混合浮床對南海湖濕地富營養(yǎng)化水體修復(fù)的作用

王志超, 王智超, 繆晨霄, 楊文煥, 于玲紅, 張明鈺， 宋嘉樂, 李衛(wèi)平

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010; 2.包頭南海子濕地保護(hù)區(qū)管理處, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

N，P營養(yǎng)鹽作為植物所需的基本元素，對植株的長勢起著決定性作用。但隨著其在地表水中濃度的不斷增加，由此帶來的水體富營養(yǎng)化問題也越發(fā)嚴(yán)重，這不僅會破水環(huán)境中生物的多樣性，還可能導(dǎo)致生態(tài)完整性的喪失，引起如藻類水華頻發(fā)、沉水植物消失、潛在毒素滋生等現(xiàn)象的發(fā)生[1]。因此對于富營養(yǎng)化水體的改善，根本途徑在于對水體N，P營養(yǎng)鹽的去除[2]。傳統(tǒng)的理化方法往往治標(biāo)不治本，不僅成本高且易出現(xiàn)反復(fù)，而生態(tài)浮床不僅具有原位修復(fù)的特點，且造價低廉結(jié)構(gòu)靈活，不產(chǎn)生二次污染。同時還具有污染擴散防治、修剪護(hù)岸、棲息地保護(hù)、水質(zhì)凈化及景觀綠化等多種功能[3]。浮床對水質(zhì)的凈化主要由浮床植物實現(xiàn)，而浮床植物則通過吸收水體中營養(yǎng)物質(zhì)實現(xiàn)自身增長，其中一些植物在過量吸收氮養(yǎng)的同時，甚至可以降解水體中的有毒化學(xué)物質(zhì)[4]。且隨植株生長，水下繁密的根系所分泌的生物粘附介質(zhì)對水中污染物也可起到一定吸附作用，實現(xiàn)污染物與植物的結(jié)合并有效利用。同時這種粘附介質(zhì)還可起到除水中懸浮顆粒(SS)的作用，提升水質(zhì)并改善透明度[5]。對于依賴光合作用的藻類而言，漂浮于水面的生態(tài)浮床可形成一定的遮光效應(yīng)，間接減少了藻類對于光源的獲取，且由于植物與藻類間對營養(yǎng)鹽存在競爭關(guān)系及化感作用，也進(jìn)一步使藻類的生長得到抑制。目前，利用生態(tài)浮床技術(shù)防治水體富營養(yǎng)化在我國已取得了一定的成果。Chang Yuanhsiou等[6]研究了一種以太陽能板為曝氣能源的生態(tài)浮床對校園廢水的凈化效果；郭一鳴等[7]建立了一種新型生態(tài)浮床用于恢復(fù)沉水植物的生長并對水中營養(yǎng)鹽進(jìn)行吸收；Wang Wenhuai等[8]以高密聚乙烯浮板為載體，研究了強化生態(tài)浮床對城市景觀水體的凈化效果。然而，但在目前眾多研究中，側(cè)重點更多偏向于新型組合浮床對小型封閉靜態(tài)水體污染物的去除效果，有關(guān)植株在自然開放水域的生長特性、植物交互作用對植株分蘗繁殖的影響及植株N，P累積量與生物量關(guān)系方面的研究仍少為報道。為此，本試驗從以上3個方面入手，在南海湖生態(tài)修復(fù)試驗工程中，通過單植物與混合植物兩種浮床體系的搭建，研究其對富營養(yǎng)化水體的凈化效能及水域環(huán)境改善能力，分析植物交互作用與水質(zhì)凈化的關(guān)系，為后期南海湖規(guī)?；ㄔO(shè)提供理論依據(jù)和經(jīng)驗基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南海湖(40°30′8″—40°33′32″N，109°59′2″—110°2′26″E)位于內(nèi)蒙古包頭市東河區(qū)南側(cè)，屬半干旱中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均降雨量不足400 mm，年蒸發(fā)量約2 300 mm，最冷1月平均氣溫-11.8 ℃，最熱7月平均氣溫22.9 ℃。整個湖體的形成源自于黃河改道，以黃河水、地下水及大氣降水作為主要補水來源，全年光照充足，光能與漁業(yè)資源豐富。同時由于保護(hù)區(qū)地處全球候鳥遷徙的重要途徑路線，也使其成為鳥類棲息的重要場所之一[9]。研究水域主要指標(biāo)詳見表1。

表1 試驗水域水體指標(biāo)

