农田面源流失C、N、P元素的生态化学计量与生态拦截沟渠工程.doc

农田面源流失C、N、P元素的生态化学计量与生态拦截沟渠工程摘要 综合生态拦截沟渠内土壤、水体、微生物、浮游植物、浮游动物、水生高等植物中C、N、P元素的生态化学计量研究进行分析，阐明生态拦截沟渠建设对改变农田排水的化学计量学属性、消减农业面源污染、降低水体富营养化程度以及控制藻类水华等方面的影响，以期为生态拦截技术的开发提供理论依据。 .关键词 生态拦截沟渠；C、N、P元素；生态化学计量；富营养化；藻类水华 中图分类号 X131.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）17-0234-03 农业面源污染是导致水污染及水体富营养化的主要原因之一，生态沟渠塘等湿地工程可以拦截农田径流中N、P的面源污染1。生态拦截沟渠除可有效减缓农田排水水速，促进水流所携带颗粒物质的沉淀外，最主要的功能是能大幅度降低水体中的N、P素养分流失2。杨林章等1研究发现生态拦截沟渠对农田径流中TN、TP的去除效率分别达到48.36%和40.53%。然而该技术未能在藻类水华控制、水生生物多样性提升等方面发挥出积极的作用3-5。特别是蓝藻水华能在很多低浓度的N、P营养水平下暴发，蓝藻水华不仅与水体中营养元素总量有关，还与各种营养元素的组成比例有关。例如，Smith6就发现蓝藻水华在NP25时，藻类生长受到 P限制的规律10。农业排水区中的营养盐含量及比例非常有利于淡水蓝藻水华的暴发，且水体限制性营养盐为N元素。然而，不同季节的水体限制性营养盐不一，如春季的藻类生物量常受N限制而秋季的藻类生物量常受到P限制15。农田生态拦截沟渠的建立虽然对水体中N、P营养盐消减作用明显，但生态拦截沟中的较低TNTP值（520）仍然非常有利于蓝藻水华的暴发4。一些研究更发现，农业排水经生态拦截后，尽管水体中TN和TP总量下降了，但其水体中的NP也随之下降了1-2。此外，农田湿地植物的残体通过微生物、无脊椎动物的分解作用可以增加湿地中的有机质总量，有机质的增加可以为水生生态系统提供碳源，造成高CP值，容易形成P限制。郭匿春等4的研究发现，生态拦截沟渠中的TP含量是影响水体藻类生物量和水环境质量的主要影响因子，生态拦截沟渠中的限制性营养盐为P元素。在水体修复实践活动中，在保持氮元素修复效率的情况下，应以P元素的去除率最高为原则。因此，加强对农田生态拦截沟渠中的C、N、P比率研究，分析不同季节、排水区域的限制性营养盐对富营养化治理和藻类控制有利。 1.3 微生物中C、N、P元素的生态化学计量与生态拦截沟渠工程 微生物有较强治理N、P营养盐污染的能力，常利用微生物来实现污水的净化16。沟渠湿地中的微生物主要有真菌、放线菌、兼性厌氧菌、硝化细菌、反硝化细菌、原生动物等17。好氧条件下，硝化细菌可以将NH4+经NO2-氧化成NO3-，将N、P及其他有机物分解为NO3-、PO4-、SO42-等离子。厌氧微生物还原细菌和发酵细菌可以将有机物分解为CO2、NH3、H2S、PH3、CH4等气体，挥发进入大气17。微生物在沟渠生态系统物质和能量循环中起着非常重要的作用。在生态拦截沟渠建立后，沟渠中的湿地植物可以与根际微生物形成“共生”关系，大量吸收营养盐，进而降低水体中的Chl-a和净化水体水质18。如根际好氧微生物就可以通过硝化和反硝化作用大大消减水环境中的N含量17。尽管微生物可以强力消减生态拦截沟渠中的N、P营养盐，但环境中的P限制对微生物群落发展与生态功能的发挥均有重要影响16。