不同覆蓋度水葫蘆對(duì)藻類水華的抑制效應(yīng)研究

洪昌紅，曾燁翀，邱 靜，周銘浩，張之琳

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

水葫蘆又稱鳳眼蓮，是久雨花科鳳眼蓮屬多年生漂浮草本植物。由于水葫蘆繁殖能力強(qiáng)和適應(yīng)性強(qiáng)，其大量繁殖會(huì)給航運(yùn)、漁業(yè)、水利等帶來(lái)嚴(yán)重危害，尤其是在南方豐水地區(qū)引起了一系列的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)問(wèn)題，被列為全世界危害最大的十種雜草之一[1-3]。水葫蘆對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)是一把雙刃劍，控制得當(dāng)則可以營(yíng)造一個(gè)良好的生態(tài)環(huán)境，控制不當(dāng)則會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于水葫蘆的利弊評(píng)價(jià)研究，主要集中在富營(yíng)養(yǎng)化水體治理和水動(dòng)力條件影響等方面[4-7]，關(guān)于水葫蘆對(duì)藻類水華聚集的抑制作用研究處于起步階段，主要集中于水葫蘆不同部位分泌的化感物質(zhì)對(duì)不同藻類抑制機(jī)理方面的研究[8-11]。隨著近年來(lái)河長(zhǎng)制實(shí)行“五清”行動(dòng)，水葫蘆大面積漂浮的問(wèn)題得到有效控制，但不科學(xué)的水葫蘆清理易于造成湖庫(kù)藻類水華的爆發(fā)，產(chǎn)生了清漂后的次生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而關(guān)于不同覆蓋度的水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體藻類控制的研究較少，且具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)需求。本研究從水葫蘆對(duì)藻類的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)出發(fā)，研究水葫蘆不同覆蓋度下的藻類控制效果，為河湖水葫蘆科學(xué)清理及水資源保護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水葫蘆采自飛來(lái)峽庫(kù)區(qū)，采集質(zhì)量和體積相似的幼苗，帶回實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。銅綠微囊藻選購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院淡水藻種庫(kù)，用BG-11培養(yǎng)基，先在距40 W燈2 m條件下弱光培養(yǎng)，待藻類繁殖變快時(shí)再加1盞燈提升光強(qiáng)進(jìn)行培養(yǎng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1不同水葫蘆覆蓋度的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽吸收實(shí)驗(yàn)

氮和磷是生物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其過(guò)量的存在會(huì)使水體富營(yíng)養(yǎng)化，引起藻類及其他浮游植物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水體惡化，魚(yú)類及其他生物大量死亡等現(xiàn)象。水葫蘆作為高等水生植物，其生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽有富集并吸收的作用，是生物修復(fù)技術(shù)中凈化水質(zhì)的理想植物。為了考察不同覆蓋度水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷吸收效果，在廣東省水利試驗(yàn)基地砌筑4個(gè)3 m(長(zhǎng))×3 m(寬)×1.5 m(高)的蓄水池，4個(gè)水池中注入相同氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量的禽畜養(yǎng)殖池塘原水(總氮12 mg/L，氨氮2.5 mg/L，總磷2.4 mg/L)。1#水池未種植水葫蘆，為空白對(duì)照池；2#～4#水池分別種植覆蓋面積為25%、50%和75%的成長(zhǎng)期水葫蘆，觀察無(wú)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系富營(yíng)養(yǎng)水質(zhì)條件下水葫蘆的生長(zhǎng)情況。

1.2.2水葫蘆腐爛浸泡氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽釋放實(shí)驗(yàn)

為了考察水葫蘆生長(zhǎng)末期枯葉腐爛或其自身代謝對(duì)水體水質(zhì)的影響，在室外設(shè)置2個(gè)空桶，每個(gè)桶中分別僅放入相同質(zhì)量成熟期的水葫蘆，并以清水培養(yǎng)，每天用蒸餾水將桶內(nèi)水補(bǔ)至固定水位，隔1 d測(cè)1次水中總氮和總磷的含量以及稱量1次水葫蘆的鮮重。

1.2.3不同水葫蘆覆蓋度的藻類抑制實(shí)驗(yàn)

銅綠微囊藻是一種典型的藍(lán)藻，廣泛分布于中國(guó)的河流與湖泊中，繁殖與營(yíng)養(yǎng)豐富的水體中，有強(qiáng)烈的肝毒性，是實(shí)驗(yàn)藻類的理想品種。將實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的銅綠微囊藻均勻的投入4個(gè)培養(yǎng)池中，適量地調(diào)整營(yíng)養(yǎng)鹽比例，促進(jìn)藻類生長(zhǎng)發(fā)育。在藻類繁殖到200 cell/mL后，分別放入水葫蘆使其覆蓋度分別達(dá)到0、10%、20%、30%(池體標(biāo)號(hào)分別為1′#～4′#)，每日測(cè)量其680 nm處吸光度(OD680)，估算藻密度以及測(cè)量其溶解氧含量。

