水生植被恢復(fù)對東莞生態(tài)工業(yè)園區(qū)水質(zhì)改善的影響研究

戴玉女，吳鵬舉，楊 揚,，池逸涵，廖凌娟，喬永民

1. 暨南大學(xué)水生生物研究中心，廣東 廣州 510632；2. 廣東東莞生態(tài)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管委會，廣東 東莞 523668；3. 熱帶亞熱帶水生態(tài)工程教育部工程研究中心，廣東 廣州 510632；4. 中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510006

水生植被恢復(fù)對東莞生態(tài)工業(yè)園區(qū)水質(zhì)改善的影響研究

戴玉女1，吳鵬舉2，楊 揚1,3*，池逸涵4，廖凌娟2，喬永民1

1. 暨南大學(xué)水生生物研究中心，廣東 廣州 510632；2. 廣東東莞生態(tài)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管委會，廣東 東莞 523668；3. 熱帶亞熱帶水生態(tài)工程教育部工程研究中心，廣東 廣州 510632；4. 中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510006

為促進工業(yè)園區(qū)水生態(tài)環(huán)境建設(shè)，以東莞生態(tài)產(chǎn)業(yè)園區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)為研究對象，研究了其建園初期水生植被恢復(fù)對重污染水體水質(zhì)修復(fù)的影響，并應(yīng)用因子分析法對水質(zhì)與主要生態(tài)因子之間的相互關(guān)系進行了研究，探討了水體修復(fù)效果與水生植被覆蓋率的關(guān)系。結(jié)果表明：水生植被恢復(fù)可使園區(qū)生態(tài)島群與月湖主要水質(zhì)指標(biāo)（總氮、總磷、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)）從建設(shè)初期（2011年5月）的劣V類改善為II～III類（2012年），透明度提高約1倍，而下沙與大圳埔濕地也從劣V類（2011年5月）改善為IV～V類（2012年），透明度提高約50%。10項水質(zhì)指標(biāo)的因子分析表明，園區(qū)水質(zhì)成因可歸為綜合營養(yǎng)因子（氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素、透明度、總磷和總氮）、溫度因子（溫度、電導(dǎo)率、硝態(tài)氮）和光合作用因子（溶解氧和pH），其中主導(dǎo)指標(biāo)為氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a、透明度和總磷等。三類因子分別客觀反映了修復(fù)水體的水質(zhì)變化特點：氮磷及有機物的含量越低則水體透明度越高，水質(zhì)越優(yōu)；溫度升高有利于水質(zhì)改善；藻類光合作用減弱，則水質(zhì)變優(yōu)。生態(tài)島群、月湖、下沙、大圳埔濕地的水生植被覆蓋率分別為43.8%、22%、4.3%、9.1%，此差異與水質(zhì)修復(fù)效果相關(guān)?；貧w分析顯示水質(zhì)指標(biāo)與水生植被覆蓋率呈極顯著的二項式關(guān)系（p＜0.01），根據(jù)擬合方程計算得出污染物濃度最低、透明度最高、綜合水質(zhì)最優(yōu)時的水生植被覆蓋率變動范圍為30%～35%。因此，生態(tài)島群與月湖的水質(zhì)改善效果優(yōu)于大圳埔濕地，大圳埔濕地則又優(yōu)于下沙濕地；下沙與大圳埔濕地可通過適當(dāng)增加浮、挺水植物的面積比例，提高水體修復(fù)能力。文中所得最適水生植被覆蓋率范圍可為華南地區(qū)工業(yè)園區(qū)水生態(tài)初期修復(fù)提供一定的參考價值。

生態(tài)工業(yè)園；水生植被；覆蓋率；生態(tài)恢復(fù)；水質(zhì)改善；因子分析

生態(tài)工業(yè)園是依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟理論和工業(yè)生態(tài)學(xué)原理而設(shè)計成的一種新型工業(yè)組織形態(tài)，是工業(yè)園區(qū)的高級形式，其遵從循環(huán)經(jīng)濟的減量化(Reduce)、再使用(Reuse)和再循環(huán)(Recycle)的3R原則，通過成員之間的副產(chǎn)物和廢物的交換、能量和廢水的逐級利用、基礎(chǔ)設(shè)施的共享，來實現(xiàn)園區(qū)在經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益的協(xié)調(diào)發(fā)展，因此，其建設(shè)是傳統(tǒng)開發(fā)區(qū)轉(zhuǎn)型和區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢（薛東峰等, 2003）。我國在生態(tài)工業(yè)園建設(shè)方面的研究較晚，目前全國共15個國家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)，45個開發(fā)區(qū)正在開展國家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)建設(shè)（田金平等, 2012）。我國開發(fā)區(qū)在生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上普遍存在2種不良現(xiàn)象：一種是建設(shè)嚴(yán)重滯后，帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題；另一種是盲目超前，不切實際地進行大規(guī)模土地開發(fā)，違規(guī)占用耕地（石磊和王震, 2010; 田金平等, 2012）。這導(dǎo)致環(huán)境水質(zhì)惡化、生態(tài)系統(tǒng)退化等問題，嚴(yán)重影響周邊民眾生存質(zhì)量。這亟需地方進一步提高土地資源利用、環(huán)境污染整治、生態(tài)環(huán)境建設(shè)等水平。根據(jù)《綜合類生態(tài)工業(yè)園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ274-2009）中規(guī)定的國家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)建設(shè)條件與考核指標(biāo)，目前關(guān)于生態(tài)工業(yè)園的研究主要涉及經(jīng)濟發(fā)展、生產(chǎn)物質(zhì)減量與循環(huán)、生產(chǎn)污染控制和園區(qū)管理等四方面，而有關(guān)生態(tài)工業(yè)園區(qū)基礎(chǔ)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與建設(shè)等方面的報道尚不多見（石磊和王震, 2010; 邵樹圣, 2012）。