如农田湿地植物的残体分解为微生物生长提供碳源和在厌氧环境中将P元素转化为PH3，造成了高CP值。高CP值（P限制）的条件下，环境中P含量的增加会使微生物体内的RNA含量增加，微生物生长速率较高而微生物群落增长较快，进而影响微生物对N的消除效率16。而低NP值对微生物的生长和种群增长有利，在利用生物消减N、P营养盐和抑制藻类水华的生态拦截过程中应多加以考虑8。因此，在建设生态沟渠湿地工程拦截农田流失的N、P养分时，微生物与湿地植物形成“共生作用”和环境中适当的CNP以确保微生物生长速率和群落结构，对微生物发挥其消减农业面源污染的生态功能有重要意义。 1.4 浮游植物中C、N、P元素的生态化学计量与生态拦截沟渠工程 淡水浮游植物中的CN 和CP意味着生物量与生境中营养盐的关系，即养分利用率19，而浮游植物的生长速率与环境中限制性营养盐的可利用性密切相关。营养盐限制会造成浮游植物在生长过程的生理和生化结构改变，环境中的NP值变化可以改变藻类内部元素含量、化学物质组成以及一些酶活性，限制了藻类的生长，进而影响藻类的生物量和群落组成20。Schindler等21在加拿大安大略湖区进行了全湖营养盐操控试验，结果发现低NP值有利于固氮蓝藻（鱼腥藻和束丝藻）在水体中形成优势。Bulgakov和Levich22在总结大量的试验结果时发现，高的NP值（2050）有助于绿藻的发展；当NP值下降到510时，常常导致蓝藻占优势；且不同的NP值下蓝藻的优势种类也不相同。此外，藻类代谢产物（藻毒素）也随环境中的CNP计量值的变化而变化9。分析生态拦截沟渠中的浮游植物群落结构发现，生态拦截沟渠中浮游植物的优势种类主要为绿藻和蓝藻（主要属C类进攻型和S类进取型藻类），水流速和NP值等决定生态拦截沟渠中藻类群落结构，水生高等植物群落的建立不能有效控制生态拦截沟渠中的藻类生物量4。藻类生物多样性主要受季节变化和水体流速等物理因子影响，水生高等植物群落的建立对其影响也不明显4，23。陈开宁等5的研究也表明在水生植被生态重建后较长时间才能改变水体中的优势藻类。郭匿春等4的研究发现生态拦截沟中NP值对藻类的种类分布有较大的解释率，因此要实现生态拦截沟中藻类的控制和藻类多样性的提升应优先降低水体中的TP和TDP浓度，并提高水体中的NP值。 1.5 浮游动物中C、N、P元素的生态化学计量与生态拦截沟渠工程 浮游动物体内的C、N、P元素组成常随着生长而改变，但仍具有相对恒定的稳态性24。浮游甲壳动物体内的CP值在70200之间波动，低于水体中初级生产者藻类的CP值（1001000）。尤其是大型浮游甲壳动物惺Daphnia，其体内CP组成比例仅在8090之间波动，其P需求较其他种类浮游甲壳动物更强烈，可以通过摄食作用将水体中的颗粒磷储存在体内，而水体中较低量的悬浮颗粒性磷可以降低浮游植物的生长速率和生物量25-26。反之，当Daphnia死亡或水体中有大量的碳输入，改变了水体中的CP值后，水体中的摄食作用减弱，藻类生物量就会上升27。生态拦截沟中的水生植被可以通过对浮游动物Daphnia的庇护来增强水体中的摄食作用，进而控制藻类水华3。郭匿春等3发现生态拦截沟中浮游甲壳动物的平均体长与水体中TNTP值成正比关系，生态拦截后水体中Daphnia的成体体型变大，生物量和在浮游动物群落中占有的比重也在上升，Daphnia对P的吸收和沉积会造成水体中TDP浓度降低28-29。