兩種漂浮植物的生長(zhǎng)特性及其水質(zhì)凈化作用

秦紅杰,張志勇,劉海琴,劉旻慧,聞學(xué)政,王 巖,張迎穎,嚴(yán)少華

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兩種漂浮植物的生長(zhǎng)特性及其水質(zhì)凈化作用

秦紅杰,張志勇,劉海琴,劉旻慧,聞學(xué)政,王 巖,張迎穎,嚴(yán)少華*

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇 南京 210014)

采用自主研發(fā)的漂浮水槽,對(duì)兩種常用于水體凈化與修復(fù)的漂浮植物(鳳眼蓮和水浮蓮)在水質(zhì)凈化效果和生長(zhǎng)特征等進(jìn)行了比較研究.結(jié)果表明,水浮蓮對(duì)水體氮磷濃度有更高的要求,對(duì)水體中浮游藻類和葉綠素去除率分別高達(dá)94.38%和95.06%,優(yōu)于鳳眼蓮;鳳眼蓮對(duì)水體TN的去除率(82.08%)以及其葉片凈光合速率(20.28~27.90μmol CO2/(m2·s))和葉綠素含量(1.05~1.08mg/g鮮重)均顯著高于水浮蓮(分別為71.82%、8.64~16.50μmol CO2/(m2·s)和0.25~0.31mg/g鮮重) (< 0.05).與鳳眼蓮共存情況下,水浮蓮有更強(qiáng)的擴(kuò)繁能力,但后者在實(shí)際工程應(yīng)用中更具逃逸風(fēng)險(xiǎn).為使兩種漂浮植物的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮,我們提出了基于這兩種水生植物水體凈化的“三明治”模式,為今后選用水生植物進(jìn)行水體凈化與修復(fù)的工程實(shí)踐提供借鑒.

漂浮植物；鳳眼蓮；水浮蓮；水體修復(fù)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是當(dāng)前國(guó)內(nèi)面臨的主要環(huán)境問題之一[1],在治理富營(yíng)養(yǎng)化水體的多種措施中,植物修復(fù)因其具有凈化效果好、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、低能耗、操作簡(jiǎn)單以及利于恢復(fù)和重建水生態(tài)系統(tǒng)自凈能力等優(yōu)勢(shì)[2],已成為廣受關(guān)注的重要舉措[3].

到目前為止,國(guó)內(nèi)外研究人員已對(duì)不同生活型水生植物,如漂浮植物、浮葉植物、挺水植物和沉水植物等,在水體凈化和修復(fù)方面做了大量的研究,并將其運(yùn)用到水體修復(fù)實(shí)踐中[4-8].漂浮植物水體修復(fù)系統(tǒng),設(shè)施簡(jiǎn)單、投資少、建造易,管理方便,去污效果良好[9].然而,采用漂浮植物進(jìn)行水體修復(fù)最具爭(zhēng)議的問題是如何控制其生長(zhǎng)規(guī)模和適宜的蓋度,發(fā)揮其最佳的水體凈化效果,同時(shí)減少危害[10].近年來(lái),筆者研究團(tuán)隊(duì)著力于漂浮植物的控養(yǎng)、打撈及資源化利用等技術(shù)瓶頸攻關(guān),目前該整套技術(shù)體系已日臻成熟,漂浮植物泛濫與不能及時(shí)打撈而引起水體二次污染的風(fēng)險(xiǎn)得到了有效的防控.

鳳眼蓮((Mart.) Solms)俗稱水葫蘆,具有超強(qiáng)的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物去除能力[11]和對(duì)惡劣環(huán)境廣泛的適應(yīng)性[12],有研究表明,鳳眼蓮較其他水生植物及微藻類在污水處理方面有更佳的效果[13].水浮蓮(L.)又名大薸,也為多年生漂浮水生植物,國(guó)內(nèi)外均因其具有較強(qiáng)的富集水體氮磷能力而開展了大量研究[14],目前多用于城市污水和工廠排放廢水的污染物移除與水生態(tài)修復(fù)[15].

以往的研究多是在靜態(tài)水體環(huán)境下,探討漂浮植物對(duì)水體中氮磷等污染物的去除效果,很難真實(shí)反映水生植物在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)流動(dòng)水體中污染物的去除效率.此外,盡管不少文獻(xiàn)都報(bào)道了鳳眼蓮和水浮蓮在水質(zhì)凈化方面表現(xiàn)突出,然而以往大多是基于這兩種漂浮植物各自對(duì)污染水體的凈化與修復(fù)效果進(jìn)行研究,缺乏對(duì)不同漂浮植物的組合模式探究.有研究表明,單純依靠一種漂浮植物如鳳眼蓮,很難取得理想的生態(tài)治理效果,應(yīng)該適當(dāng)增添其他水生生物的引種[16].通過對(duì)不同漂浮植物的組合與配置,進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),不失為一條更具應(yīng)用價(jià)值的水體修復(fù)模式.本研究采用自主研發(fā)的可控流量的水上漂浮性水槽,通過對(duì)鳳眼蓮和水浮蓮兩種漂浮植物在水體凈化與修復(fù)方面的系統(tǒng)研究,提出基于兩種漂浮植物合理配置的“三明治”水體修復(fù)模式,為今后采用漂浮植物進(jìn)行水體修復(fù)實(shí)踐,提供重要參考與借鑒.

