胡曉東，王 俊，吳蘇舒，徐繼雄，郭劉超，吳沛沛

(江蘇省水利科學(xué)研究院， 南京 210017)

水生植物作為湖泊水體修復(fù)的重要技術(shù)，因?qū)此w的富營養(yǎng)化修復(fù)具有較好的改善作用而廣泛應(yīng)用于湖泊保護(hù)之中。水生植物對水體的凈化效果主要基于2點(diǎn)：首先，氮、磷作為水生植物的營養(yǎng)物質(zhì)，水生植物本身對其有一定的吸收；其次，微生物的附著也可以促進(jìn)水生植物對氮、磷的吸收[1-3]。通常水體中TN的主要去除途徑源于植物組織及其根際微生物吸收、根系滯留、根際周圍硝化反硝化等作用[4,5]，同樣，水生植物種類 、流域氣候、水體溫度及水力停留時(shí)間等因素均會(huì)影響到水體中水生植物對TN的去除效果[6-8]。研究表明，水生植物對不同形態(tài)氮的吸收具有一定的選擇性，通常相對于無機(jī)氮，有機(jī)氮最先被吸收，而在無機(jī)氮中植物優(yōu)先吸收氨氮和其他還原態(tài)氮, 因而對氨氮的去除率較高, 去除速率較快[9,10]。在水體中常見的磷類型有磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機(jī)磷酸鹽等，其中只有1價(jià)磷酸根離子和2價(jià)磷酸根離子能依靠植物的呼吸作用被吸收，水體中的磷元素被植物根系吸收后，經(jīng)同化作用可變成植物的ATP、DNA以及RNA等有機(jī)成分，并通過植物的收割而去除[11]。

現(xiàn)如今人們多基于水生植物的理論凈化能力來選取凈化種，并未考慮天然濕地生境的復(fù)雜性，缺乏地域性和針對性。本文以江蘇省部分典型湖泊(白馬湖、寶應(yīng)湖、高郵湖、長蕩湖、滆湖、邵伯湖)為研究對象，通過前期調(diào)查篩選出江蘇省各個(gè)湖泊水生植物優(yōu)勢種，并探究其對湖泊富營養(yǎng)化污染的修復(fù)潛能。

1 江蘇省典型湖泊水生植物優(yōu)勢種的篩選

1.1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)布置

本次研究于2017年5-9月選取江蘇省6個(gè)具有代表性的淡水湖泊進(jìn)行調(diào)查，每個(gè)湖泊在春季和夏季各調(diào)查一次。6個(gè)湖泊包括蘇南區(qū)域的長蕩湖、滆湖，蘇北區(qū)域的白馬湖、寶應(yīng)湖、高郵湖及邵伯湖(見圖1)。選取的依據(jù)綜合考慮到湖泊的地理位置、水化性質(zhì)及面積等多重因素。其中調(diào)查湖泊的位置、營養(yǎng)狀況及樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置見表1。

圖1 江蘇省調(diào)查湖泊的分布情況Fig.1 Distribution of investigated lakes

1.2 水生植物優(yōu)勢種的篩選方法

本研究水生植物優(yōu)勢種的篩選采用計(jì)算并比較不同水生植物的優(yōu)勢度的方法。優(yōu)勢度要根據(jù)采樣及后期處理得到的生物量、蓋度、頻度等數(shù)據(jù)結(jié)果，再結(jié)合優(yōu)勢度[12]的計(jì)算公式得出。優(yōu)勢度的計(jì)算公式如下：

表1 調(diào)查湖泊位置、營養(yǎng)狀況及樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置Tab.1 Geographical position, nutritional status of investigated lakes and number of sample points

式中：DV為相對優(yōu)勢度；RF為相對頻度(相對頻度=該種的頻度/所有物種頻度之和)；RB為相對生物量(相對生物量=該種的生物量/群落中所有種生物量之和)。

根據(jù)相對優(yōu)勢度的計(jì)算結(jié)果，認(rèn)定DV≥0.02的植物種類為湖泊優(yōu)勢種。

1.3 水生植物優(yōu)勢種的篩選結(jié)果

根據(jù)前期調(diào)查得到江蘇省湖泊共有植物22種，隸屬于19科，根據(jù)水生植物調(diào)查中的生物量、蓋度、頻度等數(shù)據(jù)，采用水生植物優(yōu)勢度的計(jì)算公式，分別得到6個(gè)調(diào)查湖泊的優(yōu)勢水生植物類型，見表2。

從表2中可以看出：蘆葦、茭草是作為挺水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的江蘇省水生植物優(yōu)勢種；穗狀狐尾藻、黑藻是作為沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的江蘇省水生植物優(yōu)勢種；而野菱、荇菜則是作為浮葉植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的江蘇省水生植物優(yōu)勢種。

