洪澤湖濕地主要植物群落的水質(zhì)凈化能力研究

南 楠，張 波，李海東，張金池

（1.徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院，南京 210037；3.環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京 210042）

水體富營(yíng)養(yǎng)化是一種水體衰老現(xiàn)象，系指氮、磷等植物性營(yíng)養(yǎng)物大量進(jìn)入湖泊、海灣等相對(duì)封閉、水流緩慢的水體，引起藻類和其他水生植物大量繁殖，水體透明度和溶解氧下降，水質(zhì)惡化，其它水生生物大量死亡，水體生態(tài)系統(tǒng)和水功能受到阻礙和破壞的現(xiàn)象［1－3］。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)利用高等水生植物凈化污水進(jìn)行了廣泛的研究［4－6］，大量研究結(jié)果顯示，高等水生植物能夠大量吸收水體中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有些品種還能抑制水體中的藻類，故能有效地凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體，同時(shí)，種植水生植物還有助于水體生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)正常的功能［7－9］。筆者以洪澤湖濕地自然保護(hù)區(qū)為基地，通過(guò)對(duì)高等水生植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，研究水生植物對(duì)于水體營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果，篩選水體凈化能力強(qiáng)、景觀效果好的植物種，以期為濕地生態(tài)系統(tǒng)的植被重建提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地設(shè)在江蘇省泗洪洪澤湖國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱保護(hù)區(qū)）內(nèi)。保護(hù)區(qū)位于江蘇西北部，溧河洼下游，北緯33°10′40″－33°20′27″，總面積49365 hm2，占洪澤湖湖區(qū)面積的10.17%，居全國(guó)淡水濕地之第11位，華東地區(qū)第二位，江蘇省第一位。保護(hù)區(qū)北接泗洪縣東南部，東靠洪澤湖，南臨盱眙，北接泗洪縣東南部，緊鄰泗洪縣的城頭鄉(xiāng)、臨淮鎮(zhèn)、西與雙溝鎮(zhèn)相鄰，交通便捷。研究區(qū)光熱充足，降水充沛。年平均氣溫為14.8℃，極端最低氣溫為－16.1℃；極端最高氣溫為39.8℃。多年平均水溫為15.6℃。年降水量多年平均為925.5mm，雨季集中在6－9月，降水量占全年65.5%；冬季降水量少，僅占約7%～8%。年蒸發(fā)量為1592 .2mm。試驗(yàn)期間試驗(yàn)區(qū)平均溫度22.5～27.2℃。區(qū)內(nèi)生物資源十分豐富，共有維管植物69科162屬217種，其中以年輕較進(jìn)化的被子植物，如菊科、禾本科、莎草科等為主體。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 濕生植物的選取 水生植物的選擇，應(yīng)盡可能地利用當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)種，同時(shí)考慮以下幾方面的因素:①具有較好的水質(zhì)凈化功能；②移植成活率高；③不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害；④具有一定的景觀價(jià)值，綜合利用價(jià)值大［4，10－12］。在參考國(guó)內(nèi)外利用水生植物凈化富營(yíng)養(yǎng)水體相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合植被調(diào)查的結(jié)果，確定6種水生植物為本次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，其中挺水植物、漂浮植物、沉水植物各2種。全部水生植物均是當(dāng)年移栽，見(jiàn)表1。

1.2.2 圍隔實(shí)驗(yàn)區(qū)的建立 實(shí)驗(yàn)區(qū)選在泗洪洪澤湖保護(hù)區(qū)溧河洼區(qū)域的人工濕地內(nèi)。人工濕地為保護(hù)區(qū)建設(shè)二期工程，因在施工階段，搭建有塑料頂棚，暫未栽植水生植物，可避免降水對(duì)試驗(yàn)的干擾。在人工濕地內(nèi)建立圍隔實(shí)驗(yàn)區(qū)，實(shí)驗(yàn)區(qū)分為7個(gè)5m×5m的圍隔，水泥池壁，平均水深1.5m，底部為夯實(shí)泥土。其中的6個(gè)圍隔分別種植水生植物，一個(gè)圍隔作為對(duì)照沒(méi)有種植任何植物。各圍隔相互獨(dú)立，以不透水材料隔離，底泥厚0.8m，充分?jǐn)噭颍麄€(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)可近似看作封閉體系。試驗(yàn)水體初始濃度:pH值為7.46，溶解氧為6.40mg／L，CODMn為4.50mg／L，BOD5為2.30mg／L，總氮為0.82mg／L，總磷為0.09mg／L，葉綠素a 3.46mg／m3，透明度為45cm。