1 材料與方法

1.1 水生植物來(lái)源

實(shí)驗(yàn)用鳳眼蓮和水浮蓮均為江蘇省農(nóng)科院智能溫室內(nèi)正常越冬的苗種.生長(zhǎng)至5月中旬達(dá)到實(shí)驗(yàn)材料需求后,用于在1#和2#蓄水塘開展實(shí)驗(yàn),1#和2#蓄水塘被水閘分開,水質(zhì)理化性質(zhì)相似,實(shí)驗(yàn)期間1#和2#蓄水塘水質(zhì)變化范圍見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)期間水生植物種養(yǎng)水域水質(zhì)理化特征
Table 1 The physicochemical characteristics in area with aquatic macrophytes cultivation during the experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

裝置1:“鋼管泡沫浮球掛網(wǎng)”圍欄,其示意圖和效果圖分別見圖1a和圖1b.裝置為邊長(zhǎng)18m的正方形,使用鎖扣將3根長(zhǎng)6m直徑6cm的鍍鋅鋼管鏈接起來(lái).平均約每1.5m套空心泡沫浮筒一個(gè)(40cm′60cm,中心有6cm空心),鋼管上綁定寬0.5m孔徑1cm的尼龍網(wǎng),尼龍網(wǎng)通過尼龍繩綁定于鋼管上,尼龍網(wǎng)近地端綁定碎石等配重.該裝置放置于江蘇省農(nóng)科院1#蓄水塘中.

裝置2:不銹鋼水槽長(zhǎng)10.0m、寬1.0m、深0.5m(示意圖和效果圖分別見圖2a和圖2b),使用不銹鋼板無(wú)縫焊接而成.通過在水槽兩側(cè)綁定泡沫浮球調(diào)節(jié)槽體在水下的位置,使槽內(nèi)水深維持在0.40m,槽體通過尼龍繩固定于附近的鋼樁.槽體兩端設(shè)有進(jìn)出水口,其中進(jìn)水口置于距槽底0.25m處,直徑0.05m,并在進(jìn)水管口外側(cè)包裹尼龍濾網(wǎng)(孔隙直徑1.3cm)以防止大型懸浮物堵塞進(jìn)水管;出水口置于距槽底0.40m處,直徑0.05m,出水管一端連于抽水泵(抽水泵固定于水槽出水端,并通過泡沫浮球懸浮于水面,工作效率5m3/d, 水力停留時(shí)間為0.8d),出水管另一端至于槽體內(nèi)水面下,且用尼龍濾網(wǎng)(孔隙直徑1.5cm)包裹以防止大型雜物抽入泵內(nèi).該裝置安置于江蘇省農(nóng)科院1#蓄水塘中.

1.3 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)期間1#蓄水塘和2#蓄水塘水體主要來(lái)源于生活污水和雨水,為中度富營(yíng)養(yǎng)化水體.1#蓄水塘面積約10500m2,水深 1.9~3.2m;2#蓄水塘面積約4500m2,水深 2.0~3.5m,不同實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位水質(zhì)理化指標(biāo)見表1.

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

不銹鋼水槽中鳳眼蓮和水浮蓮對(duì)水質(zhì)的凈化實(shí)驗(yàn).于2015-06-23將鳳眼蓮和水浮蓮均以4.0kg/m2的生物量投放于水槽內(nèi),兩種漂浮植物分別設(shè)置3個(gè)平行,共6個(gè)水槽,依照裝置2中的參數(shù)連續(xù)運(yùn)行至8月6日,共計(jì)45d.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)兩種水生植物的生長(zhǎng)特征進(jìn)行監(jiān)測(cè).

鳳眼蓮和水浮蓮共養(yǎng)實(shí)驗(yàn).于2015年7月初將鳳眼蓮和水浮蓮分別采用裝置1共養(yǎng)于1#蓄水塘和2#蓄水塘.將該實(shí)驗(yàn)分別置于2個(gè)蓄水塘主要考慮兩方面原因,一方面漂浮植物大面積擴(kuò)繁,將對(duì)同期進(jìn)行的水槽實(shí)驗(yàn)水質(zhì)有較大影響,另一方面1#蓄水塘和2#蓄水塘水質(zhì)理化性質(zhì)基本相同(表1).其中1#蓄水塘鳳眼蓮和水浮蓮?fù)斗帕勘壤s為5:1,2#蓄水塘鳳眼蓮和水浮蓮?fù)斗帕勘壤s為1:5,至2015年11月底測(cè)定其各自擴(kuò)繁的面積.

