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        苦草立體種植對(duì)湖泊水體的影響

        2022-07-18 03:51:56高子昕劉興國中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所上海200092上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命技術(shù)學(xué)院上海201306
        安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年13期

        高子昕,劉興國 (1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092;2.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命技術(shù)學(xué)院,上海 201306)

        苦草()是常見的沉水植物之一,廣泛分布于我國南北各省區(qū),在淡水湖泊、溝渠、池塘、內(nèi)河航道的靜水或流動(dòng)水體中均能很好的生長??嗖萆鷳B(tài)適應(yīng)性廣,能進(jìn)行克隆生長,再生能力強(qiáng),群落破壞后恢復(fù)時(shí)間短,吸附污染物能力強(qiáng),是減少水體污染,緩解水體富營養(yǎng)化程度的重要沉水植物之一。德國曾采用苦草進(jìn)行生態(tài)修復(fù),發(fā)現(xiàn)湖泊水體在春季和夏季均能保持良好的水質(zhì),不會(huì)出現(xiàn)富營養(yǎng)化。我國的武漢東湖、杭州西湖、云南異龍湖、河北白洋淀等水體也曾選用苦草作為生態(tài)修復(fù)沉水植物使水體氮磷減少,水質(zhì)得到改善。

        光照是影響沉水植物生長的主要影響因子之一,但由于沉水植物在湖泊底層生長的生存特性,導(dǎo)致許多水域較深,光照無法透底的湖泊無法通過沉水植物治理湖泊。李啟升等在水深對(duì)沉水植物苦草生長的影響試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),苦草在水深1.5 m時(shí),其相對(duì)生長率和生物量最高;Xiao等在梁子湖進(jìn)行的水深(60~260 cm)模擬試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn),水深在100~160 cm時(shí),苦草最適宜生長。趙文婧等在浮床模式下對(duì)沉水植物凈化水質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn),苦草的除氮率為49.4%,除磷率為15.0%。因此該研究通過搭建立體定植裝置定植苦草,其可以根據(jù)光照和透明度人工調(diào)節(jié)苦草離水面的高度,避免苦草受弱光或者黑暗脅迫,較浮床模式更便捷可控。該研究擬通過分析苦草立體種植水域苦草對(duì)水質(zhì)的影響及試驗(yàn)后浮游生物組成,探索通過該裝置控制水下固定的苦草對(duì)湖泊水質(zhì)及生態(tài)的實(shí)際影響,為沉水植物修復(fù)湖泊水質(zhì)提供一定參考。

        1 材料與方法

        試驗(yàn)所在的鰣鯸淀位于白洋淀中南部,東西長約1.2 km,南北寬約1.1 km,水深較淺(1~3 m),水量約為262萬m,其水域相對(duì)穩(wěn)定。

        在網(wǎng)圍區(qū)域靠近預(yù)留航道一側(cè)與內(nèi)部圍隔試驗(yàn)區(qū)選取鰣鯸淀水流較平緩區(qū)域,架設(shè)如圖1所示的立體種植裝置,每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)試驗(yàn)組,一組含有4排立體種植裝置,每排相間10 m,分別設(shè)試驗(yàn)組A(開放型)和試驗(yàn)組B(封閉型),并在試驗(yàn)區(qū)外設(shè)置采樣點(diǎn)作為對(duì)照組。立體種植裝置主體由鋼管和種草繩構(gòu)成,配有重塊、浮子、調(diào)節(jié)桿等輔助裝置。其中,種草繩是運(yùn)用網(wǎng)眼較小的漁網(wǎng)或攔網(wǎng)繞成直徑30~40 mm的粗繩,通過固定苦草根部使苦草可以固定在水下水草的最佳生長深度1.5 m處。

        采樣點(diǎn)如圖2所示,分別均勻分布在2個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的6個(gè)點(diǎn)位,每個(gè)采樣點(diǎn)均位于兩排立體定植裝置中間。用10 L的采水器取水下0.5 m處水樣,用25號(hào)浮游生物網(wǎng)采集浮游生物,并通過魯格試劑和甲醛溶液固定保存。通過YSI水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定采樣點(diǎn)物理指標(biāo)。