1.2 供試植物

浮床植物作為生態(tài)浮床中最為重要的組成部分，其選擇的合理性直接影響著浮床整體的凈化效果。目前可用于生態(tài)浮床的植物可大致分花卉類、蔬菜類、飼料類及水生植物類。而為作為浮床核心技術(shù)，植株本身也應(yīng)具有無害化、易馴服、可水生、易維護(hù)等特點?？紤]到試驗場地處于高原寒旱區(qū)，從每年11月份起進(jìn)入為期長達(dá)5個月的冰封期，植物在自然環(huán)境下最佳生長日期多集中于6—9月間，且整體土壤環(huán)境及水質(zhì)pH值均呈弱堿性。因此植物的易馴服性和本土性應(yīng)作為植株選擇的首要因素[10]。通過文獻(xiàn)查閱[1-2]以及與當(dāng)?shù)囟嗄陱氖轮参锓N植和研究的相關(guān)人士進(jìn)行溝通調(diào)研后，最終選取水蔥(Scirpusvalidus)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、風(fēng)車草(Cyperusalternifolius)作為本試驗浮床植物供以研究。

1.3 生態(tài)浮床構(gòu)建

試驗場地位于南海湖鳥類博物館西側(cè)，該區(qū)域游客稀少，人為干擾因素較低，同時為減少水體交換作用對凈化效果的干擾，提前采用防水布沿岸邊進(jìn)行水體隔離，形成約600 m2的獨立水域。試驗采用0.3 m×0.3 m的正方形高密度聚乙烯空心塑料基盤作為浮床材料，各基盤用螺絲鏈接，每個基盤1個植物種植孔，種植密度為9株/m2，浮床總面積設(shè)計為64 m2，共分4組，每組16 m2，長、寬皆為4 m，平均覆蓋率11%。為研究植物交互作用對水質(zhì)凈化效果的影響，試驗采用單植物種植與交叉混合種植兩種方式進(jìn)行浮床搭建。前3組為單植物浮床，分別種植水蔥、千屈菜、風(fēng)車草，第4組為混合植物浮床，按照3種植物1∶1∶1的方式進(jìn)行種植，具體如圖1所示。

1.4 試驗方法

1.4.1 試驗植物 于7月初栽種，并于9月末進(jìn)行收割，植物生長期間，每隔15 d對其生長狀況及浮床周邊水域TN，TP濃度變化進(jìn)行采樣監(jiān)測。在浮床四周距水面30 cm深處分別設(shè)置4各采樣點，各浮床整體數(shù)據(jù)以4組數(shù)據(jù)平均值為準(zhǔn)。采樣時間設(shè)置為10：00—12：00。具體時間安排詳見表2。

注：A為水蔥； B為千屈菜； C為風(fēng)車草。圖1 混合浮床每1 hm2面積的種植方式

表2 2019年7-9月植物及水質(zhì)樣本采集時間

1.4.2 統(tǒng)計植物成活率，定期采集植物樣本進(jìn)行分析測量 現(xiàn)場隨機抽取3株植物(包括莖葉與根部)洗凈后帶回實驗室，主要測試指標(biāo)包括株高、分蘗數(shù)、鮮重、干重、植物體內(nèi)氮磷含量等。首先用吸水紙將植物表面水分吸干測量鮮重，后將植物置于烘箱內(nèi)在105 ℃下殺菌3 h，并于80 ℃烘至恒重，記錄植株干重。最后將烘干的植物粉碎過60目篩，經(jīng)濃H2SO4-H2O2法消煮，定容檢測。具體方法詳見表3。

表3 浮床水域水質(zhì)指標(biāo)及植物體氮磷含量檢測方法

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種浮床體系植物的生長特性

兩種體系浮床中3種植物單株分蘗數(shù)的變化如圖2所示。隨時間變化，植株的分蘗繁殖呈不同變化趨勢，由于植物對試驗區(qū)水體存在適應(yīng)過程，3種植物分蘗情況整體呈前期緩慢中后期增快的現(xiàn)象。其中風(fēng)車草、水蔥的分蘗過程比千屈菜更明顯，單株分蘗數(shù)相比千屈菜每整株多2～4株。從移栽前到8月初，各浮床體系植物長勢基本接近，但由于植物交互作用對內(nèi)源激素分泌的影響，使得后期同種植物在不同浮床中的分蘗發(fā)育有所差異[11]。其中水蔥在8月間的分蘗最為迅速，至8月末單植物浮床整株分蘗數(shù)達(dá)18株，混合浮床分蘗數(shù)達(dá)20株。而至此之后到試驗結(jié)束前風(fēng)車草則體現(xiàn)出了較強的繁殖能力，單植物浮床平均分蘗數(shù)26株，混合浮床達(dá)30株。

