伊樂藻—螺螄組合對模擬湖濱濕地水體凈化效果的研究

李 壯， 張 紅， 王 妹， 杜興華， 王久新， 蔡新華， 靳 坤， 張明磊

(1 山東省淡水漁業(yè)研究院，山東 濟南 250013；2 濟南市淡水養(yǎng)殖科學研究所，山東 濟南 250117；3 山東省濟寧市任城區(qū)水產(chǎn)局，山東 濟寧 272000；4 山東省新泰市小協(xié)鎮(zhèn)人民政府，山東 新泰 271200)

南四湖、東平湖水域作為山東省內(nèi)陸淡水生態(tài)系統(tǒng)，承擔了調(diào)蓄水、改善生態(tài)環(huán)境、旅游觀光、供應水產(chǎn)品等生態(tài)和社會功能。多年來，由于沿湖工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成湖泊面積日益縮減，湖濱水質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)功能也遭到了破壞。為修復已受損的生態(tài)環(huán)境，開發(fā)湖泊水域環(huán)境的治理和保護技術刻不容緩。國內(nèi)外研究表明，利用生態(tài)學原理，通過移植適宜的水生動植物對受污染水體進行原位修復是生態(tài)治理的有效手段[1-7]，且有著成本低、效果好、環(huán)境價值生態(tài)效益兼?zhèn)涞戎T多優(yōu)點[8]。

伊樂藻(Elodeanuttallii)是水鱉科多年生沉水植物，具有極強的斷枝無性繁殖能力[9]，且能耐受高濃度的氮(N)、磷(P)[10]，常被選作湖泊水生植物凈水修復的先鋒種[11]；此外，伊樂藻還是河蟹的優(yōu)良餌料。螺螄(Bellamyaaeruginosa)作為一種底棲動物，通過攝食水中藻類、有機碎屑等，可有效降低水中的N、P、葉綠素a等污染物[12-15]。目前，國內(nèi)有若干關于水生植物和底棲動物協(xié)同凈化水質(zhì)的研究，取得了不錯的效果[16-17]。然而，關于伊樂藻和螺螄的協(xié)同凈化效果鮮有報道。

本試驗通過對伊樂藻和螺螄的不同密度組合，對模擬湖濱濕地水體凈化效果進行研究，探討兩者合適的種植、放養(yǎng)密度，旨在為湖濱濕地的生態(tài)修復提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在地點山東濟寧任城區(qū)路口漁業(yè)專業(yè)合作社。試驗用螺螄采捕于當?shù)爻靥?，挑選規(guī)格均勻、無傷殘、活力好的個體。試驗用伊樂藻為移植至當?shù)厮w并預培養(yǎng)15 d后挑選長勢良好、均勻的植株。試驗用底泥采挖自當?shù)睾I養(yǎng)殖池塘，經(jīng)徹底風干并測定含水量，敲碎過篩后使用。試驗用水取自養(yǎng)殖池塘，為防止外來雜質(zhì)干擾，試驗期間蒸發(fā)及植物生長等損耗水用純凈水補充。

1.2 試驗設計

試驗在水箱中進行。水箱規(guī)格為長665 mm×寬485 mm×高380 mm。參考文獻[12,15,18]的研究并結(jié)合本試驗實際，設置試驗梯度。螺螄設置3個梯度：120 g/m2、240 g/m2和360 g/m2，伊樂藻設置3個梯度：100 g/m2、200 g/m2和300 g/m2。根據(jù)水箱規(guī)格，3個梯度螺螄實際投放量分別為每箱38 g、76 g和114 g；3個梯度伊樂藻實際投放量分別為每箱31.5 g、63 g和94.5 g。采用螺螄和伊樂藻兩因素三水平L9(32)的方法設置A、B、C、D、E、F、G、H、I共9個試驗組，另設1個空白對照組(表1)。

表1 試驗設計

每組3個重復，共30個試驗水箱，每個水箱內(nèi)加入風干泥樣5 kg，加池塘水至離水箱上沿5 cm。加水后，用潔凈木棒將底泥徹底粉碎并輕輕攪拌，使底泥相對均勻地平鋪于水箱底部(底泥厚約4 cm)。靜置1 d后，測定泥樣和水樣數(shù)據(jù)為第0天數(shù)據(jù)。然后按照試驗設置，將螺螄均勻地撒到水槽中，采用扦插移栽的方法將伊樂藻移植入試驗水體。每隔10 d采泥樣(采用5點取樣法，即四角和中間各取一點)和水樣各1次，連續(xù)檢測4次。泥樣離心得到測定所用間隙水后，剩余間隙水及泥樣全部倒回原采樣水箱。試驗結(jié)束時測定伊樂藻、螺螄的最終質(zhì)量。