表1 移栽水生植物基本情況

1.2.3 水樣采集及測(cè)定 在圍隔實(shí)驗(yàn)區(qū)，于2007年7月12日－9月11日進(jìn)行樣品采集，歷時(shí)60d，每10d在同一樣點(diǎn)采樣一次，為防止誤差，采樣時(shí)間均安排在下午2:00左右，此時(shí)植物的光合作用最強(qiáng)。每個(gè)水樣重復(fù)3次，取平均值。水樣指標(biāo)測(cè)定方法［4］如下:水體總氮（TN）含量測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894－89），水體總磷（TP）采用鉬酸氨分光光度法（GB11893－8），高錳酸鉀鹽指數(shù)（CODMn）采用酸性高錳酸鉀法（GB11892－89），水體溶解氧（DO）采用JPB－607便攜式溶解氧分析儀于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濕生植物群落對(duì)水體的凈化功能分析

2.1.1 對(duì)水體總氮的影響 試驗(yàn)期間各水生植物群落中總氮的濃度均低于對(duì)照區(qū)，并處于比較穩(wěn)定的下降趨勢(shì)（圖1）。對(duì)照區(qū)因水體的自凈作用，總氮的濃度減少了22.05%，但由于天然水體自凈能力有限，1個(gè)月后水體的總氮濃度幾乎處于平穩(wěn)狀態(tài)。

比較各試驗(yàn)植物對(duì)于水體總氮的去除效果，可以看出水生植物群落對(duì)水體總氮的凈化效果顯著（圖1）。去除率從大到小順序表現(xiàn)為:苦草（78.56%）、鳳眼蓮（66.26%）、金魚藻（57.61%）、蓮（50.18%）、菱（46.04%）、蘆葦（37.39%）。挺水植物蘆葦、蓮群落對(duì)總氮的去除率分別為37.39%和50.18%。浮葉植物菱和鳳眼蓮群落在7月12日至8月2日期間，總氮濃度變化緩慢，但菱、鳳眼蓮群落分別自8月2日和8月12日開始，對(duì)總氮的去除率顯著增加。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，兩群落的總氮濃度分別由原來(lái)的0.84mg／L降低到為0.443mg／L和0.287mg／L，去除率分別為46.04%和66.26%。沉水植物中，苦草和金魚藻群落在7月12日至8月2日期間，總氮濃度降低顯著，8月12日以后，金魚藻群落總氮濃度基本保持在0.413mg／L，苦草群落一直保持較好的凈化效果。至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，苦草和金魚藻群落對(duì)總氮的去除率分別為78.56%、57.61%。

圖1 實(shí)驗(yàn)期間圍隔內(nèi)水體總氮濃度變化

2.1.2 對(duì)水體總磷的影響 實(shí)驗(yàn)期間，各圍隔中總磷濃度呈波動(dòng)性變化，總體呈下降趨勢(shì)（圖2）。在試驗(yàn)開始10d內(nèi)各試驗(yàn)圍隔內(nèi)總磷濃度均顯著下降，后又升高。這是由于在自凈過(guò)程中水體中的總磷會(huì)隨著顆粒物一同沉降而使?jié)舛冉档?，但水體處于穩(wěn)定狀態(tài)后藻類緩慢的恢復(fù)生長(zhǎng)和顆粒物的再懸浮使水體中總磷濃度回升。具體表現(xiàn)為:在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)照圍隔中總磷濃度下降了37.59%，試驗(yàn)后期由于水體自凈能力有限，總磷濃度下降很少。

挺水植物圍隔中總磷的濃度變化比較規(guī)律，在經(jīng)過(guò)降低－升高－降低的起伏之后，自8月12日的實(shí)驗(yàn)階段總磷濃度總體呈下降趨勢(shì)，但是兩個(gè)圍隔回升后的總磷濃度分別高于對(duì)照0.0094 mg／L和0.0147 mg／L，這可能是由于水生植物在恢復(fù)生長(zhǎng)的過(guò)程中腐敗脫落的部分也會(huì)對(duì)水體中總磷含量的增加做出貢獻(xiàn)，8月2日之后，總磷濃度低于對(duì)照，主要依靠水生植物的吸收作用和微生物分解作用（圖2）。由于植物的生長(zhǎng)特性，9月1日－9月11日期間蓮進(jìn)入其生長(zhǎng)末期，圍隔區(qū)內(nèi)總磷濃度沒(méi)有明顯變化，蘆葦、蓮圍隔區(qū)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)總磷濃度比試驗(yàn)初始時(shí)降低了46.55%和38.85%。鳳眼蓮圍隔內(nèi)總磷的濃度在7月12日－7月22日快速下降，比初始濃度降低了30.11%，在隨后的10d又有回升，此后的試驗(yàn)階段兩個(gè)圍隔中總磷濃度都有不同程度的降低，菱下降趨勢(shì)較穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)降低了44.8%；鳳眼蓮在整個(gè)試驗(yàn)期間總磷濃度起伏較大，試驗(yàn)后期濃度有大幅度的回升在8月22日高出對(duì)照21.44%，因此凈化效果不理想，只有25.17%。由于沉水植物生活在水下，氣溫對(duì)其影響不明顯，即使氣溫降低沉水植物仍能很好的生長(zhǎng)，同時(shí)沉水植物還能給微生物提供良好的生境，有利于總磷的降解，保持較好的凈化效果。沉水植物圍隔內(nèi)由于水生植物的存在，在8月2日之后，水體總磷濃度一直保持較好的下降趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)金魚藻、苦草對(duì)水體中總磷的去除率分別為31.03%和61.84%。由此可見(jiàn)，對(duì)水體總磷的去除效果由大到小大依次為:苦草（61.84%）、蘆葦（46.55%）、菱（44.83%）、金魚藻（45.00%）、蓮（39.66%）、鳳眼蓮（25.17%）。

