許國(guó)晶，田功太，李 壯，鞏俊霞，杜興華，張金路，朱永安

山東濟(jì)寧、棗莊兩市采煤地因受微山湖的影響，地下潛水位較高，采煤塌陷后形成了獨(dú)特的帶狀或塊狀的沉陷區(qū)域，并受地下較高水位影響，采煤塌陷區(qū)由單一的陸生環(huán)境演變成水、陸復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)，改變了原有的生態(tài)關(guān)系。到目前為止，前人對(duì)采煤塌陷區(qū)的生態(tài)修復(fù)提出了很多方法，但多數(shù)以農(nóng)業(yè)復(fù)墾為主，傾向于對(duì)采煤塌陷區(qū)的利用［1－6］，如利用采煤廢棄物進(jìn)行充填復(fù)墾、根據(jù)塌陷區(qū)域水位深淺進(jìn)行淺水種植或者修建魚(yú)塘發(fā)展網(wǎng)圍、網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)［7－9］，而這些復(fù)墾方式對(duì)采煤塌陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境修復(fù)不夠重視。如何對(duì)采煤塌陷水域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，充分發(fā)揮塌陷水域的生態(tài)功能以及塌陷水域的生態(tài)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)采煤塌陷區(qū)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外在采用水生植物進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)方面開(kāi)展了大量的研究，尤其在湖泊濕地方面［10－13］：通過(guò)移植沉水植物苦草（Vallisneria natans）、黑藻（Hydrilla verticillata）對(duì)江灘濕地進(jìn)行修復(fù)；利用沉水植物伊樂(lè)藻（Elodea nuttallii）生態(tài)重建對(duì)月湖進(jìn)行修復(fù)；重建浮葉植物荇菜（Limnanthemun nymphoides）對(duì)太湖進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，這些研究均表明水生植物在去除水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)鹽、改善水質(zhì)、恢復(fù)水體水生生態(tài)系統(tǒng)等方面效果良好。研究表明底棲動(dòng)物螺螄（Margarya melanioides）可緩解養(yǎng)殖池塘水質(zhì)的污染狀況［14］，與沉水植物組合取得了良好的水質(zhì)凈化效果［15－16］。而針對(duì)采煤塌陷水域，目前只有張玉云在淮南市潘集區(qū)采煤沉陷水域通過(guò)重建以沉水植物苦草為主的水生植物群落進(jìn)行生態(tài)修復(fù)［17］。筆者選擇在采煤塌陷水域比較常見(jiàn)的漂浮植物水鱉Hydrocharis dubia與底棲動(dòng)物組合對(duì)采煤塌陷水域進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)研究，以期為重建采煤塌陷水域生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用采煤塌陷水域常見(jiàn)的漂浮植物水鱉為實(shí)驗(yàn)材料，實(shí)驗(yàn)植株從濟(jì)寧市魚(yú)臺(tái)鹿洼塌陷水域移植。水生動(dòng)物田螺（Cipangopaludina chinensis）為市售，在買(mǎi)回后暫放水箱中培養(yǎng)2周，然后用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在水箱中開(kāi)展，水箱長(zhǎng)×寬×高為90 cm×75 cm×60 cm，實(shí)際用水體積為280 L。共設(shè)置4個(gè)實(shí)驗(yàn)組：在第Ⅰ、Ⅱ?qū)嶒?yàn)組分別移植覆蓋面積為10%、20%的水鱉（質(zhì)量分別為0.1、0.2 kg）；在第Ⅲ組即底棲動(dòng)物對(duì)照組僅放等量的田螺，不放置水鱉；第Ⅳ組為空白對(duì)照組。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組水箱內(nèi)均放置相同量的底泥（約10 cm厚）。除空白對(duì)照組外，其余3個(gè)實(shí)驗(yàn)組水箱內(nèi)均放置140 g田螺（即投放量250 g／m2）。4個(gè)實(shí)驗(yàn)組的其他實(shí)驗(yàn)條件均相同。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不再加水。實(shí)驗(yàn)從2017年6月6日開(kāi)始，至6月29日結(jié)束。

1.3 檢測(cè)項(xiàng)目和方法

水箱準(zhǔn)備完畢在放置漂浮植物和底棲動(dòng)物前，采集水樣和泥樣進(jìn)行檢測(cè)并作為初始數(shù)據(jù)。每次取水樣的時(shí)間均為上午8：00，每4～5 d取一次水樣。先在靠近塑料周轉(zhuǎn)箱底層處使用5 L采水器采取水樣，再用離心管從中取部分水樣用于檢測(cè)?？偟═N）、總磷（TP）、氨態(tài)氮（NH＋4－N）、硝態(tài)氮（NO－3－N）、亞硝態(tài)氮（NO－2－N）的濃度等用 SpectroquantPharo 100（德國(guó)MERCK）分光光度計(jì)測(cè)定，具體檢測(cè)方法見(jiàn)許國(guó)晶等［18］的報(bào)道。