圖3顯示了各植物移栽前與收割后的生物量變化。從圖3可以看出，兩浮床體系植株生物量(鮮重)變化明顯，單植物浮床中水蔥、千屈菜、風(fēng)車草整株生物量分別為移栽前的113，195和205倍，而混合浮床可分別達(dá)到127，221和233倍，直至收割后，混合浮床中水蔥和風(fēng)車草整株生物量(鮮重)達(dá)1.43和1.98 kg/株，相比單植物浮床增量12.32%～15.16%。結(jié)果表明，混合浮床中同種植物的長勢要優(yōu)于單植物浮床。因為4組浮床處于同一水域，影響植株分蘗繁殖的諸多因素中，如光照、溫度、種植密度及養(yǎng)分，其來源皆具有同源性，這種情況下植物內(nèi)部激素的變化對分蘗的調(diào)控就占據(jù)了主導(dǎo)地位[12]。在植物生長過程中，細(xì)胞分裂素作為內(nèi)部激素的主要成分，其分泌情況直接影響植株的生長態(tài)勢。又因為混合浮床中植物交互作用只能通過植株根細(xì)在水下進(jìn)行，而細(xì)胞分裂素的主要合成場所又集中于植株根部，說明植物交互作用對細(xì)胞分裂素等植物激素的合成起到了一定的促進(jìn)作用。同時細(xì)胞分裂素又可以增強植物對氮素的利用率[13-14]，間接增強了混合浮床植株的分蘗繁殖，因此相比之下混合浮床的植株生物量要高于單植物浮床。

圖2 單植物浮床與混合浮床中各植物分蘗數(shù)變化

圖3 栽植前后單植物與混合植物浮床各植物生物量對比

2.2 兩種浮床體系中植物體對N，P的吸收

兩種浮床系統(tǒng)中，植物N，P的吸收能力如圖4所示。通過顯著性檢驗分析，3種植物對于N，P的吸收能力均存在差異性，就N吸收能力而言，千屈菜與水蔥、風(fēng)車草存在顯著關(guān)系(p<0.05)，而對P吸收能力而言，3種植物差異則更為明顯(p<0.05)，千屈菜的平均N，P吸收能力可達(dá)10.08和3.40 g/kg，分別為水蔥和風(fēng)車草的1.54和2.26倍。而相比之下同種植物在兩種浮床系統(tǒng)中的單株N，P吸收能力則表現(xiàn)出相同水平(p>0.05)。結(jié)果表明，由混合栽種方式產(chǎn)生的交互作用無法干擾植物自身對N，P的吸收。原因是植物的生長狀況主要由遺傳因素、環(huán)境(外源)因素以及內(nèi)源因素決定[15]，植物的形態(tài)及木質(zhì)素合成皆由遺傳物質(zhì)主導(dǎo)，并直接決定植物體營養(yǎng)鹽吸收飽和度，而植物間交互作用僅僅作為一種外源刺激因素，雖然可以間接影響植物內(nèi)部激素分泌，但從根本上講卻無法改變3種植物自身的遺傳特性[16]，改變N，P吸收能力。結(jié)合圖5可知，盡管3種植物各自N，P吸收能力存在差異，但整株累積量卻呈現(xiàn)相反趨勢。不難看出，千屈菜由于物種優(yōu)勢，對N，P營養(yǎng)鹽具有較高的吸收能力，但整株N，P累積量卻稍顯乏力，受分蘗數(shù)及自身條件限制，收割后千屈菜整株生物量僅為水蔥和風(fēng)車草的67%和49%，表明各植物體N，P累積量差異仍主要來自于生物量的差異[17]。同時，混合浮床中各植株N，P累積量均高于單植物浮床，更加說明生物量對于植物體N，P累積的重要性。

表4數(shù)據(jù)顯示了各浮床體系N，P累積的具體情況。各浮床單位面積N，P吸收能力，可由植物收割后與栽植前體內(nèi)N，P含量的差值，再結(jié)合種植密度及植物成活率求得。根據(jù)計算結(jié)果，單位面積N吸收均風(fēng)車草浮床最高，達(dá)12.169 g/m2，混合植物浮床次之，為11.257 g/m2。單位面積P吸收量混合浮床最高達(dá)2.602 g/m2，千屈菜其次為2.473 g/m2。盡管風(fēng)車草N吸收能力較強，但P吸收量僅2.063 g/m2，為各浮床最低。綜合考慮，混合浮床更適合作為南海湖富營養(yǎng)化水體修復(fù)的浮床形式推廣使用。

