土壤中遷移.到分解的第90~140d,汞含量又逐漸升高,并有加快的趨勢(shì).在40cm深度處,汞的含量總體上表現(xiàn)為逐漸減小.18目和300目毛果苔草分解袋枯落物汞損失率的變化趨勢(shì)也基本一致(圖4).除底層外,其它各層汞的損失速度隨時(shí)間增加而減慢,并最后表現(xiàn)為累積,到第90d汞的損失達(dá)到最大,這與汞含量達(dá)最小有關(guān).經(jīng)過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)季的分解,18目分解袋(10~40cm)中,汞的總量分別損失了43.1%、38.6%、43.8%、52.5%,而300目分解袋各層分別損失了54.1%、37.0%、50.3%、50.7%,損失的這部分汞進(jìn)入了濕地環(huán)境.毛果苔草沼澤300目分解袋汞損失率和枯落物質(zhì)量損失率的相關(guān)性要高于18目分解袋(表1).各類(lèi)各層汞的損失率和質(zhì)量損失率都具有顯著相關(guān)的特點(diǎn),只有300目20cm深分解袋汞的損失率和質(zhì)量損失率相關(guān)性未達(dá)到P=0.05下的顯著水平,但相關(guān)系數(shù)較高.2.2固相增長(zhǎng)層不同層的枯落物汞損失率對(duì)于小葉章18目和300目分解袋,10cm深枯落物質(zhì)量損失率隨時(shí)間逐漸增加,其它3層的損失率在60d后達(dá)到最高,隨后幾個(gè)月變化較小(圖5).因此,后期的分解速度要小于初期.在10cm深處18目分解袋枯落物質(zhì)量損失率高于300目,這與表層土壤動(dòng)物的影響有關(guān).在垂直變化上,隨著深度的增加,枯落物質(zhì)量損失率減小.各時(shí)間段不同層損失率的變異系數(shù)也是第1個(gè)月(39.9%)變化最大,第2個(gè)月最小(17.56%),隨后,各時(shí)間段變異系數(shù)則逐漸增加.對(duì)于小葉章18目分解袋,除10cm深以外,其它各層枯落物汞含量均有先增加,然后降低,最后升高的特點(diǎn).不同的是,10cm深枯落物汞含量在后期略有下降(圖6).在0~30d內(nèi)4個(gè)層次增加幅度相差不大,隨后,40cm深處的枯落物汞含量不斷升高,10cm深的不斷降低.300目分解袋汞含量的變化除第1層沒(méi)有18目分解袋中枯落物汞的含量變化大外,都表現(xiàn)出類(lèi)似的時(shí)間變化特征.最后,汞的含量18目分解袋大于300目.18目和300目分解袋各層在前30d汞的損失率見(jiàn)圖7.經(jīng)過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)季的分解,18目分解袋10~40cm深汞的總量分別損失了36.7%、-24.5%、-9.7%、-50.1%,300目分解袋各層分別損失了68.1%、12.3%、-0.6%、27.4%.從2種分解袋汞的損失率和各層枯落物質(zhì)量損失失率的相關(guān)系數(shù)可以看出(表1),18目分解袋(10cm深)與300目分解袋(40cm深)汞的損失率和質(zhì)量損失率具有顯著相關(guān)關(guān)系.3不同類(lèi)型濕地枯落物汞的變化特征枯落物中汞質(zhì)量的損失是由枯落物質(zhì)量的損失和汞含量變化所決定的.無(wú)論是毛果苔草還是小葉章,在10cm深處枯落物質(zhì)量一直表現(xiàn)為損失.此深度由于積水條件的變化,氧化還原環(huán)境變化劇烈,同時(shí)受到光照、溫度、風(fēng)等因素的影響,使枯落物一直以比較高的速率分解.而其它層次則在7、8月時(shí)汞質(zhì)量損失達(dá)到最高,而后汞質(zhì)量變化不大.前期汞質(zhì)量的損失主要是由于易分解物質(zhì)快速分解造成的,而后期殘留的纖維素等難分解的物質(zhì)分解速度慢,汞質(zhì)量損失小.枯落物中汞的含量大小是由枯落物中的汞和環(huán)境中的汞交換決定的.隨著分解的進(jìn)行,枯落物中的汞不斷進(jìn)入周?chē)h(huán)境.