王 智,張志勇,張君倩,聞學政,王 巖,劉海琴,嚴少華* (.江蘇省農(nóng)業(yè)科學研究院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇 南京 2004;2.中國科學院測量與地球物理研究所,環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測評估湖北省重點實驗室,湖北武漢 430077)
水體富營養(yǎng)化是當前水體污染面臨的主要問題.目前在亞太地區(qū),54%的湖泊水體富營養(yǎng)化,而在非洲、歐洲、北美和南美的湖泊中,富營養(yǎng)化的比例分別是28%,53%,48%和41%[1].我國的富營養(yǎng)化現(xiàn)象更為普遍,目前 66%以上的湖泊、水庫處于富營養(yǎng)化的水平,以滇池、巢湖及太湖三大湖泊尤為嚴重,并且富營養(yǎng)化有加重的趨勢[2].湖泊富營養(yǎng)化不僅對湖泊水質(zhì)有嚴重影響,而且影響到周邊水環(huán)境和人文景觀,甚至通過給水系統(tǒng)危害到公眾的健康.因此,水體富營養(yǎng)化治理成為當前世界的熱點問題.
利用水生植物治理水體富營養(yǎng)化由于具有凈化效果好、投資少,并且不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點,越來受到人們的廣泛重視和研究[3-7].水葫蘆,學名“鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)”,是一種典型的漂浮植物,生長快,去污能力強,被廣泛應(yīng)用于實際水體修復(fù)工程中[8-10].輪葉黑藻(Hydrilla verticillata),具有很強的分枝和營養(yǎng)繁殖能力,生存范圍廣,適應(yīng)性強,是凈化水體的優(yōu)良沉水植物[11],廣泛應(yīng)用于水體修復(fù)的生態(tài)工程[12].關(guān)于水葫蘆和輪葉黑藻對水體的凈化效果已經(jīng)有過一定的研究.例如,吳娟等[11]的模擬實驗研究表明黑藻的生長能顯著降低富營養(yǎng)化水體的氮磷水平;張志勇等[13]采用人工模擬試驗方法,比較了水葫蘆對 4種不同程度富營養(yǎng)化水體氮磷的凈化效果和去除能力.然而在同一條件下對這 2種水生植物在富營養(yǎng)化水體中的凈化差異卻報道甚少.在實際的水生植物生態(tài)工程中,為了能有效地帶走水體的營養(yǎng)物質(zhì),水生植物常常需要進行采收.但在先前的研究中,很少有人關(guān)注水生植物采收后水體水質(zhì)的變化.
本文以滇池草海富營養(yǎng)化水體為研究對象,利用人工模擬的方法,比較了典型漂浮植物水葫蘆和典型沉水植物輪葉黑藻在生長期和收獲后,水體主要理化因子的變化.以期為合理利用兩種水生植物凈化富營養(yǎng)化湖泊水體提供參考依據(jù).
1.1 水生植物來源
漂浮植物水葫蘆采集于滇池草海入湖河道西壩河中,沉水植物輪葉黑藻采集于滇池草海(24°58'44.2''N; 102°37'57.7''E).
