改性粘土輔助沉水植物修復(fù)技術(shù)維持清水穩(wěn)態(tài)的原位研究*

湯 鑫，曹 特，倪樂意，謝 平，＊＊

(1:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，武漢430070)

(2:中國科學(xué)院水生生物研究所東湖臺站，武漢430072)

當(dāng)前，富營養(yǎng)化水體中的藍(lán)藻水華和水生植被衰退是全世界面臨的水污染問題［1-2］.水生植被，尤其是沉水植被，作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要初級生產(chǎn)者，可以降低湖泊水體營養(yǎng)鹽負(fù)荷、控制藻類生長、保持水體的清水穩(wěn)態(tài)和較高的生物多樣性，其生態(tài)重建或修復(fù)被認(rèn)為是湖泊生態(tài)修復(fù)的重要舉措之一［3-5］.國內(nèi)外利用水生植物治理水體富營養(yǎng)化的研究很多［6-8］，在沉水植被修復(fù)過程中因受到水下光照條件差、氮磷營養(yǎng)鹽過高、底質(zhì)松軟、水體溶解氧供給不足等環(huán)境條件的制約，沉水植被在這些水體中很難存活.此外，在選擇被恢復(fù)沉水植物物種上，其耐污能力、適宜的移栽期和營養(yǎng)條件、有效的繁殖和移植技術(shù)都會影響植被修復(fù)的效果.水鱉科苦草(Vallisneria natans)是我國長江中下游區(qū)域常見的多年生沉水植物，耐污和適應(yīng)性較強(qiáng)，常在沉水植被修復(fù)中使用.

Anderson［9］較早就提出了粘土絮凝除藻是很有前景的方法，隨后研究者發(fā)現(xiàn)利用粘土作為載體并通過不同物質(zhì)對其進(jìn)行改性，已成為這一研究領(lǐng)域的新動向.鄒華和潘綱等［10-11］研究了使用殼聚糖改性粘土對微囊藻水華的去除效應(yīng)，并在太湖梅梁灣水域進(jìn)行了圍隔實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明投加少量的殼聚糖改性粘土后不僅有效地去除了藻華，且水體透明度得到較大改善，營養(yǎng)鹽含量也有顯著降低.他們還比較了26種粘土除藻效率和效果，提出了殼聚糖改性粘土除藻的網(wǎng)捕和架橋機(jī)理，并提出采用當(dāng)?shù)卣惩猎蝗コ{(lán)藻水華是可行的［12-13］.改性粘土有來源充足、天然無毒、使用方便、節(jié)約資源等特點(diǎn)，其絮凝作用作為一種新興的應(yīng)急除藻技術(shù)，越來越多地在水質(zhì)改善中使用.

本研究采用沉水植被重建與改性粘土處理相結(jié)合的方法，利用沉水植被改善水質(zhì)的長效性與穩(wěn)定性及殼聚糖改性粘土改善水質(zhì)的短期高效性，通過改性粘土絮凝作用短期改善生境條件，創(chuàng)造沉水植物移栽條件，使沉水植物易于存活生長，并產(chǎn)生長期穩(wěn)定水質(zhì)功能.本實(shí)驗(yàn)通過監(jiān)測不同種類處理圍隔中水質(zhì)和底泥間隙水的營養(yǎng)鹽含量變化和苦草的蓋度，研究改性粘土修復(fù)沉水植被及對藍(lán)藻水華的抑制效果，旨在探索富營養(yǎng)水體水質(zhì)改善的長效措施.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)與材料

原位圍隔實(shí)驗(yàn)于2011年5-11月在太湖北部的梅梁灣進(jìn)行，其湖水深度為0.8～1.8 m，大部分水域無大型水生植物分布，是典型的藻型富營養(yǎng)化湖區(qū)［14］.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由12個PVC透地圍隔(2.5 m×2.5 m)構(gòu)成，圍隔布的底邊采用石龍埋藏以防止圍隔內(nèi)外水體交換，用鋼管固定于水體中.實(shí)驗(yàn)開始前所有圍隔布均沉于湖水中靜置兩星期，待圍隔內(nèi)外水體充分平衡.實(shí)驗(yàn)采取了4種處理措施:對照(不做處理)、加改性粘土(粘土)、移栽苦草并添加改性粘土(水草+粘土)、只移栽苦草(水草).每種處理采用3個圍隔重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)圍隔附近的湖水作為本底參考，在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)附近采用竹排消浪.

