不同動植物組合對衡水湖水體凈化作用研究

白麗榮，鄭博穎，蘆站根 (衡水學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河北衡水053000)

衡水湖濕地位于河北省衡水、冀州、棗強(qiáng)的交界地帶，是華北平原單體水域面積最大的內(nèi)陸淡水湖泊，是唯一保持完整濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然保護(hù)區(qū)，主要以淡水濕地和國家Ⅰ、Ⅱ級鳥類為保護(hù)對象，是物種繁衍的基因庫，生物多樣性十分豐富。自保護(hù)區(qū)成立以來，為保護(hù)濕地生態(tài)環(huán)境，已將衡水湖附近工廠遷走，但由于多年環(huán)境污染，加之仍有個別附近居民將小型作坊及生活污水偷排入湖中，湖水中仍有污染物殘留。另外，衡水湖的水源供給主要靠外流域調(diào)水，且調(diào)水過程中環(huán)境不一。同時，由于水體相對靜止，水流交替緩慢，均會影響衡水湖的水質(zhì)。此外，臨近的106國道穿梭不息的機(jī)動車輛及越來越多的游人均加速了對衡水湖濕地的污染。水體的富營養(yǎng)化主要是由于人類活動等因素造成大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水流交換緩慢的湖泊，引起水質(zhì)惡化、藻類快速繁殖等［1］，部分水生動植物大量死亡，生物多樣性下降，造成濕地生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)、自我更新能力降低，使環(huán)境問題進(jìn)一步加劇［2］。因此在控制污染源的同時，運用濕地生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力進(jìn)行凈化，在此基礎(chǔ)之上發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)，有效引導(dǎo)地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，不僅能夠改善濕地生態(tài)環(huán)境，而且還可建立穩(wěn)定、和諧與良性循環(huán)的衡水湖生態(tài)系統(tǒng)。

近年來，國內(nèi)外都在努力探索能夠可持續(xù)、穩(wěn)定地改善地表水質(zhì)質(zhì)量、增加湖泊生態(tài)系統(tǒng)多樣性的方法。研究表明，單純依靠動物或在水體中種植植物的方法，很難有效控制水體富營養(yǎng)化［3］。筆者擬通過利用水生植物和濾食性魚類組合構(gòu)建的小型生態(tài)系統(tǒng)，并設(shè)置單一植物組修復(fù)衡水湖富營養(yǎng)化水體，通過凈化效果比較分析，選取凈化效果好且具有較高經(jīng)濟(jì)價值的水生動植物組合，以期為富營養(yǎng)化水體的凈化及發(fā)展特色農(nóng)業(yè)提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器 水生植物選擇生長狀態(tài)良好，根、莖、葉、嫩芽齊全且性狀統(tǒng)一的木耳菜(Gynura cusimbua)和蕹菜(Ipomoea aquatica);動物選擇濾食性鯽魚(Carassius auratus)，為保證試驗的可操作性，魚身平均長度為5 cm左右，這種魚類在室內(nèi)模擬試驗中有個體小、生活力強(qiáng)的優(yōu)點。供試水體取自衡水湖污染較重區(qū)域。主要試驗儀器包括MLS-3750高壓蒸汽滅菌器、FA1204B電子天平、紫外分光光度計、蒸汽滅菌器、具玻璃磨口塞比色管。

1.2 試驗方法 該試驗采用兩種水生植物和魚類進(jìn)行搭配組合，共設(shè)置4個不同處理組合，同時設(shè)置1個空白對照組，每個處理重復(fù)3次。除對照外，各處理均放置長約15～25 cm的植物60株，動植物組合組放置身長約5 cm的鯽魚8尾。具體設(shè)置如下:處理1，空心菜60株;處理2，空心菜60株+鯽魚8尾;處理3，木耳菜60株;處理4，木耳菜60株+鯽魚8尾;對照組為湖水(無植物、無鯽魚)。試驗采用自然光照，在溫室進(jìn)行，溫度為20℃左右。試驗中盛放植物的容器為50 cm×30 cm×40 cm的玻璃缸，其中水體體積為50 L，采用厚度約1.5 cm的聚乙烯塑料泡沫板為載體。水樣在使用前，除去藻類和雜質(zhì)，確保每個處理起始條件一致。

