环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (5): 744-754  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.01.81

引用本文  

梁菊, 叶春, 李春华, 等. 太湖竺山湾缓冲带两种人工草林土壤反硝化作用比较[J]. 环境科学研究, 2017, 30(5): 744-754.
LIANG Ju, YE Chun, LI Chunhua, et al. Comparison of Soil Denitrification in Two Kinds of Planted Forests in the Buffer Zone of Zhushan Bay, Taihu Lake[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(5): 744-754.

基金项目

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101-009)

责任作者

叶春(1970-), 男, 江西九江人, 研究员, 博士, 主要从事湖泊富营养化控制与水体生态修复研究, yechbj@163.com 蔡绪贻(1965-), 男, 湖北武学人, 副教授, 主要从事地下水污染和大气化学研究, ensonkai@gmail.com

作者简介

梁菊(1988-), 女, 河北廊坊人, liangju1988@126.com

文章历史

收稿日期:2016-09-11
修订日期:2017-01-03
太湖竺山湾缓冲带两种人工草林土壤反硝化作用比较
梁菊1,2 , 叶春1 , 李春华1 , 蔡绪贻2     
1. 中国环境科学研究院, 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 湖泊工程技术中心, 北京 100012;
2. 中国地质大学(北京)水资源与环境学院, 北京 100083
摘要:在太湖竺山湾缓冲带选取两种人工草林(杨树灌木混合林和纯杨树林),对其林床地表径流、林下土壤水和林下地下水进行了为期1 a的观测,比较了土壤反硝化作用.结果表明:①两种人工草林林下土壤生化性质、w(有机碳)以及各形态氮质量分数在1 m深度内垂向剖面上的分布大致相同;②两种人工草林内地下水中的ρ(NO3--N)在1 a之内都没有明显升高趋势,显示反硝化作用在土壤水的入渗过程中有效削减了NO3--N,并阻止了其向地下水的迁移;③在垂直剖面上,两种人工草林土壤水中ρ(NO3--N)在40 cm深度处出现峰值,同深度处的ρ(DO)(低至0.08 mg/L)、Eh(氧化还原电位,0~18 mV)也较低,说明40 cm深度附近可能发生了耦合的硝化-反硝化作用;④在垂直剖面上,两种人工草林土壤中反硝化势和反硝化菌数均在40 cm深度附近出现峰值,虽然杨树灌木混合林土壤反硝化势[2.1 mg/(kg·h)]是纯杨树林[1.1 mg/(kg·h)]的2倍,但两种人工草林土壤中实际的反硝化速率受ρ(NO3--N)的限制,没有明显的差别.研究显示,两种人工草林土壤都在40 cm深度附近存在反硝化活跃带.
关键词植被缓冲带    人工草林    地下水    反硝化    
Comparison of Soil Denitrification in Two Kinds of Planted Forests in the Buffer Zone of Zhushan Bay, Taihu Lake
LIANG Ju1,2 , YE Chun1 , LI Chunhua1 , CAI Xuyi2     
1. National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
2. College of Water resources and Environment, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China
Abstract: Two planted forests with different compositions-the polar and shrub forest (PSF) and the polar forest (PF)-in Zhushan Bay in the buffering zone of the Taihu Lake were selected as the vegetation buffer strips for comparison of their soil denitrification ability. The contents of various forms of N species in their floor surface runoff, the soil water and groundwater below their floor were monitored for one year, and the soil denitrification potentials at different depths were also measured. The results showed that:(1) the soil physical chemistry and biological properties, the organic matter content, and the content of various species of nitrogen varied with depth less than one meter in the same pattern. (2) No significant increase trends were observed for nitrate (NO3--N) contents for the groundwater under both forests for one year. This indicated that the denitrification in their soils efficiently reduced the nitrate in their soil water, and prevented the nitrate from being transported into the groundwater. (3) The maximum value for the measured denitrification potentials were found around the depth of 40 cm in the vertical soil profiles for both planted forests, coinciding with lower values for DO concentration and Eh at the same depth, proving the existence of a coupled nitrification-denitrification layer. (4) In the vertical soil profiles for both planted forests, all the maximum values for the soil denitrification potentials and the numbers of denitrification bacteria in these two forests occurred around the depth of 40cm, demonstrating the existence of an active denitrification layer around the depth of 40cm, which was closely related to the root system of grass vegetation. (5) At the same depth, the soil denitrification potentials for PSF (2.1 mg/(kg·h)) were twice those for PF (1.1 mg/(kg·h)); however, there was no significant difference for the actual overall denitrification rates for the soils in both forests, which were limited by the concentration of nitrate in soil water.
Keywords: vegetation buffer strip    planted forest    groundwater    denitrification    