實(shí)驗(yàn)苦草種苗取自太湖，株高35～40 cm，大小均勻，葉片顏色鮮亮，無明顯損傷.在水草+粘土處理和水草處理共6個圍隔中，采用人工扦插方式移栽苦草，苦草種苗密度為600株/圍隔.改性粘土處理參考Pan等［12-13］的方法，改性劑為殼聚糖，使用前配置成1 mg/ml的殼聚糖鹽酸溶液［15］.粘土購自江蘇玖川納米材料科技有限公司生產(chǎn)的JC-ZF-01型水處理劑，主要成分為高嶺石.殼聚糖與粘土的含量按1∶100的質(zhì)量比例計算.改性粘土用量按圍隔水體重量的0.3‰～1.0‰計算.改性粘土具體使用方法為經(jīng)加入適量圍隔水?dāng)嚢栊纬蓱覞嵋海鶆驖姙⒂趯?shí)驗(yàn)處理圍隔，改性粘土潑灑頻率為6 d/次，實(shí)驗(yàn)期間共潑灑10次.

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品采集與分析

實(shí)驗(yàn)樣品采集期為5月30日至7月28日，共60 d.圍隔內(nèi)水樣每3 d采集一次，用于測定水體的總氮(TN)、總磷(TP)、硝態(tài)氮(-N)、銨態(tài)氮(-N)、正磷酸鹽(-P)和葉綠素 a(Chl.a).測定方法參考文獻(xiàn)［16-17］.水體透明度(SD)用透明度盤測定.各圍隔在實(shí)驗(yàn)開始前和結(jié)束后采集表層沉積物，離心后上覆水用于測定底泥間隙水體的TN、TP、-N、-P、-N.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后采集0.25 m2苦草，計算苦草密度并推算圍隔內(nèi)苦草的蓋度.

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

圖1、2、3中的值表示形式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.所有數(shù)據(jù)的方差分析、Tukey HSD多重比較檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)由軟件Statistica 6.0完成，P＜0.05時統(tǒng)計上認(rèn)為是顯著的.

2 結(jié)果

2.1 不同處理下圍隔水體水質(zhì)變化

添加改性粘土和移栽苦草對圍隔內(nèi)水質(zhì)影響顯著(表1，P＜0.05)，圍隔效應(yīng)也不同程度地影響水質(zhì)(圖1).實(shí)驗(yàn)期間，太湖水體TP含量為0.10 mg/L，對照圍隔水體TP含量為0.13 mg/L，移栽水草圍隔TP含量為0.12 mg/L，粘土圍隔TP含量為0.04 mg/L，水草+粘土圍隔TP含量為0.05 mg/L，添加粘土使TP下降約60%，僅移栽苦草對TP影響不顯著(圖1A)，但兩者有較顯著交互作用(表1，P＜0.05);太湖水體-P含量為0.013 mg/L，對照和水草圍隔水體的-P為0.008 mg/L，粘土和水草 +粘土圍隔-P約為0.006 mg/L，添加粘土使-P下降約30%，水草處理對-P影響不顯著(圖1C).

表1 不同處理圍隔內(nèi)水體和間隙水的水質(zhì)指標(biāo)的方差檢驗(yàn)1)Tab.1 ANOVA of the water and interstitial water quality indices in the different enclosure treatments

在氮含量上，太湖水體和對照圍隔的TN含量約為1.5 mg/L，移栽水草圍隔TN含量為1.4 mg/L，粘土圍隔TN含量為1.2 mg/L，水草+粘土圍隔TN含量為1.0 mg/L，添加粘土使TN含量下降約20%，僅移栽苦草對TN影響不顯著(圖1B);對照和水草圍隔-N含量約為0.035 mg/L，粘土圍隔和太湖水體-N含量為0.085 mg/L，相比對照升高約1.5倍，水草+粘土圍隔-N含量為0.050 mg/L，相比對照升高約40%，僅移栽苦草對-N影響不顯著(圖1D)，兩者有較顯著交互作用(表1，P＜0.05);太湖水體-N含量為0.9 mg/L，對照和水草圍隔-N含量為0.2 mg/L，粘土圍隔-N 含量為0.38 mg/L，添加粘土使-N含量相比對照上升90%，水草+粘土圍隔-N含量為0.23 mg/L，相比對照升高約15%，僅移栽苦草對-N影響不顯著(圖1E)，兩者有顯著交互作用(表1，P＜0.05).