廣東省東莞市于2008年決策綜合開發(fā)石排、企石、茶山、寮步、橫瀝、東坑等6鎮(zhèn)交界邊緣地區(qū)，用于建設(shè)生態(tài)產(chǎn)業(yè)園區(qū)。該區(qū)域地處香港及珠三角地區(qū)重要飲用水源東江干流邊，由于長期的邊緣化而淪為污水匯集地、垃圾堆放地，區(qū)域內(nèi)河涌水體發(fā)黑、污穢不堪、臭氣熏天，嚴(yán)重威脅著沿線居民的飲用水安全和粵港經(jīng)濟發(fā)展。為保護東江水質(zhì)，維護沿江千萬居民健康，改善產(chǎn)業(yè)園區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，園區(qū)在開展系列水污染控制基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)基礎(chǔ)上（包括污水處理廠建設(shè)等），進行水系生態(tài)修復(fù)與水環(huán)境改善工程構(gòu)建。為解決結(jié)構(gòu)性污染和區(qū)域性污染、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和工業(yè)布局、建設(shè)資源節(jié)約型社會和環(huán)境友好型社會提供了有益的經(jīng)驗與示范。

本文以東莞生態(tài)產(chǎn)業(yè)園為研究對象，研究了水生植被恢復(fù)措施對園區(qū)水系水質(zhì)的改善效果，并應(yīng)用因子分析法對水生植被構(gòu)建對各水質(zhì)指標(biāo)與生態(tài)因子間的相關(guān)關(guān)系進行了分析和討論，探討了生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)初期水生植被覆蓋率對水質(zhì)修復(fù)的影響，以期為工業(yè)園區(qū)水體水質(zhì)改善、富營養(yǎng)化治理及生態(tài)恢復(fù)后續(xù)管理提供有益的科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究對象

東莞生態(tài)產(chǎn)業(yè)園地處亞熱帶海洋性氣候，受季風(fēng)氣候影響，年平均氣溫23.1 ℃，年、日溫差較小。全年平均雨量為1600～1700 mm，最大雨量為3300 mm，最小降雨量為950 mm，雨量集中在4～9月份。園區(qū)規(guī)劃總面積為30.5 km2，其中生態(tài)島群、月湖、下沙濕地和大圳埔濕地是在原有水系基礎(chǔ)上經(jīng)過人工改造形成的次生湖泊與濕地，是園區(qū)水系的重要組成部分，其補水來源主要為地下水與地表雨水徑流（4個片區(qū)地理位置如圖1所示）。園區(qū)水系原有植被主要為浮葉植物，挺水植物較少，難覓沉水植物蹤跡，在建設(shè)過程中進行了底泥疏浚、擴容、截污等施工處理。隨后，園區(qū)以水生植物群落演替理論和水系水生態(tài)修復(fù)規(guī)劃理念為依據(jù)，于2011年4月開展多層次水生植被恢復(fù)工程構(gòu)建，包括沉水植物、漂浮植物、浮葉植物和挺水植物等。

1.2 監(jiān)測方案

為避免水生植物在冬季枯萎的殘體對水系產(chǎn)生二次污染，園區(qū)規(guī)定每年入冬之前對水生植物進行部分收割。由此考慮到難以甄別溫度與植被覆蓋率對冬季的水質(zhì)影響，文中選擇水生植被群叢恢復(fù)生長規(guī)模的時期進行水質(zhì)監(jiān)測，分別于2011年和2012年5、7、9、11月份植物生長期對生態(tài)島群、月湖、下沙濕地和大圳埔濕地水質(zhì)進行監(jiān)測，每個片區(qū)設(shè)置2～4個監(jiān)測點（如圖1所示），采樣時間均在晴天的10∶00-15∶00進行，樣品當(dāng)天處理分析。

園區(qū)水生植物生長茂密，群叢蓋度絕大多數(shù)為90%～100%，只有極少數(shù)零星分布的部分。不考慮零星的部分，則水生植物的分布面積約等于水生植物的投影面積，即水生植被覆蓋率（即蓋度）為水生植被分布面積占水系水面面積的比例。于2012年7、8月份，利用船只沿水生植物分布區(qū)外圍行駛，用GPS定位，確定其分布范圍，計算其分布面積（谷孝鴻等, 2005）。