1.3 樣品采集與檢測(cè)

每天取水樣測(cè)定總磷、總氮、氨氮、溶解氧和藻類濃度，取樣每個(gè)實(shí)驗(yàn)水池按照四分法取4個(gè)水樣，每個(gè)點(diǎn)取200 mL后進(jìn)行均勻混合。水葫蘆鮮重稱量使用電子天平，將水葫蘆拎起瀝去表面水分后再放到天平上測(cè)定?？偟獪y(cè)量使用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，總磷測(cè)量使用鉬銻抗分光光度法，氨氮測(cè)量采用納氏試劑光度法，溶解氧的測(cè)量使用哈希便攜式溶解氧測(cè)定儀，藻類濃度采用顯微鏡血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)法和OD680法結(jié)合取值。

經(jīng)檢測(cè)，本次實(shí)驗(yàn)藻類濃度用與680 nm處吸光度具有良好的線性關(guān)系(見(jiàn)圖1)；用下式表示為：

圖1 藻濃度與680nm處吸光度的線性相關(guān)性示意

y=15.059x+0.017

(1)

其中y為680 nm吸光度；x為藻類濃度(106cell/mL)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋度的水葫蘆對(duì)水體氮磷的影響

不同覆蓋度條件下水葫蘆對(duì)水體氨氮和磷酸鹽的吸收凈化能力見(jiàn)圖2和圖3所示。由氨氮與磷酸鹽的變化趨勢(shì)可知，4個(gè)水葫蘆覆蓋度不同的實(shí)驗(yàn)池中，水體的氨氮和磷酸鹽在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)均有不同程度的下降。其中，氨氮濃度下降的最為明顯，隨著水葫蘆覆蓋面積的提升，氨氮含量下降的速度會(huì)明顯增加。無(wú)水葫蘆的對(duì)照池中氨氮自然氧化降解所需時(shí)間為17 d，水葫蘆覆蓋度為25%、50%和75%的實(shí)驗(yàn)池中氨氮基本完全降解的時(shí)間分別縮短為15 d、13 d和11 d，即水葫蘆的覆蓋面積和氨氮的消耗速度呈良好的正相關(guān)性。在實(shí)驗(yàn)第11 d，1#～4#水池中氨氮的去除率分別為58%、76%、94%、100%，扣除氨氮的自然降解率以外，25%、50%和75%水葫蘆覆蓋度的水體中氨氮降解率分別增加18%、36%和42%。此外，水葫蘆在50%和75%的覆蓋度下處理氨氮效果接近而前者單株水葫蘆處理效率更佳。

圖2 不同水葫蘆覆蓋度的水體氨氮變化趨勢(shì)示意

圖3 不同水葫蘆覆蓋度的水體總磷變化趨勢(shì)示意

1#～4#水池中磷酸鹽14 d后的去除率分別為21%、24%、32%、29%。水葫蘆覆蓋度為50%的池子中磷酸鹽處理效果最好，其次為水葫蘆覆蓋度為75%的池子。

雖然水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體具有較強(qiáng)的凈化作用，但成熟期至衰敗期的水葫蘆凋謝物在水體中浸泡腐爛會(huì)影響水體水質(zhì)。成熟期葫蘆清水浸泡后，水體中總氮與磷酸鹽的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。通過(guò)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行為期1個(gè)月的監(jiān)測(cè)可知，隨著時(shí)間的推移，清水中的總氮和磷酸鹽含量會(huì)緩慢地上升，且總氮含量的上升幅度要明顯高于磷酸鹽。至實(shí)驗(yàn)1個(gè)月后，水葫蘆釋放的總氮濃度接近3 mg/L，磷酸鹽濃度接近1 mg/L。營(yíng)養(yǎng)鹽濃度上升的主要原因是水葫蘆開(kāi)始腐敗，其過(guò)程會(huì)釋放一定的營(yíng)養(yǎng)鹽所致。此外，隨著成熟期水葫蘆覆蓋度的增加，水葫蘆腐敗浸泡釋放的營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)過(guò)度消耗水體溶解氧，會(huì)造成水體氮磷濃度快速上升，導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化。因此，水葫蘆的清理需要根據(jù)成長(zhǎng)周期制定計(jì)劃，優(yōu)先打撈衰敗期的水葫蘆，避免對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生不良影響。

