山區(qū)水庫消落帶挺水植物對水體中總氮和總磷的降解效應(yīng)

陳海生

(浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院,浙江 杭州 311231)

水庫消落帶是指因水庫調(diào)度等原因引起庫水位變動而在庫區(qū)周圍形成的一段特殊區(qū)域，是水位反復(fù)周期性變化的干濕交替區(qū)，是水陸之間的連接帶，是兩者間進行物質(zhì)、能量、信息交換的生態(tài)過渡帶，其生態(tài)狀況的好壞將直接影響陸地與水庫生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)狀況[1]。

水庫富營養(yǎng)化指的是水體中N、P等營養(yǎng)鹽含量過多而引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象。隨著浙江省經(jīng)濟和社會的高速發(fā)展，工業(yè)和生活污水等點源污染的不合理排放，以及大量的不合理施用的化肥、農(nóng)藥所造成農(nóng)業(yè)面源污染的隨機排放，導(dǎo)致了湖泊、河流和水庫的富營養(yǎng)化。浙江省的水庫大多是飲用水水庫。水庫的富營養(yǎng)化嚴重影響了人民生活水平的提高和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。水庫消落帶中自然分布著很多的挺水植物。在水庫富營養(yǎng)化治理的各種措施中，利用消落帶中的水生植物吸收水體中氨態(tài)氮和硝態(tài)氮等營養(yǎng)物質(zhì)、降解水庫中污染物指標是一種高效低成本的治理措施。

浙江省長潭水庫位于浙江臺州黃巖區(qū)西23 km處，庫區(qū)面積441.3 km2，水面寬廣，東西寬1 200 m，南北長約4 200 m，四周高山海拔高度在350～780 m之間。1964年建成運行，設(shè)計庫容6.91億m3，目前主要以供水為主，兼顧防洪、灌溉。正常蓄水水位36 m，興利庫容4.57億m3。長潭水庫水位下降時會導(dǎo)致灘地大量出現(xiàn)，形成高程范圍達30 m的消落帶[1]。

目前，如何有效地利用水生植物降低水庫水體富營養(yǎng)化程度，抑制“藍藻”水華的爆發(fā)已成為生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點。曾有許多研究表明濕地水生植物能有效降解水體中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)。如徐紅燈,等[2]認為溝渠中的水生植物茭白和菖蒲對氮、磷的截留和轉(zhuǎn)化有明顯的促進作用,楊帆,等[3]以10種阿什河流域常見植物作為研究對象，在室內(nèi)靜水條件下對其氮磷富集和水質(zhì)凈化的能力進行比較研究,認為水蔥、蘆葦、菰和千屈菜可作為阿什河流域生態(tài)修復(fù)的備選植物。水庫消落帶中自然分布著很多的水生植物。在水庫富營養(yǎng)化治理的各種措施中，利用消落帶中的水生植物吸收水體中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)、降解水庫中污染物指標是一種高效低成本的治理措施。但不同植物對水體中氮磷等污染物指標的降解效率是不一樣的。本研究選擇長期自然生長在長潭水庫消落帶上的鄉(xiāng)土挺水植物菖蒲(AcoruscalamusL.)、水芹(Oenanthejavanica)、水蓼(PolygonumhydropiperL.)、莎草(CyperusrotundusL.)。研究其對總氮、總磷的同化吸收降解能力，從中篩選出對水庫水體水質(zhì)凈化效果好的植物，為水庫消落帶植物群落的構(gòu)建和濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試植物

選取在浙江省黃巖長潭水庫消落帶上自然生長的、生長良好且生長一致的4種濕地挺水植物各100 g，分別是水芹(Oenanthejavanica)、菖蒲(AcoruscalamusL.)、水蓼(PolygonumhydropiperL.)、莎草(CyperusrotundusL.)。

1.2 實驗方法

實驗于2017年5月10至6月10日在浙江省長潭水庫管理局塑料大棚內(nèi)進行。挺水植物種植在直徑40 cm、高45 cm的桶，容積都為56 L。桶的底部放置厚度為10 cm的礫石。實驗采用人工配置污水的方式，水體主要成分為(NH4)SO4、KNO3，和KH2PO4,其余營養(yǎng)成分根據(jù)Hoagland營養(yǎng)液進行配置，pH值控制在6.0～6.9。模擬污水中N、P元素初始濃度是根據(jù)對浙江省長潭水庫的實際測定值來確定的，水體中TN含量為4.33～4.41 mg/L,TP含量為0.48～0.53 mg/L。每桶種植一種植物，每處理設(shè)三個重復(fù)。實驗期間每天添加水庫里的水補充水面蒸發(fā)和植物蒸騰所損失的水分，以保持桶里的水位而不被降低。