圖1 東莞生態(tài)園水系分布及水體樣點分布示意圖Fig. 1 Location of samplings in Dongguan Eco-industrial Park

1.3 水質(zhì)指標(biāo)測定分析方法

水溫（T）、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（EC）均用YS（IProfessional Plus，U.S.）現(xiàn)場測得；透明度（SD）采用薩氏盤現(xiàn)場測定；高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）采用高錳酸鹽指數(shù)法；總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；氨氮（NH3-N）采用納氏試劑比色法；硝態(tài)氮（NO3--N）采用紫外分光光度法；總磷（TP）采用過硫酸鉀消解鉬酸鹽分光光度法；葉綠素a（Chl-a）采用丙酮萃取分光光度法；具體步驟參照水和廢水監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)分析方法進行（國家環(huán)境保護總局, 2002）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

在水質(zhì)分析的多變量研究中，往往由于變量數(shù)太多，并且彼此之間存在一定的相關(guān)性，使得所觀測的數(shù)據(jù)在一定程度上反映的信息有所重疊，利用因子分析可以將這一問題簡化，通過降維確定若干因子能代表原來眾多變量所表達的特征（王京萌等, 2013）。利用該方法得到的因子載荷信息可以解釋大部分水質(zhì)污染的成因。據(jù)此，文中利用SPSS17.0統(tǒng)計分析軟件包對園區(qū)水系水生植被恢復(fù)第二年的11項水質(zhì)指標(biāo)進行相關(guān)性分析與因子分析，分析水質(zhì)指標(biāo)之間及水質(zhì)指標(biāo)與生態(tài)因子間的關(guān)系，并利用因子分析所得的綜合評分函數(shù)對水質(zhì)進行綜合評分，繼而探討綜合水質(zhì)與水生植被覆蓋率的關(guān)系。

因子分析需先對樣本矩陣進行歸一化處理，獲得均值為0方差為1的新矩陣。按特征值大于1確定因子數(shù)目，或累積貢獻率至少70%確定因子數(shù)目（吳梅林等, 2009）。采用方差最大旋轉(zhuǎn)法，使具有較大因子負(fù)載變量的個數(shù)減少到最低限度。根據(jù)較大因子載荷量確定對因子起重要作用的水質(zhì)指標(biāo)，然后利用逐步回歸函數(shù)計算因子得分系數(shù)矩陣，并據(jù)此計算各因子及綜合因子得分，評價水質(zhì)狀況。計算的綜合因子得分越低表明綜合水質(zhì)越優(yōu)。因子得分函數(shù)和綜合因子得分計算公式如下（施坤等, 2010）：

表1 4個片區(qū)的水生植被覆蓋調(diào)查Table 1 List of aquatic macrophyte and the coverage in four areas

2 結(jié)果與討論

2.1 水生植被覆蓋率

調(diào)查結(jié)果表明，園區(qū)水生植物生長良好，主要植物種類及覆蓋率見表1所示。不同片區(qū)植物種類的差異主要源于規(guī)劃的差別，但是大部分的種類在4個片區(qū)均可發(fā)現(xiàn)。除了表1所展示的植物種類，片區(qū)水域還零星分布著少量本土水生植物種類。沉水植物主要為高植冠型的種類，其光補償點較高，有利于改善水體光照條件，為今后低植冠型沉水植物的恢復(fù)創(chuàng)造有利條件（李英杰, 2008）。且大多數(shù)植被群叢為“挺水-浮葉-沉水”立體式群落結(jié)構(gòu)?？傮w來看，水生植被覆蓋率由高到低依次為生態(tài)島群（43.8%）、月湖（22%）、大圳埔（9.1%）、下沙（4.3%）。

2.2 水生植被恢復(fù)對水質(zhì)的影響

水生植被構(gòu)建過程中，生態(tài)島群、月湖、下沙和大圳埔4個片區(qū)水體主要水質(zhì)指標(biāo)TN、TP、NH3-N、CODMn、SD、pH變化如圖2所示。

由圖2可見，在水生植被恢復(fù)的初期（2011年5月），園區(qū)水體TN、TP、NH3-N、CODMn的濃度范圍分別為3.45～11.01、0.15～0.36、1.18～3.82、13.39～22.80 mg·L-1，大部分超過GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。水生植被群落的建群在水系周邊形成一道天然屏障，在一定程度上減少了雨水涇流污染向水系輸入，且水生植物根莖發(fā)達，可形成密集的過濾層，對水體污染物有促沉降作用（吳建強等, 2007）。由此，水生植被在短期內(nèi)（至2011年7月）即可使TP、NH3-N、CODMn濃度明顯降低。TN濃度下降的時間明顯較其它指標(biāo)滯后，這很可能與反硝化菌群的發(fā)育較為緩慢有關(guān)（翁伯琦等, 2013）。隨著水生植被進一步發(fā)育，各水質(zhì)指標(biāo)濃度呈逐漸下降趨勢。至2012年，園區(qū)TN、TP、NH3-N和CODMn的濃度分別降至0.73～3.06、0.03～0.10、0.13～0.77和3.95～7.14 mg·L-1，較2011年分別下降41%～87%、49%～86%、46%～89%和33%～60%。這是水生植被對水體有機物、氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、吸附及其附著微生物群落對污染物的降解轉(zhuǎn)化等綜合作用的結(jié)果（李麗等, 2011）。其中，生態(tài)島群和月湖水質(zhì)基本達到地表水III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，大圳埔則處于IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，下沙除了TN以外，其它指標(biāo)均滿足IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 水生植被恢復(fù)過程中4個片區(qū)水質(zhì)變化Fig. 2 Water quality parameters of areas during vegetation restoration

