南 楠，張 波，李海東，張金池

（1.徐州工程學院 環(huán)境工程學院，江蘇 徐州 221008；2.南京林業(yè)大學森林資源與環(huán)境學院，南京 210037；3.環(huán)境保護部 南京環(huán)境科學研究所，南京 210042）

水體富營養(yǎng)化是一種水體衰老現(xiàn)象，系指氮、磷等植物性營養(yǎng)物大量進入湖泊、海灣等相對封閉、水流緩慢的水體，引起藻類和其他水生植物大量繁殖，水體透明度和溶解氧下降，水質惡化，其它水生生物大量死亡，水體生態(tài)系統(tǒng)和水功能受到阻礙和破壞的現(xiàn)象［1－3］。自20世紀70年代以來，國內外對利用高等水生植物凈化污水進行了廣泛的研究［4－6］，大量研究結果顯示，高等水生植物能夠大量吸收水體中的氮、磷營養(yǎng)物質，有些品種還能抑制水體中的藻類，故能有效地凈化富營養(yǎng)化水體，同時，種植水生植物還有助于水體生態(tài)系統(tǒng)恢復正常的功能［7－9］。筆者以洪澤湖濕地自然保護區(qū)為基地，通過對高等水生植物修復富營養(yǎng)化水體的靜態(tài)實驗，研究水生植物對于水體營養(yǎng)鹽的去除效果，篩選水體凈化能力強、景觀效果好的植物種，以期為濕地生態(tài)系統(tǒng)的植被重建提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地設在江蘇省泗洪洪澤湖國家級濕地自然保護區(qū)（以下簡稱保護區(qū)）內。保護區(qū)位于江蘇西北部，溧河洼下游，北緯33°10′40″－33°20′27″，總面積49365 hm2，占洪澤湖湖區(qū)面積的10.17%，居全國淡水濕地之第11位，華東地區(qū)第二位，江蘇省第一位。保護區(qū)北接泗洪縣東南部，東靠洪澤湖，南臨盱眙，北接泗洪縣東南部，緊鄰泗洪縣的城頭鄉(xiāng)、臨淮鎮(zhèn)、西與雙溝鎮(zhèn)相鄰，交通便捷。研究區(qū)光熱充足，降水充沛。年平均氣溫為14.8℃，極端最低氣溫為－16.1℃；極端最高氣溫為39.8℃。多年平均水溫為15.6℃。年降水量多年平均為925.5mm，雨季集中在6－9月，降水量占全年65.5%；冬季降水量少，僅占約7%～8%。年蒸發(fā)量為1592 .2mm。試驗期間試驗區(qū)平均溫度22.5～27.2℃。區(qū)內生物資源十分豐富，共有維管植物69科162屬217種，其中以年輕較進化的被子植物，如菊科、禾本科、莎草科等為主體。

1.2 試驗設計

1.2.1 濕生植物的選取 水生植物的選擇，應盡可能地利用當地優(yōu)勢種，同時考慮以下幾方面的因素:①具有較好的水質凈化功能；②移植成活率高；③不會對當地的生態(tài)環(huán)境產生危害；④具有一定的景觀價值，綜合利用價值大［4，10－12］。在參考國內外利用水生植物凈化富營養(yǎng)水體相關文獻的基礎上，結合植被調查的結果，確定6種水生植物為本次實驗的研究對象，其中挺水植物、漂浮植物、沉水植物各2種。全部水生植物均是當年移栽，見表1。

1.2.2 圍隔實驗區(qū)的建立 實驗區(qū)選在泗洪洪澤湖保護區(qū)溧河洼區(qū)域的人工濕地內。人工濕地為保護區(qū)建設二期工程，因在施工階段，搭建有塑料頂棚，暫未栽植水生植物，可避免降水對試驗的干擾。在人工濕地內建立圍隔實驗區(qū)，實驗區(qū)分為7個5m×5m的圍隔，水泥池壁，平均水深1.5m，底部為夯實泥土。其中的6個圍隔分別種植水生植物，一個圍隔作為對照沒有種植任何植物。各圍隔相互獨立，以不透水材料隔離，底泥厚0.8m，充分攪勻，整個實驗區(qū)可近似看作封閉體系。試驗水體初始濃度:pH值為7.46，溶解氧為6.40mg／L，CODMn為4.50mg／L，BOD5為2.30mg／L，總氮為0.82mg／L，總磷為0.09mg／L，葉綠素a 3.46mg／m3，透明度為45cm。