        試驗(yàn)開始后,于2019年7—11月對(duì)鰣鯸淀進(jìn)行采樣調(diào)查。水質(zhì)指標(biāo)總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH-N)、化學(xué)需氧量(COD)、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版),具體如表1所示。物理指標(biāo)溫度、溶解氧(DO)、鹽度、pH通過YSI水質(zhì)分析儀測量現(xiàn)場測定。

        圖1 定植裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of fixed plant device

        圖2 鰣鯸淀采樣點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of sampling points in Shihoudian Lake

        表1 水質(zhì)指標(biāo)測定方法Table 1 Determination method of water quality index

        浮游生物測定分為定量、定性2種,樣品采集、濃縮、計(jì)數(shù)方法參見文獻(xiàn)[15]。試驗(yàn)測定并計(jì)算浮游生物的優(yōu)勢種、優(yōu)勢度()、Shannon-Weaver多樣性指數(shù)(')、Pielou均勻度指數(shù)()和Margalef豐富度指數(shù)()。

        采用Excel軟件計(jì)算其平均值、標(biāo)準(zhǔn)差,并通過Origin 2018作圖。采用SPSS軟件,通過單因素方差分析法(one-way ANOVA)進(jìn)行差異性分析。

        2 結(jié)果與分析

        試驗(yàn)開始后,采樣點(diǎn)的水溫、溶解氧、pH、鹽度等水域水體物理指標(biāo)變化情況如圖3所示。由圖3可知,2個(gè)試驗(yàn)組水溫變化趨勢一致,沒有明顯差異,8月份水溫達(dá)到最高值。試驗(yàn)組的DO含量均在8月份開始有所下降,總體趨勢線試驗(yàn)組B普遍大于試驗(yàn)組A。鹽度變化穩(wěn)定,2個(gè)試驗(yàn)組采樣點(diǎn)之間差異較小,鹽度均在8月份最低,隨后呈逐月平穩(wěn)上升趨勢。pH在8.03~9.03波動(dòng),除了10月份外,試驗(yàn)組B的pH普遍大于試驗(yàn)組A;2個(gè)試驗(yàn)組的pH總體趨勢是呈下降的,試驗(yàn)組A的pH最高在10月份,試驗(yàn)組B的pH最高在9月份。

        TN。立體種植試驗(yàn)區(qū)周邊水體TN變化如圖4所示,試驗(yàn)開始時(shí),試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B和對(duì)照組水體TN的濃度分別為2.03、2.23和1.77 mg/L,30 d后,由于苦草的生長,試驗(yàn)區(qū)水體中的TN迅速下降,試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B水體TN比初始值分別下降了49.26%和35.87%,隨著時(shí)間的變化,試驗(yàn)組水體TN均有所上升,但在10月份到達(dá)一個(gè)峰值后有所下降,總體11月份試驗(yàn)組水體TN水平未超過7月份,試驗(yàn)組A在11月份的TN濃度比7月份下降了11.33%。

        TP。從圖5可以看出,試驗(yàn)開始時(shí),試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B和對(duì)照組水體TP的濃度分別為0.014、0.028和0.090 mg/L。試驗(yàn)開始30 d后,對(duì)照組水體TP變化相對(duì)穩(wěn)定,試驗(yàn)組A和試驗(yàn)組B水域的TP含量分別是對(duì)照組的25.29%和14.98%,試驗(yàn)組水體TP在試驗(yàn)后的第二個(gè)月(9月份)均快速上升,并在10月份基本回歸原水平,而后又于11月份極顯著上升。其中,試驗(yàn)組A水體TP濃度11月為7月的109.47倍,試驗(yàn)組B水體TP濃度11月為7月的54.58倍。

        圖3 鰣鯸淀水質(zhì)物理變化Fig.3 Physical changes of water quality in Shihoudian Lake

        圖4 水體TN月變化Fig.4 Monthly variation of TN in water

        圖5 水體TP月變化Fig.5 Monthly variation of TP in water

        硝態(tài)氮。從圖6可以看出,試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B和對(duì)照組硝態(tài)氮初始值分別為0.20、0.21和0.14 mg/L。試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B硝態(tài)氮10月份與7月份相比分別增加了583.69%和955.47%;在11月均有顯著下降,與7月份相比分別增加了66.65%和244.29%。而對(duì)照組硝態(tài)氮相對(duì)平穩(wěn),均在0.26 mg/L以下。