圖2 結(jié)果還表明，水生植被恢復(fù)的第二年（2012年），園區(qū)水體透明度極顯著高于第一年（2011年）（p＜0.01），生態(tài)島群與月湖的平均透明度大于0.9 m，較2011年提高約1倍，而下沙與大圳埔平均透明度分別為0.38和0.45 m，較2011年提高約50%。這可能與大型水生植被“挺水-浮葉-沉水”立體式群落結(jié)構(gòu)及其促沉降等作用可有效提高水體透明度有關(guān)（SCHEFFER等, 1994; 余麗凡, 2011）。此外，2011年5月，園區(qū)水體pH范圍在6.3～9.0之間，2012年pH的變化范圍為7.3～8.1，隨著時間推移，pH逐漸向弱堿性發(fā)展。

2.3 水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

采用相關(guān)系數(shù)描述2個水質(zhì)指標(biāo)之間的相互關(guān)系，有利于判斷水質(zhì)指標(biāo)之間的相互作用。線性相關(guān)分析結(jié)果表明（見表2），園區(qū)水體Chl-a與TN、TP、NH3-N、CODMn、pH和DO呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）。研究認(rèn)為在不同的N、P濃度水平下，Chl-a與N、P的相關(guān)關(guān)系存在差異。當(dāng)TN在1.0～5.8 mg·L-1及TP在0.05～0.2 mg·L-1區(qū)間時，Chl-a濃度與TN、TP呈正線性關(guān)系（張瑋等, 2012）。由于園區(qū)水體N/P值平均大于10，大于淡水藻類正常代謝所需的N/P值7.0（李堃和肖莆, 2011），P元素成為浮游植物生長的潛在限制性因子，故Chl-a與TP的相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)較TN更顯著。此外，SD還與Chl-a和CODMn呈極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01）、與T呈顯著正相關(guān)（p＜0.05），說明影響園區(qū)水體SD的主要因素為浮游藻類與有機物碎屑。隨著水溫的升高，水體微生物生長活躍，對水體中的有機物分解礦化速率增大，加上營養(yǎng)鹽被水生植被大量吸收利用和植物分泌化感物質(zhì)，抑制了藻類的生長（邱東茹等, 1998），從而降低了水體中Chl-a濃度，提高了水體透明度。

2.4 水質(zhì)指標(biāo)因子分析

Bartlett球形檢驗的p＜0.01（p=0.000），自由度為55，因此，所用數(shù)據(jù)進行因子分析得到的結(jié)果是具有統(tǒng)計學(xué)意義的。經(jīng)Varimax轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后，11項水質(zhì)參數(shù)可以被劃分為三類因子，累計方差貢獻率為72%，基本可反映水質(zhì)總體狀況（見表3）。

表2 水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation between water quality parameters

表3 水質(zhì)因子載荷矩陣Table 3 Loading matrix of factors

表3結(jié)果表明，與第一主因子高度相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)包括NH3-N、SD、CODMn、Chl-a和TP（因子載荷量大于0.75），中等相關(guān)的指標(biāo)為TN（因子載荷量在0.5與0.75之間），該因子組成的主要指標(biāo)與綜合營養(yǎng)指數(shù)包含的指標(biāo)是相似的，因此主要反映的是水體綜合營養(yǎng)狀況。其中，SD為負(fù)載荷，其他相關(guān)指標(biāo)均為正載荷，表明NH3-N、CODMn、Chl-a、TP和TN濃度越低，水體綜合營養(yǎng)指數(shù)越低，SD越高，這與實際情況相符。與第二主因子高度相關(guān)的指標(biāo)為水溫T，中等相關(guān)的參數(shù)為EC和NO3--N。其中，T和EC為負(fù)載荷，NO3--N為正載荷。該因子主要反映水溫變化對水質(zhì)的影響，當(dāng)水溫升高，水體微生物生長活躍，對水體中的有機物分解礦化速率增大，使水體離子濃度增加（表現(xiàn)為EC升高），同時，反硝化細(xì)菌活動使NO3--N發(fā)生反硝化還原過程而濃度降低；此外，水溫的升高也會使水生植物代謝速率加快，促進水生植物對NO3--N無機鹽的吸收（吳玉樹和余國瑩, 1991）。與第三主因子高度相關(guān)的指標(biāo)為DO和pH，二者均為正載荷，由于初級生產(chǎn)者在光合作用過程中吸收利用水體中的CO2，會使水體pH上升，并產(chǎn)生O2， DO和pH的高低可間接反映水體藻類的生長情況。因此，該因子可反映初級生產(chǎn)者光合作用強度。