表1 移栽水生植物基本情況

1.2.3 水樣采集及測定 在圍隔實驗區(qū)，于2007年7月12日－9月11日進行樣品采集，歷時60d，每10d在同一樣點采樣一次，為防止誤差，采樣時間均安排在下午2:00左右，此時植物的光合作用最強。每個水樣重復3次，取平均值。水樣指標測定方法［4］如下:水體總氮（TN）含量測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894－89），水體總磷（TP）采用鉬酸氨分光光度法（GB11893－8），高錳酸鉀鹽指數（CODMn）采用酸性高錳酸鉀法（GB11892－89），水體溶解氧（DO）采用JPB－607便攜式溶解氧分析儀于現(xiàn)場測定。

2 結果與分析

2.1 不同濕生植物群落對水體的凈化功能分析

2.1.1 對水體總氮的影響 試驗期間各水生植物群落中總氮的濃度均低于對照區(qū)，并處于比較穩(wěn)定的下降趨勢（圖1）。對照區(qū)因水體的自凈作用，總氮的濃度減少了22.05%，但由于天然水體自凈能力有限，1個月后水體的總氮濃度幾乎處于平穩(wěn)狀態(tài)。

比較各試驗植物對于水體總氮的去除效果，可以看出水生植物群落對水體總氮的凈化效果顯著（圖1）。去除率從大到小順序表現(xiàn)為:苦草（78.56%）、鳳眼蓮（66.26%）、金魚藻（57.61%）、蓮（50.18%）、菱（46.04%）、蘆葦（37.39%）。挺水植物蘆葦、蓮群落對總氮的去除率分別為37.39%和50.18%。浮葉植物菱和鳳眼蓮群落在7月12日至8月2日期間，總氮濃度變化緩慢，但菱、鳳眼蓮群落分別自8月2日和8月12日開始，對總氮的去除率顯著增加。試驗結束時，兩群落的總氮濃度分別由原來的0.84mg／L降低到為0.443mg／L和0.287mg／L，去除率分別為46.04%和66.26%。沉水植物中，苦草和金魚藻群落在7月12日至8月2日期間，總氮濃度降低顯著，8月12日以后，金魚藻群落總氮濃度基本保持在0.413mg／L，苦草群落一直保持較好的凈化效果。至試驗結束時，苦草和金魚藻群落對總氮的去除率分別為78.56%、57.61%。

圖1 實驗期間圍隔內水體總氮濃度變化

2.1.2 對水體總磷的影響 實驗期間，各圍隔中總磷濃度呈波動性變化，總體呈下降趨勢（圖2）。在試驗開始10d內各試驗圍隔內總磷濃度均顯著下降，后又升高。這是由于在自凈過程中水體中的總磷會隨著顆粒物一同沉降而使?jié)舛冉档?，但水體處于穩(wěn)定狀態(tài)后藻類緩慢的恢復生長和顆粒物的再懸浮使水體中總磷濃度回升。具體表現(xiàn)為:在試驗結束時對照圍隔中總磷濃度下降了37.59%，試驗后期由于水體自凈能力有限，總磷濃度下降很少。

