張 旭, 付子軾, 陳桂發(fā), 蔡 敏, 崔娜欣, 周 麗, 鄒國(guó)燕*

1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所, 上海 201403 2.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 上海 201415

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)和城市現(xiàn)代化進(jìn)程加快，大量的工業(yè)和生活污水排入河湖水體，造成水體氮、磷濃度過高，湖濱帶水生植物不斷退化，水體富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重[1-2]，成為世界各國(guó)面臨的重要水環(huán)境問題之一[3-5]. 湖濱帶是水-陸生態(tài)交錯(cuò)帶的一種類型，具有保持生物多樣性、凈化水質(zhì)、水土保持以及防洪減災(zāi)等功能[6]. 水生植物在生長(zhǎng)過程中會(huì)吸收水體中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)分解、凈化水體中的其他有害物質(zhì)[7-9]. 水生植物修復(fù)技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)田面源污染、城市污水處理以及富營(yíng)養(yǎng)化水體治理[10]，具有成本低、見效快、管理維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)水生植物的布置也具有一定的觀賞價(jià)值[11-12].

水生植物可以有效凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體，由于不同植物對(duì)水質(zhì)的凈化能力存在差異[13-14]，通過植物的合理配置，一方面可以提高其凈化效果；另一方面也有利于水生植物的生長(zhǎng)建群[15-17]. 目前，對(duì)于單一植物對(duì)水體氮磷凈化效果的研究較多，而對(duì)于多種植物組成的植物群落在自然條件下對(duì)氮磷的凈化效果則報(bào)道相對(duì)較少[18]. 雖然植物群落對(duì)水體氮磷的凈化效果優(yōu)于單一植物[19-20]，但在配置過程中往往忽視了水生植物的生活習(xí)性、觀賞價(jià)值以及有效保護(hù)湖泊水體安全的功能，且大多數(shù)研究是通過配置試驗(yàn)水池進(jìn)行人工模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)周期短，一般在30～45 d之間[21-22]. 大量研究表明，我國(guó)大部分湖濱區(qū)水生、濕生生物多樣性大幅降低，湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)存在不同程度的受損、退化等生態(tài)問題. 因此，加強(qiáng)湖濱帶水生植物的篩選和優(yōu)化配置研究，對(duì)于提升水生植物在污染水體中的凈化效果以及湖濱生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與保護(hù)具有重要意義. 該研究選取多種水生植物構(gòu)建不同湖濱帶植物群落，在野外自然條件下，研究各處理對(duì)水體氮磷的凈化效果，以查明高效植物群落模式，為湖濱生態(tài)系統(tǒng)對(duì)污染水體的凈化研究提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行農(nóng)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)站內(nèi)(30°53′N、121°23′E)，為北亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為15.8 ℃，年均降雨量為1 178 mm，雨水主要集中在春秋兩季. 常年無(wú)霜期為225 d. 試驗(yàn)期間，夏季(6—10月)水溫較高，在25 ℃以上；冬季(12月—翌年3月)水溫較低，在10 ℃以下，年均水溫為19.1 ℃.

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1供試植物

挺水植物：蘆葦(Phragmitesaustralis)；浮葉植物：荇菜(Nymphoidespeltatum)；沉水植物：以苦草(Vallisnerianatans)和黑藻(Hydrillaverticillata)為優(yōu)勢(shì)種，間有(少量)馬來(lái)眼子菜(PotamogetonwrightiiMorong)、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)等(見表1). 蘆葦取自上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行農(nóng)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)站，浮葉植物和沉水植物取自江蘇太湖(30°57′N、120°20′E).

表1 水生植物種類及生長(zhǎng)特性

1.2.2供試水體

試驗(yàn)用水為上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行農(nóng)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)站內(nèi)自然水體(楊家溝)，多種水生植物群落自然排序(NSC)、多種水生植物群落逆向排序(RSC)、單種挺水植物群落(PAC)和空白對(duì)照(CK)處理水體本底值如表2所示.