1.2 實驗設(shè)計
試驗于2011年7月9日至11月18日,在滇池草海西北岸(24°58'11.4''N;102°38'04.5''E)一個通風透光的擋雨棚中進行.試驗容器為 9個約400 L塑料水箱,水箱長、寬、高分別為97、66和 76cm.在每個水箱中加入采集于滇池草海(24°58'44.2''N; 102°37'57.7''E)混合均勻的底泥,泥厚約 20cm,然后加入滇池草海西園隧道處混合均勻的水體約350L,靜置4d后開始試驗.開始試驗前用自來水輕輕沖洗水生植物表層附著物及雜質(zhì),挑選長勢及大小接近的株體用于試驗.每個處理組水箱中加入水葫蘆苗鮮重 0.6kg,輪葉黑藻鮮重 0.6kg.水葫蘆直接投放在水體表面,輪葉黑藻均勻種植于水體,將根小心地插入底泥使之固定生長(盡可能不擾動底泥).試驗分 3組,分別為空白對照組、水葫蘆處理組和輪葉黑藻處理組,每組設(shè)置3個平行.在試驗初始,測定水生植物體內(nèi)氮磷含量.為了避免水分蒸發(fā)而引起試驗誤差,每天補充適當?shù)淖詠硭脸跏妓?試驗過程中氣溫為11~28.℃試驗分2個階段,第1階段為水生植物種養(yǎng)期,探討水生植物對水體理化因子的影響,第2階段是水生植物收獲后,探討水生植物采收后水體理化因子的變化.在11:00~13:00間定期取樣測定水體水溫、溶解氧(DO)、pH值、電導(dǎo)率(EC)、氧化還原點位(Eh)、總磷(TP)、總氮(TN)及葉綠素(Chl-a)指標.于種植后約 80d時(2011年9月28日),將水生植物采收,采收前測定水體理化指標及水生植物生物量、體內(nèi)氮磷含量.水葫蘆采用人工直接移出水面的方式采收,而輪葉黑藻采用剪刀將其底泥以上部分剪斷并將其移出水面的方式采收.在水生植物采收后約 50d后(2011年11月18日),取水樣測定上述指標.
1.3 分析方法
DO、水溫、pH值、EC及 Eh采用 YSI professional plus (USA)測定儀現(xiàn)場測定.TP及TN測定:水樣在過硫酸鉀 121℃消解 30min后,利用流動分析儀測定.Chl-a采用熱乙醇法[14]測定.水生植物鮮重測定采用稱重法,干重測定采用75℃恒溫烘干后稱重測定.株體中總氮、總磷采用濃H2SO4-H2O2消解法測定,測定方法詳見《土壤農(nóng)化分析》[15].
1.4 數(shù)據(jù)處理
所有數(shù)據(jù)均由均值±標準差表示.所有統(tǒng)計處理采用統(tǒng)計軟件 SPSS 16.0.不同區(qū)域水質(zhì)參數(shù)比較差異采用方差分析 LSD檢驗(利用Levene’s-test進行不同組間方差齊次性檢驗,若方差不齊,則進行倒數(shù)轉(zhuǎn)換),顯著性水平設(shè)置為P < 0.05.
2.1 水溫
在試驗過程中,水體水溫如圖1所示.可以看出,在水生植物種養(yǎng)期(2011年7月9日至2011年 9月 28日),水體水溫變化幅度較小,為 18.8~23.7℃范圍波動,此溫度較適宜水生植物生長.不同處理組間水溫變化規(guī)律基本一致.
圖1 實驗過程中水體水溫變化Fig.1 Changes of water temperature during the experiments
2.2 植物生物量及氮磷含量變化
2種水生植物在試驗初始和采收期主要指標參數(shù)如表1所示.在試驗開始的7月9日,水生植物初始放養(yǎng)量均為0.6kg.至9月28日采收時(生長約80d),水葫蘆生物量達6.6kg,增長1000%,而輪葉黑藻生物量為1.1 kg,僅增長83%.兩種水生植物的干物質(zhì)含量在試驗初期均顯著性低于采收時期(P<0.05).在水葫蘆植株中,干物質(zhì)氮、磷濃度在試驗初期均顯著性高于采收期,而輪葉黑藻植株中僅氮的濃度在試驗初期顯著性高于采收期(P<0.05).通過植物生物量及植株氮磷濃度計算出水葫蘆和輪葉黑藻在試驗初期和采收期體內(nèi)的氮磷含量見表1.由表1可知,水葫蘆吸收同化作用帶走系統(tǒng)中氮、磷分別為 3.64g和0.54g,而輪葉黑藻的吸收同化作用帶走系統(tǒng)中氮磷分別為1.74g和0.46g.水葫蘆吸收同化的氮、磷量分別是輪葉黑藻吸收同化量的 209%和117%.