1.3 測定指標

于5月25日和6月10日對每個桶內(nèi)的水質(zhì)進行一次取樣，測定其TN、TP值?？偟坎捎眠^硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測定；總磷含量采用鉬酸銨分光光度法測定[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 消落帶挺水植物對水體中TN的降解效應(yīng)

水生植物在生長發(fā)育過程中，需要吸收消落帶濕地土壤中和水體中的無機氮等營養(yǎng)物質(zhì)合成蛋白質(zhì)等植物的構(gòu)成物質(zhì)。同時，植物根系周圍形成好氧和厭氧的微環(huán)境，根際微生物會產(chǎn)生硝化和反硝化作用，降低了水體中氮的濃度。表1和表2為4種挺水植物對TN都具有良好的降解效果，在實驗期間前15 d，各處理水體中TN濃度都顯著降低。由實驗開始時的4.33～4.41 mg/L降到2.31～2.74 mg/L，4種植物的降解率為37.11%～46.65%。

表1 消落帶不同挺水植物對水體中TN的降解效果 mg/L

但各植物對水體中TN的降解率相差較大。以水芹對水體中TN的降解率最大，水體中TN濃度由實驗開始時的4.33 mg/L降到15天后的2.31 mg/L，降解率為46.65%。其次是菖蒲，水體中TN濃度由實驗開始時的4.41 mg/L降到15 d后的2.63 mg/L，降解率為40.31%。以莎草處理水體TN降解率最低，由實驗開始時的4.35 mg/L降到15 d后的2.74 mg/L，降解率只有37.11%。

表2 消落帶不同水生植物對水體中TN的降解率 %

從表2還可看出，在實驗期間的后15 d，各處理水體中TN濃度與前15 d相比下降幅度明顯遲緩，4種植物的降解率為19.02%～21.61%。比前15天4種植物對TN降解率的37.11%～46.65%要明顯減少。但這期間各植物對水體中TN的降解率還是有區(qū)別的。同樣的以水芹對水體中TN的降解率最大，降解率為21.61%。其次是菖蒲，降解率為20.37%。以莎草處理的水體TN降解率最低，降解率只有19.02%。

2.2 消落帶挺水植物對水體中TP的降解效應(yīng)

水生植物需要吸收土壤和水體中的磷合成核酸、磷脂和ATP等植物組成物質(zhì)和能量物質(zhì)。水生植物是通過根系直接吸附和吸收水體中的磷、以及通過根際微生物吸附和分解水體中的磷這些途經(jīng)來降解水體中磷的濃度的。表3和表4是4種水生植物對TP都具有良好的降解效果，在實驗期間前15 d，各處理水體中TP濃度都顯著降低。由實驗開始時的0.48～0.53 mg/L降到0.31～0.33 mg/L，4種植物的降解率為35.19%～40.38%。

表3 消落帶不同挺水植物對水體中TP的降解效果 mg/L

但各植物對水體中TP的降解率相差較大。以菖蒲對水體中TP的降解率最大，水體中TP濃度由實驗開始時的0.52 mg/L降到15 d后的0.31 mg/L，降解率為40.38%。其次是水芹，水體中TP濃度由實驗開始時的0.53 mg/L降到15 d后的0.32 mg/L，降解率為38.81%。以莎草處理水體TP降解率最低，由實驗開始時的0.48 mg/L降到15 d后的0.31 mg/L，降解率只有35.19%。

表4 消落帶不同挺水植物對水體中TP的降解率 %

從表4還可看出，在實驗期間的后15 d，各處理水體中TP濃度與前15 d相比下降幅度明顯遲緩，4種植物的降解率為20.75%～24.63%。比前15 d4種植物對TP降解率的35.19%～40.38%要明顯減少。但這期間各植物對水體中TP的降解率還是有區(qū)別的。同樣的以菖蒲對水體中TP的降解率最大，降解率為24.63%。其次是水芹，降解率為22.89%。以莎草處理的水體TP降解率最低，降解率只有20.75%。