圖4 單植物浮床與混合植物浮床各植物N，P吸收能力對比

圖5 單植物浮床與混合植物浮床各植株N，P累積量對比表4 浮床植物收割后N，P累積量

植物名稱干重/(g/株)栽前栽后(單)栽后(混)N含量/(g/株)栽前栽后(單)栽后(混)N吸收量/(g/株)單一混合成活率/%N吸收量/(g·m-2)單一混合水蔥0.77150.72170.370.0271.2161.2921.1891.26592.79.919千屈菜1.21137.90155.130.0310.8900.9920.8590.96194.17.27411.257風(fēng)車草1.15236.15272.480.0171.4041.6101.3771.59389.212.169植物名稱干重/(g/株)栽前栽后(單)栽后(混)P含量/(g/株)栽前栽后(單)栽后(混)P吸收/(g/株)單一混合成活率/%P吸收量/(g·m-2)單一混合水蔥0.77150.72170.370.0020.2810.3170.2790.31592.72.327千屈菜1.21137.90155.130.0030.2950.3300.2920.32794.12.4732.602風(fēng)車草1.15236.15272.480.0020.2590.2300.2570.29889.22.063

2.3 兩種浮床體系對水體TN，TP的凈化效果

2.3.1 兩浮床體系對水體TN的凈化效果分析 試驗各浮床水體TN含量隨試驗天數(shù)的變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，初始階段，由于植株處于對試驗水域的適應(yīng)期，故分蘗較為緩慢，各組浮床水體TN濃度變化不明顯。試驗15 d后，正直七月中旬，植物進(jìn)入迅猛生長期，生物量變化顯著，水質(zhì)凈化效率隨之提升，試驗15～60 d千屈菜分蘗繁殖表現(xiàn)出相對優(yōu)勢，TN去除效率較高，但由此之后呈減緩態(tài)勢。相比而言，其他3組浮床TN濃度變化趨勢相近，其中風(fēng)車草處理效果最好，而一開始除N較強的千屈菜則表現(xiàn)較差。試驗30～45 d，各個浮床水體TN去效率有所減緩，在這之后整體又呈升高趨勢，原因是浮床在水面上所形成的陰影區(qū)，長時間削減了藻類對于光源的獲取，不但使其生長得到限制，也使得部分藻類因體循環(huán)失效而死亡分解，原本被藻類吸收的氮素又被釋放回水體中[18]，此時又正值植株營養(yǎng)鹽最佳攝取階段。因此，雖然TN去除效率相對降低，但整體去除效果仍呈升高趨勢。到九月中旬即試驗持續(xù)75 d后進(jìn)入秋季，各植株對氮素的吸收相繼進(jìn)入飽和階段，植物根系對營養(yǎng)物質(zhì)的黏附作用有所削減，此時水體中TN的去除已由植物吸收逐漸向微生物吸附降解轉(zhuǎn)化[19]，加之受溫度影響，植物生長速率、微生物數(shù)量及活躍程度均有所下降，因此各浮床水體TN濃度變化速率逐漸變緩[20]。

注：風(fēng)+水+千表示水蔥、千屈菜、風(fēng)車草這3種植物的混合植物浮床；去風(fēng)表示風(fēng)車草植物浮床的TN去除率，去混表示混合植物浮床的TN去除率，去水表示水蔥植物浮床的TN去除率，去千表示千屈菜植物浮床的TN去除率。下同。

圖6 兩種浮床體系水體TN含量變化

由于表5數(shù)據(jù)可知，至試驗第90 d，4組浮床對水體中的氮素均具有較好的消減作用。去除效果最好的風(fēng)車草浮床，水體TN濃度從2.78 mg/L下降到1.81 mg/L，去除率達(dá)到34.9%。其次是混合浮床和水蔥，質(zhì)量度分別下降至1.94和1.98 mg/L，去除率分別為33.1%和28.0%。