1.3 測定項目與方法 采回試驗水體后，首先測定總氮(TN)、總磷(TP)的起始濃度。試驗開始后，每隔5 d取各組水樣分別進(jìn)行TN、TP含量測定，每次各重復(fù)3次，取平均值。取樣時間安排在14:00～16:00，15 d共測3次。每次取水樣時，記錄當(dāng)時的氣溫。水質(zhì)總磷采用鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893-1989)測定;水質(zhì)總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB118894-1989)測定［4］。TN、TP去除率R的計算公式為R=(C0－C1)/C0×100%，式中C0為初始濃度;C1為取樣時的濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析 采用Microsoft Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水樣中TN、TP初始濃度 供試水體取自衡水湖污染較重區(qū)域，其主要污染來源有人為污染、雨水徑流污染及底泥中內(nèi)源性營養(yǎng)物的釋放。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)［5］中指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值，所采水樣屬于V類水(表1)。由表1可知，所取衡水湖水樣中TN、TP含量均高于V類標(biāo)準(zhǔn)，說明衡水湖該區(qū)域湖水已呈富營養(yǎng)化狀態(tài)。

表1 供試水體指標(biāo)含量及地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) mg/L

2.2 動植物的生長狀況 試驗期間鯽魚生存狀況良好，存活率達(dá)100%。與木耳菜相比，空心菜的總體生長情況相對較好，空心菜植物組植物平均存活率都達(dá)95%以上，木耳菜植物組平均存活率為90%～95%。兩種植物均長出了新的嫩芽，空心菜的部分老葉有發(fā)黃的現(xiàn)象，木耳菜接觸水面的老葉有輕微的腐爛。經(jīng)過分析，造成這些差異的原因可能是植物主要靠根系吸收營養(yǎng)進(jìn)行生長，空心菜屬直根系但須根較發(fā)達(dá)，可大量吸收營養(yǎng)元素，且莖葉較少接觸水面，因此植物體死亡較少;木耳菜屬直根系，須根不發(fā)達(dá)，且部分老葉片漂浮于水面，與水體接觸面積較大，在水體流動基本靜止的情況下這些葉片極易腐爛或?qū)е轮仓晁劳?，從而直接影響植物的生長狀況及存活率。

2.3 總氮的凈化效果分析 由表2可知，各處理試驗水體中的TN含量均有所降低，試驗前中期降低明顯，試驗后期降低不太明顯。在試驗進(jìn)行10 d后，氣溫有所下降，平均氣溫為18℃左右，各試驗組部分植物的老葉開始變黃，導(dǎo)致植物生長代謝減慢，對TN的吸收速率也降低。通過比較各處理組對試驗水體TN的去除率，發(fā)現(xiàn)空心菜+鯽魚的去除效果最好，試驗結(jié)束時TN含量為3.87 mg/L，對TN的去除率為9.58%。各組對試驗水體中TN的去除率依次為:空心菜+鯽魚組＞木耳菜+鯽魚組＞空心菜組＞木耳菜＞對照組?？梢?，水生植物和濾食性魚類組合對TN的去除能力較好，即水生動植物組成的簡單生態(tài)系統(tǒng)對TN的去除率較高，其中空心菜+鯽魚組的去除效果最好，而只有單一植物的兩個處理組對水體中TN的去除效果不明顯。其原因可能是，空心菜雖屬直根系，但其須根較發(fā)達(dá)，植物依靠發(fā)達(dá)的根系可以吸收大量的氮，使氮元素在營養(yǎng)級中自生產(chǎn)者向上傳遞，再加上魚類的游動和選擇性捕食，這都有利于去除水體中的氮。