近30年来,地表水体富营养化问题受到了水资源和环境等多学科研究者越来越多的关注.为有效削减地表径流中营养物质的负荷,遏制地表水体富营养化的发展,人们提出了多种生态工程措施,如生态农业、缓冲带、湿地系统、多水塘等,其中比较普遍且有效的是RVBS(riparian vegetated buffer strips,滨水植被缓冲带). RVBS削减营养物质负荷的主要机理:①通过增加地表摩擦阻力,减缓地表径流流速,让地表径流中颗粒态的营养物质沉积在植物根部;②增加地表径流在RVBS的滞留时间,让水相中的营养物质渗入土壤和植被根系带中,通过植物吸收、反硝化作用等去除营养物质. 20年来国内外大量的工程实践证明,RVBS的确能有效地削减地表径流营养物质的负荷,削减率高达70%~80%[1-4].但有研究[5-6]发现,长期使用的RVBS土壤孔隙度变大,更多的营养物质可能被淋溶至地下水.地下水中这些遗存的营养物质经过漫长的时间最终被排泄至地表水体中,使地表水体富营养化在很长时间内难以被有效控制和治理,对社会和经济的发展造成了不可估量的损失[7].而反硝化作用是削减土壤水中的氮素、阻止其进入地下水的重要且有效的生物地球化学作用.因此,研究RVBS土壤中垂向氮素的反硝化作用,对滨水区地表水体富营养化的控制有重要的科学和工程意义.

该研究通过系统地监测地表径流、土壤水和地下水氮素含量的动态变化,测定ρ(DO)、Eh(氧化还原电位)、土壤反硝化菌数和土壤反硝化势等在土壤垂直剖面上的分布.研究[8-10]发现,RVBS的土壤中存在所谓的反硝化热点区,即反硝化活跃区,这些反硝化活跃区(热点区)是由土壤有机质斑块产生的.Rotkin-Ellman等[10]研究表明,土壤有机质斑块的形成与植物根系分泌物密切相关.该研究同时探讨了植被类型对其林下土壤反硝化活跃区空间分布的影响,以期为研究植被类型对其林下土壤中反硝化作用的影响提供支持.

1 研究区域概况

太湖竺山湾缓冲带位于太湖流域西北部,属亚热带季风气候,气候温润,降雨充沛.地势由南向北、由西向东呈微倾状.地表主要沉积了晚更新世堆积的灰黄色亚黏土,在局部低洼地段和沿湖岸地带堆积有灰色、灰黄色淤泥质亚黏土.地下水主要是松散岩类孔隙水,含水介质由黏土、亚黏土、亚砂土及粉砂组成,水位埋藏浅.在草林系统,地下水主要补给来源是大气降雨.研究区位于太湖竺山湾缓冲带综合示范区内(见图 1).在研究区选取了两种典型的人工草林(杨树灌木混合林和纯杨树林),分别位于亭渎港湿地和太湖头浜.其林下土壤均属棕黄壤.两种人工草林系统植物及地下水初步调查结果如表 1所示.