太湖水體Chl.a含量為195 μg/L，對照和水草圍隔水體的Chl.a含量約為50 μg/L，粘土和水草+粘土圍隔Chl.a含量約為15 μg/L，添加粘土使 Chl.a含量下降約70%，僅移栽苦草對 Chl.a影響不顯著(圖1F)，兩者交互作用較顯著(表1，P＜0.05).太湖水體SD為55 cm，對照和水草圍隔水體的SD約為70 cm，粘土和水草+粘土圍隔SD約為120 cm，添加粘土使SD增加了50 cm以上，僅移栽苦草對SD影響不顯著(圖1G)，兩者交互作用較顯著(表1，P ＜0.05).

2.2 不同處理下圍隔沉積物間隙水水質(zhì)變化

不同處理下圍隔底泥間隙水水質(zhì)指標(biāo)方差分析結(jié)果顯示，添加改性粘土和移栽苦草對TP、-P和-N影響顯著(表1，P＜0.05).實(shí)驗(yàn)前對照和粘土圍隔底泥間隙水TN為18 mg/L，實(shí)驗(yàn)后降到16 mg/L;水草+粘土圍隔底泥間隙水TN實(shí)驗(yàn)前為16 mg/L，實(shí)驗(yàn)后降到13 mg/L;水草圍隔底泥間隙水TN實(shí)驗(yàn)前為14 mg/L，實(shí)驗(yàn)后升高到15 mg/L，粘土和水草+粘土圍隔使間隙水TN相比實(shí)驗(yàn)前降低約15%，改性粘土和移栽苦草處理對間隙水TN影響不顯著(圖2A).對照和粘土圍隔實(shí)驗(yàn)前-N含量約為3.4 mg/L，實(shí)驗(yàn)后下降為1.0 mg/L，降幅分別為67%和70%;水草+粘土和水草圍隔實(shí)驗(yàn)前-N含量約為4.0 mg/L，實(shí)驗(yàn)后分別降為0.7 mg/L和0.5 mg/L，降幅達(dá)83%和86%，改性粘土和移栽苦草處理對間隙水-N影響不顯著(圖2D).對照和粘土圍隔實(shí)驗(yàn)前-N含量為0.5 mg/L，實(shí)驗(yàn)后對照圍隔-N 降為 0.2 mg/L，而粘土圍隔-N上升到0.87mg/L，漲幅達(dá)68%;水草 +粘土圍隔實(shí)驗(yàn)前后-N含量基本保持在0.6 mg/L，而水草圍隔-N由實(shí)驗(yàn)前的0.34 mg/L上升到了0.78 mg/L，漲幅達(dá)130%，改性粘土和移栽

1 四組處理圍隔內(nèi)水體和湖水的理化指標(biāo)差異(數(shù)據(jù)為平均值(n=57)和湖水平均值(n=19)，誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)差，圖中a，b，c字母表示Tukey HSD多重比較檢驗(yàn)結(jié)果，不同字母表示差異顯著(P＜0.05))Fig.1 Comparison of the physicochemical indices in the four enclosure treatments and lake water

對照圍隔間隙水TP由實(shí)驗(yàn)前的0.6 mg/L升高到實(shí)驗(yàn)后的1.2 mg/L;粘土圍隔TP由實(shí)驗(yàn)前0.35 mg/L降至0.20 mg/L，降幅達(dá)40%;水草+粘土圍隔TP由實(shí)驗(yàn)前的0.3 mg/L降至0.1 mg/L，降幅達(dá)60%;水草圍隔TP由實(shí)驗(yàn)前的0.3 mg/L升高到0.4 mg/L，改性粘土和移栽苦草處理對間隙水TP影響顯著(圖2B).對照圍隔間隙水-P由實(shí)驗(yàn)前的0.55 mg/L升高到實(shí)驗(yàn)后的0.70 mg/L;粘土圍隔-P由實(shí)驗(yàn)前的0.35 mg/L降低至實(shí)驗(yàn)后的0.08 mg/L，降幅達(dá)75%;水草+粘土圍隔-P由實(shí)驗(yàn)前的0.14 mg/L降低至實(shí)驗(yàn)后的0.06 mg/L，降幅達(dá)55%;水草圍隔-P由實(shí)驗(yàn)前的0.1 mg/L升高到0.3 mg/L，改性粘土和移栽苦草處理對間隙水-P影響顯著(圖2C)，兩者也有顯著交互作用(表1，P＜0.05).綜上所述，水草+粘土處理改善底質(zhì)效果最好，使間隙水的TN、TP、-P、-N分別比實(shí)驗(yàn)前下降了15.6%、61.7%、55.8%和82.8%，-N含量基本不變.