2.3 水體DO與pH值變化
在水生植物種養(yǎng)期,第 5d后,對照組和輪葉黑藻處理組 DO較初始的 11.3mg/L下降至~8.0mg/L,之后在 5~11mg/L 的范圍波動,均值為8.0mg/L(圖2a),統(tǒng)計分析顯示它們組間差異不顯著(P>0.05);水葫蘆處理組在水葫蘆種養(yǎng)后 DO迅速下降,約 30d后下降至最低 2.3mg/L,之后緩慢上升,在種養(yǎng)期間統(tǒng)計分析顯示水葫蘆處理組DO含量顯著低于對照組和輪葉黑藻處理組(P <0.05),但當水葫蘆采收后,水體DO迅速上升至對照及輪葉黑藻處理組水平(圖2a).
表1 水生植物生物量及體內(nèi)氮磷含量Table 1 Biomass and nitrogen and phosphorus contents of two aquatic macrophytes (Eichhornia crassipes and Hydrilla verticillata)
對照組pH值從試驗開始的9.0緩慢上升至試驗結(jié)束時的 10.2;而在水葫蘆種養(yǎng)后,水體 pH值從試驗初始的9逐步下降至7.7,約20d后趨于穩(wěn)定,但當水葫蘆采收后,水體 pH值出現(xiàn)一定的反彈,達 9.8;在輪葉黑藻種植后,水體 pH 值在試驗前15d內(nèi)由9迅速上升至10.1,后趨于穩(wěn)定,當其采收后,pH值出現(xiàn)一定程度的下降(圖 2b).pH值在水生植物種養(yǎng)期間表現(xiàn)為:輪葉黑藻處理組>對照組>水葫蘆處理組(P<0.05),而在水生植物收獲后,水體 pH值基本能恢復(fù)到對照水平(P>0.05) (圖 2b).
圖2 試驗過程中水體溶解氧及pH值的變化Fig.2 Changes of dissolved oxygen (DO) and pH in the water during the experiments
2.4 水體EC及Eh變化
對照組EC先上升后下降并趨于穩(wěn)定(圖3a).水葫蘆處理組EC在試驗初始(7月9日至8月8日),與對照組基本一致,之后(8月8日至9月10日)顯著性高于對照組(P<0.05),在水葫蘆收獲后,水體EC迅速下降(圖3a).輪葉黑藻處理組EC在試驗的前 10d迅速下降,之后有所回升并趨于穩(wěn)定,采收后,其水體電導(dǎo)率略有上升(P>0.05)(圖3a).統(tǒng)計分析表明,在水生植物種養(yǎng)期,輪葉黑藻處理組水體EC顯著性低于對照組和水葫蘆處理組(P<0.05),而在水生植物收獲后,水葫蘆處理組顯著性低于輪葉黑藻處理組(P<0.05) (圖3a).
在水生植物種養(yǎng)期,對照組及處理組水體Eh均出現(xiàn)一定的波動(圖 3b).輪葉黑藻處理組水體Eh略低于對照組(P>0.05),但顯著性低于水葫蘆處理組(P<0.05);水葫蘆處理組Eh顯著性高于對照組(P<0.05) (圖3b).當水生植物收獲后,處理組Eh基本恢復(fù)到對照組水平(圖3b).
圖3 試驗過程中水體電導(dǎo)率及氧化還原電位的變化Fig.3 Changes of conductivity (EC) and redox potential(Eh) in the water during the experiments
2.5 水體TN及TP變化
模擬系統(tǒng)水體中,TN、TP的變化如圖4所示.對照組TN濃度變化幅度為1.85~2.38mg/L,表現(xiàn)為先緩慢下降,后趨于平穩(wěn),最后緩慢上升的趨勢.水葫蘆處理組TN濃度從試驗初始的2.23 mg/L逐步下降至8月13日的1.25mg/L,后小幅波動變化.輪葉黑藻處理組TN在試驗初始迅速下降,由7月9日的2.23mg/L迅速下降至7月14日的1.52mg/L,之后下降速率變緩;至8月21日之后,水體TN緩慢回升.統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),水生植物處理組水體TN顯著性低于對照組(P<0.05),在試驗初始的前30d內(nèi),輪葉黑藻對水體TN的凈化效果顯著性高于水葫蘆,而在35d之后,其凈化效果與前30d相反(P<0.05).對照組、水葫蘆處理組和輪葉黑藻處理組 TN的最低濃度分別出現(xiàn)在 7月29日、9月28日(采收時)和 7月 29日,分別為1.84,1.04,1.32mg/L,較試驗初始分別下降17.4%、53.4%和 40.8%(圖 4a).在水生植物采收后,水體TN基本穩(wěn)定在采收前的水平(圖4a).