圖4 清水浸泡實(shí)驗(yàn)中水中氮、磷隨時(shí)間推移的變化示意

2.2 不同覆蓋度的水葫蘆對(duì)藻類的抑制作用

1′#～4′#池體中銅綠微囊藻的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5所示。實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，無(wú)水葫蘆的對(duì)照組(1′#水池)中適量的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽為藻類生長(zhǎng)提供了基礎(chǔ)條件，藻類濃度表現(xiàn)出明顯的生長(zhǎng)趨勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)至第9天內(nèi)濃度增加了23%。有水葫蘆的2′#～4′#水池中的藻類濃度快速下降，說(shuō)明水葫蘆的存在對(duì)水體中銅綠微囊藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生了明顯的抑制作用，且水葫蘆的抑藻效果與覆蓋度成正相關(guān)性。2′#水池(10%覆蓋度)達(dá)到抑制平衡的時(shí)間約為11 d左右，藻類濃度下降了50%；3′#(20%覆蓋度)和4′#(30%水覆蓋度)水池中的藻類抑制達(dá)到基本平衡的時(shí)間約為5 d左右，藻類濃度分別下降了48%和52%。從不同覆蓋度的抑藻效果分析，水葫蘆覆蓋度為20%和30%的池子藻類數(shù)量及變化趨勢(shì)基本接近，但要優(yōu)于10%覆蓋度水池的效果，說(shuō)明20%的覆蓋度水葫蘆對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體藻類抑制能起到較好的作用。

圖5 不同水葫蘆覆蓋度的藻類變化趨勢(shì)示意

3 討論

富營(yíng)養(yǎng)化水體中藻類的生長(zhǎng)受到營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫、光照、水動(dòng)力多種環(huán)境因子以及競(jìng)爭(zhēng)物種等的綜合作用影響，缺少必要的條件往往難以大面積爆發(fā)。水葫蘆對(duì)藻類的抑制回通過(guò)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的競(jìng)爭(zhēng)性吸收作用、其根系的吸附作用以及釋放分泌物的化感作用等達(dá)到抑制效果。生長(zhǎng)期的水葫蘆投放能夠吸收水體中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽，加快水體富營(yíng)養(yǎng)化修復(fù)進(jìn)程，在此過(guò)程中水葫蘆與藻類形成了競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，水葫蘆對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的競(jìng)爭(zhēng)性吸收影響了藻類對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的需求關(guān)系，從而起到了抑制藻類過(guò)度生長(zhǎng)的作用。本次實(shí)驗(yàn)研究表明，水葫蘆在富營(yíng)養(yǎng)化水體中，具有明顯吸收降解營(yíng)養(yǎng)鹽的作用，對(duì)修復(fù)受損水體水質(zhì)具有積極的作用[12]。而且在營(yíng)養(yǎng)鹽充足的水體中，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的去除率與水面水葫蘆的覆蓋度成顯著的正相關(guān)性[13]，這與生長(zhǎng)期水葫蘆的生物量大小有關(guān)。從不同覆蓋度的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，水葫蘆生物量的增加可以有效加速氮磷的降解速率，且富營(yíng)養(yǎng)化水體保持50%左右覆蓋度的水葫蘆，即可以起到較好的水體修復(fù)作用。

其次，水葫蘆的根系發(fā)達(dá)、比表面積大，對(duì)水體中的浮游藻類具有較強(qiáng)的吸附能力[8]。此外，鳳眼蓮根系中存在的多種化感物質(zhì)，如N-苯-基-2-萘胺、亞油酸、亞油酸甘油脂、壬酸和丙酰胺等，會(huì)對(duì)銅綠微囊藻的超歧化物氧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)的活性有著顯著影響[9-11]。因此，水葫蘆對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)的抑制效應(yīng)是營(yíng)養(yǎng)鹽競(jìng)爭(zhēng)、根系吸附和分泌物化感等的綜合作用。

然而，衰敗期水葫蘆不可避免的會(huì)發(fā)生枝葉腐敗的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象會(huì)向水中釋放出氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽，且釋放的量往往大于其在水體吸收處理的量，這也是水葫蘆在泛濫地區(qū)水質(zhì)會(huì)惡化的原因之一[14-15]。因此，水葫蘆在自然水體中是一把“雙刃劍”，控制得當(dāng)可以起到修復(fù)受損水體的作用，但無(wú)序的生長(zhǎng)會(huì)造成水生態(tài)環(huán)境惡化的反作用。在藻類易于大面積爆發(fā)的季節(jié)，富營(yíng)養(yǎng)化較為嚴(yán)重的小型水庫(kù)和湖泊，應(yīng)慎重全面清理水葫蘆，保留20%左右覆蓋度的水葫蘆，有利于控制藻類大面積爆發(fā)。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 水葫蘆在富營(yíng)養(yǎng)化水體中，與藻類的營(yíng)養(yǎng)鹽競(jìng)爭(zhēng)、根系吸附和化感效應(yīng)等綜合作用，可以抑制水體藻類的生長(zhǎng)。在藻類易于爆發(fā)的季節(jié)和水域，控制一定覆蓋度的水葫蘆可以起到抑制藻類大面積爆發(fā)的效果。

2) 從水葫蘆覆蓋度的抑藻效果來(lái)看，20%左右覆蓋度的水葫蘆能夠較好地控制藻類生長(zhǎng)，過(guò)高覆蓋度的水葫蘆不僅難以控制，而且枝葉的腐敗會(huì)引起水質(zhì)的惡化，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的上升。