圖2 試驗(yàn)前后四組處理圍隔內(nèi)間隙水水化指標(biāo)變化(數(shù)據(jù)為平均值(n=3)，誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)差，圖中a，b，c，d字母表示對實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)的Tukey HSD多重比較檢驗(yàn)結(jié)果，不同字母表示差異顯著(P＜0.05))Fig.2 Variations of the interstitial water chemistry indices in the four enclosure treatments before and after the experiment

2.3 苦草蓋度對比和后期觀察結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時水草+粘土圍隔苦草蓋度約50%，水草圍隔苦草蓋度約13%，t檢驗(yàn)顯示這兩組處理的植被蓋度有極顯著差異(P＜0.001).實(shí)驗(yàn)結(jié)束后3個月定期觀察發(fā)現(xiàn)，水草+粘土圍隔的透明度在70 cm，苦草到10月份仍有大量存活，其它處理組圍隔的透明度約30 cm，水草圍隔在8月中旬因藍(lán)藻水華暴發(fā)導(dǎo)致苦草地上部分幾近全部死亡.

3 討論

本研究中，單獨(dú)改性粘土處理可以有效改善圍隔水體中的TN、TP、-P、Chl.a和 SD 等指標(biāo)，但使-N和-N含量增加顯著，其對TN含量降低幅度顯著小于水草+粘土處理，后者相比粘土處理能顯著降低該兩種離子態(tài)氮含量(P＜0.05)，而水草單獨(dú)處理對水體各指標(biāo)影響不顯著(圖1).底泥間隙水TP、-P在粘土和苦草處理中降低顯著，-N顯著升高，兩種處理對-P和-N含量交互作用非常顯著(表1和圖2，P＜0.05)，但所有處理的間隙水TN、-N含量變化沒有顯著性差異.粘土因其表面結(jié)構(gòu)的特殊性，對一些小分子物質(zhì)具有吸附作用［18］，但對活性不高的-N基本無吸附作用［19］.殼聚糖是一種帶正電荷的高分子聚凝物質(zhì)，它可以通過網(wǎng)橋作用絮凝一些小分子物質(zhì)［20］，并且對小分子陽離子電解質(zhì)有排斥作用，陽離子半徑越小排斥越強(qiáng)［21］，因此本實(shí)驗(yàn)中改性粘土對-N、-N含量下降影響不顯著.經(jīng)殼聚糖改性的粘土因?yàn)槟芗訌?qiáng)網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有效使藻類等懸浮顆粒物質(zhì)絮凝沉降，顯著降低水體中的TN、TP和Chl.a含量，提高SD［11-12］.但是絮凝沉降到水底的藻類等會死亡分解，即藻細(xì)胞膜破裂釋放出大量的胞內(nèi)物質(zhì)［22］，其中大量膠體和顆粒態(tài)有機(jī)氮經(jīng)微生物降解會增大水體中的氮營養(yǎng)鹽［23］，形成二次污染.這可能是造成改性粘土處理的圍隔水體中-N、-N含量和間隙水中-N含量顯著增加的原因.而改性高嶺石粘土既能通過粘土中的鋁層與-P反應(yīng)［19］，也能通過殼聚糖分子上大量的氨基陽離子凝聚帶負(fù)電的藻細(xì)胞等［10］，即與-P發(fā)生電荷中和反應(yīng)，達(dá)到強(qiáng)烈的吸附效果.因此，這種改性粘土對-P吸附能力顯著，在本實(shí)驗(yàn)中粘土處理磷酸鹽含量都是顯著減小的.