圖4 試驗過程中水體總氮及總磷的變化Fig.4 Changes of total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in the water during the experiments
水體TP變化規(guī)律與TN類似(圖4b).對照組TP由7月9日的0.21mg/L緩慢波動下降至8月13日的 0.19mg/L,后逐步上升至 9月 10日的0.25mg/L,之后趨于穩(wěn)定;水葫蘆處理組 TP從試驗開始的 0.21mg/L逐步下降至 8月 21日的0.09mg/L,后略有回升并趨于穩(wěn)定;輪葉黑藻處理組TP由7月9日的0.21mg/L迅速下降至7月14日的0.15mg/L,之后下降速率變緩;至8月13日之后,水體TP緩慢回升.統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),水生植物處理組水體TP顯著性低于對照組(P<0.05),在試驗前20d內(nèi),輪葉黑藻對水體TP的凈化效果顯著性高于水葫蘆,而在35d之后,其凈化效果與前20d相反(P<0.05).對照組、水葫蘆處理組和輪葉黑藻處理組TP的最低濃度分別出現(xiàn)在8月13日、8月 21日和 7月 29日,分別為 0.19,0.09,0.14mg/L,較試驗初始分別下降 9.5%、57.2%和33.3%(圖4b).在水生植物采收后,水體TP基本穩(wěn)定在采收前的水平(圖4b).
2.6 水體Chl-a的變化
模擬水體Chl-a的變化趨勢如圖5所示.對照組水體Chl-a濃度在22.1~40.5μg/L范圍波動.水葫蘆處理組在試驗初始階段(7月9日~8月3日),水體Chl-a含量出現(xiàn)一定的波動,隨后由8月3日的30.7μg/L迅速下降至8月8日的1.8μg/L,之后基本穩(wěn)定在較低的水平;輪葉黑藻處理組Chl-a濃度由7月9日的33.7μg/L逐步下降至8月3日的1μg/L,后緩慢上升.統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),輪葉黑藻處理組在整個試驗周期內(nèi)其 Chl-a含量均顯著性低于對照組(P<0.05);水葫蘆處理組在前25d內(nèi),其 Chl-a濃度僅略低于對照組(P>0.05),在 30d后其水體 Chl-a濃度顯著性低于對照組(P<0.05).在試驗初始的前 25d內(nèi),輪葉黑藻對水體Chl-a的凈化效率顯著性高于水葫蘆,而在3d之后,其凈化效果與前 20d相反(P<0.05).當水生植物采收后約 50d內(nèi),水葫蘆處理組水體 Chl-a含量基本穩(wěn)定在采收前的低水平,而輪葉黑藻處理組水體Chl-a含量較采收時有所上升(圖5).
圖5 試驗過程中水體葉綠素a濃度變化Fig.5 Concentrations of chlorophyll-a (Chl-a) in the water during the experiments
在試驗初始,水葫蘆體內(nèi)氮磷含量明顯高于采收期,可能暗示水葫蘆積累氮磷量與水體氮磷含量密切相關(guān).在試驗初始,水葫蘆采集于水體氮磷濃度高的西壩河(TN 8.45mg/L,TP 0.76mg/L),而在采收時期,模擬系統(tǒng)的氮磷含量遠遠低于西壩河水體.而輪葉黑藻僅氮的濃度在采收期明顯低于試驗初始,這一方面可能是由于輪葉黑藻初始采集于相對污染低的草海水體,另一方面是由于輪葉黑藻直接與底泥接觸,能直接吸收底泥中營養(yǎng)鹽,而底泥中營養(yǎng)鹽濃度遠遠高于水體的緣故.本研究表明,水葫蘆同化吸收水體氮磷的量顯著性高于輪葉黑藻.關(guān)于植物對水體氮磷的攝取量,不同植物間存在明顯的差異.盧少勇等[16-17]的研究表明,浮水植物(如水葫蘆)對氮磷的吸收能力遠高于沉水植物.試驗系統(tǒng)中,初始水體氮磷濃度分別為2.23和0.21mg/L,水體體積為350L,那么水體共含氮磷分別0.78和0.073g.而本研究發(fā)現(xiàn),在試驗系統(tǒng)中水葫蘆吸收同化作用帶走系統(tǒng)中氮磷分別為3.64g和0.54g,而輪葉黑藻的吸收同化作用帶走系統(tǒng)中氮磷分別為1.74g和0.46g,說明水生植物同化吸收的營養(yǎng)鹽有相當一部分來自于底泥.