1.3 檢測項目和方法

采集泥樣立即送實驗室離心獲得間隙水，測間隙水的TN、TP、COD方法和測水樣的相同。

1.4 去除率計算

E=100%×(C0-Ci)/C0

(1)

式中：E—去除率；C0—初始質(zhì)量濃度，mg/L；Ci—第i天質(zhì)量濃度，mg/L。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel2007軟件進行統(tǒng)計分析。應用SPSS19.0軟件進行方差分析，比較各組差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 伊樂藻生長情況

伊樂藻生長情況見表2。整個試驗過程中，伊樂藻長勢良好，各試驗組藻的質(zhì)量都有顯著增加。

表2 試驗前后伊樂藻質(zhì)量變化

觀察發(fā)現(xiàn)，試驗前期生長速度較快，后期減緩。試驗結(jié)束時，各組間伊樂藻質(zhì)量差異不顯著。比較伊樂藻增量和初始投放量的比值，因初始投放量的不同而差異顯著，且隨初始投放量的增加，該比值減小。表明初始投放量越大，增量倍數(shù)越小，反之，初始投放量越小，增量倍數(shù)越大，最終都是趨于一個相對較一致的生物量(554.31±29.60)g。分析認為，試驗水體的環(huán)境容納量有限，該生物量可能接近于伊樂藻在本試驗水體下的最大環(huán)境容納量。

2.2 螺螄生長情況

螺螄生長情況見表3。試驗過程中一些試驗組螺螄有死亡，從死亡率來看，初始投放量越大，死亡率越高。從存活的螺螄質(zhì)量來看，螺螄投放量較低的兩梯度試驗組(120 g/m2、240 g/m2)均重都有所增加；螺螄投放量360 g/m2組均重減小，可能與該組死亡率高、死亡個體規(guī)格較大有關。表明該組的螺絲投放密度可能過大，而較低的兩個投放量則是合適的。

表3 試驗前后螺螄(活體)質(zhì)量變化及死亡率

2.3 試驗水質(zhì)的變化情況

2.3.1 TN質(zhì)量濃度變化

由圖1可以看出，試驗水體中的總氮含量整體呈現(xiàn)先迅速下降后趨于穩(wěn)定的過程。

第30天后，各組TN質(zhì)量濃度不再顯著下降。試驗結(jié)束時，各試驗組去除率達到61.54%～80.00%，去除率最低為E組，最高為D組，低于張衛(wèi)等[19]的伊樂藻對高濃度脅迫水的95.3%TN去除率的結(jié)果，但優(yōu)于其對河水和Ⅴ類水的凈化效果。推測認為，一方面，TN去除率與試驗初始的TN質(zhì)量濃度有一定關系，初始TN質(zhì)量濃度越大，TN去除率越高，這個推測與吳曉霞等[12]的研究結(jié)果相符；另一方面，螺螄的活動可能對TN的去除有一定的影響。與張衛(wèi)等[19]的結(jié)果類似，對照組的TN質(zhì)量濃度也有一定下降，但不同的是，本試驗試驗組TN質(zhì)量濃度顯著低于對照組，表明伊樂藻—螺螄組合對水體TN有很好的凈化效果。對照組TN下降，推測是因為水體懸浮物質(zhì)的沉降及反硝化作用。

圖1 試驗水體TN質(zhì)量濃度和去除率變化

2.3.2 TP質(zhì)量濃度變化

TP變化如圖2所示。從試驗開始到第20天，試驗組TP質(zhì)量濃度隨時間推移緩慢下降，從第30天開始又有一個上升過程。這個趨勢同張衛(wèi)等[19]的研究結(jié)果一致。一方面，可能因為試驗后期隨著伊樂藻生長減緩，對水體中磷酸鹽的吸收作用減弱，加上底泥中磷酸鹽溶解散逸到水中，導致水中總磷升高；另一方面，螺螄的攝食、排泄、蠕動等生命活動可能對水體TP的回升有一定的影響。對照組TP質(zhì)量濃度則先升高后緩慢下降。第20天時，各試驗組TP去除率最高，而對照組為-3.85 %，表示TP質(zhì)量濃度有所上升。試驗結(jié)束時，A組去除率最高(47.06 %)，其次為D組(30 %)。該結(jié)果低于吳小霞等[11]47.55 %～79.23 %的試驗結(jié)果，可能與本試驗初始質(zhì)量濃度較低有關。另外，螺螄的活動可能也有一定的影響。該結(jié)果表明，伊樂藻—螺螄組合對水體TP也有顯著的凈化效果，但隨著伊樂藻生長的減緩，加上螺螄活動，TP可能會有一定程度的回升。