圖2 實(shí)驗(yàn)期間圍隔內(nèi)水體總磷濃度變化

2.1.3 對(duì)水體CODMn的影響 整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中各試驗(yàn)圍隔中的高錳酸鹽指數(shù)相對(duì)于對(duì)照區(qū)的變化并不是一致的，具體表現(xiàn)為:由于水體自凈作用，7月12日－7月22日，圍隔內(nèi)由于懸浮物的沉降使高錳酸鹽指數(shù)明顯下降17.3%，之后出現(xiàn)了升高再降低的趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照圍隔區(qū)的CODMn濃度降低了20.66%（圖3）。蘆葦和蓮的凈化規(guī)律有所差異，實(shí)驗(yàn)開始的第10天，蘆葦圍隔的CODMn濃度為4.23 mg／L，僅下降了6%，高于對(duì)照區(qū)，而蓮圍隔內(nèi)CODMn濃度下降了22.44%，此后，隨著蘆葦植株的生長(zhǎng)，蘆葦圍隔內(nèi)的CODMn濃度緩慢降低，在8月22日，濃度為3.88mg／L，低于對(duì)照區(qū)20.19%，蓮圍隔的CODMn濃度除在8月2日有所回升，之后一直保持穩(wěn)定的下降趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，蘆葦?shù)娜コ蕿?3.33%，蓮圍隔去除率為47.11%。鳳眼蓮和菱對(duì)水體中高錳酸鹽的影響規(guī)律有很大差異，在7月12日－8月22日，鳳眼蓮圍隔中CODMn濃度始終高于對(duì)照，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)高出對(duì)照8.96%，因此，在本次試驗(yàn)中鳳眼蓮對(duì)CODMn的去除作用并不理想。菱的凈化效果相對(duì)較好，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終低于對(duì)照區(qū)。金魚藻和苦草圍隔水體中CODMn濃度在8月2日后總體呈下降趨勢(shì)。

由此可見(jiàn)，對(duì)水體CODMn的去除效果由大到小依次 為:金魚藻（61.33%）、苦草（55.56%）、菱（52.44%）、蓮（47.11%）、鳳眼蓮（27.77%）、蘆葦（23.33%）。

2.1.4 對(duì)水體溶解氧的影響 溶解氧是主要的水體感官指標(biāo)和水生生物的生存指標(biāo)，同時(shí)作為表征水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)，水體中溶解氧的多少比較直觀地反映水體是否處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)以及富營(yíng)養(yǎng)化的程度。試驗(yàn)中，對(duì)照區(qū)的溶解氧濃度變化幅度不大，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，溶解氧濃度上升了25%（圖4）。挺水植物圍隔區(qū)在實(shí)驗(yàn)開始后溶解氧上升后又緩慢下降，蘆葦實(shí)驗(yàn)區(qū)溶解氧的增幅變化較大，20.63%～72.5%；蓮圍隔內(nèi)水體溶解氧變化相對(duì)穩(wěn)定，保持在32.81%～57.97%，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，相對(duì)于對(duì)照區(qū)，蘆葦和蓮圍隔內(nèi)的溶解氧濃度分別上升了18.52%和32.32%。浮葉植物菱的實(shí)驗(yàn)區(qū)溶解氧濃度變化不大，且一直高于對(duì)照圍隔；鳳眼蓮圍隔內(nèi)溶解氧濃度在實(shí)驗(yàn)的前10d中下降了16.58%，可能由于在移栽過(guò)程中，鳳眼蓮的枝葉殘損，導(dǎo)致其光合作用下降，但在此后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鳳眼蓮的溶解氧濃度上升很快，且始終高于對(duì)照圍隔，說(shuō)明種植鳳眼蓮對(duì)增加水體溶解氧作用明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，相對(duì)于對(duì)照圍隔，菱和鳳眼蓮圍隔內(nèi)的溶解氧濃度分別上升了48.15%和55.70%（圖4）。沉水植物圍隔中溶解氧濃度的高峰值出現(xiàn)在7月12日－8月12日，此時(shí)接近沉水植物的生長(zhǎng)旺期，因此對(duì)水體中釋氧作用強(qiáng)烈，溶解氧濃度增加幅度較大，金魚藻、苦草圍隔區(qū)水體中溶解氧增加了78.75%和85.16%，進(jìn)入9月之后水生植物的生長(zhǎng)達(dá)到頂峰，此后由于天氣轉(zhuǎn)涼植物生長(zhǎng)緩慢，所以此時(shí)水生植物對(duì)水體中溶解氧的增加作用已經(jīng)不明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，相對(duì)于對(duì)照區(qū)，金魚藻和苦草圍隔內(nèi)的溶解氧濃度分別上升了41.04%和74.67%。