1.5 實(shí)驗(yàn)分析項(xiàng)目與檢測(cè)方法

1.5.1 水質(zhì)理化指標(biāo) 水體理化指標(biāo)按照1次/d的頻率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),其中水體的pH、溶氧(DO)采用多功能水質(zhì)分析儀(哈希,HQ40D,美國(guó))現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定;進(jìn)水口端水樣于水面下20cm處采集,出水口端水樣從計(jì)量泵出水口端采集,水樣的總氮(TN)、總磷(TP)采用流動(dòng)分析儀(Auto-Analyzer 3Application)測(cè)定,高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》測(cè)定[17],水體藻細(xì)胞密度使用流式細(xì)胞儀(BD公司,FACSJazz型)測(cè)定;水體葉綠素濃度參照Wintermans 和 de Mots方法測(cè)定[18].

1.5.2 植物理化指標(biāo) 植物生物量測(cè)定:準(zhǔn)確收集1.0m2種養(yǎng)面積里的水生植物,將其根系上的水分瀝干后稱重,單位為kg鮮重/m2;

生長(zhǎng)速率()按照如下公式計(jì)算:

=(B-0)/(1)

其中:B和0分別為實(shí)驗(yàn)起始和結(jié)束時(shí)水生植物生物量,代表時(shí)間間隔(d),單位為kg/(m2·d);

植物根系和莖葉長(zhǎng)度測(cè)定:將植物帶回實(shí)驗(yàn)室用刻度尺直接量取,其中根系長(zhǎng)度以根系最長(zhǎng)根計(jì),莖葉以植株最長(zhǎng)莖葉計(jì);

植物根系和莖葉鮮重測(cè)定:將植物帶回實(shí)驗(yàn)室,用自來(lái)水輕緩沖洗根系表面粘附的雜質(zhì),用吸收紙吸干植物莖葉和根系表面的水珠,將植物根系和莖葉分開后分別稱重;

植物含水率測(cè)定:將清洗干凈且吸干表面水珠的植物根系和莖葉分別稱重,得到其鮮重f,然后放入105℃烘箱30min,然后于65℃烘箱烘至恒重后稱重,得到干重d,根系和莖葉含水率(%)使用如下公式計(jì)算:

=100%×(f-d)/f(2)

植物根系表面積測(cè)定:將植物根系取下用自來(lái)水沖洗3次,然后用蒸餾水沖洗2次,最后用吸水紙吸干根系表面水珠,采用亞甲基藍(lán)染色法測(cè)定[19];

根系活力測(cè)定:將洗干凈的根系剪碎后采用TTC法測(cè)定[20];

植物葉片中色素含量(葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素)參照李合生等[20]提供的乙醇提取法,分光光度法測(cè)定;

葉片SPAD值使用葉綠素儀(SPAD-502)測(cè)定,每個(gè)處理SPAD值為測(cè)定10片以上葉片后的均值;

葉片凈光合效率(μmol CO2/(m2·s))使用便攜式光合儀(LI-6400XT,美國(guó))選擇晴朗的上午9:00~10:00于實(shí)驗(yàn)裝置附近開闊場(chǎng)地測(cè)定,使用紅藍(lán)光源,光量子通量密度(PPFD)為1600μmol/ (m2·s),流速設(shè)為500μmol/s;

總碳水化合物和總可溶性蛋白質(zhì)含量分別參照李合生提供的蒽酮硫酸比色法和考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定[25];

植株體TN和TP含量測(cè)定:將植物樣品烘干至恒重后粉碎,過60目網(wǎng)篩,硫酸-雙氧水消解后參考文獻(xiàn)的凱氏定氮法和氮鉬銻抗比色法測(cè)定[19].

1.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

文中數(shù)據(jù)均以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)方差的形式呈現(xiàn),結(jié)構(gòu)示意圖采用中望CAD 2014繪制,不同組之間的差異顯著性用SPSS 13.0 (Chicago, IL, USA) one-way ANOVA中的LSD post-hoc分析.

2 結(jié)果

2.1 兩種漂浮植物對(duì)水質(zhì)凈化效果

在原位水槽實(shí)驗(yàn)中,每天監(jiān)測(cè)水質(zhì)理化指標(biāo)變化情況.從實(shí)驗(yàn)全程水質(zhì)指標(biāo)平均數(shù)來(lái)看,鳳眼蓮對(duì)TN、TP、CODMn、藻密度和水體葉綠素濃度去除率分別達(dá)到了82.08%、55.22%、46.86%、91.80%、91.30%,水浮蓮對(duì)這些指標(biāo)的去除率分別為71.82%、54.44%、48.91%、94.38%、95.06%(表2),兩種漂浮植物對(duì)水體污染物均有顯著的去除效果.