沉水植物既可從根系吸收來自于底泥的營養(yǎng)物質(zhì)，也能通過莖葉吸收來自水體的營養(yǎng)物質(zhì)［25-27］.而且沉水植物所需的氮和磷幾乎全部來自底泥［25-26］，相比-N對-N更具有吸收優(yōu)先性，其代謝活動還能夠使底泥中硝酸鹽的濃度顯著提高，原因可能是水生植物通過根系向底泥輸送氧氣，提高了底質(zhì)的氧化還原電位，從而有利于硝化作用［27］.沉水植物還能抑制底泥的再懸浮從而減少底泥向上覆水中營養(yǎng)鹽的釋放［4］.因此苦草處理對底泥間隙水中磷元素和-N影響顯著，能緩解粘土處理中-N和-N含量升高的趨勢.與張木蘭等［24］的短期室內(nèi)水質(zhì)變化試驗(yàn)相比，本研究反映了野外條件下殼聚糖改性粘土處理富營養(yǎng)水體對水質(zhì)變化的長期變化趨勢，即對水體營養(yǎng)鹽還有“升氮降磷”的效果.

富營養(yǎng)水體中較高的葉綠素藻類含量會導(dǎo)致沉水植物的衰退［28］，同時弱光照和高營養(yǎng)對沉水植物也造成生理脅迫［29-30］，降低了沉水植物對浮游植物的競爭能力.Cao等研究發(fā)現(xiàn)水體中0.3 mg/L銨態(tài)氮可對苦草造成生理脅迫［31］.本實(shí)驗(yàn)期間圍隔水體的-N含量僅為0.05 mg/L，遠(yuǎn)小于脅迫濃度，Zhang等也發(fā)現(xiàn)除了水華衰亡的時期，在水生植物生長季節(jié)太湖藍(lán)藻暴發(fā)嚴(yán)重的梅梁灣中銨態(tài)氮濃度一般很低，這是銨態(tài)氮被浮游植物優(yōu)先吸收的結(jié)果，而藍(lán)藻暴發(fā)引起的低光低氧和產(chǎn)生的高濃度微囊藻毒素對水生植物的脅迫在水華期非常顯著［32］.陳開寧等［33］在滇池進(jìn)行的大型圍隔實(shí)驗(yàn)也證明藍(lán)藻能顯著抑制竹葉眼子菜(Potamogeton malaianus)生長，甚至使其大量死亡.這可能是因?yàn)閱为?dú)水草處理死亡率高，難以度過水華脅迫期.相反，殼聚糖改性粘土因能加強(qiáng)網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有效使藻類等懸浮顆粒物質(zhì)絮凝沉降，顯著降低水體營養(yǎng)鹽和葉綠素含量，改善透明度和光照強(qiáng)度，使沉水植物能正常生長并度過水華期.Pan等［11］在太湖運(yùn)用該改性粘土進(jìn)行了沉水植被恢復(fù)和相對簡單的水質(zhì)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，但未說明恢復(fù)的具體長期效果，本研究闡明了水草+粘土處理藍(lán)藻水華對水質(zhì)的長期生態(tài)效應(yīng)和原位修復(fù)本地沉水植被的長期監(jiān)測結(jié)果.

本研究結(jié)果表明輔助殼聚糖改性粘土處理對圍隔水體理化性質(zhì)具有快速明顯改善作用，使TN、TP和葉綠素含量等大幅降低，透明度增加50 cm以上.實(shí)驗(yàn)中水草+粘土相結(jié)合的方法使沉水植物修復(fù)顯著成功，苦草蓋度遠(yuǎn)大于直接移栽水草的圍隔，并且在粘土處理的幫助下，該圍隔內(nèi)苦草群落可以度過水華脅迫期，并體現(xiàn)出較好水質(zhì)改善效果.相反在藻類密度高的圍隔中直接移栽的苦草，沒有出現(xiàn)明顯的生長和水質(zhì)改善效果.因此本研究表明，采用水草+粘土處理是改善富營養(yǎng)水體水質(zhì)的有效途徑，而在低透明度下移栽的沉水植物難以存活且對水質(zhì)的改善效應(yīng)不顯著.

致謝:感謝易春龍和羅從強(qiáng)等在采樣和水質(zhì)分析上的幫助.

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