本研究發(fā)現(xiàn),水葫蘆能顯著降低水體 DO及pH值(圖2).水葫蘆能降低水體DO和pH值已經(jīng)被廣泛證實[18-20].水體 DO受水體初級生產(chǎn)者光合作用放氧、大氣復(fù)氧及水體有機物分解耗氧的影響.水葫蘆的存在一方面阻礙了水體初級生產(chǎn)者對水體光能的利用從而減少了水體初級生產(chǎn)者的光合放氧[21];另一方面由于水葫蘆的覆蓋而阻斷了大氣向水體復(fù)氧[22];此外,水葫蘆根系的呼吸作用需要消耗水體的DO.pH值的降低的原因可能是:水葫蘆抑制了藻類的生長從而阻止了水體初級生產(chǎn)者對水體CO2的吸收利用;水葫蘆根系及水生動物呼吸作用產(chǎn)生 CO2;一些有機物在水葫蘆根際的分解產(chǎn)生大量的有機酸等.在水葫蘆生長到一定時期,水體 pH值基本穩(wěn)定在 8左右,其原因可能是由于水中的酸堿緩沖體系發(fā)揮了調(diào)節(jié)功能[23].輪葉黑藻處理組和對照組水體DO間不存在顯著性差異,這是處理組中的輪葉黑藻與對照組中的藍藻均能在水體中進行光合作用釋放氧氣的緣故.沉水植物能顯著提高水體的 pH 值,與文獻[11,24]報道一致,可能是沉水植物的光合作用消耗水中的CO2緣故[25].
水體電導(dǎo)率(EC)反應(yīng)了水體離子強度,水體不同形態(tài)營養(yǎng)鹽離子、金屬離子等均影響著水體的 EC.本研究發(fā)現(xiàn),水葫蘆能一定程度的提高水體的 EC,而輪葉黑藻能降低水體電導(dǎo)率.吳振斌等[23]在鳳眼蓮凈化燕山石油化工廢水的靜態(tài)試驗中研究發(fā)現(xiàn),試驗結(jié)束時,水葫蘆凈化池中的EC較試驗開始時略有升高.本文的結(jié)論與吳振斌等[23]的研究一致,其可能是由于水葫蘆在生長過程中其根系會分泌出各種有機酸和其他化感物質(zhì),以及水葫蘆的生長過程中,其根系能釋放CO2的緣故.與先前的研究一致[25-26],本研究也發(fā)現(xiàn)沉水植物能顯著性降低水體的 EC,表明輪葉黑藻能降低水體的離子濃度,這可能是由于:植物對水體營養(yǎng)鹽的吸收及吸附水體懸浮物所致[25];沉水植物組較高的pH值使水體一些金屬離子發(fā)生沉淀作用.