表2 鳳眼蓮和水浮蓮的水質(zhì)凈化效果
Table 2 The water purification effects of E. crassipes and P. stratiotes

注:去除率(%)=100%×(進(jìn)水口濃度－出水口濃度)mg/L/進(jìn)水口濃度mg/L;削減量(g/(m2·d)=(進(jìn)水濃度-出水濃度)mg/L÷1000g×流量(5000L/d)÷10m2.

2.2 兩種漂浮植物形態(tài)及生理特征

如表3所示,鳳眼蓮根長(zhǎng)從進(jìn)水口端的34cm到出水口端40.63cm,增長(zhǎng)了6.63cm;莖葉長(zhǎng)度從進(jìn)水口45.50cm降低至出水口的 27.62cm;其根冠比(根長(zhǎng)/莖葉長(zhǎng))增加了96%.水浮蓮根長(zhǎng)和莖葉長(zhǎng)度變化趨勢(shì)同鳳眼蓮,但其變化更為顯著,出水口端根長(zhǎng)增長(zhǎng)至49cm;根冠比高達(dá)6.88,升高了322%.此外,水槽進(jìn)出水口端水浮蓮根冠比均顯著高于鳳眼蓮.

進(jìn)水口與出水口端鳳眼蓮根重和莖葉重變化趨勢(shì)與其長(zhǎng)度變化一致.根冠比由進(jìn)水口端的0.33,增加至出水口端的0.99.而水浮蓮根重和莖葉重在出水口端均有顯著降低,其中根重由進(jìn)水口端的61.76g/株,降低至出水端的25.93g/株,莖葉重量由進(jìn)水口端的236.29g/株,降低至出水端的22.77g/株,但出水口端根冠比仍高于進(jìn)水口端.

表3 水槽進(jìn)出口端鳳眼蓮和水浮蓮植株形態(tài)特征
Table 3 Morphological characteristics of E. crassipes and P. stratiotes growing at the inlet and the outlet of sinks

進(jìn)水口水浮蓮根系和莖葉含水率分別為97.90%和95.74%,略高于進(jìn)水口鳳眼蓮根系和莖葉含水率95.87%和94.26%(表4),而出水口端兩種漂浮植物根系和莖葉含水率均有所降低,但仍是水浮蓮略高于鳳眼蓮.同時(shí)從表4可以看出,對(duì)于鳳眼蓮和水浮蓮這兩種漂浮植物,其根系的含水率均高于莖葉.

鳳眼蓮莖葉中總碳水化合物在進(jìn)水口端與水浮蓮無(wú)明顯差異(表4),出水口端鳳眼蓮總碳水化合物含量21.34mg/g鮮重,顯著高于水浮蓮16.27mg/g鮮重(< 0.05),根系中鳳眼蓮總碳水化合物在進(jìn)水口和出水口端均高于水浮蓮.

水槽進(jìn)水口和出水口鳳眼蓮莖葉總可溶性蛋白含量4.65mg/g鮮重和4.98mg/g鮮重(表4),均顯著高于水浮蓮進(jìn)出水口總可溶性蛋白含量3.32mg/g鮮重和1.68mg/g鮮重(< 0.05);鳳眼蓮和水浮蓮在進(jìn)出水口端根系總可溶性蛋白含量無(wú)顯著差異(> 0.05);出水口端鳳眼蓮莖葉總可溶性蛋白含量較進(jìn)水口端無(wú)顯著差異,出水口水浮蓮莖葉總可溶性蛋白含量為其進(jìn)水口的50.90%;對(duì)于根系中總可溶性蛋白含量,鳳眼蓮出水口端降低至進(jìn)水口的58.33%,水浮蓮出水口端降低至進(jìn)水口端的52.80%.

進(jìn)水口和出水口端鳳眼蓮的凈光合速率分別為27.90μmol CO2/(m2·s)和20.28μmol CO2/ (m2·s),顯著高于水浮蓮凈光合速率(表4);同時(shí),兩漂浮植物在出水口端凈光合速率較進(jìn)水口端都有顯著降低,尤其是水浮蓮,出水口僅為進(jìn)水口的52.36%.

對(duì)于葉片色素,鳳眼蓮葉片SPAD、葉綠素、葉綠素b、類胡蘿卜素含量均高于水浮蓮(表4);進(jìn)水口和出水口鳳眼蓮葉綠素、葉綠素b、類胡蘿卜素比例為1:0.30:0.19和1:0.32:0.20,而相應(yīng)的水浮蓮值為1:0.32:0.24和1:0.45:0.39,可以看出水浮蓮葉綠素b和類胡蘿卜素相對(duì)含量顯著高于鳳眼蓮,尤其是在出水口端,葉綠素b和類胡蘿卜素顯著升高;進(jìn)水口和出水口端鳳眼蓮中各色素含量無(wú)顯著變化,而出水口端水浮蓮SPAD值明顯降低,葉綠素、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均有顯著升高,其中水浮蓮類胡蘿卜素含量由進(jìn)水口端的0.06mg/g鮮重升高至0.12mg/g鮮重,含量增加1倍.