采集實(shí)驗(yàn)?zāi)鄻雍罅⒓此椭翆?shí)驗(yàn)室以4200 r／min離心，上清液經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾后即為間隙水樣；每10 d取一次泥樣進(jìn)行檢測(cè)。間隙水樣檢測(cè)方法同上文水樣檢測(cè)。

1.4 去除率的計(jì)算

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)漂浮植物與底棲動(dòng)物對(duì)采煤塌陷水域水質(zhì)的凈化效果，本文營(yíng)養(yǎng)鹽去除率計(jì)算扣除了空白對(duì)照組的去除效果［19］，其具體計(jì)算公式為：營(yíng)養(yǎng)鹽去除率＝（空白對(duì)照組營(yíng)養(yǎng)鹽濃度－實(shí)驗(yàn)組營(yíng)養(yǎng)鹽濃度）／空白對(duì)照組營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度×100%。

1.5 數(shù)據(jù)、圖表處理

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3個(gè)重復(fù)的平均值。方差分析采用 SPSS 16.0，當(dāng) P＜0.05時(shí)差異顯著。用Microsoft Excel 2007進(jìn)行圖表處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理組水體中TN濃度的變化

從圖1A中可以看出：各處理組水體的TN濃度隨時(shí)間推進(jìn)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，各處理組水體的TN濃度均顯著降低，覆蓋面積10%水鱉＋底棲動(dòng)物組水體的TN濃度從2.43 mg／L降低至1.07 mg／L，20%水鱉＋底棲動(dòng)物組和底棲動(dòng)物對(duì)照組的 TN濃度分別從2.33、2.47 mg／L降低至1.40、1.90 mg／L，并且覆蓋面積 10%水鱉＋底棲動(dòng)物組與底棲動(dòng)物對(duì)照組之間TN濃度差異顯著（P＜0.05）。由圖1B可以看出：10%水鱉＋底棲動(dòng)物組、20%水鱉＋底棲動(dòng)物組及底棲動(dòng)物對(duì)照組的TN去除率分別為1.82%～55.56%、4.11%～41.67%、－1.37%～20.83%，TN最大去除率表現(xiàn)為10%水鱉＋底棲動(dòng)物組（55.56%）＞20%水鱉＋底棲動(dòng)物組（41.67%）＞底棲動(dòng)物對(duì)照組（20.83%）。說(shuō)明水鱉與底棲動(dòng)物協(xié)同作用優(yōu)于底棲動(dòng)物單獨(dú)作用，推測(cè)是底棲動(dòng)物可以將懸浮態(tài)的氮磷轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)的氮磷［20］，促進(jìn)了水生植物根系的凈化作用。但覆蓋面積20%水鱉對(duì)水體中TN的去除效果沒(méi)有覆蓋面積10%水鱉組好。本實(shí)驗(yàn)水鱉＋底棲動(dòng)物處理對(duì)TN的去除率高于蘭策介等［21］研究的金魚(yú)藻（Ceratophyllum demersum）與環(huán)棱螺（Bellamya purificata）組合對(duì) TN的去除率（20.48%），也高于陳倩等［20］研究的空心菜（Ipomoea aquatica Forsk）與中華圓田螺（Cipangopaludina chinensis）組合對(duì) TN的去除率（37.12%），但與其研究的西伯利亞鳶尾（Iris sibirica）與中華圓田螺組合對(duì)TN的去除率50.92%相近。本實(shí)驗(yàn)中底棲動(dòng)物對(duì)照組的TN濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，推測(cè)是田螺自身代謝的原因，隨著田螺對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，其通過(guò)濾食作用使TN濃度逐漸下降。底棲動(dòng)物對(duì)照組對(duì)TN的去除率達(dá)20.83%，這與孟順龍等［14］在鯽魚(yú)養(yǎng)殖池塘螺螄投放量225 g／m2對(duì)TN的去除率17.8%、投放量450 g／m2對(duì)TN的去除率22.2%相近。