表2 供試水體水質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在自然條件下，水生植物由岸到水方向一般按照挺水、浮葉、沉水植物的順序依次生長(zhǎng). 但在一些風(fēng)浪較大的地方，沉水和浮葉植物常常直接遭受風(fēng)浪襲擊和沖蝕，造成其無(wú)法正常生長(zhǎng)并逐漸枯萎和死亡. 為此，筆者所在課題組研發(fā)了RSC湖濱帶恢復(fù)技術(shù)(將自然演替植物群落進(jìn)行逆向配置)，成功地恢復(fù)了淀山湖湖濱帶植被的同時(shí)，起到了消浪的作用. 以此為基礎(chǔ)，筆者所在課題組進(jìn)一步開展了不同類型湖濱帶植被恢復(fù)以及其水體凈化效果的研究. 該研究共設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)處理面積為200 m2，即長(zhǎng)×寬為20 m×10 m，構(gòu)建3種不同植物群落組合和1個(gè)空白對(duì)照：①多種水生植物群落自然排序(自然式，natural succession community zone, NSC). 按湖濱帶水生植物群落自然演替模式，由岸到水方向依次種植挺水、浮葉和沉水植物，比例各為1/3，區(qū)域內(nèi)植物覆蓋率為100%. ②多種水生植物群落逆向排序(逆序式，reverse succession community zone, RSC). 將湖濱帶水生植物群落自然演替模式進(jìn)行逆向處理，由岸到水方向依次種植沉水、浮葉和挺水植物，比例各為1/3，區(qū)域內(nèi)植物覆蓋率為100%. ③單種挺水植物群落(蘆葦，P.australiscommunity, PAC). 比例為1/3(由岸到水方向)，其他2/3區(qū)域?yàn)榭瞻? 該處理是為了模擬由于風(fēng)浪的干擾，導(dǎo)致沉水和浮葉植物無(wú)法存活的情況，作為NSC和RSC的對(duì)照，即保持蘆葦起始蓋度一致. ④空白對(duì)照(CK). 不種植任何植物.

植物在野外采集好后，立即運(yùn)輸至試驗(yàn)地點(diǎn)，選取長(zhǎng)勢(shì)良好、大小一致的植株并清洗干凈，隨后栽植于對(duì)應(yīng)的小區(qū)中. 在該試驗(yàn)中，不強(qiáng)調(diào)每個(gè)處理中各類型植物的起始生物量是否一致，而是保持其起始蓋度一致. 不同植物間用高30 cm的控根器進(jìn)行分隔，以防止優(yōu)勢(shì)植物的無(wú)限擴(kuò)張. 創(chuàng)建自然條件下的挺水植物生境條件，及由高到低的基底形狀(NSC和PAC沿由岸到水方向、RSC沿由水到岸方向)，占總小區(qū)面積的1/3，最深處抬高基底至常水位水深1 m. 空白區(qū)域沿岸帶全部用木樁和控根器進(jìn)行固定，嚴(yán)格限制區(qū)域內(nèi)各種植物的生長(zhǎng).

1.3.2樣品采集與測(cè)定方法

2018年6月1日—2019年6月1日，每月1日采集一次水樣，歷時(shí)12個(gè)月. 采用“三點(diǎn)法”于水下30 cm處各采集水樣1份，然后混合成一個(gè)樣. 每次采樣點(diǎn)保持一致. 采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法和過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法分別測(cè)定水體TN和TP濃度[23]；使用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀(SEAL、德國(guó))測(cè)定水體NH4+-N濃度. 水中氮磷去除率計(jì)算公式：

R=(C0-C)×100%/C0

(1)

r=Re-RCK

(2)

式中：R為氮磷去除率，%；C0為氮磷初始濃度，mg/L；C為氮磷終期濃度，mg/L；r為氮磷去除貢獻(xiàn)率，%；Re為植物群落組合的去除率，%；RCK為CK的去除率，%.