Elser等7研究也发现在Daphnia占优势的情况下，Daphnia吸收水体中的P，提升了水体NP值，使得浮游植物的生长受到P限制从而抑制浮游植物生长；而在桡足类动物占优势的情况下，桡足类富集氮而排出多余的P，降低了水体中的NP并促进藻类的生长。王程丽30研究NP值对欣嗫卦遄饔玫挠跋焓狈郑高NP值条件下，大型锌卦逍较佳；而低N条件下，P浓度的增加对大型械目卦逍影响不大。因此，在生态拦截沟渠中，实施以浮游动物捕食为主体的经典生物操纵具有调节NP值，增强水生植物竞争力，控制藻类水华和治理水体富营养化的效果。 1.6 水生植物中C、N、P元素的生态化学计量与生态拦截沟渠工程 在水生植物的挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物中，沉水植物体内的N含量为13 mg/g，P为3 mg/g以上，具有很强吸收、储存N、P营养的能力。此外，沉水植物体内的CN和CP值较高，其对N、P养分的利用效率高，因此更适合作为富营养化水体水生植物恢复的物种31。理论上，沉水植物的CP值范围为83.18468.02，表现出一定的稳态性特征。而藻类的CP值范围为1001 000，表现出较强的非稳态性特征25。两者的生态化学计量值比较而言，沉水植物没有表现出更强争夺水体中营养成分的竞争力。但沉水植物可以同时从水体和沉积物中获取营养元素以维持其体内元素比例和营养动态平衡，进而确保正常的生长发育和生态过程，因而在水生态修复中正常发挥出藻类控制作用31。生态拦截沟渠中不同水生植物的培植与水体中的富营养化程度和藻类水华关系密切1，4。王程丽30的研究认为，在与藻类的竞争过程中，当水中N浓度高时，很高的NP值对大型沉水植物有利，较适中的NP值则会使藻占据优势；N浓度低时，低NP值会使藻占据竞争优势。因此，在生态拦截沟渠中利用水生植物进行水体净化时，要尽力营造适应沉水植物的水生态环境，如提升水体NP值、提高水体透明度和降低水体流速等4。同时，应采取多种水生植物联合净化水质。从生态化学计量学的角度讲，不同的水生植物吸收养分和共生微生物的能力不同，对水体净化的优势也不相同。如沉水植物的N、P消减率高，而漂浮植物发达的根系和根际微生物的存在对调节CP值和NP值的效果明显，更容易保持水生生态系统的长期稳定32。另外，生态拦截沟渠中的不同水生植物可以通过吸收利用、拦截、吸附、遮光和化感等作用来实现水质净化和藻类生长的抑制33，也可以有效弥补单一沉水植物培植在富营养化治理和藻类水华控制上的不足。 2 展望 本文通过对农田排水沟渠的土壤、水体、微生物、浮游植物、浮游动物和水生高等植物中C、N、P元素的生态化学计量研究进行综合分析，构建了农业面源N、P营养盐生态拦截与水生生态系统重建，水生态危机消除和藻类水华控制之间的联系。对农田生态拦截沟渠建设提出以下意见。 （1）农业上化肥广泛且不合理的施用对土壤C、N、P等元素计量学特征值影响很大。生态拦截沟渠的建立可以通过改变土壤中的NP值来影响农业排水的富营养化程度和藻类水华。 （2）农业排水中的NP值非常有利于淡水蓝藻水华的暴发。加强对排水中的CNP值的研究，分析不同季节、排水区域农业排水中的限制性营养盐对水体富营养化治理有利。 （3）微生物有较强治理氮磷营养盐污染的能力，通过与湿地植物的“共生作用”可降低水体中的Chl-a，净化水质。环境中适当的CNP值对维持微生物群落结构和农业面源污染的治理有重要意义。 （4）浮游植物元素组成、化学物质及酶活性受环境中的C、N、P化学计量特征值变化影响显著。蓝藻水华更容易在低NP值