2.2 各處理組水體中TP濃度的變化

由圖2A可以看出10%水鱉＋底棲動(dòng)物組、20%水鱉＋底棲動(dòng)物組水體的TP濃度從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始至實(shí)驗(yàn)結(jié)束變化趨勢(shì)基本一致，呈下降趨勢(shì)；而底棲動(dòng)物對(duì)照組水體的TP濃度變化趨勢(shì)與TN濃度一致，呈先上升后下降的趨勢(shì)；10%水鱉＋底棲動(dòng)物組、20%水鱉＋底棲動(dòng)物組和底棲動(dòng)物對(duì)照組水體的TP濃度分別從 0.27、0.25、0.25 mg／L 降低至 0.05、0.06、0.13 mg／L；10%水鱉＋底棲動(dòng)物組、20%水鱉＋底棲動(dòng)物組TP的降低量顯著高于底棲動(dòng)物對(duì)照組的（P＜0.05），而覆蓋面積10%水鱉＋底棲動(dòng)物組與覆蓋面積20%水鱉＋底棲動(dòng)物組之間TP濃度差異不顯著（P＞0.05）。TP去除率隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化情況如圖2B所示，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，10%水鱉＋底棲動(dòng)物組、20%水鱉＋底棲動(dòng)物組和底棲動(dòng)物對(duì)照組的TP去除率分別達(dá)到了77.5%、72.5%、35.0%，10%水鱉＋底棲動(dòng)物組與20%水鱉＋底棲動(dòng)物組間TP去除率差異不顯著（P＞0.05），但這兩組與底棲動(dòng)物對(duì)照組間TP去除率差異顯著（P＜0.05）。由此可以看出水鱉＋田螺組對(duì)TP的去除效果優(yōu)于底棲動(dòng)物對(duì)照組的，說(shuō)明水鱉與底棲動(dòng)物協(xié)同作用優(yōu)于底棲動(dòng)物單獨(dú)作用，這與劉飛等［15］的研究結(jié)果一致。本實(shí)驗(yàn)中TP去除率高于金魚(yú)藻與環(huán)棱螺組合［21］對(duì)TP的去除率41.97%，高于空心菜與中華圓田螺組合對(duì)TP的去除率53.49%，以及西伯利亞鳶尾與中華圓田螺組合對(duì)TP的去除率32.2%［20］，且與儲(chǔ)昭升等［22］研究的海菜花－螺螄組合對(duì)TP的去除率75.5% ±3.9%相近，說(shuō)明植物種類(lèi)及覆蓋面積等因素導(dǎo)致TP去除性能出現(xiàn)差異。本實(shí)驗(yàn)底棲動(dòng)物對(duì)照組對(duì)TP的去除率為35%，略低于孟順龍等［14］在鯽魚(yú)養(yǎng)殖池塘螺螄投放量225 g／m2和投放量 450 g／m2對(duì) TP的去除率（分別為 38.9%和44.4%），可能與投放螺螄的量有關(guān)。

圖1 各組水體中TN濃度及TN去除率隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化

圖2 各組水體中TP濃度及TP去除率隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化

2.3 各處理組水體NH＋4－N、NO－3－N 及 NO－2－N 濃度的變化

由圖3A可以看出：各組水體中NH＋4－N 濃度隨時(shí)間推移均有所降低，除空白對(duì)照組略微增加外。在實(shí)驗(yàn)期間，空白對(duì)照組水體的NH＋4－N濃度由 0.83 mg／L 增加至 0.86 mg／L，10%水鱉＋底棲動(dòng)物組、20%水鱉＋底棲動(dòng)物組和底棲動(dòng)物對(duì)照組水體的NH＋4－N濃度分別由 0.86、0.83、0.85 mg／L 降至 0.30、0.40、0.54 mg／L，分別降低了 0.56、0.43、0.31 mg／L。 表明10%水鱉＋底棲動(dòng)物組的NH＋4－N降低量顯著高于覆蓋面積20%水鱉＋底棲動(dòng)物組以及底棲動(dòng)物對(duì)照組的（P＜0.05）。由圖3B可知：至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，10%水鱉＋底棲動(dòng)物組、20%水鱉＋底棲動(dòng)物組和底棲動(dòng)物對(duì)照組對(duì) NH＋4－N的去除率分別為 65.12%、53.48%、37.79%，10%水鱉＋底棲動(dòng)物組對(duì)NH＋4－N 的去除率顯著高于20%水鱉＋底棲動(dòng)物組和底棲動(dòng)物對(duì)照組的（P＜0.05）；但水生植物＋底棲動(dòng)物組對(duì)NH＋4－N的去除效果優(yōu)于底棲動(dòng)物對(duì)照組的，這與劉飛等［15］的研究結(jié)果一致。

