沉水植物凈化人工水源湖原水中氮磷和懸浮物的試驗研究

丁玲，李羚君，李劍峰，李巍，陳德忠，陳希青

上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434

近年來，城市水資源短缺和地表飲用水源污染已成為全球范圍的重大問題和人類社會共同關注的焦點，且水源水體所面臨的水質安全風險還在不斷加劇。水源湖庫作為城市中重要的人工飲用水水源地，對于緩解城市供水壓力和保障水質安全起到了重要的作用，許多大中城市紛紛開展了城市水源湖庫的建設，如上海的青草沙水庫，深圳的公明水庫等。

和河道相比，水源湖庫相對封閉，水流緩慢，營養(yǎng)物質不易擴散，有利于單一藻種的大量繁殖。一旦陽光充足、水溫升高、營養(yǎng)鹽條件適宜，隨時都有可能發(fā)生“水華”。國內許多地區(qū)均有水源湖庫暴發(fā)“水華”的文獻記載（姚玲愛等，2013；王麗平等，2013；王紹祥等，2010；汪志聰等，2012）。

研究表明，生物調控和生態(tài)修復技術是控制營養(yǎng)鹽和浮游植物生物量的一種有效措施，如無錫五里湖、南京玄武湖、貴州紅楓湖、上海淀山湖、鹽城鹽龍湖等水域，通過實施生態(tài)工程，水質均得到了顯著改善（秦伯強等，2006）?；謴透叩人参镆殉蔀闇\水湖泊富營養(yǎng)化治理和生態(tài)恢復的關鍵（Wang et al.，2002）。高等水生植物不僅能夠快速吸收水體和沉積物中的營養(yǎng)鹽，控制藻類生長，而且對于穩(wěn)定清水態(tài)具有重要作用（Meijer et al.，1997；Carignan et al.，1980；Gumbricht，1993；Hosper et al.，1993；金送笛等，1994）。

本研究以上海市人工水源湖——金澤水庫為研究對象，開展沉水植物水質凈化的中試試驗研究，分析沉水植物的水質凈化效果及其與植物生物量、進水濃度的關系，以期為金澤水庫的水生植物系統構建和水質維持運行管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 金澤水庫及中試工程概況

金澤水庫位于上海市青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)西部、太浦河北岸，是上海市“兩江并舉、集中取水、水庫供水、一網調度”原水供應格局的重要組成部分，是上海西南五區(qū)（青浦、松江、金山、閔行、奉賢）的供水水源地，為生態(tài)型調蓄水庫。水庫占地面積約2.7 km2，其中水面積1.92 km2，總庫容約9.10×106m3。金澤水庫直接引太浦河水，水庫原水經輸水泵站提升由連通管及原水管網輸送至受水點，服務人口約670萬人。

考慮到中試試驗結果的代表性，同時為更好地發(fā)揮其在金澤水庫建設運行過程中的指導作用，中試工程設計為原位中試，中試場地緊鄰金澤水庫，中試試驗用水直接引太浦河水。根據相似性準則，中試工程的平面長度變比設為1∶20（面積比為1∶400），高程變比為 1∶1。中試工程占地共約 10畝（0.667 hm2），分模擬試驗區(qū)、分組試驗區(qū)、配水系統等 3個組成部分；其中，模擬試驗區(qū)包括強化預處理區(qū)和生態(tài)凈化區(qū)。沉水植物水質改善的中試試驗在生態(tài)凈化區(qū)中開展。

1.2 試驗設計

在生態(tài)凈化區(qū)內設3組試驗區(qū)和1組對照區(qū)，各試驗區(qū)內進行沉水植物配置，每個區(qū)間利用定植樁分隔。通過對各試驗區(qū)和對照區(qū)進、出水指標監(jiān)測，分析沉水植物對水質改善的效果。