图 1 太湖竺山湾综合示范区 Figure 1 The comprehensive demonstration zone in Zhushan Bay, Taihu Lake

表 1 研究区两种人工草林植物组成调查结果 Table 1 Survey results for the compositions of the two planted forests in the research area
2 材料与方法 2.1 观测井布设和取样

在每个草林之外均设一地下水水质参照点,各参照点地表径流未流经草林系统,其水质不受草林系统的影响.在每个不同人工草林系统中设置两个距离较近的地下水监测点,同时在每个地下水监测点旁边布设地表径流和土壤水监测点.土壤水监测点可以收集深度在40和80 cm处的土壤水.地表径流监测点和土壤水监测点离两个地下水监测点之间的水平距离均为50 cm.各监测点均安装加工过的PVC管用来收集水样. PVC管上均匀地分布着滤网包裹的渗漏孔.在2014年7月—2015年7月期间,每当连续几天有降雨发生时,即赴现场采集水样.水样的温度、ρ(DO)、pH和Eh在现场测定,ρ(TN)、ρ(NH4+-N)和ρ(NO3--N)的分析在实验室进行测定.

2.2 水样的分析

现场水样的ρ(DO)和水温采用HQ30d便携式溶解氧仪(德国Flexi公司)测定;pH与Eh采用SG23 SevenGo Duo pH TM计(瑞士METTLER TOLEDO公司)测定. ρ(TN)依据HJ 636—2012《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》测定;ρ(NO3--N)依据HJ/T 346—2007《水质硝酸盐氮的测定紫外分光光度法》测定;ρ(NH4+-N)依据HJ 535—2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》.采用的仪器均为Alpha-1860紫外分光光度计(上海谱元仪器有限公司).

2.3 土壤剖面取样及处理

在地下水监测点附近(离地下水监测点距离30 cm范围内),用土钻采集0~100 cm的剖面样,取样层次为0~20、≥20~40、≥40~60、≥60~80、≥80~100 cm.取土壤鲜样装入自封袋,带回实验室.新鲜湿土样分三部分:①放入冰箱冷藏,用以测定微生物数量;②暂不作处理,用以测定反硝化势;③进行冷冻干燥,干燥后的土样导入陶瓷研钵中研磨,过100目(0.149 mm)筛,测定土壤粒径、w(TN)、w(NH4+-N)、w(NO3--N)及w(有机质).

2.4 土壤样品的分析

采用TM-85甲种比重计(河北武强亿达仪表厂)测定土壤各粒径颗粒所占比例(黏粒粒径 < 2 μm,粉粒粒径为2~50 μm,砂粒粒径>50 μm)[11];先用SH220消解炉(济南海能仪器有限公司)把土样中氮转化为NH4+-N,再用UDK159凯氏定氮仪(意大利VELP公司)测定w(TN)[12]. w(NH4+-N)、w(NO3--N)依据HJ 634—2012《土壤氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测定氯化钾溶液提取-分光光度法》测定;w(有机质)依据NY/T 1121.6—2006《土壤检测第6部分:土壤有机质的测定》.土壤中反硝化菌数用MPN稀释法测定[12],在JB-CJ-1FD洁净工作台(苏州佳宝净化工程设备有限公司)上对土壤液进行稀释,在SYQ-DSX-280B智能人工气候箱(上海申安医疗器械厂)里培养,最后进行显色计数.

反硝化势用直接测定法.称取50 g鲜土放入250 mL广口瓶中,加入培养液50 mL(100 mg/L KNO3溶液,100 mg/L葡萄糖溶液),盖紧硅橡胶塞并在接口处涂抹硅胶以密封瓶口,在25 ℃下SYQ-DSX-280B人工气候箱(上海申安医疗器械厂)中培养,分别于1、2和3 h抽取顶空气体,每次抽取完后立即将采气口用硅胶密封.抽出气体采用JS901-N2(天津精晟环保科技有限公司)和AP-S-N2O检测仪(深圳市安帕尔科技有限公司)测定w(N2)和w(N2O).

3 结果与讨论 3.1 两种人工草林土壤剖面分析 3.1.1 物化及生物性质

表 2可见两种人工草林土壤的物理化学及生物性质在100 cm深的土壤垂直剖面上的分布相似.土壤含水率、w(黏粒)在土壤深层(80 cm左右)较高,微生物数在土壤表层(0~40 cm)较高.