Eh 是水體多種氧化物質(zhì)與還原物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的綜合結(jié)果,它雖然不能直接反應(yīng)某種氧化物質(zhì)與還原物質(zhì)濃度的指標,但有助于了解水體的電化學特征,分析水體的性質(zhì).先前關(guān)于水生植物對水體底泥Eh的影響廣泛受到人們的關(guān)注[27-29],而關(guān)于水生植物對水體Eh的影響報道甚少.賀鋒等[26]通過對東湖圍隔中菹草對水體的影響研究,發(fā)現(xiàn)其能顯著性降低水體的 Eh值,但其并未對其原理做詳細解釋.水體的 Eh主要受DO、pH值及溫度的影響,一般來說,DO越高、pH值越低及溫度越低,水體的 Eh越高[30].本研究中,雖然沉水植物處理組水體DO較對照組未見顯著性增加,但pH值較對照組顯著性增加,故其Eh值低于對照組;而水葫蘆處理組可能是由于pH值降低所改變引起的Eh增加效應(yīng)大于DO降低所引起的Eh值降低效應(yīng).伊軍等[31]建議在不含任何有毒有害物質(zhì)的情況下,將Eh值<200mV的水體作為健康飲用水標準.本研究 2種水生植物處理的富營養(yǎng)化水體其Eh值均低于120mV(圖3b).
本模擬實驗中,在種養(yǎng)相同生物量的情況下,試驗初期,輪葉黑藻對水體 TN、TP及 Chl-a消減效果優(yōu)于水葫蘆(圖4,圖5),而從長期的削減效率來看,水葫蘆處理組要優(yōu)于輪葉黑藻處理組.這可能是由于 2種植物本身的生理特性存在一定的差異所致.沉水植物整個株體均在水體中,而水葫蘆僅根在水面以下,試驗初期在相同生物量的情況下,沉水植物對水體發(fā)生作用的有效生物量大;而到了試驗后期,由于水葫蘆生長速度遠遠超過輪葉黑藻,導(dǎo)致水葫蘆處理組對水體氮磷去除效果要優(yōu)于輪葉黑藻.本研究發(fā)現(xiàn),由于水葫蘆處理組水體氮磷濃度穩(wěn)定在較輪葉黑藻處理組低的水平,藻類生長所需的營養(yǎng)鹽較少,水體 Chl-a濃度未見上升,而輪葉黑藻處理組 Chl-a濃度較采收前有所上升(圖5).這從一定意義上說明水葫蘆對于富營養(yǎng)化湖泊水體修復(fù)、藍藻水華的控制具有重要的意義.
在實際的湖泊污染治理中,漂浮植物(如水葫蘆)由于其覆蓋水面生長,能降低水體 DO,并且阻擋光照,可能會對水體生態(tài)系統(tǒng)帶來不利影響[32];而沉水植物在富營養(yǎng)化湖泊中易受到湖泊水文條件(如水深)的影響,且易受到水體動物的破壞(如龍蝦的撕咬).在富營養(yǎng)化湖泊中,由于附著藻類常常對沉水植物生長造成不利影響,湖泊中大范圍的沉水植物恢復(fù)還鮮有先例[33].因此,單獨依靠其中一種方法治理湖泊富營養(yǎng)化難以達到良好的效果.由于沉水植物的光合放氧能一定程度上彌補漂浮植物的耗氧;漂浮植物不受水深限制,而沉水植物適宜透明度高的淺水地帶;漂浮植物能高效抑制藻類生長,根系吸附顆粒物,能為沉水植物提供高透明度,對減少沉水植物表面的附著生物提供有利條件.基于此,筆者提出結(jié)合漂浮植物與沉水植物,在湖岸淺水地帶種植沉水植物,在遠離岸邊的深水區(qū)和低透明度區(qū)種植漂浮植物,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢而達到湖泊治理的目的.
4.1 水葫蘆能降低水體 DO、pH 值,增加水體EC、Eh等指標,而輪葉黑藻則與水葫蘆相反.
4.2 水葫蘆和輪葉黑藻均能顯著低降低水體的氮磷營養(yǎng)鹽濃度及葉綠素含量.相同初始種養(yǎng)量的情況下,試驗初期輪葉黑藻對降低水體氮磷及葉綠素濃度效果優(yōu)于水葫蘆,但長期來看,水葫蘆對水體氮磷及葉綠素的去除效果優(yōu)于輪葉黑藻.
4.3 在水生植物采收后約50d內(nèi)(9月28日~11月 18日),水體氮磷濃度能基本維持在水生植物采收前的水平.
4.4 漂浮植物與沉水植物結(jié)合的方式可能是恢復(fù)治理富營養(yǎng)化湖泊的可行途徑.
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