綜上所述，水生植被修復(fù)過程中，園區(qū)水體水質(zhì)主要由綜合營養(yǎng)因子、溫度因子和光合作用因子所控制，其中，NH3-N、SD、CODMn、Chl-a和TP為主導(dǎo)控制因素。

圖3 水生植被覆蓋率與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系Fig. 3 Relationship between water quality indices and vegetation coverage

2.5 園區(qū)水生植被覆蓋率對水質(zhì)改善的影響

為探尋有效改善水質(zhì)的水生植被覆蓋程度，探討了水生植被覆蓋率（=浮葉、挺水植物覆蓋率+沉水植物覆蓋率）與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系。圖3結(jié)果表明，TN、TP、NH3-N、CODMn、Chl-a和SD等水質(zhì)指標(biāo)與水生植物覆蓋率存在顯著的二項式關(guān)系（p＜0.01）。根據(jù)擬合關(guān)系，在一定的植物覆蓋率范圍內(nèi)，污染物的濃度會隨著覆蓋率的增加而降低，當(dāng)覆蓋率超過該范圍，污染物濃度則可能隨之升高。根據(jù)擬合方程計算，當(dāng)TN、TP、NH3-N、CODMn、Chl-a達最低值時的水生植被覆蓋率分別為34%、31%、33%、35%、30%，SD達最高值時的水生植被覆蓋率為33%，最適水生植被覆蓋率趨同，處于30%～35%之間。為進一步研究綜合水質(zhì)與水生植被覆蓋率的關(guān)系，利用因子分析法得到的綜合因子得分函數(shù)計算每個樣點水質(zhì)得分（綜），該得分涵蓋了3個主因子涉及11項水質(zhì)指標(biāo)的信息，可代表每個樣點的綜合水質(zhì)。擬合結(jié)果顯示，綜與水生植被覆蓋率同樣呈顯著的二項式關(guān)系（p＜0.01，見圖3），綜最小時的植被覆蓋率為33%，處于單項指標(biāo)最適覆蓋率30%～35%的范圍內(nèi)。由此可知，生態(tài)島群與月湖水生植被覆蓋率比較接近最適植被覆蓋率，因而其水體修復(fù)效果優(yōu)于大圳埔，而大圳埔則又優(yōu)于下沙。下沙與大圳埔水體由于透明度仍較低，限制了沉水植被的生長分布，但短期內(nèi)可通過適當(dāng)提高浮、挺水植被的面積比例，提高水體修復(fù)能力。

水生植物對水質(zhì)的改善機制是多方面的，首先其自身可以吸收水體營養(yǎng)鹽、促進污染物膠體和顆粒物沉降、分泌化感物質(zhì)與為浮游動物提供庇護所減少藻類生長（邱東茹等, 1998; 周虹霞等, 2013）。此外，水生植物的存在還可以顯著提高水體中浮游細(xì)菌的生物多樣性（毛杰等, 2011），繼而提高水體自凈能力。其中包括提高氮循環(huán)菌群的分布（楊紅軍, 2008），降低TN、NH3-N和NO3--N的濃度；提高磷細(xì)菌等代謝活性，將水體中溶解性較差的無機磷化合物的溶解性改變、有機磷化合物分解礦化（WANG和MITSCH, 2000），使磷轉(zhuǎn)化為水生植物可吸收利用的形態(tài)，并且能夠使沉積物生物有效性磷向難釋放的磷形態(tài)轉(zhuǎn)變，從根本上降低沉積物磷的釋放速率與釋放量（蔚枝沁, 2012）；異養(yǎng)細(xì)菌生長代謝分解消耗水體中的有機物使CODMn降低，并且還能與浮游植物競爭無機營養(yǎng)鹽（JOINT等, 2002），繼而限制藻類增殖，提高水體SD。由此，在一定的水生植被覆蓋率范圍內(nèi)，水體各項污染物濃度隨著水生植被覆蓋率的提高而降低，SD則反之。