1.3 供試植物及配置

金澤水庫中試試驗的目的是為金澤水庫建設運行提供技術依據。根據金澤水庫實際設計情況，綜合考慮植物凈化效果、耐污性能和維護管理等因素，選擇 3種當地優(yōu)勢種輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）、苦草（Vallisneria natans）和伊樂藻（Elodea nuttallii）作為庫區(qū)沉水植物。為使中試試驗的結果更好地服務于水庫建設運行和管理，中試試驗的植物選擇與設計情況保持一致。在植物配置時考慮單物種群落配置和不同季節(jié)植物的組合配置，將耐寒型沉水植物伊樂藻與苦草進行群落組合配置，選擇黑藻進行單一群落配置（表1）。

供試植物種子和幼苗均購于江蘇某苗圃基地，植物栽種期間，各試驗區(qū)水深維持在1 m左右。伊樂藻采用枝尖插植方式，插植時間為2015年11月下旬，枝尖長度約為15～20 cm；苦草采用種子撒播方式，撒播時間為2016年3月，伊樂藻和苦草的種植面積比例約為6∶4；輪葉黑藻采用幼苗插植方式，插植時間為2016年4月，幼苗長度約15 cm；栽植時，各試驗區(qū)植物種植密度控制在 25 crowd?m-2左右。各試驗區(qū)水生植物長勢良好，至2016年6月底，試驗區(qū)3的植物覆蓋度達到90%左右，試驗區(qū)2和試驗區(qū)1的植物覆蓋度分別為85%和80%左右。各試驗區(qū)水深仍維持在1 m左右，水體在各試驗區(qū)的滯留時間約為1.75 h。

1.4 采樣及分析方法

根據生態(tài)凈化區(qū)內水流流態(tài)，在各試驗區(qū)和對照區(qū)的進水和出水處設置水質采樣點，每個采樣點深度為水面下0.5 m處，重復采樣3次，取平均值。在各試驗區(qū)中心處設置沉水植物采樣點，重復采樣3次，取平均值。采樣時間為7—11月，水質采樣頻次為每月2～4次，植物采樣頻次為每月2次。采樣布點情況見圖1。水質分析指標包括總氮（TN）、總磷（TP）、懸浮物（SS）、氨氮、硝酸鹽氮正磷酸鹽測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》（國家環(huán)保局，1997）。稱量沉水植物濕質量和干質量。

表1 各試驗區(qū)域水生植物配置情況Table 1 Allocation of Plants in Different Trial Areas

圖1 試驗區(qū)布置及采樣布點示意圖Fig. 1 Trial Area and Sampling Layout

2 結果與分析

2.1 植物生長變化分析

試驗期間，7—9月為植物生長的旺盛期，各植物區(qū)枝葉繁茂；9月底在試驗區(qū)2和試驗區(qū)3觀察到伊樂藻葉片有枯黃的現象；10月中下旬，各植物區(qū)均觀察到葉片枯黃現象，試驗區(qū)3中大片水草根莖斷裂，斷枝枯葉浮于水面。每月2次對各植物區(qū)進行生物量測定，結果見圖 2。由圖可知，試驗區(qū)1中的黑藻生長呈現出明顯的“快-慢-衰亡”的過程；6—8月為快速生長期，生物量呈指數增長；8—9月為緩慢生長期；10月后開始進入衰亡期，生物量逐漸下降。試驗區(qū)2和試驗區(qū)3中的伊樂藻+苦草群落由于伊樂藻的生長季節(jié)特性，其植物生長時間早于黑藻，其中，試驗區(qū)3的植物群落于6月已進入成熟穩(wěn)定期，而試驗區(qū)2的植物配置雖與試驗區(qū)3相同，但由于采用了植生網墊土壤防護材料，其植物長勢不如試驗區(qū)3好。3組試驗區(qū)在試驗期間的生物量（干重）表現為試驗區(qū) 3 (747.8±333.6)g?m-2＞ 試 驗區(qū) 2 (539.1±304.4) g?m-2＞ 試 驗區(qū) 1(338.3±329.3) g?m-2。