實(shí)驗(yàn)水槽中鳳眼蓮植株體莖葉與其根系中TN含量分別為2.59%~1.87%干重和1.97%~ 1.59%干重,水浮蓮莖葉與根系TN含量分別為2.45%~2.00%干重和2.18%~1.91%干重,鳳眼蓮和水浮蓮植株體TN含量無(wú)顯著差異(> 0.05).總磷濃度偏高的進(jìn)水端水浮蓮其植株體莖葉與根系TP含量分別為0.23%干重和0.24%干重,顯著高于鳳眼蓮植株體莖葉與其根系TP含量0.17%干重和0.14%干重(< 0.05),而出水口端兩種漂浮植物植株體TP含量無(wú)顯著差異(> 0.05).

表4 水槽進(jìn)出口端鳳眼蓮和水浮蓮植株的生理生化特征
Table 4 The physiological and biochemical characteristics of E. crassipes and P. stratiotes growing at the inlet and outlet of sinks

注: “*”表示處理組與對(duì)照組之間的顯著差異性(< 0.05, LSD).

2.3 兩種漂浮植物擴(kuò)繁特征

表5 水槽進(jìn)水口和出水口鳳眼蓮和水浮蓮生物量
Table 5 The biomass of E. crassipes and P. stratiotes growing at the inlet and outlet of sinks

水槽內(nèi)分別以4.0kg/m2的生物量投放鳳眼蓮和水浮蓮.實(shí)驗(yàn)運(yùn)行45d后,對(duì)水槽進(jìn)水口和出水口端植物生物量進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表5所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)水槽內(nèi)漂浮植物實(shí)際生長(zhǎng)狀態(tài)如圖3所示.

圖4 1#蓄水塘(a)和2#蓄水塘(b)中鳳眼蓮和水浮蓮生長(zhǎng)實(shí)景圖(拍攝于2015-11-08) Fig.4 The photo of E. crassipes and P. stratiotes planted in pond 1and pond 2 (Photographed on 11.8.2015)

1#蓄水塘和2#蓄水塘中水生植物生長(zhǎng)擴(kuò)繁近4個(gè)月,最后對(duì)兩蓄水塘中鳳眼蓮和水浮蓮生物量進(jìn)行測(cè)定.1#蓄水塘鳳眼蓮和水浮蓮起始投苗比例約5:1,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)生物量分別達(dá)到40.50kg鮮重/m2和29.20kg鮮重/m2,水浮蓮在鳳眼蓮群落中形成2.0m2~3.5m2不等的若干群落片區(qū),如圖4(a)所示;2#蓄水塘鳳眼蓮和水浮蓮起始投苗比例約1:5,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)水浮蓮生物量達(dá)23.58kg鮮重/m2而鳳眼蓮只零星分布與水浮蓮群落中,鳳眼蓮未形成片狀群落,如圖4(b)所示,故未對(duì)其生物量進(jìn)行統(tǒng)計(jì).

3 討論

3.1 兩種漂浮植物對(duì)水質(zhì)凈化效果

鳳眼蓮和水浮蓮均以其顯著的氮、磷去除效果,而被廣泛用于污水凈化理論與實(shí)踐研究[21-22].婁敏等[23]通過28×25×24cm玻璃缸實(shí)驗(yàn)證表明,同等條件下,水浮蓮對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的公園池塘水體中氮磷去除效果最佳,鳳眼蓮次之,紫萍最差;劉盼等[24]使用水缸和人工配置的富營(yíng)養(yǎng)化污水,對(duì)漂浮植物的凈化效果研究也表明,水浮蓮水質(zhì)凈化效果較鳳眼蓮更明顯;也有研究表明,鳳眼蓮對(duì)養(yǎng)殖水體中TN、TP凈化效果均顯著優(yōu)于水浮蓮[25].盡管已有不少對(duì)鳳眼蓮和水浮蓮凈化效果的研究,但多是在水缸、水桶或是水箱等封閉水體中開展的模擬研究,很難真實(shí)模擬自然生境水體特征,故而結(jié)論往往相悖,用于指導(dǎo)實(shí)踐仍有不足.而本研究通過漂浮水槽,一種漂浮式動(dòng)態(tài)連續(xù)流模擬設(shè)備,更真實(shí)的還原了鳳眼蓮和水浮蓮的自然生境.本研究結(jié)果表明,對(duì)于藻型富營(yíng)養(yǎng)化水體鳳眼蓮對(duì)TN的去除效果顯著優(yōu)于水浮蓮,對(duì)TP和CODMn的去除效果無(wú)顯著差異,而對(duì)水體葉綠素和浮游藻類的去除效果不及水浮蓮.

