浮葉植物與底棲動(dòng)物協(xié)同修復(fù)采煤塌陷水域的效果

許國晶，田功太，李壯，張金路，杜興華，鞏俊霞，張明磊，陳秀麗

（山東省淡水漁業(yè)研究院，山東省淡水水產(chǎn)遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250117）

山東省濟(jì)寧、棗莊地處微山湖附近，采煤地面下沉和微山湖地下水位的影響，在采煤沉陷區(qū)形成了積水區(qū)域。目前人們根據(jù)采煤塌陷水域水位的深淺采取了不同方式的復(fù)墾[1-6]，如在淺水區(qū)域開挖池塘，面積較大水域發(fā)展大水面養(yǎng)殖及網(wǎng)圍、網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)。但水產(chǎn)養(yǎng)殖的尾水排放對周邊生態(tài)環(huán)境造成了不同程度的影響[7,8]。有效去除采煤塌陷水域水質(zhì)和底泥間隙水中的營養(yǎng)鹽，對保護(hù)塌陷區(qū)水域生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)塌陷區(qū)水域可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

荇菜Nymphoides peltatum生長時(shí)能吸收水體中的營養(yǎng)鹽，常被用來修復(fù)富營養(yǎng)化水環(huán)境。包先明等[9]研究了荇菜重建對湖泊氮磷營養(yǎng)水平的影響，結(jié)果表明荇菜能有效降低水體及間隙水中氮磷營養(yǎng)鹽含量。崔麗娟等[10]、黃余春等[11]也研究了荇菜及荇菜與其他植物群落組合凈化水體效果，結(jié)果均表明荇菜能明顯去除水體中的N、P營養(yǎng)鹽。孟順龍等[12]研究了螺螄Margarya melanioides對池塘底泥及水質(zhì)的凈化效果，結(jié)果表明螺螄可凈化水體及底泥營養(yǎng)鹽，但不能徹底凈化，應(yīng)和其他水質(zhì)凈化技術(shù)聯(lián)合使用。迄今為止，關(guān)于荇菜與底棲動(dòng)物螺螄組合協(xié)同修復(fù)體系凈化采煤塌陷區(qū)養(yǎng)殖水體的研究還未見報(bào)道。本研究通過構(gòu)建不同覆蓋率（10%及20%）的荇菜與螺螄組合的協(xié)同修復(fù)體系，研究其對采煤塌陷區(qū)養(yǎng)殖水域水質(zhì)以及底泥間隙水凈化效果，為調(diào)控采煤塌陷區(qū)養(yǎng)殖池塘水環(huán)境的水質(zhì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

等量抽取3個(gè)采煤塌陷水域改造成的臺灣泥鰍Paramisgurnus dabryanus養(yǎng)殖池塘的水，充分混合后作為試驗(yàn)用水，水質(zhì)指標(biāo)見表1。取上述3個(gè)池塘底部的底泥，充分混合后用于試驗(yàn)。底泥中總氮（TN）含量為 6.20～6.27mg·L-1，總磷（TP）為 0.18mg·L-1。

試驗(yàn)采用濟(jì)寧采煤塌陷水域常見的浮葉植物荇菜，底棲動(dòng)物螺螄購自山東浩洋生態(tài)科技有限公司。荇菜和螺螄在試驗(yàn)水體中預(yù)培養(yǎng)2周再用于后續(xù)試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)用水的水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Water quality（mg·L-1）in the test tanks

1.2 方法

試驗(yàn)用長90cm×寬75cm×高60cm的PE材質(zhì)水箱，水體積為280L，放置約10cm厚的底泥。試驗(yàn)共分成4組，第I、II組放置140g螺螄（250g·m-2），移植荇菜0.1kg和0.2kg，用竹竿固定在水箱中，覆蓋10%和20%的水面。第III組放置等量的螺螄而不放置荇菜，為底棲動(dòng)物對照組，第IV組螺螄和荇菜都不放，為空白對照組。試驗(yàn)過程中不加水。試驗(yàn)自2017年7月6日至7月29日。