        圖6 水體硝態(tài)氮月變化 Fig.6 Monthly variation of nitrate nitrogen in water

        NH-N。從圖7可以看出,試驗(yàn)區(qū)周圍水中的NH-N濃度在試驗(yàn)開始后比對(duì)照組低,試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B和對(duì)照組水體NH-N初始值分別為0.01、0和0.34 mg/L;試驗(yàn)組NH-N濃度均在試驗(yàn)開始后上升且在8月份后又下降,于9月份達(dá)到試驗(yàn)區(qū)NH-N濃度的最低值,試驗(yàn)組B于10月份達(dá)到NH-N濃度的最高值,比8月份增長了53.71%;對(duì)照組水體中NH-N先上升后下降,9月份達(dá)到最高(0.59 mg/L),11月份最低(0.03 mg/L)。

        圖7 水體NH4+-N月變化 Fig.7 Monthly variation of NH4+-N in water

        亞硝態(tài)氮。從圖8可以看出,試驗(yàn)開始前,試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B和對(duì)照組水體亞硝態(tài)氮分別為0.007、0.003和0.003 mg/L,30 d后,試驗(yàn)組水體亞硝態(tài)氮濃度均降至近乎不存在。隨著時(shí)間的變化,試驗(yàn)組水體亞硝態(tài)氮有所上升并在10月份達(dá)到最大值,11月試驗(yàn)組A的亞硝態(tài)氮濃度比7月份下降了40.30%,試驗(yàn)組B的亞硝態(tài)氮濃度在11月份也在顯著降低。

        圖8 水體亞硝態(tài)氮月變化 Fig.8 Monthly variation of nitrite nitrogenin water

        COD。從圖9可以看出,試驗(yàn)組的水體中COD總體變化平穩(wěn),COD含量均在60 mg/L以下,符合農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)組的COD變化趨于一致,9月、10月增長,11月下降;而對(duì)照組變化與試驗(yàn)組相反,呈9月、10月下降,11月增長。

        苦草對(duì)浮游植物組成的影響。在8月、9月和10月對(duì)2個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了浮游植物的測定,通過室內(nèi)鏡檢,共鑒定出藻類76種,隸屬7門52屬,以綠藻門、硅藻門和藍(lán)藻門為主。試驗(yàn)組A的浮游植物平均密度在4.24×10~5.64×10cells/L,試驗(yàn)組B的浮游植物平均密度在2.19×10~4.47×10cells/L。根據(jù)表2所示,經(jīng)過90 d試驗(yàn),試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B的藍(lán)藻密度均有下降,綠藻密度則在9月顯著增長后于10月下降,但仍大于8月的綠藻密度。硅藻密度有所上升,且試驗(yàn)組A的增長率達(dá)到20.51倍,是試驗(yàn)組B增長率的6.31倍。

        圖9 水體COD月變化 Fig.9 Monthly variation of COD in water

        表2 鰣鯸淀浮游植物密度

        從表3可以看出,試驗(yàn)組A藻類的′指數(shù)8月與9月、10月差異顯著,9月與10月差異不顯著;指數(shù)8月、9月、10月之間差異均不顯著;指數(shù)10月與8月、9月差異顯著,8月與9月差異不顯著;說明該試驗(yàn)在這90 d內(nèi)對(duì)試驗(yàn)組A藻類的群落多樣性和物種豐富度有影響。試驗(yàn)組B藻類的指數(shù)10月與8月、9月差異顯著,8月與9月差異不顯著;′指數(shù)和指數(shù)8月、9月、10月之間差異均極顯著,說明該試驗(yàn)在這90 d內(nèi)對(duì)試驗(yàn)組B藻類的物種均勻度有影響。

        表3 鰣鯸淀浮游植物物種多樣性變化Table 3 Variation of phytoplankton species diversity in Shihoudian Lake

        苦草對(duì)輪蟲的影響。浮游生物的群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定對(duì)水生態(tài)環(huán)境有重要影響,而優(yōu)勢種種類數(shù)及其豐度對(duì)群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要作用,鰣鯸淀浮游動(dòng)物優(yōu)勢種最多的是輪蟲,故該研究以輪蟲作為鰣鯸淀試驗(yàn)區(qū)浮游動(dòng)物的主要分析對(duì)象。