漂浮植物對(duì)水體中藻類的去除主要有根系吸附與攔截、化感作用抑制、遮光控生長(zhǎng)等幾個(gè)途徑[26],尤其對(duì)于具有發(fā)達(dá)根系的水生植物,龐大的根系擁有巨大的表面積,其過濾藻類和附著藻類的效果甚為顯著[27].本研究中,鳳眼蓮和水浮蓮均為根系發(fā)達(dá)的漂浮植物,其在流動(dòng)水體中,發(fā)達(dá)的根系對(duì)水體中浮游藻類去除的貢獻(xiàn)率不容忽視,而水浮蓮在水體氮磷濃度偏低的水槽出水口端根系長(zhǎng)達(dá)49.00cm,在40cm水深的水槽中形成了密網(wǎng)狀浮游藻類攔截屏障,致使水浮蓮對(duì)水體藻類和葉綠素的去除較水浮蓮更為顯著.當(dāng)然也有研究表明鳳眼蓮和水浮蓮均有一定的化感作用[28-29],可以抑制藻類生長(zhǎng),但在本實(shí)驗(yàn)中水力停留時(shí)間0.8d(水槽內(nèi)水儲(chǔ)存量約4m3,水泵控水流量5m3/d),在如此短的時(shí)間內(nèi),通過其化感作用除去藻類的量是有限的.此外,盡管水浮蓮莖葉生物量不及鳳眼蓮,但水浮蓮葉柄短,葉片相互交錯(cuò),遮光效果較鳳眼蓮更佳,通過遮光抑制藻類生長(zhǎng)的效果也應(yīng)更有效.綜合上述分析,在流動(dòng)水體中,水浮蓮對(duì)水體中浮游藻類的去除率高于鳳眼蓮主要是因其根系更長(zhǎng)、葉片遮光強(qiáng)等因素造成的.

3.2 兩種漂浮植物形態(tài)、生理特征與水質(zhì)凈化的關(guān)系

水浮蓮其莖葉長(zhǎng)度和重量均低于其根系,尤其是在水體氮磷濃度較低的水體中,最終造成水浮蓮根冠比大于鳳眼蓮.有研究表明低濃度的氮磷可以促使水生植物根系的伸長(zhǎng)[30],但對(duì)水浮蓮根系的這種促進(jìn)效果較鳳眼蓮更為明顯,從一定程度是上反應(yīng)出水浮蓮生長(zhǎng)對(duì)氮磷濃度的要求更高,用于水體深度凈化方面效果不及鳳眼蓮.

在營(yíng)養(yǎng)豐富的水體中,鳳眼蓮葉片葉綠素含量顯著高于水浮蓮,其葉深綠色,而水浮蓮葉片顏色略淺,呈現(xiàn)淺綠色.在低氮磷濃度下,水浮蓮莖葉中葉綠素b和類胡蘿卜素含量顯著升高,致使色素比例有較大變化,使其葉片發(fā)黃,景觀效果降低.

從有機(jī)物質(zhì)合成方面,鳳眼蓮總碳水化合物含量顯著高于水浮蓮(進(jìn)水口莖葉除外),尤其是根系中總碳水化合物含量.碳水化合物是光合作用的主要產(chǎn)物之一,鳳眼蓮葉片SPAD值顯著高于水浮蓮,且其凈光合速率為水浮蓮的1.69~2.35倍.李霞等研究表明,鳳眼蓮為典型的C3植物的光合作用類型,其最大光合能力顯著高于 C3植物水稻,而與 C4植物玉米類似[31].鳳眼蓮較強(qiáng)的光合能力為其高效利用環(huán)境CO2進(jìn)行光合作用,形成更多的總碳水化合物提供了保障,同時(shí)增強(qiáng)了環(huán)境溫室氣體CO2的固定,最終也將增加碳匯,為實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)起到重要的作用,這也是其在凈化水質(zhì)的同時(shí)另外一個(gè)重要的生態(tài)效應(yīng).

對(duì)于總可溶性蛋白,鳳眼蓮與水浮蓮根系中總可溶性蛋白含量無(wú)顯著差異,鳳眼蓮莖葉中可溶性蛋白含量顯著高于水浮蓮,尤其是在氮磷濃度較低的水體中.在氮磷濃度偏低的水環(huán)境下,水浮蓮植株生長(zhǎng)和光合生理等受到不良影響,推測(cè)其蛋白質(zhì)的合成也受到抑制.水生植物作為飼料也是其后續(xù)資源化利用的途徑之一[32],而蛋白含量是評(píng)價(jià)其作為飼料的重要指標(biāo).有研究表明,以單位面積產(chǎn)量計(jì)算,鳳眼蓮生產(chǎn)的蛋白質(zhì)比大豆還高6~10倍,而將加工后的鳳眼蓮摻入牛飼料中,其所含的蛋白質(zhì)可與棉籽粉和大豆粉相媲美[33],這也是鳳眼蓮被用來(lái)制作飼料的原因之一.