然而，隨著水生植被覆蓋率進一步增加并超出一定范圍，反而不利于水質(zhì)的改善（王興民等, 2007；曹曉, 2011）。隨著植被覆蓋率的增加，水體DO整體呈下降趨勢（圖3），植被覆蓋率的進一步增加，可阻礙大氣O2向水體擴散，且過高的植被覆蓋率可產(chǎn)生更多的植株腐敗體，其分解不僅消耗水中的DO，而且會成為湖泊營養(yǎng)物質(zhì)的再生源，使水質(zhì)惡化（王興民等, 2007; 嚴(yán)玉平等, 2010）。合理的水生植被覆蓋率可使水面形成合適的植物密植區(qū)與敞開區(qū)比例，為好氧、厭氧生物化學(xué)反應(yīng)提供適宜的場所。如在太湖，氮的硝化反硝化過程，水生植物群落水體中氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量均極顯著地高于敞水區(qū)水體（p＜0.01），而敞水區(qū)水體中硝化細(xì)菌數(shù)量則顯著高于水生植物群落水體（p＜0.05）（王國祥等, 1999），可見在一定條件下，水生植物區(qū)可更有效地發(fā)生有機氮的氨化、NH3-N的亞硝化過程，而敞水區(qū)則更容易發(fā)生亞硝氮的硝化轉(zhuǎn)化過程，而NO3--N進一步的反硝化還原過程則仍需要水生植物區(qū)創(chuàng)造的物理與生物條件，氮的去除是敞水區(qū)與水生植物密植區(qū)綜合作用的結(jié)果。

目前有關(guān)野外水體水生植被覆蓋率對水質(zhì)的影響研究并不多見。臺灣學(xué)者在新海人工濕地運行過程中發(fā)現(xiàn)挺水植被分布面積與溶氧呈負(fù)相關(guān)、與氨氮呈正相關(guān)，敞開區(qū)面積與溶氧和硝氮呈正相關(guān)、與氨氮呈負(fù)相關(guān)，說明水生植被覆蓋率的大小可對水質(zhì)產(chǎn)生影響，但是其研究沒有明確給出水生植被適宜的覆蓋率范圍（HSUEH和LIN, 2013）。對比國內(nèi)其它有限的資料，適宜的水生植被覆蓋率可能與溫度和太陽輻射有關(guān)。江南地區(qū)年均氣溫約16 ℃，位于該地區(qū)的杭州西溪濕地被認(rèn)為水生植被適宜的覆蓋率在41%～60%之間（曹曉, 2011）；同樣處于江南地區(qū)的太湖五里湖在水生態(tài)重建過程中使水生植物覆蓋為30%～45%，并取得了較好的水體修復(fù)效果（陳開寧等, 2005）；西南地區(qū)年均氣溫約15 ℃，位于該地區(qū)的洱海在20世紀(jì)80年代時，水生植被覆蓋率約30%，當(dāng)時的水質(zhì)優(yōu)良，透明度達到5～8 m（王興民等, 2007）；可見，在氣溫相當(dāng)?shù)臈l件下，太陽輻射更強的地區(qū)，適宜的植被覆蓋率相對較低。華南地區(qū)年均氣溫約22 ℃，明顯高于江南和西南地區(qū)，位于華南地區(qū)的東莞生態(tài)產(chǎn)業(yè)園，其適宜的植被覆蓋率在30%～35%之間，較江南地區(qū)低，與西南地區(qū)相當(dāng)?？梢姡瑲鉁嘏c太陽輻射較高的地區(qū)，維持水體良好水質(zhì)需要的水生植被覆蓋率相對更低。

3 結(jié)論

（1）東莞生態(tài)產(chǎn)業(yè)園通過水生植被恢復(fù)的方法，有效改善了主要水系水質(zhì)，其中生態(tài)島群與月湖主要水質(zhì)指標(biāo)從原來的GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》劣V類改善為II～III類，達到短期水質(zhì)修復(fù)規(guī)劃的III類水質(zhì)目標(biāo)，而下沙與大圳埔濕地也從原來的劣V類改善為IV～V類，水質(zhì)接近短期水質(zhì)修復(fù)規(guī)劃的IV類水質(zhì)目標(biāo)；

（2）通過因子分析法得知，園區(qū)水質(zhì)主要受綜合營養(yǎng)因子（密切相關(guān)的指標(biāo)包括NH3-N、SD、CODMn、Chl-a和TP）、溫度因子（包含T、EC和NO3--N）、光合作用因子（包含DO和pH）3類因子所控制，其中，NH3-N、SD、CODMn、Chl-a和TP為主導(dǎo)控制因素；

（3）水質(zhì)修復(fù)效果的差異與水生植被覆蓋率有關(guān)，生態(tài)島群、月湖、下沙、大圳埔濕地的水生植被覆蓋率分別為43.8%、22%、4.3%、9.1%，水質(zhì)指標(biāo)濃度與覆蓋率呈顯著二項式關(guān)系，計算得最適覆蓋率在30%～35%之間，由此，生態(tài)島群與月湖的水質(zhì)改善效果優(yōu)于大圳埔濕地，大圳埔濕地則又優(yōu)于下沙濕地；下沙與大圳埔濕地由于水體透明度不是很高，限制了沉水植物的生長與分布比例，但可通過適當(dāng)增加浮、挺水植物的面積比例，提高水體修復(fù)能力；

（4）通過比較不同地區(qū)適宜的水生植被覆蓋率可知，文中所得的最適水生植被覆蓋率范圍可為華南地區(qū)工業(yè)園區(qū)相似富營養(yǎng)化水平水體的水生態(tài)初期修復(fù)提供參考依據(jù)。對于可保證水質(zhì)長期改善與維持的最適覆蓋率仍需要作進一步長期的監(jiān)測與研究。

致謝：

感謝同課題組成員田時彌、蘇萌、王素玉、梁彩霞、王賽、趙建成、鐘盛強、張敏等同學(xué)在采樣與水質(zhì)分析測試中的幫助！感謝邰義萍博士后對英文摘要的加工與潤色！

HSUEH M L and LIN H J. 2013. Factors influencing removal of nitrogen in a surface flow constructed wetlands of Dahan stream, Taiwan[J]. Journal of Wetlands, 1(1): 11-20.