挺水植物圍隔中總磷的濃度變化比較規(guī)律，在經過降低－升高－降低的起伏之后，自8月12日的實驗階段總磷濃度總體呈下降趨勢，但是兩個圍隔回升后的總磷濃度分別高于對照0.0094 mg／L和0.0147 mg／L，這可能是由于水生植物在恢復生長的過程中腐敗脫落的部分也會對水體中總磷含量的增加做出貢獻，8月2日之后，總磷濃度低于對照，主要依靠水生植物的吸收作用和微生物分解作用（圖2）。由于植物的生長特性，9月1日－9月11日期間蓮進入其生長末期，圍隔區(qū)內總磷濃度沒有明顯變化，蘆葦、蓮圍隔區(qū)在實驗結束時總磷濃度比試驗初始時降低了46.55%和38.85%。鳳眼蓮圍隔內總磷的濃度在7月12日－7月22日快速下降，比初始濃度降低了30.11%，在隨后的10d又有回升，此后的試驗階段兩個圍隔中總磷濃度都有不同程度的降低，菱下降趨勢較穩(wěn)定，試驗結束時降低了44.8%；鳳眼蓮在整個試驗期間總磷濃度起伏較大，試驗后期濃度有大幅度的回升在8月22日高出對照21.44%，因此凈化效果不理想，只有25.17%。由于沉水植物生活在水下，氣溫對其影響不明顯，即使氣溫降低沉水植物仍能很好的生長，同時沉水植物還能給微生物提供良好的生境，有利于總磷的降解，保持較好的凈化效果。沉水植物圍隔內由于水生植物的存在，在8月2日之后，水體總磷濃度一直保持較好的下降趨勢。試驗結束時金魚藻、苦草對水體中總磷的去除率分別為31.03%和61.84%。由此可見，對水體總磷的去除效果由大到小大依次為:苦草（61.84%）、蘆葦（46.55%）、菱（44.83%）、金魚藻（45.00%）、蓮（39.66%）、鳳眼蓮（25.17%）。

圖2 實驗期間圍隔內水體總磷濃度變化

2.1.3 對水體CODMn的影響 整個試驗過程中各試驗圍隔中的高錳酸鹽指數相對于對照區(qū)的變化并不是一致的，具體表現(xiàn)為:由于水體自凈作用，7月12日－7月22日，圍隔內由于懸浮物的沉降使高錳酸鹽指數明顯下降17.3%，之后出現(xiàn)了升高再降低的趨勢。試驗結束時，對照圍隔區(qū)的CODMn濃度降低了20.66%（圖3）。蘆葦和蓮的凈化規(guī)律有所差異，實驗開始的第10天，蘆葦圍隔的CODMn濃度為4.23 mg／L，僅下降了6%，高于對照區(qū)，而蓮圍隔內CODMn濃度下降了22.44%，此后，隨著蘆葦植株的生長，蘆葦圍隔內的CODMn濃度緩慢降低，在8月22日，濃度為3.88mg／L，低于對照區(qū)20.19%，蓮圍隔的CODMn濃度除在8月2日有所回升，之后一直保持穩(wěn)定的下降趨勢，實驗結束時，蘆葦的去除率為23.33%，蓮圍隔去除率為47.11%。鳳眼蓮和菱對水體中高錳酸鹽的影響規(guī)律有很大差異，在7月12日－8月22日，鳳眼蓮圍隔中CODMn濃度始終高于對照，在試驗結束時高出對照8.96%，因此，在本次試驗中鳳眼蓮對CODMn的去除作用并不理想。菱的凈化效果相對較好，在整個實驗過程中始終低于對照區(qū)。金魚藻和苦草圍隔水體中CODMn濃度在8月2日后總體呈下降趨勢。

由此可見，對水體CODMn的去除效果由大到小依次 為:金魚藻（61.33%）、苦草（55.56%）、菱（52.44%）、蓮（47.11%）、鳳眼蓮（27.77%）、蘆葦（23.33%）。

2.1.4 對水體溶解氧的影響 溶解氧是主要的水體感官指標和水生生物的生存指標，同時作為表征水體富營養(yǎng)化的重要指標，水體中溶解氧的多少比較直觀地反映水體是否處于富營養(yǎng)狀態(tài)以及富營養(yǎng)化的程度。試驗中，對照區(qū)的溶解氧濃度變化幅度不大，試驗結束時，溶解氧濃度上升了25%（圖4）。挺水植物圍隔區(qū)在實驗開始后溶解氧上升后又緩慢下降，蘆葦實驗區(qū)溶解氧的增幅變化較大，20.63%～72.5%；蓮圍隔內水體溶解氧變化相對穩(wěn)定，保持在32.81%～57.97%，試驗結束時，相對于對照區(qū)，蘆葦和蓮圍隔內的溶解氧濃度分別上升了18.52%和32.32%。浮葉植物菱的實驗區(qū)溶解氧濃度變化不大，且一直高于對照圍隔；鳳眼蓮圍隔內溶解氧濃度在實驗的前10d中下降了16.58%，可能由于在移栽過程中，鳳眼蓮的枝葉殘損，導致其光合作用下降，但在此后的實驗過程中，鳳眼蓮的溶解氧濃度上升很快，且始終高于對照圍隔，說明種植鳳眼蓮對增加水體溶解氧作用明顯。實驗結束時，相對于對照圍隔，菱和鳳眼蓮圍隔內的溶解氧濃度分別上升了48.15%和55.70%（圖4）。沉水植物圍隔中溶解氧濃度的高峰值出現(xiàn)在7月12日－8月12日，此時接近沉水植物的生長旺期，因此對水體中釋氧作用強烈，溶解氧濃度增加幅度較大，金魚藻、苦草圍隔區(qū)水體中溶解氧增加了78.75%和85.16%，進入9月之后水生植物的生長達到頂峰，此后由于天氣轉涼植物生長緩慢，所以此時水生植物對水體中溶解氧的增加作用已經不明顯。實驗結束時，相對于對照區(qū)，金魚藻和苦草圍隔內的溶解氧濃度分別上升了41.04%和74.67%。