水箱準(zhǔn)備完畢后，當(dāng)日上午8:00，采集水樣和泥樣，每4～5d取一次水樣。采水樣時(shí)先用5L采水器在箱底取水，再用50mL離心管從中進(jìn)行采集。TN、TP、氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、亞硝氮（NO2--N）等含量采用許國晶等[13]的方法檢測，采用Spectroquant Pharo 100（德國MERCK）分光光度計(jì)測定。

泥樣檢測周期為10d，泥樣4 200r·min-1離心，取上清液，用0.45μm濾膜過濾上清液，即得底泥間隙水[14]。檢測方法同上面的水樣檢測。

為準(zhǔn)確評價(jià)浮葉植物與底棲動(dòng)物對水質(zhì)營養(yǎng)鹽的去除效果，在計(jì)算營養(yǎng)鹽去除率時(shí)扣除了空白對照組的數(shù)值[15]，計(jì)算方法如下：

營養(yǎng)鹽去除率=[（空白對照組營養(yǎng)鹽濃度-各試驗(yàn)組營養(yǎng)鹽濃度）/空白對照組營養(yǎng)鹽濃度]×100%

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用平均值表示，用方差分析軟件SPSS16.0進(jìn)行方差分析，P＜0.05時(shí)表示差異顯著。采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理組水體中TN含量的變化

由圖1可知，覆蓋面積10%荇菜+螺螄組、20%荇菜+螺螄組及螺螄對照組中TN濃度隨時(shí)間呈下降的趨勢。覆蓋面積10%荇菜+螺螄組TN濃度從 2.43mg·L-1降至 1.73mg·L-1，降低了 0.7mg·L-1；20%荇菜+螺螄組和螺螄對照組TN濃度分別從2.37mg·L-1和 2.47mg·L-1降低至 1.23mg·L-1和1.90mg·L-1，分別降低了 1.14mg·L-1和 0.57mg·L-1，各處理組TN濃度均顯著降低（P＜0.05）。10%荇菜+螺螄組、20%荇菜+螺螄組及螺螄對照組TN最大去除率分別27.78%、48.61%和20.83%，即10%荇菜+螺螄組和20%荇菜+螺螄組最大TN去除率高于螺螄對照組，說明荇菜與螺螄協(xié)同作用優(yōu)于螺螄單獨(dú)作用，推測螺螄可以將水體中懸浮態(tài)的N、P轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)的N、P[16]，促進(jìn)了水生植物荇菜的凈化作用。本實(shí)驗(yàn)中荇菜+螺螄組對水體中TN最大去除率高于金魚藻Ceratophyllum demersum與環(huán)棱螺Bellamya purificata組合對TN去除率（20.48%）[17]，20%荇菜+螺螄組對TN最大去除率高于空心菜Ipomoea aquatica Forsk與中華圓田螺Cipangopaludina chinensis組合對TN去除率（37.12%），但略低于西伯利亞鳶尾Isibirica與中華圓田螺組合對TN去除率（50.92%）[16]。說明水體中TN去除與植物種類及不同的覆蓋面積等因素有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)中螺螄對照組TN含量先上升后下降，推測是螺螄自身代謝所致，隨著螺螄逐漸適應(yīng)環(huán)境，通過自身濾食作用使水體中TN含量逐漸下降。

2.2 各處理組水體中NH4+-N含量的變化

由圖2可知，空白對照組NH4+-N含量略微增加，由 0.83mg·L-1增加至 0.86mg·L-1，10%荇菜 + 螺螄組、20%荇菜+螺螄組和螺螄對照組分別由0.86mg·L-1、0.83mg·L-1和 0.85mg·L-1降至 0.62mg·L-1、0.44mg·L-1和 0.54mg·L-1，分別降低了 0.24mg·L-1、0.39mg·L-1和 0.31mg·L-1。20%荇菜 + 螺螄組NH4+-N含量的降低量顯著高于10%荇菜+螺螄組（P＜0.05），螺螄對照組NH4+-N含量降低量和10%荇菜+螺螄組差異不顯著（P＞0.05）。10%荇菜+螺螄組、20%荇菜+螺螄組和螺螄對照組對NH4+-N的最大去除率分別達(dá)到了28.49%、49.42%和37.79%，20%荇菜+螺螄組對NH4+-N去除率顯著高于10%荇菜+螺螄組和螺螄對照組（P＜0.05），20%荇菜+螺螄組去除NH4+-N效果優(yōu)于螺螄對照組。這與劉飛等[18]的研究結(jié)果一致，說明水生植物與螺螄組合協(xié)同作用對NH4+-N的去除效果優(yōu)于螺螄單獨(dú)作用，但與水生植物的覆蓋面積密切相關(guān)。