圖3 實(shí)驗(yàn)期間圍隔內(nèi)水體CODMn濃度變化

圖4 實(shí)驗(yàn)期間圍隔內(nèi)水體溶解氧濃度變化

由此可見(jiàn)，各種植物圍隔內(nèi)的溶解氧濃度增加幅度從大到小依次為:苦草（84.21%）、鳳眼蓮（64.22%）、菱（56.25%）、金魚藻（48.75%）、蓮（39.53%）、蘆葦（20.17%）。

2.2 不同濕生植物群落的水體凈化能力類型劃分

以水體總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鉀鹽指數(shù)（CODMn）、水體溶解氧（DO）為指標(biāo)，對(duì)6種水生植物的水體凈化能力進(jìn)行類型劃分（Q型聚類分析方法），聚類統(tǒng)計(jì)量用歐氏距離（Euclidean Distance），公式為

式中:dij——第i個(gè)觀察單位與第j個(gè)觀察單位的距離；xik——第i個(gè)樣品在指標(biāo)k上的數(shù)值；xjk——第j個(gè)樣品在指標(biāo)k上的數(shù)值。其不同濕生植物群落的水體凈化能力類型劃分見(jiàn)圖5。

綜合各植被群落4個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及圖5，可以將其對(duì)水體的凈化能力分為強(qiáng)、中、弱3類，依次為:第一弱型類為鳳眼蓮、蓮、蘆葦；第二中型類為菱、金魚藻；第三強(qiáng)型類為苦草。在實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)，沉水植物苦草、金魚藻對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)元素的凈化效果都較好，產(chǎn)氧能力也較高，浮葉植物菱的凈化效果比較穩(wěn)定，鳳眼蓮可能由于在移栽過(guò)程中的葉片殘損，導(dǎo)致其凈化能力的不穩(wěn)定，挺水植物蘆葦對(duì)于總磷的凈化效果稍好，其他各項(xiàng)凈化能力都較弱，蓮對(duì)于各種營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)物的凈化效果為39.66%～50.18%。

圖5 各植被群落凈化水體功能的聚類圖

3 結(jié)論

研究區(qū)主要水生植物群落對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體總氮的去除能力從大到小依次為苦草（78.56%）、鳳眼蓮（66.26%）、金魚藻 （57.61%）、蓮（50.18%）、菱（46.04%）、蘆葦（37.39%），對(duì)總磷的去除能力從大到小依次為苦草（61.84%）、蘆葦（46.55%）、菱（44.83%）、金魚藻（45.00%）、蓮（39.66%）、鳳眼蓮（25.17%），對(duì)CODMn的去除能力從大到小依次為金魚藻（61.33%）、苦草（55.56%）、菱（52.44%）、蓮（47.11%）、鳳眼蓮（27.77%）、蘆葦（23.33%）。各種植物圍隔的溶解氧濃度增加幅度從大到小依次為:苦草（84.21%）、鳳眼蓮（64.22%）、菱（56.25%）、金魚藻（48.75%）、蓮（39.53%）、蘆葦（20.17%）。

不同水生植物群落對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化能力為，沉水植物苦草、金魚藻對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)元素的凈化效果都較好，產(chǎn)氧能力也較高，浮葉植物菱的凈化效果比較穩(wěn)定，鳳眼蓮可能由于在移栽過(guò)程中的葉片殘損，導(dǎo)致其凈化能力不穩(wěn)定，挺水植物蘆葦對(duì)于總磷的凈化效果稍好，其他各項(xiàng)凈化能力都較弱，蓮對(duì)于各種營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)物的凈化效果為39.66%～50.18%。

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