JOINT I, HENRIKSEN P, FONNES G A et al. 2002. Competition for inorganic nutrients between phytoplankton and bacterioplankton in nutrient manipulated mesocosms[J]. Aquatic Microbial Ecology, 29(2): 145-159.

SCHEFFER M, van den BERG M, BREUKELAAR A et al. 1994. Vegetated areas with clear water in turbid shallow lakes[J]. Aquatic Botany, 49(2-3): 193-196.

WANG N M and MITSCH W J. 2000. A detailed ecosystem model of phosphorus dynamics in created riparian wetlands[J]. Ecological Modelling, 126(2-3): 101-130.

曹曉. 2011. 西溪國家濕地公園濕地水生植被特征及其與水環(huán)境關(guān)系研究[D]. 南京師范大學(xué): 27, 63.

陳開寧, 鄒晶, 陳曉峰, 等. 2005. 五里湖富營養(yǎng)水體生態(tài)重建試驗[J].現(xiàn)代城市研究, (05): 47-52.

谷孝鴻, 張圣照, 白秀玲, 等. 2005. 東太湖水生植物群落結(jié)構(gòu)的演變及其沼澤化[J]. 生態(tài)學(xué)報, (07): 1541-1548.

國家環(huán)境保護總局. 2002. 水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）[M]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社: 223-281.

李堃和肖莆. 2011. 巢湖葉綠素 a 濃度的時空分布及其與氮, 磷濃度關(guān)系[J]. 生物學(xué)雜志, 28(001): 53-56.

李麗, 楊揚, 楊鳳娟, 等. 2011. 污染水體條件下生態(tài)浮床的植物生長特性與作用[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報, (03): 14-19.

李英杰. 2008. 淺水湖泊生態(tài)類型及其生態(tài)恢復(fù)研究[D]. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京): 73-75.

毛杰, 邢鵬, 劉正文. 2011. 惠州西湖沉水植被修復(fù)對浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 水生態(tài)學(xué)雜志, (03): 26-31.

邱東茹, 吳振斌, 況琪軍, 等. 1998. 不同生活型大型植物對浮游植物群落的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, (06): 23-28.

邵樹圣. 2012. 國家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)規(guī)劃設(shè)計[D]. 南京林業(yè)大學(xué): 1-7.

施坤, 李云梅, 王橋, 等. 2010. 因子分析法在水質(zhì)參數(shù)反演中的應(yīng)用[J].湖泊科學(xué), 22(03): 391-399.

石磊和王震. 2010. 中國生態(tài)工業(yè)園區(qū)的發(fā)展(2000-2010年)[J]. 中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報: 社會科學(xué)版, 10(4): 60-66.

田金平, 劉巍, 李星, 等. 2012. 中國生態(tài)工業(yè)園區(qū)發(fā)展模式研究[J]. 中國人口資源與環(huán)境, 22(7): 60-66.

王國祥, 濮培民, 黃宜凱, 等. 1999. 太湖反硝化、硝化、亞硝化及氨化細(xì)菌分布及其作用[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報, (02): 79-83.

王京萌, 郭逍宇, 趙文吉, 等. 2013. 多元統(tǒng)計分析對再生水河流水質(zhì)特征分析[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, (11): 4281-4289.

王興民, 許秋瑾, 邢曉麗, 等. 2007. 水生高等植物對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響[J]. 山東科學(xué), (02): 29-32.

蔚枝沁. 2012. 水生植被恢復(fù)對城市水體沉積物磷素形態(tài)與釋放的影響[D]. 華東師范大學(xué): 57.

翁伯琦, 鄭祥洲, 丁洪, 等. 2013. 植被恢復(fù)對土壤碳氮循環(huán)的影響研究進展[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, (12): 3610-3616.

吳建強, 黃沈發(fā), 丁玲. 2007. 水生植物水體修復(fù)機理及其影響因素[J].水資源保護, (04): 18-22.

吳梅林, 王友紹, 林立, 等. 2009. 基于主成分分析研究大亞灣水質(zhì)時空變化特征[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 28(3): 279-282.

吳玉樹和余國瑩. 1991. 根生沉水植物菹草(Potamogeton crispus)對滇池水體的凈化作用[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, (04): 411-416.

薛東峰, 羅宏, 周哲. 2003. 南海生態(tài)工業(yè)園區(qū)的生態(tài)規(guī)劃[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 23(2): 285-288.