        在8月、9月和10月對(duì)2個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行輪蟲的測定,通過室內(nèi)鏡檢,共檢出輪蟲29種,隸屬7科15屬,以臂尾輪科、鼠輪科為主。從表4和表5可以看出,2個(gè)試驗(yàn)地區(qū)的輪蟲密度在9月份顯著下降,并在10月份有極顯著的上升。試驗(yàn)組A的增長率約是8月份的4.91倍,試驗(yàn)組B的增長率約是8月份的28.36倍;而′指數(shù)和指數(shù)與密度相反,在9月份最高,8月份最低。試驗(yàn)組A的輪蟲密度在8、9月份大于試驗(yàn)組B,在10月份試驗(yàn)組B的密度大于試驗(yàn)組A且是試驗(yàn)組A的2.23倍;′指數(shù)的變化與密度完全相反,在8、9月份試驗(yàn)組A小于試驗(yàn)組B,在10月份試驗(yàn)組B小于試驗(yàn)組A。

        表4 鰣鯸淀常見輪蟲密度和總密度Table 4 The density and total density of common rotifers in Shihoudian Lake 個(gè)/L

        從表5可以看出,試驗(yàn)組A的輪蟲′指數(shù)和指數(shù),8月與9月、10月差異顯著,9月與10月差異不顯著;指數(shù)差異不顯著,說明該試驗(yàn)在這90 d內(nèi)對(duì)試驗(yàn)組A輪蟲的群落多樣性和物種均勻度有影響。試驗(yàn)組B的指數(shù)差異極顯著(<0.01),′指數(shù)和指數(shù)差異均不顯著,說明該試驗(yàn)在這90 d內(nèi)對(duì)試驗(yàn)組B輪蟲的物種均勻度有影響。

        表5 鰣鯸淀輪蟲物種多樣性Table 5 Species diversity of rotifers in Shihoudian Lake

        3 討論

        苦草作為富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)的先鋒物種之一,具有吸收水體中氮磷的功能,對(duì)惡劣環(huán)境有較好的耐受能力,是常見的生態(tài)修復(fù)湖泊沉水植物。有研究表明,在水深不超過2 m時(shí),沉水植物的生物量、植株長度與水深呈線性關(guān)系,苦草在水深1.2~1.5 m時(shí)具有良好的凈水能力,該研究所用的立體定植裝置,其通過將苦草等用于修復(fù)湖泊的沉水植物固定在適宜的水深,避免了水深因素對(duì)選用生態(tài)修復(fù)沉水植物的限制。

        立體定植裝置固定后的苦草對(duì)周圍水環(huán)境具有較強(qiáng)影響力,在試驗(yàn)開始后水體總氮迅速下降并隨著時(shí)間的變化,在30 d后有所上升。水體總磷在7月、8月普遍小于對(duì)照組,這可能是由于苦草在6—9月生長速度快,分葉期需要大量營養(yǎng)元素造成的,這是苦草治理湖泊富營養(yǎng)化最好的時(shí)期,其中對(duì)氮的吸收率可達(dá)到49.26%,與趙文婧等在苦草浮床模式下研究的氮吸收率相近。試驗(yàn)開始后,水體中的氨氮含量普遍小于對(duì)照組,而硝態(tài)氮含量則相反,可能是由于苦草更偏好對(duì)氨氮的吸收,且氨氮和硝態(tài)氮對(duì)于苦草的吸收會(huì)互相影響。在9月開始,試驗(yàn)苦草周邊水體的氮磷濃度開始大于對(duì)照水體,這是由于苦草進(jìn)入衰敗期,開始釋放氮磷??傮w開放組的氮磷含量均低于封閉組,這說明苦草對(duì)水體的影響還與水體流動(dòng)有關(guān)。

        立體定植裝置區(qū)域的輪蟲密度在9月份顯著下降,并在10月份極顯著上升,總體浮游植物密度下降,輪蟲密度增加,這一調(diào)查結(jié)果與劉存歧等對(duì)白洋淀輪蟲群落結(jié)構(gòu)的調(diào)查一致,說明該研究的立體定植苦草對(duì)該水域的浮游生物影響不顯著,無不良影響,且浮游植物硅藻的優(yōu)勢度增加,藍(lán)藻密度下降,對(duì)水體富營養(yǎng)化有良好的改善。

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