3 討 論

(1)分布在水庫消落帶濕地中的水生植物，在生長和繁殖過程中，需要吸收土壤和水體中的N、P作為自己的營養(yǎng)物質(zhì)，生長越旺盛，吸收營養(yǎng)物質(zhì)也就越多。植物可以直接吸收水體中的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮，合成植物植株體內(nèi)的蛋白質(zhì)和有機氮。植物可以吸收水體中的無機磷并同化為植物體ATP、DNA、RNA等能量和遺傳物質(zhì)。但不同植物吸收同化N、P的能力存在著差異，因此對水體中污染物N、P的降解能力也是不同的[5]。

(2)消落帶中水生植物具有明顯的降解水庫水體中N、P污染的作用。其主要原因是植物在生長發(fā)育過程中需要吸收水體和消落帶底泥中大量的N、P作為營養(yǎng)物質(zhì)貯存于植物細胞中，并通過木質(zhì)化作用，使其成為植物體的組成部分,以及用來維持細胞內(nèi)的新陳代謝作用。另外水生植物在光合作用過程中所產(chǎn)生的氧氣可以提高水體中溶解氧含量。植物根際周圍會產(chǎn)生厭氧和好氧區(qū)域，有利于氨氮的硝化和硝態(tài)氮的反硝化，使水體中的氮得到轉(zhuǎn)化和降解[6,7]。

(3)曾有研究認為河道護坡植物的選擇應(yīng)走本地化的道路，以地帶性植被、鄉(xiāng)土植物為基調(diào)[8]。這應(yīng)該同樣適合于水庫消落帶濕地植物的選擇上。本文選擇的挺水植物是長期自然生長于浙江省山區(qū)水庫消落帶濕地中且在當(dāng)?shù)胤植驾^廣的野生草本植物。這些植物在當(dāng)?shù)亟?jīng)歷了長期的進化過程，其遺傳、生理、形態(tài)特征已與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和土壤條件相適應(yīng)，具有較強的逆境適應(yīng)能力。目前已有很多研究發(fā)現(xiàn)多種植物的合理搭配組合可以提高氮和磷的降解效率[9,10]。因此在水庫消落帶多種植物組合的群落構(gòu)建中，一定要注意與鄉(xiāng)土植物的搭配。還要注意淺根與深根植物相結(jié)合、豆科植物與非豆科植物相結(jié)合，草本植物與喬灌木植物相結(jié)合，這樣就可以建立起一個具有生物多樣性和生物穩(wěn)定性的。具有強降污力和環(huán)境適應(yīng)性的有著良性循環(huán)的山區(qū)水庫消落帶濕地生態(tài)系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

(1)浙江省山區(qū)水庫消落帶濕地中常見的挺水植物水芹、菖蒲、水蓼、莎草對TN都具有良好的降解效果，在實驗期間前15 d，各處理水體中TN濃度都顯著降低。4種植物的降解率為37.11%～46.65%。但各植物對水體中TN的降解率相差較大。以水芹對水體中TN的降解率最大，降解率為46.65%。其次是菖蒲，降解率為40.31%。以莎草處理水體TN降解率最低，降解率只有37.11%。并且在實驗期間的后15 d，各處理水體中TN濃度與前15 d相比下降幅度明顯遲緩，4種植物的降解率為19.02%～21.61%。

(2)4種挺水植物對TP都具有良好的降解效果，在實驗期間前15 d，各處理水體中TP濃度都顯著降低。4種植物的降解率為35.19%～40.38%。但各植物對水體中TP的降解率相差較大。以菖蒲對水體中TP的降解率最大，降解率為40.38%。其次是水芹，降解率為38.81%。以莎草處理水體TP降解率最低，降解率只有35.19%。并且在實驗期間的后15 d，各處理水體中TP濃度與前15 d相比下降幅度明顯遲緩，4種植物的降解率為20.75%～24.63%。

(3)自然分布于浙江省水庫消落帶濕地中的挺水植物水芹、菖蒲能有效地降解水庫消落帶中的N、P污染，因此在浙江省山區(qū)水庫恢復(fù)和重建水芹、菖蒲等挺水植物作為消落帶的建群種，是治理水庫富營養(yǎng)化、防止藍藻暴發(fā)的有效措施，應(yīng)加大對水庫特別是飲用水水庫消落帶水生植物群落的保護和恢復(fù)力度，實現(xiàn)消落帶水生植物的合理配置，充分發(fā)揮水庫消落帶在維持生物多樣性、凈化水質(zhì)和改善庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的作用和功能。