圖1 各組水體中TN濃度及去除率隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.1 The dynamics and removal rate of TN levels in different waters with the experiment elapse

圖2 各組水體中NH4+-N濃度及去除率隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.2 The dynamics and removal rate of NH4+-N in different waters with the experiment elapse

2.3 各處理組水體中NO3--N含量的變化

由圖3可知，試驗(yàn)期間10%荇菜+螺螄組、20%荇菜+螺螄組及螺螄對照組NO3--N濃度較試驗(yàn)開始均有所降低，分別由0.93mg·L-1、0.93mg·L-1和 0.93mg·L-1降 至 0.63mg·L-1、0.50mg·L-1和0.73mg·L-1，與試驗(yàn)開始相比分別降低了0.30mg·L-1、0.43mg·L-1和 0.2mg·L-1。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，10%荇菜+螺螄組、20%荇菜+螺螄組及螺螄對照組NO3--N最大去除率分別達(dá)到了30.36%、46.43%和21.43%，20%荇菜+螺螄組對NO3--N去除率與螺螄對照組差異顯著（P＜0.05），與10%荇菜+螺螄組差異不顯著（P＞0.05）。本實(shí)驗(yàn)中，荇菜+螺螄組對水體中NO3--N最大去除率高于金魚藻與環(huán)棱螺組合[17]，低于海菜花-螺螄組合對NO3--N去除率（92.4%）[19]，推測不同的水生植物去除NO3--N的效果不同。海菜花Ottelia acuminata莖葉肥壯且易折損，為微生物提供了充足的碳源，海菜花濕地對NO3--N的去除率相對較高[19]。

2.4 各處理組水體中NO2--N含量的變化

圖3 各組水體中NO3--N濃度及去除率隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.3 The dynamics and removal rate of NO3--N in different waters with the experiment elapse

圖4 各組水體中NO2--N濃度及去除率隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.4 The dynamics and removal rate of NO2--N in different waters with the experiment elapse

由圖4可知，試驗(yàn)期間10%荇菜+螺螄組、20%荇菜+螺螄組及螺螄對照組NO2--N濃度較試驗(yàn)開始均有所降低，分別由0.45mg·L-1、0.44mg·L-1和 0.45mg·L-1降 至 0.17mg·L-1、0.06mg·L-1和0.29mg·L-1，與試驗(yàn)開始相比分別降低了0.28mg·L-1、0.38mg·L-1和 0.16mg·L-1。至試驗(yàn)結(jié)束，10%荇菜+螺螄組、20%荇菜+螺螄組及螺螄對照組NO2--N最大去除率分別達(dá)到了62.22%、87.78%和35.56%，20%荇菜+螺螄組對NO3--N去除率與10%荇菜+螺螄組及螺螄對照組差異顯著（P＜0.05）。