圖2 試驗期間各試驗區(qū)生物量變化Fig. 2 Changes of Biomass in Each Trial Area

2.2 水質凈化效果分析

2.2.1 各試驗區(qū)進出水指標濃度變化

試驗過程中各試驗池進出水水質指標變化如表2所示，指標數據為2016年7—11月各組試驗區(qū)取水的實測平均值，由于進出水水質及水生植物生長狀態(tài)受季節(jié)影響數值波動較大，故以平均值為基準討論趨勢變化。由表2可知，各沉水植物試驗區(qū)對過流水體中的氮、磷物質和懸浮物均有較為明顯的凈化效果。在沒有種植水生植物的對照組，各出水水質指標和進水相應指標相同或略有降低，說明水體中可能因沉降和微生物降解等過程而具備一定的自凈能力，但由于停留時間不長，其自凈能力有限。相比對照組，種植沉水植物的各試驗區(qū)出水指標數值均低于進水，且其降幅明顯大于對照組，說明沉水植物對水體中的氮磷營養(yǎng)物質和懸浮物均有明顯的吸收凈化作用?？傮w而言，試驗區(qū) 3各出水水質指標數值均相對較低。

從植物試驗區(qū)各進出水指標的月變化來看（圖3），在沉水植物生長茂盛的7—9月，出水中的氮、磷濃度均明顯低于進水濃度，而在 10月植物進入衰亡期后，試驗區(qū)對氮磷的吸收凈化效果明顯降低，在11月，甚至出現了出水TN濃度比進水濃度高的現象，出水PO43--P濃度和進水濃度也非常接近，這可能和衰亡期植物死亡分解釋放營養(yǎng)物質（李文朝等，2001；李燕等，2008）有關。

2.2.2 對氮鹽的凈化效果

對各試驗區(qū)的氮鹽去除率進行統計，結果如表3所示。在生長旺盛期（7—9月），各植物試驗區(qū)對的平均去除率為17.5%，對的平均去除率為11.0%，對TN的平均去除率為8.2%。

2.2.3 對磷鹽的凈化效果

對各試驗區(qū)的磷鹽去除率進行統計，結果如表4所示。在生長旺盛期（7—9月），各植物試驗區(qū)對的平均去除率為42.3%，對TP的平均去除率為18.1%。

表2 各試驗區(qū)進出水指標Table 2 Indexes of influent and effluent in each trial area mg?L-1

圖3 植物試驗區(qū)進出水指標濃度各月變化Fig. 3 Monthly Variation of Conc. of Influent and Effluent Water in Plant Trial Area

表3 各試驗區(qū)N、-N、TN去除率Table 3 Removal Rate of 4, , TN in Each Trial Area %

表3 各試驗區(qū)N、-N、TN去除率Table 3 Removal Rate of 4, , TN in Each Trial Area %

Treatment NH4+-N NO3--N TN Trial zone 1 19.1±7.3 8.8±4.8 4.8±1.6 Trial zone 2 14.4±3.6 10.0±2.7 7.7±3.1 Trial zone 3 18.9±2.9 14.3±4.0 12.2±5.6 Control group 4.2±6.2 2.8±3.9 0.2±1.4

表4 各試驗區(qū)-P、TP去除率Table 4 Removal Rate of PP & TP in Each Trial Area

表4 各試驗區(qū)-P、TP去除率Table 4 Removal Rate of PP & TP in Each Trial Area

%

沉水植物對水體中磷的去除主要依靠植物直接吸收、植物體吸附和沉淀作用等途徑去除（Christiansen et al.，2016）。植物可直接吸收利用的磷通常為-P，由于季節(jié)型的差異黑藻的生長高峰期晚于伊樂藻，各試驗區(qū)生物量的測定也表明，7—9月為黑藻的快速生長期，因此試驗區(qū)1對-P的去除率最高與其在快速生長期吸收更多的磷以滿足自身生長需求是一致的。對于TP的去除，各試驗區(qū)去除效果基本相當，說明除了直接吸收利用外，對磷鹽的去除更多的是依靠植物體的吸附和沉淀作用來完成的?？傮w而言，試驗區(qū)對磷鹽的去除效果明顯高于對氮鹽的去除效果，這和王麗卿等（2008）的研究結果一致。