2 江蘇省典型湖泊優(yōu)勢種對水中氮磷吸收能力研究

2.1 水生植物材料的采集

試驗(yàn)所用的水生植物均采自于江蘇省南京市高淳區(qū)的湖泊，本次試驗(yàn)針對采回的植物樣進(jìn)行挑選、預(yù)培養(yǎng)，選取生長狀況較好且形狀基本一致的成熟植株以待試驗(yàn)。

2.2 供試水體的配置選擇

根據(jù)江蘇省湖泊的水質(zhì)監(jiān)測狀況分析發(fā)現(xiàn)，江蘇省6個(gè)湖泊中的水質(zhì)綜合監(jiān)測結(jié)果均為Ⅲ～劣Ⅴ類，綜合以上結(jié)果最終確定本次研究的供試水體為Ⅴ類水?？紤]到植物本身對營養(yǎng)元素的需求，對霍格蘭溶液進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，具體配方如下：最終供試水體的初始指標(biāo)為TN 2 mg/L，TP 0.2 mg/L，為Ⅴ類水。

2.3 試驗(yàn)方法

選擇70 L的塑料箱體作為試驗(yàn)容器，面積約為0.3 m2?？紤]到底泥的沉積釋放過程可能會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，故在試驗(yàn)開始時(shí)，試驗(yàn)水箱中未加入任何底泥基質(zhì)。由于試驗(yàn)是在靜態(tài)下進(jìn)行的室內(nèi)試驗(yàn)，因此無法考慮野外環(huán)境中水流動(dòng)力及水位變化。在試驗(yàn)容器中加入40 L配制好供試水體，將經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)的長勢良好且大小一致的蘆葦、茭草、穗狀狐尾藻、黑藻、野菱及荇菜按照試驗(yàn)方案移入試驗(yàn)容器中，其中挺水植物配置6株，沉水植物及浮葉植物配置的生物量均為1 kg，保證各種植物生物量基本相當(dāng)，挺水植物利用塑料籃及拉絲固定在整理箱邊緣位置，保證符合挺水植物靠岸邊淺水區(qū)生長的特性。

表2 調(diào)查湖泊中水生植物主要種類組成及優(yōu)勢度Tab.2 Compositions and importance values of aquatic plant species in the research lakes

2.4 結(jié)果與分析

2.4.1 水中TN的濃度變化

圖2 不同水生植物優(yōu)勢種對TN的去除效果Fig.2 Removal of TN by dominant species of different aquatic plants

通過對比發(fā)現(xiàn)，各植物對于水體中TN 的去除率大小排序?yàn)椋很?87.50%)> 蘆葦(70.82%)> 野菱(54.34%)> 荇菜(47.06%)> 穗狀狐尾藻(39.75%)> 輪葉黑藻(35.48%)?；痉贤λ参飪?yōu)于浮葉植物優(yōu)于沉水植物的規(guī)律。

2.4.2 水中TP的濃度變化

由圖3可以發(fā)現(xiàn)， 6種水生植物處理后的水中TP濃度均比空白對照組中的濃度要低，這說明6種水生植物對TP均有一定程度的去除效果。其中浮葉植物野菱、沉水植物輪葉黑藻對TP的去除效果明顯不如其他幾種植物，試驗(yàn)過程中，穗狀狐尾藻、荇菜、蘆葦以及茭草 TP的下降趨勢基本一致，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)去除效果達(dá)到最佳，去除率均達(dá)到70%～80%。

對比發(fā)現(xiàn)，各植物對于水體中TP 的去除率大小排序?yàn)椋很?82.63%)> 蘆葦(78.23%)> 穗狀狐尾藻(77.21%)> 荇菜(73.84%)> 輪葉黑藻(46.76%)> 野菱(35.52%)。

圖3 不同水生植物優(yōu)勢種對TP的去除效果Fig.3 Removal of TP by dominant species of different aquatic plants

圖4 不同水生植物優(yōu)勢種對的去除效果Fig.4 Removal of by dominant species of different aquatic plants

3 結(jié)論與討論

(1)江蘇省湖泊中的主要優(yōu)勢種有6種，其中蘆葦、茭草是作為挺水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的江蘇省水生植物優(yōu)勢種，穗狀狐尾藻、黑藻是作為沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的江蘇省水生植物優(yōu)勢種，而野菱、荇菜則是作為浮葉植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的江蘇省水生植物優(yōu)勢種。主要優(yōu)勢種的生活型以挺水植物為主。

(3)從植物的凈化能力出發(fā)，綜合考慮多方面因素，比較分析得出茭草和蘆葦?shù)膬艋Ч鄬ζ渌麕追N水生植物較好。