同時(shí),濕地水中的汞也會(huì)被枯落物所吸附,而這種吸附能力的變化將影響著二者之間的汞交換.毛果苔草和小葉章枯落物大部分層次汞含量的時(shí)間變化為N型,既初期升高,然后下降,最后又升高.前30d的升高可能是由于枯落物吸水膨脹所造成的;隨著分解的進(jìn)行,部分汞隨易分解的物質(zhì)進(jìn)入水中,而后期分解程度深,殘?bào)w破碎表面積增加,枯落物殘?bào)w對(duì)汞的吸附能力增強(qiáng),濃度升高,但仍低于對(duì)應(yīng)的濕地土壤汞含量(88.4±28.4ng·g-1).因此,枯落物分解程度對(duì)汞的含量有一定的影響.毛果苔草濕地40cm深處枯落物汞的含量和小葉章濕地10cm深的汞含量與其它各層的變化特征不同,這主要與二者所處的微環(huán)境不同有關(guān).毛果苔草濕地40cm深,水的溫度低(冰層要到7月才完全融化),微生物活動(dòng)弱,不利于分解,使40cm深分解速度慢于其它各層,因而使后期的汞含量逐漸降低,這與其它層次汞含量逐漸升高的變化趨勢(shì)不同.小葉章濕地水位波動(dòng)大,地溫相對(duì)較高,有利于分解,而后期枯落物汞含量的升高主要是由于枯落物本身吸附能力增強(qiáng)造成的.10cm深的層次由于沒(méi)有被水淹沒(méi),與外界的水交換少,使其汞含量較低.從時(shí)間變化來(lái)看,6月下旬到7月下旬之間是水位最低的時(shí)候,小葉章濕地除底層外其它各層都變干,毛果苔草濕地水位也達(dá)到最低,表層逐漸露出水面.從2種類(lèi)型濕地枯落物分解袋可看出,汞的含量減少最快,從7月下旬到8月下旬降水最大,水位逐漸恢復(fù),枯落物淹水后汞的含量逐漸升高.小葉章濕地周期性的淹水加速了小葉章的分解,而毛果苔草因長(zhǎng)期淹水和水位波動(dòng)較小,淹水條件對(duì)其分解的影響較小.小葉章和毛果苔草濕地枯落物汞的變化特征也正反映出環(huán)境的差異.在分解的后期,小葉章各層汞的損失率有正有負(fù),毛果苔草枯落物各層汞的損失率均為正值,并且小葉章枯落物各層汞的損失率的變異系數(shù)(37%)要大于毛果苔草(21%).這說(shuō)明微環(huán)境的差異(特別是積水的變化)對(duì)小葉章各層汞的損失的影響大于毛果苔草.對(duì)毛果苔草枯落物汞的損失率與環(huán)境因素的相關(guān)系數(shù)計(jì)算表明(表2),枯落物汞的損失與表層水中溶解性汞呈負(fù)相關(guān).汞的損失與積水深度的相關(guān)系數(shù)較高,尤其表現(xiàn)在中間2層.積水越深,還原電位越低,如毛果苔草濕地由于長(zhǎng)期淹水,氧化還原電位均為負(fù)值,在15cm深以上大于-150mV,隨著深度的增加,基本上逐漸減小,在45cm深處為-238mV.積水還影響好氣細(xì)菌的分解作用,據(jù)孟憲民研究,潛育沼澤(小葉章濕地)中的微生物數(shù)量高于泥炭沼澤(如毛果苔草濕地),其中好氣細(xì)菌均占99%以上,它的數(shù)量和活性極大的影響到有機(jī)物的分解.孟憲民認(rèn)為,在有穩(wěn)定的水分積累地段,好氣性微生物種群數(shù)量和活性受到抑制,利于泥炭積累.此外,在本研究中,中間2個(gè)層次地溫和汞的損失率也顯著性相關(guān).在植物枯落物分解的過(guò)程中,也同時(shí)進(jìn)行著汞形態(tài)的轉(zhuǎn)變.國(guó)內(nèi)外研究表明,在淹水泥炭地的新枯落物是有機(jī)C、N、P、S的重要來(lái)源,這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比泥炭中的這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更易于被微生物所利用.新加入的汞的甲基化速率要高于原來(lái)存在的汞,同時(shí),濕地的還原性環(huán)境以及來(lái)自新枯落物所釋放的汞將會(huì)使硫酸鹽還原細(xì)菌活性增強(qiáng),汞的甲基化速率增高.因此可以推測(cè),每年從新的枯落物中釋放到濕地里的汞是保持濕地水體較高甲基汞含量的重要原因.但這需要進(jìn)一步的驗(yàn)證.4枯落物汞的損