漂浮植物對(duì)水體氮磷的去除途徑除了自身吸收外,還可以促進(jìn)水體的硝化、反硝化脫氮過程加強(qiáng)水體脫氮[34],促進(jìn)水體顆粒態(tài)氮磷沉降等其他途徑對(duì)水體進(jìn)行脫氮除磷.鳳眼蓮對(duì)氮、磷的吸收總量隨水力負(fù)荷的提高而增加,水體氮磷濃度的升高可以提高鳳眼蓮對(duì)水體中氮磷的吸收量[35].本研究結(jié)果也表明,植物吸收的氮磷量與水體中氮磷濃度呈正相關(guān).其中,氮磷濃度較高的進(jìn)水口端水浮蓮的莖葉和根系中氮磷含量均高于鳳眼蓮,其他點(diǎn)位兩種植物間無(wú)顯著差異,但進(jìn)水口端鳳眼蓮生物量顯著高于水浮蓮,且水浮蓮含水率高于鳳眼蓮,所以進(jìn)水口端鳳眼蓮總干物質(zhì)量遠(yuǎn)高于水浮蓮,其從水體中吸收的氮磷量也較水浮蓮更多.

3.3 兩種漂浮植物在水質(zhì)凈化生態(tài)工程中的配置

鳳眼蓮和水浮蓮均為外來(lái)入侵種,因其爆炸式的繁殖速度,很多生態(tài)學(xué)研究者對(duì)采用這兩種水生植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)頗有顧慮.所以,在采用這兩種漂浮植物凈化污染水體,尤其是受到風(fēng)浪和水流影響較大的水體時(shí),如何將其安全的控養(yǎng)在選定區(qū)域尤為關(guān)鍵.本研究選用的“鋼管泡沫浮球掛網(wǎng)”對(duì)鳳眼蓮有很好的控制效果,實(shí)驗(yàn)期間也有暴雨發(fā)生,從上游紫金山匯集的大量雨水及地表徑流短期內(nèi)沖入實(shí)驗(yàn)水塘,水流加速,水位上升,基于本裝置可根據(jù)水位上下浮動(dòng)的特點(diǎn),在暴雨過程中未發(fā)生鳳眼蓮等水生植物逃逸的現(xiàn)象.

從鳳眼蓮和水浮蓮共養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)中很容易發(fā)現(xiàn),當(dāng)水浮蓮周圍有鳳眼蓮存在的情況下,水浮蓮仍可在有限的區(qū)域內(nèi)形成自己的群落結(jié)構(gòu),而鳳眼蓮四周有水浮蓮存在的環(huán)境下,鳳眼蓮很難繼續(xù)擴(kuò)繁形成自己的群落片區(qū).這表明,水浮蓮與鳳眼蓮共存條件下,水浮蓮具有更強(qiáng)向四周擴(kuò)繁的能力.此外,水浮蓮水上部分(莖葉)較短,新幼株擴(kuò)繁出后個(gè)體偏小,且與母株鏈接處脆弱易斷(為實(shí)驗(yàn)中觀察普遍現(xiàn)象),所以若用“鋼管泡沫浮球掛網(wǎng)”控養(yǎng)水浮蓮,其更容易從鋼管上翻越、或幼苗從網(wǎng)孔中伸出圍欄造成逃逸.基于上述分析,如若將鳳眼蓮和水浮蓮共養(yǎng),水浮蓮?fù)鈬詈糜续P眼蓮生長(zhǎng),既可以充分發(fā)揮水浮蓮根系吸附攔截的優(yōu)勢(shì),又可增加其防逃逸的效果.

從鳳眼蓮和水浮蓮擴(kuò)繁速率上看,在相同的水環(huán)境下,鳳眼蓮單位時(shí)間內(nèi)形成的生物量較水浮蓮更多.同時(shí),從本研究中水槽實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出,在10m長(zhǎng)的漂浮植物控養(yǎng)水槽內(nèi),鳳眼蓮生物量盡管在氮磷濃度較低出水端比氮磷濃度較高的進(jìn)水端有明顯減少,但其植株生理特征變化不大,仍有較高的光合特性,植株葉片色彩鮮艷,不影響景觀效果.然而,水浮蓮在10m長(zhǎng)的控養(yǎng)水槽的進(jìn)水端和出水端除了生物量差異顯著外,其植株生長(zhǎng)和生理特征均有顯著變化,在氮磷濃度偏低的出水端植株體葉片發(fā)黃、光合活性顯著降低.以上這些結(jié)果可以表明,在選用漂浮植物進(jìn)行氮磷污染水體深度凈化方面,選用鳳眼蓮均有明顯優(yōu)勢(shì).同時(shí)也表明,水浮蓮對(duì)水體氮磷要求較鳳眼蓮更高,在與鳳眼蓮共養(yǎng)過程中,水浮蓮控養(yǎng)斷面不宜太長(zhǎng),以免后端水體氮磷濃度影響其生長(zhǎng)和自然景觀效果.