2.5 各處理組水體中TP含量的變化

由圖5看出，10%荇菜+螺螄組、20%荇菜+螺螄組TP濃度呈下降趨勢，螺螄對照組TP濃度呈先上升后下降的趨勢。10%荇菜+螺螄組、20%荇菜+螺螄組和螺螄對照組TP濃度分別從0.26mg·L-1、0.27mg·L-1和 0.25mg·L-1下 降 至 0.05mg·L-1、0.04mg·L-1和 0.13mg·L-1，分別降低了 0.21mg·L-1、0.23mg·L-1和 0.12mg·L-1，荇菜 + 螺螄組 TP 降低量顯著高于底棲對照組（P＜0.05），而不同面積的荇菜+螺螄組降低量差異不顯著（P＞0.05）。至試驗(yàn)結(jié)束，10%荇菜+螺螄組、20%荇菜+螺螄組和螺螄對照組TP最大去除率分別達(dá)到了75%、82.5%和35%，兩組荇菜+螺螄組對TP的去除率與螺螄對照組差異顯著（P＜0.05），說明荇菜與螺螄協(xié)同作用優(yōu)于螺螄單獨(dú)凈化效果。這與劉飛等[18]的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)中荇菜+螺螄組對TP去除率高于金魚藻+環(huán)棱螺組合[12]，也高于空心菜+中華圓田螺組合（53.49%）及西伯利亞鳶尾+中華圓田螺組合（32.2%）[16]，20%荇菜+螺螄組對TP去除率略高于海菜花-螺螄組合對TP的去除率（75.5±3.9）%，而10%荇菜+螺螄組對TP去除率與海菜花-螺螄組合對TP去除率相近[19]，說明水體中TP去除與其他營養(yǎng)鹽的去除一樣，不僅與水生植物種類有關(guān)，還與水生植物的覆蓋面積密切相關(guān)。螺螄對照組對TP去除率為35%，與孟順龍等[12]投放螺螄225g·m-2對TP去除率（38.9%）相近，低于其投放螺螄450g·m-2對TP去除率（44.4%）。本實(shí)驗(yàn)投放螺螄250g·m-2，說明螺螄凈化水質(zhì)效果與螺螄投放量密切相關(guān)。但在本研究中，浮葉植物荇菜和螺螄對水體營養(yǎng)鹽去除的貢獻(xiàn)率還需要深入研究。

圖5 各組水體中TP濃度及去除率隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.5 The dynamics and removal rate of TP in different waters with the experiment elapse

圖6 各處理組間隙水中TN、TP濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.6 The dynamics of TN and TP levels in interstitial water in different groups with the experiment elapse

2.6 試驗(yàn)過程中底泥間隙水氮、磷含量的變化

由圖6可知，10%荇菜+螺螄組底泥間隙水TN濃度由開始的 6.20 mg·L-1上升至 8.90 mg·L-1，20%荇菜 + 螺螄組由 6.20 mg·L-1下降至 6.10 mg·L-1，螺螄對照組則由 6.23 mg·L-1上升至 12.80 mg·L-1，空白對照組由 6.27 mg·L-1下降至 4.90 mg·L-1。螺螄對照組TN含量增加量顯著高于10%荇菜+螺螄組（P＜0.05）。10%荇菜+螺螄組底泥間隙水TP濃度由開始的 0.18 mg·L-1上升至 0.20 mg·L-1，20%荇菜 +螺螄組由 0.18 mg·L-1上升至 0.19 mg·L-1，螺螄對照組則由 0.18 mg·L-1上升至 0.23 mg·L-1，而空白對照組呈下降趨勢，由0.18 mg·L-1下降至0.10 mg·L-1。本實(shí)驗(yàn)中，空白對照組TN、TP濃度降低，推測是底泥間隙水中氮磷釋放至水中，而又不存在魚類、底棲動(dòng)物的外在代謝。螺螄對照組中底泥間隙水中TN、TP含量均增加，與孟順龍等[7]的試驗(yàn)結(jié)果一致。10%荇菜+螺螄組、20%荇菜+螺螄組TN、TP濃度增加量低于底棲對照組，推測是荇菜的根系與沉積物直接接觸，從間隙水中吸收的原因。水生植物根系具有重要的吸收功能，所需要的N和P可以直接通過根從底泥間隙水中吸收[9]。因此，水生植物根系吸收底泥間隙水中N、P營養(yǎng)鹽對控制采煤塌陷水域內(nèi)源營養(yǎng)鹽的負(fù)荷具有重要作用。

3 討論

浮葉植物荇菜和底棲動(dòng)物螺螄組合的協(xié)同修復(fù)體系去除采煤塌陷水域水質(zhì)和底泥間隙水中的營養(yǎng)鹽優(yōu)于的螺螄單獨(dú)作用；不同覆蓋率的水生植物構(gòu)建的協(xié)同修復(fù)體系對采煤塌陷區(qū)養(yǎng)殖水域水質(zhì)以及底泥間隙水營養(yǎng)鹽的去除效果不同。

覆蓋率20%的荇菜+螺螄組合的協(xié)同修復(fù)體系對采煤塌陷區(qū)養(yǎng)殖水體中 TN、TP、NH4+-N、NO3--N以及NO2--N的去除率高于10%的荇菜+螺螄組合，分別為48.61%、82.5%、49.42%、46.43%和87.78%，10%的荇菜+螺螄組合為27.78%、75%、28.49%、32.14%和62.22%。兩者對底泥TN、TP均有一定的去除作用。

［1］王超.濟(jì)寧市采煤塌陷地預(yù)測和治理模式研究［D］.泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2011:28-30.