圖2 試驗水體TP質(zhì)量濃度和去除率變化

2.3.3 COD質(zhì)量濃度變化

試驗水體COD變化情況如圖3所示。隨時間推移先平緩上升后顯著下降。試驗第10天時，對照組COD顯著高于B、E、H組，此3組初始伊樂藻密度均為200 g/m2，表明該密度下伊樂藻對COD去除速率最快。

圖3 試驗水體COD質(zhì)量濃度和去除率變化

試驗結(jié)束時，各試驗組COD質(zhì)量濃度均顯著低于對照組(P<0.05)，表明伊樂藻—螺螄對水體中的COD去除作用明顯，去除率19.17 %～35.71 %。該結(jié)果跟譚雪梅等[20]的34.37 %～35.39 %的試驗結(jié)果相近，但遠低于王陽陽等[21]在東涇河河道圍格的77.08 %的試驗結(jié)果。這可能與試驗初始質(zhì)量濃度、試驗季節(jié)以及種植密度等不同有關。對照組中COD質(zhì)量濃度也有所下降，推測與水體中懸浮物的自然沉降以及微生物降解有關[22-23]。

圖4 試驗水體質(zhì)量濃度和去除率變化

圖5 試驗水體和質(zhì)量濃度變化

2.4 底泥間隙水的變化情況

2.4.1 TN質(zhì)量濃度變化

底泥中TN隨時間逐漸下降，第10天檢測時，A、E、F、G組顯著低于對照組，表明伊樂藻—螺螄組合對底泥中TN有明顯的去除作用。試驗結(jié)束時，H組底泥TN質(zhì)量濃度顯著高于I組，表明螺螄對底泥中TN去除有較為明顯的效果。各試驗組去除率分別為70.86 %、82.55 %、85.51 %、74.30 %、70.09 %、77.17 %、79.90 %、69.05 %、75.74 %。該結(jié)果遠高于孟順龍等[12]的10.25 %～30.14 %，原因可能是本試驗中沒有養(yǎng)殖魚類，且種植的伊樂藻吸收了大量的氮。

圖6 底泥TN質(zhì)量濃度和去除率變化

2.4.2 TP質(zhì)量濃度變化

底泥中TP變化如圖7所示。各組間變化較大，多數(shù)組的質(zhì)量濃度有所下降，個別組有所上升?？赡苁怯捎谝翗吩逦茨芗皶r梳理造成腐爛沉積底泥表層以及螺螄死亡等原因?qū)P的測量結(jié)果影響較大。

圖7 底泥TP質(zhì)量濃度變化

2.4.3 COD質(zhì)量濃度變化

底泥中COD變化如圖8所示，整體呈下降趨勢。第20天時，C組(螺螄最少)顯著高于G組(螺螄最多)，C組由初始質(zhì)量濃度226.21 mg/L降為220.33 mg/L，去除率為2.6%，G組由356.00 mg/L降為107.15 mg/L，去除率達到69.9%，表明螺螄密度高可能對底泥中的COD有更顯著的去除效果。

圖8 底泥COD質(zhì)量濃度變化

3 結(jié)論

試驗結(jié)果顯示，當螺螄—伊樂藻組合投放密度分別在240 g/m2和200 g/m2時，對水體和底質(zhì)凈化效果最優(yōu)。伊樂藻初始投放量為200 g/m2時，初期的凈化速率最快，可能是最優(yōu)生長密度。在實際生產(chǎn)中應注意伊樂藻的收割，過高的藻密度可能導致遮光效應，造成大量死亡而污染水質(zhì)，還可能使pH過高對其他水生物造成不利影響。螺螄密度高對底質(zhì)COD去除效果更加顯著，推測是由于螺螄對底泥的攝食作用。但螺螄密度過大可能引起無機氮升高，也易造成缺氧死亡。本試驗中，240 g/m2是最優(yōu)密度。

□