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)分析通過SPSS 11.5的單因素方差分析(One-way ANOVA)實(shí)現(xiàn)，不同處理間的多重比較采用LSD檢驗(yàn); 使用Origin 8.5軟件進(jìn)行繪圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同植物群落處理對(duì)水體TN的凈化

圖1為不同處理水體TN濃度隨時(shí)間的變化曲線. 由圖1可知，RSC、PAC和NSC水體TN濃度均明顯低于空白對(duì)照(CK)，且變化趨勢(shì)基本一致. 6—12月，各處理TN濃度波動(dòng)較大，但總體呈下降趨勢(shì)，由初始的1.021～1.185 mg/L降至0.179～0.446 mg/L，達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中RSC水體TN濃度達(dá)到最低值(0.179 mg/L). 試驗(yàn)初期，水體環(huán)境發(fā)生劇烈變化，植物體系尚未建立，導(dǎo)致各處理水體TN濃度波動(dòng)較大[24]. 11—12月，各處理TN濃度均急劇下降，可能是由于降雨量較前期顯著減少，外源輸入的氮也隨之大幅減少. 而12月—翌年6月，各處理TN濃度趨于穩(wěn)定，介于0.205～0.443 mg/L之間. 一方面，由于供試水體已達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水體中氮的含量較低；另一方面，進(jìn)入冬季后，植物逐漸開始枯萎死亡，其凈化能力也隨之降低，同時(shí)部分氮會(huì)隨著植物的枯萎和腐爛逐漸釋放出來(lái)[25-26]. CK水體TN濃度也有所下降，這表明水體自身對(duì)氮具有一定的自凈能力，其原因可能是水體中存在硝化菌和反硝化菌，通過硝化和反硝化作用使得水體中的氮得以去除[27-28]，在基本沒有外源輸入的前提下，水體TN濃度呈持續(xù)下降趨勢(shì). 另外，雖然使用控根器進(jìn)行固定和隔離并定期對(duì)空白區(qū)域進(jìn)行清理，但空白區(qū)域還是會(huì)有少量沉水植物生長(zhǎng)，這也有可能是導(dǎo)致CK水體TN濃度下降的原因之一.

圖1 試驗(yàn)期間水體TN濃度的變化Fig.1 Variation of TN concentration during trial period

注： 不同小寫字母表示不同植物群落處理間在P<0.05水平上差異顯著. 下同.圖2 不同植物群落處理對(duì)水體TN的去除率Fig.2 Removal rate of TN by different plant communities

圖2分別為6—11月和12月—翌年6月各處理對(duì)水體TN的去除率. 由圖2可知，試驗(yàn)前期，RSC的去除率相對(duì)較高，為39.74%，且與CK之間存在顯著差異(P<0.05)，表明在試驗(yàn)前期RSC對(duì)TN的凈化效果相對(duì)較好；試驗(yàn)后期，RSC、PAC和NSC的去除率均顯著高于CK(P<0.05)，其中，RSC的去除率最高，為76.41%，但這3種植物處理之間無(wú)顯著差異. Fraser等[29]通過對(duì)4種濕地植物進(jìn)行組合研究，發(fā)現(xiàn)不同植物組合對(duì)水質(zhì)凈化效果無(wú)顯著差異，這與該研究結(jié)果基本一致. 至試驗(yàn)結(jié)束，RSC、PAC和NSC對(duì)水體TN的去除率為53.37%～61.13%(去除貢獻(xiàn)率為7.47%～15.23%)，高于CK的45.90%；RSC、PAC和NSC中蘆葦?shù)纳锪坎町惒淮?，而RSC中沉水+浮葉植物的生物量為269.5 g/m2，高于NSC的230.2 g/m2. 各植物群落處理去除TN能力依次為RSC (15.23%)>NSC (11.90%)>PAC (7.47%). 總體來(lái)看，湖濱帶植被恢復(fù)可以有效提升水質(zhì)凈化能力，雖然3種植物群落處理間凈化效果無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但總體上RSC好于其他處理，表明可以通過適宜的植物群落優(yōu)化湖濱帶水質(zhì)凈化效果[30].