各處理組水體中NO－3－N 及 NO－2－N濃度隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行呈下降趨勢(shì)（圖3C和圖3E），其中10%水鱉＋底棲動(dòng)物組、20%水鱉＋底棲動(dòng)物組及底棲動(dòng)物對(duì)照組水體的NO－3－N濃度與實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)相比分別降低了0.43、0.33、0.20 mg／L，而空白組增加了 0.02 mg／L。至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，10%水鱉＋底棲動(dòng)物組、20%水鱉＋底棲動(dòng)物組及底棲動(dòng)物對(duì)照組對(duì)NO－3－N的去除率分別為46.43%、35.71%、21.43%，10%水鱉＋底棲動(dòng)物組和20%水鱉＋底棲動(dòng)物組對(duì)NO－3－N的去除率顯著高于底棲動(dòng)物對(duì)照組的（P＜0.05）。10%水鱉＋底棲動(dòng)物組、20%水鱉＋底棲動(dòng)物組及底棲動(dòng)物對(duì)照組水體的NO－2－N濃度與實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)相比分別降低了0.30、0.23、0.16 mg／L，而空白組增加了 0.01 mg／L；10%水鱉＋底棲動(dòng)物組和20%水鱉＋底棲動(dòng)物組的NO－2－N降低量顯著高于底棲動(dòng)物對(duì)照組的（P＜0.05）。至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，10%水鱉＋底棲動(dòng)物組、20%水鱉＋底棲動(dòng)物組及底棲動(dòng)物對(duì)照組對(duì)NO－2－N的去除率分別為66.67%、53.33%、35.56%，且10%水鱉＋底棲動(dòng)物組和20%水鱉＋底棲動(dòng)物組對(duì)NO－2－N的去除率顯著高于底棲動(dòng)物對(duì)照組的（P＜0.05）。

圖3 各組水體中NH 4＋－N、NO 3－－N及NO 2－－N濃度及其去除率隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中底泥間隙水中TN、TP濃度的變化

如圖4A和圖4B所示，10%水鱉＋底棲動(dòng)物組底泥間隙水中TN濃度由實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的6.20 mg／L下降到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的4.70 mg／L，20%水鱉＋底棲動(dòng)物組由6.20 mg／L增加到7.50 mg／L，底棲動(dòng)物對(duì)照組由6.23 mg／L 增加到 12.80 mg／L，空白對(duì)照組由 6.27 mg／L降至4.90 mg／L；底棲動(dòng)物對(duì)照組的TN濃度增加量顯著高于20%水鱉＋底棲動(dòng)物組的（P＜0.05）。10%水鱉＋底棲動(dòng)物組間隙水中TP濃度由實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的0.18 mg／L下降至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的0.12 mg／L，20%水鱉＋底棲動(dòng)物組由0.18 mg／L降至0.15 mg／L，底棲動(dòng)物對(duì)照組由0.18 mg／L增加至0.23 mg／L，空白對(duì)照組由0.18 mg／L降至 0.10 mg／L。在本實(shí)驗(yàn)中，空白對(duì)照組底泥間隙水中TN、TP濃度隨時(shí)間降低，這與孟順龍等［14］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，推測(cè)是因?yàn)榈啄嚅g隙水中氮磷釋放至水中，而又不存在魚(yú)類(lèi)、底棲動(dòng)物的外在代謝。在本實(shí)驗(yàn)中，底棲動(dòng)物對(duì)照組底泥間隙水中TN、TP濃度隨時(shí)間均增加，這與孟順龍等［14］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；而10%水鱉＋底棲動(dòng)物組底泥間隙水中TN、TP濃度隨時(shí)間有所降低，20%水鱉＋底棲動(dòng)物組底泥間隙水中TN、TP濃度的增加量也低于底棲動(dòng)物對(duì)照組的，這與劉飛等［15］的研究結(jié)果一致?？梢?jiàn)水生植物與底棲動(dòng)物協(xié)同作用使得底泥氮的含量降低，并且其效果優(yōu)于底棲動(dòng)物單獨(dú)作用的。

3 結(jié)論

漂浮植物水鱉和底棲動(dòng)物田螺組合對(duì)采煤塌陷養(yǎng)殖水體及底泥氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果優(yōu)于田螺單獨(dú)作用的，同時(shí)水鱉覆蓋面積對(duì)凈化效果也有影響，不同覆蓋面積的水鱉和田螺組合對(duì)采煤塌陷養(yǎng)殖水體以及底泥間隙水營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果不同。

圖4 各組底泥間隙水中TN、TP濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化

覆蓋面積10%的漂浮植物水鱉和底棲動(dòng)物田螺組合對(duì)采煤塌陷養(yǎng)殖水體中TN、TP、NH＋4－N、NO－3－N以及NO－2－N的去除效果較好，去除率分別達(dá)到了55.56%、77.50%、65.12%、46.43%、66.67%；同時(shí)該組合對(duì)底泥TN、TP也有一定的去除作用?；謴?fù)和重建以漂浮植物和底棲動(dòng)物為主的水生生物生態(tài)系統(tǒng)是重建采煤塌陷水域生態(tài)系統(tǒng)的重要措施。

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