表 2 研究区两种人工草林系统土壤剖面生化性质 Table 2 Profile for biochemical properties of the soils under two planted forests in the research area
3.1.2 有机碳

两种人工草林系统土壤中w(有机质)均随土壤深度的增加而降低,变化显著的主要集中在土壤表层(见图 2).地表枯枝落叶是表层土壤中有机质的重要来源[13],植物根部的腐烂分解,也为土壤提供了丰富的碳源[14],因此相较于草林外,草林内土壤中表层w(有机质)更高.而土壤下层因不能直接接收地表植物残体,从而表现出草林土壤中表层w(有机质)高于深层土壤.不同的植物种类影响落叶分解释放的有机质量[15],这可能是纯杨树林土壤w(有机质)略高于杨树灌木混合林的主要原因.

图 2 两种人工草林土壤中w(有机质)的垂直分布 Figure 2 Vertical profile of organic matter content in soils under the two planted forests
3.1.3 氮素含量

图 3为两种人工草林系统中土壤氮素含量的变化.由图 3可见,土壤中垂向w(TN)、w(NO3--N)变化相似,均随土壤深度的增加而逐渐降低.

图 3 两种人工草林土壤中氮素含量垂直分布 Figure 3 Vertical profile of nitrogen content in the soils under the two planted forests

自然条件下,枯枝落叶也是表层土壤中TN的重要来源.土壤表层通气性强、微生物丰富且活动较高(见表 2),促进了枯落物的分解和TN的积累.处于下层土壤的物化性质及生物作用相对较稳定,主要通过表层土壤分解、转化和累积得到.因此,表层土壤中w(TN)明显高于下层土壤.表层土壤中w(TN)还与植被覆盖度有关,较高的植被覆盖度有较为丰富的凋落物,而且植物的拦截和吸收作用会将地表径流中的营养物滞留于土壤中[16-17].冬季植物枯萎,既无丰富凋落物又对地表径流的拦截效果降低,进而土壤中w(TN)低(2014-11-25).草林外植物稀少,多为菜地,又因是在冬天采样,故土壤中w(TN)低(见图 4).

图 4 两种人工草林所对应参照点土壤中氮素垂直分布 Figure 4 Vertical profile of nitrogen content in soils at the reference sites for two planted forests

w(NO3--N)变化主要集中于土壤表层(0~40 cm).这说明硝化和反硝化作用主要存在于土壤40 cm深度以内.表层土壤微生物丰富且活性强,反硝化作用强;而下层土壤的反硝化作用很微弱[18-19],随着土壤深度的增加,w(有机质)减少,因此反硝化作用发生的可能性也减小[20].杨树灌木混合林外参照点土壤剖面w(NO3--N)显示上述类似的变化规律;而纯杨树林参照点土壤剖面w(NO3--N)大致稳定,反映该剖面上实际的硝化反硝化作用速率较低(见图 4).

草林内和草林外土壤中w(NH4+-N)呈不规律变化.一般而言,粒度越小,比表面积越大,土壤的吸附量越大[21-22],在表 2中,杨树灌木混合林的中层土壤中w(黏粒)多,进而土壤中w(NH4+-N)高;纯杨树林的下层土壤中(≥80~100 cm)w(黏粒)多,w(NH4+-N)在80 cm深度土壤中也有所增加.杨树灌木混合林对照点在土壤60 cm深度附近w(黏粒)多,纯杨树林对照点在土壤深度≥80~100 cm附近w(黏粒)多(见表 3),从而土壤对NH4+-N吸附较多(见图 4).有研究显示,植物种类对土壤w(NH4+-N)没有显著影响[23].