2.2 不同植物群落處理對(duì)水體NH4+-N的凈化

圖3為不同處理水體NH4+-N濃度隨時(shí)間的變化曲線. 由圖3可知，各處理水體NH4+-N濃度呈現(xiàn)先急劇下降后平穩(wěn)的趨勢(shì). 6—7月，各處理NH4+-N濃度變化較大，由初始的0.830～0.929 mg/L降至0.448～0.690 mg/L；12月—翌年5月，各處理NH4+-N濃度變化不明顯，但有一定的波動(dòng)性. 至試驗(yàn)結(jié)束，RSC、PAC和NSC水體NH4+-N濃度為0.100～0.145 mg/L，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn). CK水體NH4+-N濃度也有所下降，表明水體自身對(duì)NH4+-N具有一定的自凈能力[31]，植物吸收并不是污染水體NH4+-N去除的唯一方式[32]，也與生物同化吸收、微生物的硝化與反硝化作用、氨揮發(fā)等有關(guān)，其中有研究表明細(xì)菌硝化與反硝化作用對(duì)氮的去除率占總?cè)コ实?5%以上[33]；另外，夏季溫度較高，也有利于增強(qiáng)硝化細(xì)菌的降解活力[34-35].

圖3 試驗(yàn)期間水體NH4+-N濃度的變化Fig.3 Variation of NH4+-N concentration during trial period

圖4為不同處理對(duì)水體NH4+-N的去除率. 由圖4可知，RSC的去除率最高，為77.67%；CK相對(duì)較差，為58.94%. 總體來(lái)看，至試驗(yàn)結(jié)束，RSC、PAC和NSC對(duì)NH4+-N的去除率為71.36%～77.67%(去除貢獻(xiàn)率為12.42%～18.73%)，均顯著高于CK(P<0.05). 各植物群落處理去除NH4+-N的能力依次為RSC(18.73%)>NSC(15.92%)>PAC(12.42%). 可見，RSC對(duì)污染水體中的NH4+-N具有更好的凈化能力. 相對(duì)于CK來(lái)說，植物群落處理對(duì)NH4+-N的去除率較高，說明通過種植水生植物可以有效提升湖濱帶水體對(duì)NH4+-N的凈化效果[36-37].

圖4 不同植物群落處理對(duì)水體NH4+-N的去除率Fig.4 Removal rate of NH4+-N by different plant communities

2.3 不同植物群落處理對(duì)水體TP的凈化

圖5為不同處理水體TP濃度隨時(shí)間的變化曲線. 由圖5可知，各處理水體TP濃度變化趨勢(shì)基本一致，主要呈現(xiàn)先降后升再降的趨勢(shì). 試驗(yàn)初期(6—7月)，RSC、PAC和NSC水體TP濃度下降較快，由初始的0.163～0.164 mg/L降至0.047～0.067 mg/L，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，之后在0.010～0.059 mg/L之間波動(dòng). 這可能是由于6—7月供試植物處于生長(zhǎng)旺盛期，對(duì)磷的吸收固定能力也隨之增強(qiáng). CK水體TP濃度的下降，可能是由于水體中的磷通過沉淀和微生物固定等方式被去除[38-39]. 試驗(yàn)后期(12月—翌年4月)，各處理水體TP濃度均有所升高，這可能是由于該階段氣溫較低，水體中微生物活性降低導(dǎo)致水體自凈能力降低，同時(shí)該階段處于植物非生長(zhǎng)期，植物逐漸凋亡腐爛，對(duì)水體TP的吸收能力也隨之降低；另外，有研究表明植物吸收氮磷只是臨時(shí)存儲(chǔ)在自身體內(nèi)，當(dāng)吸收的氮磷達(dá)到一定閾值后便會(huì)隨著植物的枯萎逐漸釋放出來(lái)[25-26,40]. 其后，隨著氣溫升高，水生植物重新生長(zhǎng)，對(duì)水體TP的凈化能力也開始恢復(fù)[41].