2.2.4 對SS的去除效果

各試驗區(qū)進水SS濃度見表5。沉水植物對SS的去除一方面是通過根莖和葉片的攔截吸附作用直接去除SS，另一方面是沉水植物的阻流作用使流速變小從而促進 SS的沉降。在生長旺盛期（7—9月），各植物試驗區(qū)對SS的平均去除率為28.1%。各試驗區(qū)的凈化效率排序表現為試驗區(qū) 3＞試驗區(qū)2＞試驗區(qū)1＞對照組。

表5 各試驗區(qū)SS去除率Table 5 Removal Rate of SS in Each Trial Area %

3 討論

3.1 生物量對凈化效果的影響

試驗期間，各試驗區(qū)生物量經歷了由低到高再降低的過程。圖4～圖9所示為各試驗區(qū)水質指標去除率與植物生物量的對應關系圖。

總體上，在進水濃度基本接近的條件下，各指標均表現出生物量越高，則去除率越高的規(guī)律。如7月，3個試驗區(qū)的生物量大小為試驗區(qū)3＞試驗區(qū)2＞試驗區(qū)1，相對應的-N去除率分別為22.2%、10.3%、8.1%，TN去除率分別為 20.3%、13.6%、4.2%，-P去除率分別為31.4%、29.2%、14.0%，TP去除率分別為26.2%、23.3%、13.8%，SS去除率分別為46.6%、38.3%、28.7%，均表現出顯著的正相關性。

圖4 -N去除率和生物量的關系Fig. 4 Relationship between Removal Rate oN and Biomass

圖5 N去除率和生物量的關系Fig. 5 Relationship between Removal Rate of N and Biomass

圖6 TN去除率和生物量的關系Fig. 6 Relationship between Removal Rate of TN and Biomass

圖7 P去除率和生物量的關系Fig. 7 Relationship between Removal Rate of-P and Biomass

而不同的植物種類其生物量與去除率的相關程度也不同，如試驗區(qū)1的黑藻，在其生物量處于高值的8—9月，其對的去除率均明顯高于生物量較為接近甚至更高的試驗區(qū)2和試驗區(qū)3的去除率，說明在8—9月，黑藻群落比苦草、伊樂藻組合群落對無機態(tài)氮、磷的吸收利用和凈化效果更好。

圖8 TP去除率和生物量的關系Fig. 8 Relationship between Removal Rate of TP and Biomass

圖9 SS去除率和生物量的關系Fig. 9 Relationship between Removal Rate of SS and Biomass

在各月份進水濃度不同的情況下，植物生物量與各氮磷指標的去除率的相關性存在一定差異，具體表現為植物生物量與TN的去除率相關性不顯著，與和TP的去除率存在一定的相關性；如9月各試驗區(qū)生物量顯著低于8月，但各試驗區(qū)植物對TN的去除率均高于8月；而TP的去除率總體表現為在生物量較高的8月、9月去除率較高，在生物量最低的 10月去除率較低的規(guī)律，去除率和生物量存在一定的正相關性。這一結果可能是不同月份進水濃度的差異對植物吸收作用的影響所致。研究表明，水生植物在生長過程中具有過量吸收氮、磷營養(yǎng)元素的能力，水生植物中氮、磷含量都達到或超過生長所需最低閾值（吳愛平等，2005）。根據監(jiān)測結果，9月各試驗區(qū)進水NO3--N、TN濃度高于8月，因此，在進水濃度相對較低的8月，植物吸收氮、磷物質含量有限，而隨著9月進水氮磷濃度的增高，植物可更多地富集水體中的過剩營養(yǎng)物質；吳愛平等（2005）得出的“沉水植物 N、P組織營養(yǎng)濃度與湖泊的營養(yǎng)類型在一定程度上存在較明顯的關系”、Azcón et al.（2003）發(fā)現的“植物營養(yǎng)鹽N、P含量在一定范圍內隨著湖水營養(yǎng)濃度的升高而升高”等結論可支持這一結果。相比而言，各試驗區(qū)8—10月的、TP進