表 3 研究区两种人工草林系统对照点土壤中w(黏粒) Table 3 Soil clay content at the reference sites for the two planted forests in the research area
3.2 两种人工草林地下水中氮素分布

图 5分别为1 a内两种人工草林地下水氮素含量随时间的变化.由图 5可以看出,两种人工草林外的菜地等存在氮污染,氮素入渗到土壤中,导致地下水ρ(TN)不断增加,已达6.9 mg/L.特别是NO3--N,易被淋溶到地下水中,会积累得更多,已到4.5 mg/L.而NH4+-N大部分经硝化作用转化成NO3--N被淋溶至地下水中,随时间也有一定的积累,已至0.3 mg/L,但变化不明显.参照点枯水季(5月)地下水中ρ(TN)明显高于丰水季(7—8月),这是由于丰水季地下水补给充足,各形态氮被稀释.两种人工草林内地下水中ρ(TN)和ρ(NO3--N)均低于与其相对应的草林外对照点地下水,而其表层土壤中w(TN)和w(NO3--N)却都高于草林外表层土壤(见图 34),可见两种人工草林系统有效地拦截了地表径流中的氮素,使氮素积累于草林的表层土壤,进而使氮素较少地迁移到地下水中.杨树灌木混合林地下水中ρ(TN)与其相应的林外地下水相差较多,这显示杨树灌木混合林与纯杨树林相比更能有效地拦截地表径流中的氮素.这可能是两种人工草林在草本植物生物量上的差异导致的.总体来看,两种人工草林内地下水中ρ(TN)和ρ(NO3--N)在1 a内都没有明显的升高趋势,说明反硝化作用在土壤水的入渗过程中有效地削减了NO3--N,阻止了NO3--N向地下水迁移.

WD—草林外对照监测点D1、D2—草林内2个监测点 图 5 两种人工草林地下水中氮素浓度随时间的变化 Figure 5 Temporary change of nitrogen content in groundwater under the two planted forests
3.3 两种人工草林土壤水中氮素垂向的分布

图 6分别为1 a内两种人工草林内地表径流、土壤水和地下水中氮素含量的变化.由图 6可见,两种人工草林内ρ(TN)、ρ(NO3--N)和ρ(NH4+-N)随深度的变化趋势相似.地下水中ρ(TN)由于稀释作用普遍比土壤水低.土壤水中ρ(TN)相对于地表径流较高,这是由于地表径流中氮素的主要存在形式是颗粒态,这些颗粒态氮又会沉积在土壤的表层(见图 3),而溶解态氮则主要向下入渗[24]所致.积累于土壤表层的有机氮矿化作用使表层土壤水中ρ(NH4+-N)增加,硝化作用又会使ρ(NO3--N)增加而使ρ(NH4+-N)降低.总之,ρ(TN)、ρ(NO3--N)和ρ(NH4+-N)在40 cm深度以下逐渐降低,说明硝化反硝化作用发生在40 cm深度附近的土壤中.在冬季(11月),由于植物枯萎和休眠,植物吸收氮能力降低,低温条件下微生物活性也受到抑制,脱氮效率降低[25-26],所以土壤水中ρ(TN)较高.两种人工草林相比,杨树灌木混合林ρ(NO3--N)高于纯杨树林,而杨树灌木混合林ρ(NH4+-N)低于纯杨树林.

图 6 两种人工草林土壤水氮素浓度的垂向分布 Figure 6 Vertical distribution of nitrogen content in soil water under the two planted forests
3.4 两种人工草林土壤水中ρ(DO)和Eh垂向上的分布

表 4可见,ρ(DO)的变化趋势相似.在土壤40 cm附近ρ(DO)低,说明在该深度附近有矿化和硝化等氧化作用发生,消耗了DO,而同时此处的低氧环境有利于反硝化作用的发生.地下水流速比土壤水要快得多,而且补给区面积大,混合充分,所以会出现地下水ρ(DO)比土壤水高的现象.在研究区,各种植物(尤其是草本植物)的根系在40 cm深度附近可能普遍发育良好,有氧根区使得硝化作用和反硝化作用同时耦合发生[27-30].两种人工草林土壤水中Eh呈相似变化趋势,在土壤40 cm附近较低(见表 5),这有利于反硝化作用发生[31].综合ρ(DO)和Eh的垂直变化趋势可以看出,在土壤40 cm深度附近可能有反硝化作用发生.