圖5 試驗(yàn)期間水體TP濃度的變化Fig.5 Variation of TP concentration during trial period

圖6為各處理對(duì)水體TP的去除率. 由圖6可見，RSC的去除率最高，為74.60%，CK相對(duì)較差，為65.55%. RSC和CK之間存在顯著差異(P<0.05). 總體而言，至試驗(yàn)結(jié)束，RSC、PAC和NSC對(duì)TP的去除率均為70.45%～74.6%(去除貢獻(xiàn)率為4.90%～9.05%). 各植物群落處理去除TP的能力依次為RSC(9.05%)>NSC(8.04%)>PAC(4.90%). 由此可見，水生植物對(duì)水體TP的凈化同樣起到了促進(jìn)作用[42]，其中RSC對(duì)污染水體中的TP具有更好的凈化能力.

圖6 不同植物群落處理對(duì)水體TP的去除率Fig.6 Removal rate of TP by different plant communities

結(jié)合圖1、3、5可以發(fā)現(xiàn)，水生植物對(duì)水體TN、NH4+-N、TP的凈化能力存在明顯的周期性，溫度影響植物代謝過程的強(qiáng)弱. 6—10月溫度較高，植物處于生長(zhǎng)期，對(duì)水體氮磷的凈化效果較好；而12月—翌年3月，溫度較低，植物逐漸枯萎，對(duì)水體氮磷的凈化效果也隨之降低. 可見，水生植物的凈化能力與自身生長(zhǎng)周期和溫度密切相關(guān).

綜上，在該試驗(yàn)中多種植物群落(NSC和RSC)對(duì)水體氮磷的凈化效果優(yōu)于單一植物(PAC). 一方面，在蘆葦蓋度(占1/3)相同的情況下，擴(kuò)大湖濱帶植物的覆蓋面積(即種植浮葉和沉水植物)可以增加植物的類型和生物量，從而提升對(duì)水體氮磷的凈化效果；另一方面，不同植物的生長(zhǎng)速率和代謝功能不同，導(dǎo)致其對(duì)氮磷的吸收特性也不同，不同植物間可以形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而提升對(duì)氮磷的凈化效果[30]. RSC的凈化效果優(yōu)于NSC，可能是由于RSC基底形狀的改變?yōu)槌了透∪~植物以及微生物提供了更好的生境條件[43-44]，從而促進(jìn)沉水和浮葉植物的生長(zhǎng). RSC湖濱帶植物恢復(fù)技術(shù)對(duì)水生植物的恢復(fù)具有重要的參考價(jià)值.

3 結(jié)論

a) 水生植物對(duì)水體氮磷的凈化能力存在明顯的周期性，其凈化能力與自身的生長(zhǎng)周期以及溫度密切相關(guān)，供試植物在生長(zhǎng)季(5—12月)的凈化效率明顯高于非生長(zhǎng)季. RSC去除水體TN速率較快的時(shí)間為6—7月和11—12月，NSC為6—7月、8—9月和11—12月，PAC為8—9月和11—12月. RSC、PAC和NSC去除水體NH4+-N和TP速率較快的時(shí)間基本一致，均為6—7月.

b) 3種植物群落處理對(duì)水體TN、NH4+-N、TP的去除貢獻(xiàn)率分別為7.47%～15.23%、12.42%～18.73%、4.90%～9.05%，凈化能力依次為RSC>NSC>PAC.

c) 種植水生植物可有效提升水體對(duì)氮磷的凈化效果，相同植物不同的排序方式(NSC、RSC)對(duì)水體氮磷的凈化效果存在差異，RSC對(duì)水體TN、NH4+-N、TP的去除率顯著高于CK，NSC對(duì)水體TN、NH4+-N的去除率顯著高于CK.

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