水

濃度相差不大或8月、9月更高，其去除率受進水濃度差異的影響很小。

3.2 進水濃度對凈化效果的影響

圖10 NH4+-N去除率和進水濃度的關系Fig. 10 Relationship between Removal Rate of NH4+-N and Influent Conc.

圖11 -N去除率和進水濃度的關系Fig. 11 Relationship between Removal Rate ofand Influent Conc.

圖12 TN去除率和進水濃度的關系Fig. 12 Relationship between Removal Rate of TN and Influent Conc.

圖13 P去除率和進水濃度的關系Fig. 13 Relationship between Removal Rate oP and Influent Conc.

圖14 TP去除率和進水濃度的關系Fig. 14 Relationship between Removal Rate of TP and Influent Conc.

圖15 SS去除率和進水濃度的關系Fig. 15 Relationship between Removal Rate of SS and Influent Conc.

3.3 去除率與生物量、進水濃度的回歸分析

采用SPSS統計軟件對生物量、進水濃度與去除率的相關性進行回歸分析。根據監(jiān)測結果，采用多元逐步回歸分析方法，以去除率為因變量，生物量、進水濃度為自變量，得出的回歸結果見表6。

由逐步回歸結果可知，與氮、磷營養(yǎng)物質和懸浮物去除率最直接相關的因素為植物的生物量，相關性系數分別為 0.649、0.675和 0.722，呈顯著相關（P＜0.05）；而在進一步回歸中，進水濃度也進入回歸模型，去除率和生物量、進水濃度的相關性系數分別為 0.891、0.816和 0.849，呈極顯著相關（P＜0.01）。這一結果表明，受試植物黑藻、伊樂藻和苦草對水中氮、磷營養(yǎng)物質的凈化效果主要受植物生物量大小的影響，二者之間存在顯著的正線性相關關系，但凈化效果同時還受進水濃度大小的影響，進水濃度與去除率也存在一定的正相關性。

4 結論

（1）試驗期間，水生植物生長總體經歷了“快-慢-衰亡”的過程，生物量（干重）表現為試驗區(qū)3(747.8±333.6) g?m-2＞試驗區(qū) 2 (539.1±304.4) g?m-2＞試驗區(qū) 1 (338.3±329.3) g?m-2。

（2）在植物生長旺盛期，水生植物對水體中的氮磷營養(yǎng)鹽均有明顯的吸收凈化作用，以試驗區(qū) 3中的苦草和伊樂藻群落對氮磷營養(yǎng)鹽的去除率最高，對TN、TP的去除率最高分別達到20%和26%；但在植物衰亡期，苦草和伊樂藻群落出現了出水氮磷濃度比進水濃度高的現象，這可能和衰亡期植物死亡分解釋放營養(yǎng)物質有關。從去除率看，各試驗區(qū)對磷營養(yǎng)鹽的去除效果明顯優(yōu)于對氮營養(yǎng)鹽的去除效果。

表6 去除率與生物量、進水濃度的多元回歸結果Table 6 Multiple Regression Results of Removal Rate with Biomass& Influent Conc.

（3）各試驗區(qū)對氮磷營養(yǎng)鹽的去除率與植物生物量均表現出明顯的正相關關系，在進水濃度相近的條件下，生物量越高，凈化效果越好；同時去除率在一定程度上還受到進水氮磷濃度的影響，進水濃度高，植物對營養(yǎng)物質的去除率也相對較高。

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