［2］許國晶,段登選,杜興華.魯南采煤塌陷水域漁業(yè)及生態(tài)綜合治理模式研究［J］.海洋湖沼通報(bào),2016（1）:53-59.

［3］毛漢英,方創(chuàng)琳.兗滕兩淮地區(qū)采煤塌陷地的類型與綜合開發(fā)生態(tài)模式［J］.生態(tài)學(xué)報(bào),1998,18（5）:449-454.

［4］孫巖.濟(jì)寧煤礦塌陷區(qū)的生態(tài)恢復(fù)與治理研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué),2006:47-55.

［5］姬宗皓.濟(jì)寧地區(qū)煤炭塌陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)與治理研究［J］.山東國土資源,2008,24（12）:1-2.

［6］朱本領(lǐng),張新民,喬福洲.試論濟(jì)寧市煤田塌陷地的漁業(yè)開發(fā)［J］.齊魯漁業(yè),1996,13（3）:44-45.

［7］段登選,許國晶,栗明,等.魯南采煤塌陷水域漁業(yè)生態(tài)環(huán)境狀況研究［J］.中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2015,31（5）:75-80.

［8］李敏.采礦塌陷區(qū)漁業(yè)水域生態(tài)調(diào)控研究［D］.上海:上海海洋大學(xué),2015:3-4.

［9］包先明,陳開寧,范成新.浮葉植物重建對富營養(yǎng)化湖泊氮磷營養(yǎng)水平的影響［J］.生態(tài)環(huán)境,2005,14（6）:807-811.

［10］崔麗娟,李偉,趙欣勝,等.表流濕地不同植物配置對富營養(yǎng)化循環(huán)水體的凈化效果［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2011,27（2）:81-86.

［11］黃余春,田昆,岳海濤,等.云南高原常見湖濱濕地植物群落對生活污水氮的凈化研究［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2012,21（2）:359-363.

［12］孟順龍,吳偉,胡庚東,等.底棲動(dòng)物螺螄對池塘底泥及水質(zhì)的原位修復(fù)效果研究［J］.環(huán)境污染與防治,2011,33（6）:44-47.

［13］許國晶,杜興華,王春生,等.有效微生物菌群與大薸聯(lián)合凈化養(yǎng)殖水體的效果［J］.江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2014,30（4）:764-771.

［14］胡俊,劉永定,劉劍彤.滇池沉積物間隙水中氮、磷形態(tài)及相關(guān)性的研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005,25（10）:1391-1396.

［15］田功太,劉飛,段登選,等.EM菌對海參養(yǎng)殖水體主要污染物凈化效果的研究［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,43（3）:381-386.

［16］陳倩,晁建穎,張毅敏,等.底棲動(dòng)物與挺水植物協(xié)同修復(fù)富營養(yǎng)化水體的研究［J］.水處理技術(shù),2011,37（8）:61-63,71.

［17］蘭策介,王備新,陳開寧,等.金魚藻、環(huán)棱螺及其組合處理對水生附著生物含量和氮、磷濃度的影響［J］.生態(tài)學(xué)雜志,2009,28（10）:2042-2047.

［18］劉飛,段登選,李敏,等.菹草和螺螄對養(yǎng)殖池塘水體及底泥氮、磷等凈化效果研究［J］.海洋湖沼通報(bào),2016（6）:107-112.

［19］儲昭升,靳明,葉碧碧,等.海菜花-螺螄經(jīng)濟(jì)濕地對農(nóng)田低污染水的凈化［J］.環(huán)境科學(xué)研究,2015,28（6）:975-980.