綜上所述,提出基于鳳眼蓮和水浮蓮兩種漂浮植物水體凈化的“三明治”模式(圖5),因水浮蓮群體擴(kuò)繁能力較鳳眼蓮更強(qiáng),更易存在逃逸風(fēng)險(xiǎn),故在與鳳眼蓮組合用于水質(zhì)凈化生態(tài)工程時(shí),選用鳳眼蓮+水浮蓮+鳳眼蓮的“三明治”模式效果將更佳,即可滿足水生植物對(duì)水體氮磷等污染物與水體藻類等顆粒物的去除,又不影響自然景觀,達(dá)到生態(tài)去污和水上綠化的雙重效果.當(dāng)然,該模式還不完善,還未給出三明治三部分各自的比例,這個(gè)需要結(jié)合水體自身污染程度及其他自然環(huán)境特征如水體流速、光照、溫度等,條件錯(cuò)綜復(fù)雜.結(jié)合水力水文因素,本模式最適合應(yīng)用于污染河道、景觀池塘等的修復(fù),今后的研究與實(shí)踐中,將對(duì)該模式的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行深度量化,最終有望得到一個(gè)更為精確的漂浮植物水體凈化的配比模式.

4 結(jié)論

4.1 鳳眼蓮和水浮蓮對(duì)水體TP和CODMn去除效率無(wú)顯著差異(> 0.05),鳳眼蓮對(duì)水體TN去除率顯著高于水浮蓮(< 0.05),而水浮蓮對(duì)水體浮游藻類和葉綠素的去除率高于鳳眼蓮.

4.2 水浮蓮根系較長(zhǎng),莖葉較短,根冠比顯著高于鳳眼蓮,尤其是在貧營(yíng)養(yǎng)水體,植株體含水率高于鳳眼蓮.

4.3 鳳眼蓮蛋白含量、碳水化合物含量、SPAD值、葉綠素含量、葉綠素b含量、類胡蘿卜素含量均高于水浮蓮.

4.4 鳳眼蓮和水浮蓮植株體單位干重TN含量無(wú)顯著差異,但在氮磷相對(duì)豐富的水體中水浮蓮植株體TP含量高于鳳眼蓮,此外,水浮蓮成長(zhǎng)對(duì)水體氮磷等營(yíng)養(yǎng)要求更高.

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致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所的李敦海研究員在論文思路及論文英文撰寫方面的指導(dǎo)與幫助.

* 責(zé)任作者, 研究員, shyan@jaas.ac.cn

Growth characteristics and water purification of two free-floating macrophytes

QIN Hong-jie, ZHANG Zhi-yong, LIU Hai-qin, LIU Min-hui, WEN Xue-zheng, WANG Yan, ZHANG Ying-ying, YAN Shao-hua*

(Institute of Agricultural Resource and Environmental Sciences, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)., 2016,36(8)：2470~2479

Comparative study of the growth characteristics and water purification effects of two free-floating macrophytes, water hyacinth () and water lettuce (), on domestic sewage contaminated water had been carried out using self-designed floating sinks. Results showed that the water lettuce has higher requirements on nitrogen and phosphorus concentrations, and the removal rates of phytoplankton and chlorophyllby the water lettuce were respectively reached to 94.38% and 95.06%, which were significantly higher than those by the water hyacinth. The TN removal rate (82.08%), the net photosynthetic rate (27.90~20.28 μmol CO2/(m-2·s)), and the chlorophyllcontent (1.05~1.08mg/g fresh weight) of the water hyacinth were respectively higher than those (they were 71.82%, 8.64~16.50 μmol CO2/(m2·s) and 0.25~0.31mg/g fresh weight, respectively) of the water lettuce (< 0.05). However, when cultivated together with the water hyacinth, the water lettuce has higher reproductive ability and may have the risk of escape in engineering practice. In order to take full advantage of these two free-floating macrophytes in terms of water purification, a "sandwich" pattern for their cultivation was proposed. The results of this study would provide practical and theoretical references for the use of aquatic macrophytes for water purification and restoration in engineering practice.

free-floating macrophyte；；；water restoration

X52

A

1000-6923(2016)08-2470-10

秦紅杰(1984-),男,河南內(nèi)黃人,助理研究員,博士,主要從事水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)理論與技術(shù)和藻類環(huán)境生物學(xué)研究.發(fā)表論文20余篇.

2016-01-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41501545);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20150549);江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(ZX(16)2035);江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2013436)