嚴(yán)玉平, 錢海燕, 周楊明, 等. 2010. 鄱陽湖雙退區(qū)受損濕地植被恢復(fù)對水質(zhì)的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, (09): 2136-2141.

楊紅軍. 2008. 五里湖湖濱帶生態(tài)恢復(fù)和重建的基礎(chǔ)研究[D]. 上海交通大學(xué): 160-163.

余麗凡. 2011. 城市景觀水體水生植被的應(yīng)用及其水體光學(xué)特征研究[D].華東師范大學(xué): 37.

張瑋, 鄭小燕, 王麗卿, 等. 2012. 沉水植被構(gòu)建對上海辰山植物園景觀湖水質(zhì)的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 6(1): 178-184.

周虹霞, 孔德平, 范亦農(nóng), 等. 2013. 滇池大型水生植物研究進展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), (S2): 187-194.

Impact of Aquatic Macrophyte Restoration on Water Quality Improvement in Dongguan Ecological Industrial Park

DAI Yunv1, WU Pengju2, YANG Yang1,3*, CHI Yihan4, LIAO Lingjuan2, QIAO Yongmin1
1. Research Center of Hydrobiology, College of Life Science and Technology, Jinan University, Guangzhou 510632, China; 2. Dongguan ecology management committee, Dongguan 523668, China; 3. Engineering Research Center of Tropical and Subtropical Aquatic Ecological Engineering, Ministry of Education, Guangzhou 510632, China; 4. School of life sciences, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510006, China

Aquatic environment construction is an important foundation for the construction of the eco-industrial park. However, currently, the research on eco-industrial park only focused on economic development, production material reduction and recycling, pollution control during produce process and management in the park etc. There is little information about aquatic environment construction. In order to raise attention to the restoration of aquatic environment in industrial park, the effect of aquatic macrophyte restoration on water quality in Dongguan Eco-industrial Park in Dongguan city was investigated. Relationships among water quality parameters were analyzed by factor analysis, and the impact of vegetation coverage rate was also discussed. According to the Surface Water Environment Quality Standard (GB 3838-2002), our results showed that the major parameters (et., total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), ammonia (NH3-N) and permanganate index (CODMn)) of ‘Central Eco-island Cluster’ and ‘Yuehu lake’ were improved form worse than grades V to grades II-III with about 100% increase for water transparency.Meanwhile water qualityin ‘Dazhenbu’ and ‘Xiasha’ wetlands were improved form worse than grades V to grades IV-V with about 50% increase for water transparency after aquatic macrophyte restoration. 10 parameters were classified into three categories to reflect the water quality according to factor analysis, which were nutritional factor (et., NH3-N, CODMn, chlorophyll a (Chl-a), transparency, TP and TN), temperature factor (et., temperature, conductivity and nitrate) and photosynthesis factor (et., dissolved oxygen and pH), respectively. Among which the leading parameter were NH3-N, CODMn, Chl-a, transparency and TP. These factors revealed the characteristic of water quality. Low nutrition level will result in high transparency, which indicate better water quality. Increased temperature and decreased photosynthesis of phytoplankton will help to improve water quality. The total aquatic vegetation coverage was 43.8%, 22%, 4.3% and 9.1% for ‘Central Eco-island Cluster’ and ‘Yuehu lake’, ‘Xiasha’ and ‘Dazhenbu’, respectively, which was related to different effect on water quality improvement. Further regression analysis showed that the major water parameters and vegetation coverage rate followed the binomial equation (p＜0.01) and the optimal coverage rate ranged from 30% to 35%. Hence, the water restoration effect obtained in four wetlands from high to low was ‘Yuehu lake’, ‘Central Eco-island Cluster’, ‘Dazhenbu’ and‘Xiasha’. The water quality of the latter two wetlands may be improved by increasing proportion of floating and emergent macrophyte. The obtained optimal aquatic vegetation coverage will give advice to aquatic ecological restoration of industrial park in southern China during initial stage.

ecological industrial Park; aquatic macrophyte; coverage rate; ecological restoration; water quality improvement; factor analysis

X52

A

1674-5906（2014）09-1463-09

戴玉女，吳鵬舉，楊揚，池逸涵，廖凌娟，喬永民. 水生植被恢復(fù)對東莞生態(tài)工業(yè)園區(qū)水質(zhì)改善的影響研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(9): 1463-1471.

DAI Yunv, WU Pengju, YANG Yang, CHI Yihan, LIAO Lingjuan, QIAO Yongmin. Impact of Aquatic Macrophyte Restoration on Water Quality Improvement in Dongguan Ecological Industrial Park [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(9): 1463-1471.

國家科技重大專項（2012ZX07206004-05）；生態(tài)園（STYCG12013）

戴玉女（1986年生），女，博士研究生，從事環(huán)境修復(fù)與生態(tài)工程研究。E-mail: daiyunv@foxmail.com *通信作者：楊揚，女，教授。E-mail：yangyang@scies.org

2014-06-19