圖3 實驗期間圍隔內水體CODMn濃度變化

圖4 實驗期間圍隔內水體溶解氧濃度變化

由此可見，各種植物圍隔內的溶解氧濃度增加幅度從大到小依次為:苦草（84.21%）、鳳眼蓮（64.22%）、菱（56.25%）、金魚藻（48.75%）、蓮（39.53%）、蘆葦（20.17%）。

2.2 不同濕生植物群落的水體凈化能力類型劃分

以水體總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鉀鹽指數（CODMn）、水體溶解氧（DO）為指標，對6種水生植物的水體凈化能力進行類型劃分（Q型聚類分析方法），聚類統(tǒng)計量用歐氏距離（Euclidean Distance），公式為

式中:dij——第i個觀察單位與第j個觀察單位的距離；xik——第i個樣品在指標k上的數值；xjk——第j個樣品在指標k上的數值。其不同濕生植物群落的水體凈化能力類型劃分見圖5。

綜合各植被群落4個指標的實測數據及圖5，可以將其對水體的凈化能力分為強、中、弱3類，依次為:第一弱型類為鳳眼蓮、蓮、蘆葦；第二中型類為菱、金魚藻；第三強型類為苦草。在實驗期間內，沉水植物苦草、金魚藻對各種營養(yǎng)元素的凈化效果都較好，產氧能力也較高，浮葉植物菱的凈化效果比較穩(wěn)定，鳳眼蓮可能由于在移栽過程中的葉片殘損，導致其凈化能力的不穩(wěn)定，挺水植物蘆葦對于總磷的凈化效果稍好，其他各項凈化能力都較弱，蓮對于各種營養(yǎng)元素和有機物的凈化效果為39.66%～50.18%。

圖5 各植被群落凈化水體功能的聚類圖

3 結論

研究區(qū)主要水生植物群落對富營養(yǎng)化水體總氮的去除能力從大到小依次為苦草（78.56%）、鳳眼蓮（66.26%）、金魚藻 （57.61%）、蓮（50.18%）、菱（46.04%）、蘆葦（37.39%），對總磷的去除能力從大到小依次為苦草（61.84%）、蘆葦（46.55%）、菱（44.83%）、金魚藻（45.00%）、蓮（39.66%）、鳳眼蓮（25.17%），對CODMn的去除能力從大到小依次為金魚藻（61.33%）、苦草（55.56%）、菱（52.44%）、蓮（47.11%）、鳳眼蓮（27.77%）、蘆葦（23.33%）。各種植物圍隔的溶解氧濃度增加幅度從大到小依次為:苦草（84.21%）、鳳眼蓮（64.22%）、菱（56.25%）、金魚藻（48.75%）、蓮（39.53%）、蘆葦（20.17%）。

不同水生植物群落對富營養(yǎng)化水體凈化能力為，沉水植物苦草、金魚藻對各種營養(yǎng)元素的凈化效果都較好，產氧能力也較高，浮葉植物菱的凈化效果比較穩(wěn)定，鳳眼蓮可能由于在移栽過程中的葉片殘損，導致其凈化能力不穩(wěn)定，挺水植物蘆葦對于總磷的凈化效果稍好，其他各項凈化能力都較弱，蓮對于各種營養(yǎng)元素和有機物的凈化效果為39.66%～50.18%。

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