表2 不同處理水體試驗前后TN含量變化

2.4 總磷的凈化效果分析 由表3可知，隨著試驗的進(jìn)行，各處理水體中TP含量逐漸降低，各組對試驗水體TP的去除率依次為:空心菜+鯽魚組合＞木耳菜+鯽魚組合＞空心菜組＞木耳菜組＞對照組。試驗結(jié)束時，比較各組去除率，其中空心菜+魚和木耳菜+魚的組合對TP的去除效果比兩組單一植物組效果都好，TP的去除率分別為42.86%和37.14%。而只有單一植物的空心菜組、木耳菜組對試驗水體中TP的去除率則稍低，分別為28.57%和20.00%。在兩個水生動植物組合的處理中，空心菜+鯽魚組合對TP的處理能力最好。對照組與其他試驗組在同一溫度、光照等外界條件下，水體中的微生物也可以吸收磷元素，因此TP的去除效果與各試驗組去除趨勢表現(xiàn)一致。水生植物大量吸收水體中的P元素，一方面水生植物通過植物根系吸收可溶性活性磷(SRP)，合成核酸、核苷酸、磷脂及糖磷酸酯等植物細(xì)胞的組成成分;另一方面，水生植物也為聚磷菌等微生物提供附著空間［6］。

表3 不同處理水體試驗前后TP含量變化

2.5 動植物對總氮、總磷去除效果的差異 試驗表明，動植物組合對P元素的去除效果總體上比N元素好。眾多研究表明，即使在含磷量較低的水體中，水生植物也能較好地吸收水中的總磷［7］。這可能是由于磷元素的降解方式較單一，主要是通過植物和微生物利用、吸附和自然沉降而降解。而相對于磷的去除方式，氮的轉(zhuǎn)化途徑復(fù)雜，除了植物吸收、吸附外，還可通過微生物的硝化和反硝化作用與外界進(jìn)行交換［8－9］。因此，水體中的氮除了靠植物吸收外，還可依靠其他多種方式。

3 結(jié)論

(1)由水生動植物組成的小型生態(tài)系統(tǒng)對衡水湖富營養(yǎng)化水體中的TN、TP都有很好的去除效果，凈化效果優(yōu)于只有單一植物的凈化效果。鯽魚在水體中的攪動作用可促進(jìn)植物對氮、磷的吸收。因此，水生動植物組合可有效地凈化衡水湖富營養(yǎng)化水體。

(2)在5個處理組中，空心菜+鯽魚對水體中TN、TP的去除效果較好，其原因是空心菜根系發(fā)達(dá)，且在每節(jié)除腋芽外，可長出不定根，再生能力強(qiáng)。植物形成的發(fā)達(dá)根系，在水體中可形成獨特的水體－植物根系－微生物生態(tài)系統(tǒng)，有助于植物直接吸收水體中的營養(yǎng)元素。

(3)利用水生植物尤其是水生蔬菜凈化富營養(yǎng)化水體，不僅有顯著的環(huán)境效應(yīng)，也可通過發(fā)展特色農(nóng)業(yè)促進(jìn)衡水湖周邊區(qū)域的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

［1］史丹.我國湖泊富營養(yǎng)化問題及防治對策［J］.資源開發(fā)與市場，2005，21(1):17.

［2］牛明改.水體富營養(yǎng)化藻類資源競爭與種群演替規(guī)律的初探［D］.蘇州:蘇州大學(xué)，2004.

［3］張偉，韓士群，郭起金.鳳眼蓮、水花生、鰱魚對富營養(yǎng)化水體藻類及氮、磷的去除作用［J］.江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2012，28(5):1037 －1041.

［4］國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002:104 －280.

［5］國家環(huán)境保護(hù)總局.地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002:286－395.

［6］向文英，王曉菲.不同水生動植物組合對富營養(yǎng)化水體的凈化效應(yīng)［J］.水生生物學(xué)報，2012，36(4):792 －797.

［7］童昌華，楊肖娥，濮培民.富營養(yǎng)化水體的水生植物凈化試驗研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15(8):1448 －1450.

［8］吳振斌，邱東茹，賀鋒，等.水生植物對富營養(yǎng)水體水質(zhì)凈化作用研究［J］.武漢植物學(xué)研究，2001，19(4):299 －303.

［9］楊紹聰，呂艷玲，沐嬋，等.漂浮植物對入星云湖河水的凈化效應(yīng)分析［J］.西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014(6):2580 －2585.