表5 各浮床對水體TN的去除效果

2.3.2 兩種浮床對水體TP的凈化效果 兩種浮床體系對水體中TP去除效果如圖7所示。各浮床對水體TP去除速率隨時間變化均呈現(xiàn)慢→快→慢的變化趨勢，試驗35～75 d，由于物種自身優(yōu)勢，千屈菜在TP去除效率上明顯優(yōu)于其他植物。受其影響，混合浮床TP去除速率也隨之加快。在此期間，伴隨各植株的迅猛生長，植物根細(xì)越發(fā)繁密，依附于根系的微生物得以大量繁殖，這也為聚磷菌的生長創(chuàng)造了良好環(huán)境[21-22]，同時植株光合作用產(chǎn)生的部分氧氣也借助植物根系釋放到水中，形成了一定的氧化太微環(huán)境，促進(jìn)了聚磷菌對水體中P的超量吸收[23]。加之溫度和光照強度等因素的協(xié)同作用，使得此階段各浮床TP濃度明顯降低。而此后雖然生物量仍在增長，但隨溫度的降低，微生物活性的減弱，且各植株對N，P的吸收近乎處于飽和狀態(tài)，因此TP去除率變化趨勢也相對平緩。到試驗結(jié)束時，由于各植株生長規(guī)律不同，對營養(yǎng)鹽需求量、自身飽和程度，根部聚磷菌數(shù)量及活性均存在差異，使得浮床整體TP去除總量各有不同。

圖7 兩種浮床體系水體TP含量變化

由表6可知，4組浮床中混合浮床對水體TP的去除能力最強，質(zhì)量濃度由0.149 ml/L下降到0.084 ml/L，去除率達(dá)43.3%。水蔥、千屈菜、風(fēng)車草浮床水體TP質(zhì)量濃度分別下降到0.096，0.092和0.102 mg/L，去除率按順序依次為：千屈菜(38.2%)>水蔥(35.5%)>風(fēng)車草(33.4%)。

表6 各浮床對水體TP的去除效果

2.4 不同植物分蘗數(shù)與TN，TP去除率相關(guān)性

本研究對不同植物不同時期的分蘗數(shù)和TN，TP去除率進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，對于N的去除而言，同一時期植物分蘗數(shù)與浮床對水體TN的去除率在0.99置信度下的相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.950，說明兩者相關(guān)性顯著，其曲線擬合結(jié)果如圖8所示；對于P的去除而言，分蘗數(shù)與浮床對水體TP去除率在0.99置信度下的相關(guān)性為0.918，表明植物分蘗數(shù)與TP的去除率同樣呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系，兩者曲線擬合結(jié)果如圖8所示。由相關(guān)性分析結(jié)果可知，植物分蘗數(shù)與其所對應(yīng)的浮床對水體TN，TP去除效果存在必然聯(lián)系，即在交互作用影響下，植物分蘗繁殖得以間接增強，同等條件下整株植物生物量隨之增高，盡管各植物對N，P的吸收能力存在差異，但植物體本身對N，P營養(yǎng)鹽的累積量仍由其自身生物量決定[24]，在同一水域環(huán)境前提下，由于植物對N，P吸收的增加，使得水體TN，TP濃度隨之下降。相關(guān)性分析結(jié)果與植物體內(nèi)氮磷累積量差異主要來自于生物量差異的結(jié)論是相吻合的。其相互關(guān)系可簡單表示為：

交互作用→分蘗繁殖增加→生物量升高→植物體N,P累積增加→水體TN，TP濃度降低→富營養(yǎng)化程度減輕。

圖8 植物分蘗數(shù)與水體TN，TP去除率曲線擬合關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)試驗所選3種植物對南海湖水體均具有一定耐受性，皆可作為南海湖生態(tài)工程備選植物。

(2) 試驗結(jié)束時，混合浮床中水蔥、千屈菜及風(fēng)車草的分蘗數(shù)分別為26，18和30株，相比單植物浮床每整株多2～4株；3種植物生物量(鮮重)分別達(dá)1.43，0.96和1.98 kg/株，相比單植物浮床增量12.32%～15.16%。

(3) N吸收方面風(fēng)車草浮床最佳，達(dá)12.169 g/m2，P吸收方面則混合浮床最好，為2.602 g/m2，從整體上看混合浮床對N，P的吸收仍相對全面，分別為11.257和2.602 g/m2。

(4) 各植物浮床對水體N，P去除率依次為TN：風(fēng)車草(34.9%)>混合浮床(33.1%)>水蔥(28.0%)>千屈菜(25.6%)；TP：混合浮床(43.3%)>千屈菜(38.2%)>水蔥(35.5%)>風(fēng)車草(33.4%)。