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        江蘇省湖泊水生植物優(yōu)勢(shì)種對(duì)氮、磷去除效果比較研究

        2020-06-18 01:21:48胡曉東吳蘇舒徐繼雄郭劉超吳沛沛
        中國(guó)農(nóng)村水利水電 2020年2期
        關(guān)鍵詞:黑藻湖泊生物量

        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(yíng)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(duì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì),水生植物本身對(duì)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(duì)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?chē)趸聪趸茸饔肹4,5],同樣,水生植物種類(lèi) 、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(duì)TN的去除效果[6-8]。研究表明,水生植物對(duì)不同形態(tài)氮的吸收具有一定的選擇性,通常相對(duì)于無(wú)機(jī)氮,有機(jī)氮最先被吸收,而在無(wú)機(jī)氮中植物優(yōu)先吸收氨氮和其他還原態(tài)氮, 因而對(duì)氨氮的去除率較高, 去除速率較快[9,10]。在水體中常見(jiàn)的磷類(lèi)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(guò)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(lái)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(duì)性。本文以江蘇省部分典型湖泊(白馬湖、寶應(yīng)湖、高郵湖、長(zhǎng)蕩湖、滆湖、邵伯湖)為研究對(duì)象,通過(guò)前期調(diào)查篩選出江蘇省各個(gè)湖泊水生植物優(yōu)勢(shì)種,并探究其對(duì)湖泊富營(yíng)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(shì)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(zhǎng)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(jiàn)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(yíng)養(yǎng)狀況及樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置見(jiàn)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(shì)種的篩選方法

        本研究水生植物優(yōu)勢(shì)種的篩選采用計(jì)算并比較不同水生植物的優(yōu)勢(shì)度的方法。優(yōu)勢(shì)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(shì)度[12]的計(jì)算公式得出。優(yōu)勢(shì)度的計(jì)算公式如下:

        表1 調(diào)查湖泊位置、營(yíng)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(duì)優(yōu)勢(shì)度;RF為相對(duì)頻度(相對(duì)頻度=該種的頻度/所有物種頻度之和);RB為相對(duì)生物量(相對(duì)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(duì)優(yōu)勢(shì)度的計(jì)算結(jié)果,認(rèn)定DV≥0.02的植物種類(lèi)為湖泊優(yōu)勢(shì)種。

        1.3 水生植物優(yōu)勢(shì)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(shì)度的計(jì)算公式,分別得到6個(gè)調(diào)查湖泊的優(yōu)勢(shì)水生植物類(lèi)型,見(jiàn)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(yíng)養(yǎng)化水體的江蘇省水生植物優(yōu)勢(shì)種;穗狀狐尾藻、黑藻是作為沉水植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的江蘇省水生植物優(yōu)勢(shì)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(shì)種。

        2 江蘇省典型湖泊優(yōu)勢(shì)種對(duì)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(duì)采回的植物樣進(jìn)行挑選、預(yù)培養(yǎng),選取生長(zhǎng)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(cè)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(cè)結(jié)果均為Ⅲ~劣Ⅴ類(lèi),綜合以上結(jié)果最終確定本次研究的供試水體為Ⅴ類(lèi)水??紤]到植物本身對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求,對(duì)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T(mén)N 2 mg/L,TP 0.2 mg/L,為Ⅴ類(lèi)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(guò)程可能會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果,故在試驗(yàn)開(kāi)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(wú)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(guò)預(yù)培養(yǎng)的長(zhǎng)勢(shì)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(zhǎng)的特性。

        表2 調(diào)查湖泊中水生植物主要種類(lèi)組成及優(yōu)勢(shì)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(shì)種對(duì)TN的去除效果Fig.2 Removal of TN by dominant species of different aquatic plants

        通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),各植物對(duì)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(duì)照組中的濃度要低,這說(shuō)明6種水生植物對(duì)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(duì)TP的去除效果明顯不如其他幾種植物,試驗(yàn)過(guò)程中,穗狀狐尾藻、荇菜、蘆葦以及茭草 TP的下降趨勢(shì)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(duì)比發(fā)現(xiàn),各植物對(duì)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(shì)種對(duì)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(shì)種對(duì)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(shì)種有6種,其中蘆葦、茭草是作為挺水植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的江蘇省水生植物優(yōu)勢(shì)種,穗狀狐尾藻、黑藻是作為沉水植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的江蘇省水生植物優(yōu)勢(shì)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(shì)種。主要優(yōu)勢(shì)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?duì)其他幾種水生植物較好。

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