表 4 两种人工草林土壤水ρ(DO)的垂向分布 Table 4 Vertical distribution of ρ(DO) in soil water under the two planted forests

表 5 两种人工草林土壤水Eh的垂向分布 Table 5 Vertical distribution of Eh content in soil water under the two planted forests
3.5 反硝化作用

反硝化势是指反消化酶活性[32-34],在厌氧环境下和适宜温度(一般25 ℃)下,大量硝酸盐和可利用的有机碳作为能源的反硝化速率[35-36],用来表征通过反硝化去除NO3--N转化为N2O和N2的可能最大速率[37-38].

图 7为两种人工草林系统土壤水中的ρ(NO3--N)和土壤的反硝化势的大小.由图 7可见,在地表经流入渗40 cm深处ρ(NO3--N)最高,随后降低,而此时两种人工草林土壤在40 cm深度附近均有最高的反硝化势,进而证实了前面的推测,在土壤40 cm深度的土壤附近发生了较强的反硝化作用,这与Gumiero等[38]的研究结果一致.从反硝化势大小来比较,杨树灌木混合林土壤反硝化势高于纯杨树林,前者〔2.1 mg/(kg ·h)〕约为后者〔1.1 mg/(kg ·h)〕的2倍.杨树灌木混合林植物种类丰富和各种植物生物量也大(见表 1),进而植物为土壤提供的有机碳也多,而有机碳是反硝化作用的重要影响因素之一,因此,杨树灌木混合林的反硝化势更高.

图 7 两种人工草林土壤水硝态氮浓度和土壤反硝化势的垂向分布 Figure 7 Vertical distribution of soil water nitrate concentration and soil denitrification potential under the two planted forests

图 8可见,土壤40 cm深度附近反硝化菌数最多,说明此处反硝化作用最强,并且杨树灌木混合林林下土壤反硝化菌数略多于杨树林.不同的植物类型影响土壤中微生物的分布[39-40],植物的生物量和种类不同,植物凋落物腐烂和分解过程产生的微生物存在差异,植物根系量和根分泌物种类也使根际微生物不同[41].与纯杨树林相比,杨树灌木混合林植物种类较为丰富且生物量也较大(见表 1),从而使微生物更加丰富,厌氧菌和兼性菌均多于纯杨树林(见表 2),因而杨树灌木混合林反硝化菌数多.

图 8 两种人工草林土壤反硝化菌的垂向分布 Figure 8 Vertical distribution of the number of soil denitrifying bacteria under the two planted forests
4 结论

a) 两种人工草林系统主要乔木植物都是杨树;而灌木及草本植物各不相同,杨树灌木混合林草本植物的生物量约为纯杨树林的5倍.两种人工草林土壤类型、林下含水层地下水位埋深,含水介质基本相同.两种人工草林土壤的w(TN)、w(NH4+-N)、w(NO3--N)及w(有机碳)在垂向剖面上均呈减少趋势.

b) 在1 a内,两种人工草林地下水中ρ(TN)和ρ(NO3--N)都没有明显的升高趋势,说明反硝化作用在土壤水的入渗过程中有效地削减了NO3--N,阻止了其向地下水迁移.在两种不同的人工草林土壤40 cm深度附近存在耦合硝化反硝化作用层,在40 cm深度附近土壤中可能有草本植物的根系大量发育.

c) 两种人工草林系统土壤反硝化势和反硝化菌数都在40 cm深度达到最高值.虽然杨树灌木混合林土壤在同样深度上反硝化势〔2.1 mg/(kg ·h)〕明显高于纯杨树林〔1.1 mg/(kg ·h)〕,反硝化菌数也多于纯杨树林,但受硝酸盐(NO3--N)的限制,杨树灌木混合林土壤中反硝化作用的实际总体速率与纯杨树林相比没有显著的差异.

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