底泥覆蓋對黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)水體自凈效應的影響

雷曉寒　李林陽　張晴晴　李想　羅康寧　劉茂松

摘要：為了研究覆蓋底泥對水質指標的影響，在溫室中建立黃花鳶尾（Iris wilsonii）微生態(tài)系統(tǒng)，利用河沙覆蓋底泥，并向河沙覆蓋和無河沙覆蓋處理中加入2、4 mg/L營養(yǎng)鹽溶液，同時設置無營養(yǎng)鹽的對照處理，在試驗1、2、3、5、7、9、11、13、17、21 d測定不同處理下水中氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、總氮含量、磷酸鹽含量和總磷含量。研究結果表明，加入營養(yǎng)鹽后不同處理組各水質指標變化過程存在一定差異。其中，加入營養(yǎng)鹽處理組水體中氨態(tài)氮含量在處理后2 d最大，硝態(tài)氮含量大都在處理后7 d最大，總氮含量在2～5 d內先后達到最大，水體磷酸鹽和總磷含量在處理后2～3 d最大。加入營養(yǎng)鹽后，河沙覆蓋處理下的氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、總氮含量最大值明顯高于相應的無河沙覆蓋處理，而處理后11～21 d河沙覆蓋和無河沙覆蓋處理間上述水質指標差異不顯著。無河沙覆蓋處理下水中氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、總氮含量大都分別在試驗5、9、11 d降至較低（該處理組平均質量濃度），而河沙覆蓋處理下大都分別在處理后7、13、13 d降至較低;無河沙覆蓋處理下水中磷酸鹽含量和總磷含量降至較低所需時間為7～9 d，河沙覆蓋處理下所需時間為9～11 d。河沙覆蓋處理下的各水質指標降至較低所需的時間長于無河沙覆蓋處理，河沙覆蓋對黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)水質指標影響大于加入營養(yǎng)鹽濃度對其的影響。

關鍵詞：底泥覆蓋;黃花鳶尾;微生態(tài)系統(tǒng);水質指標

中圖分類號： X524? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）19-0308-05

收稿日期：2020-02-07

基金項目：國家重點研究計劃（編號：2017YFC0506200）。

作者簡介：雷曉寒（1992—），女，四川綿陽人，碩士研究生，主要從事濕地生態(tài)學研究。E-mail： sophielxh@163.com。

通信作者：劉茂松，副教授，主要從事濕地生態(tài)學及景觀生態(tài)學研究。E-mail： msliu@nju.edu.cn。

底泥覆蓋技術最早用于處理污染底泥中的多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯和重金屬等有毒有害物質[1-2]，具有方便快捷和費用較低等優(yōu)點[3]，近年來廣泛應用于富營養(yǎng)化水體底泥的生態(tài)修復中[4-5]。底泥覆蓋主要通過在底泥表面覆蓋1層或多層清潔覆蓋物，隔離底泥與上層水體的物質交換，穩(wěn)固沉積物，防止再懸浮，從而阻止底泥中污染物向水體中遷移[6-8]。研究發(fā)現(xiàn)，采用改性土壤和覆蓋底泥，可提高水體的氧化還原電位和pH值，抑制沉積物中氮、磷的釋放[9-10]。

底泥覆蓋可阻滯底泥中營養(yǎng)鹽等向水體釋放，但其對沉積物表層物理和化學特征的改變[11-12]，也會影響生態(tài)系統(tǒng)中植物的生長以及動物和微生物的活動[8，13]，影響水體與沉積物間的物質遷移。研究發(fā)現(xiàn)，底泥覆蓋對水質的作用因試驗條件、覆蓋材料和持續(xù)時間不同存在較大差異[3，14]。

黃花鳶尾（Iris wilsonii）有較強的氮、磷去除能力，是濕地生態(tài)修復中常用的濕地植物之一[15-16]。本試驗以種植黃花鳶尾的濕地微生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，比較了在加入營養(yǎng)鹽的濕地微生態(tài)系統(tǒng)中覆蓋底泥與未覆蓋底泥的水質變化及其規(guī)律，以期為水體生態(tài)修復提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的黃花鳶尾購自江蘇省無錫市，選用生長狀況良好、大小相近的黃花鳶尾，平均鮮質量為（3.10±1.07） g/株，洗凈根系后，浸入生根液（主要成分為萘乙酸NAA）中1 h，之后移入清水中，培養(yǎng)備用。

試驗所用的底泥采自江蘇省南京市棲霞區(qū)九鄉(xiāng)河，共采底泥約100 kg。底泥中總有機碳含量為（8 278.13±496.92） mg/kg，全磷含量為（666.84±18.12） mg/kg，全氮含量為（659.09±116.11） mg/kg。

在蒸餾水中加入（NH4）2SO4、KNO3和KH2PO4，配制營養(yǎng)鹽溶液，配制的溶液中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和磷酸鹽質量濃度都為230 mg/L。

1.2 試驗設計

試驗于2016年12月在南京大學智能溫室內進行，溫室內氣溫為18 ℃，空氣濕度為71.59%。選用長48 cm、寬34 cm、高25 cm的塑料箱作為培養(yǎng)箱，共設置24個培養(yǎng)箱。在每個培養(yǎng)箱中加入底泥4 kg，在箱中均勻種植6株黃花鳶尾，加入蒸餾水至水深9 cm。濕地微生態(tài)系統(tǒng)中的平均水溫為15.5 ℃。

培養(yǎng)7 d后，在其中12個培養(yǎng)箱中均勻撒入粒徑為0.7～1.0 mm的細河沙，用以覆蓋底泥表面，鋪設厚度約1 cm，其他12個培養(yǎng)箱不加河沙。

在河沙覆蓋和無河沙覆蓋的培養(yǎng)箱中，分別加入營養(yǎng)鹽溶液0、100、200 mL，再加入蒸餾水，使各培養(yǎng)箱中的水位保持基本一致（水深10 cm，體積約11.5 L），此時加入100 mL營養(yǎng)鹽溶液的培養(yǎng)箱水中的氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和磷酸鹽含量都為2 mg/L，加入200 mL營養(yǎng)鹽溶液的培養(yǎng)箱水中的氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和磷酸鹽含量都為4 mg/L。

共設6個處理，分別為河沙覆蓋+無營養(yǎng)鹽處理（SC0）、河沙覆蓋+2 mg/L營養(yǎng)鹽處理（SC1）、河沙覆蓋+4 mg/L營養(yǎng)鹽處理（SC2）、無河沙覆蓋+無營養(yǎng)鹽處理（NC0）、無河沙覆蓋+2 mg/L營養(yǎng)鹽處理（NC1）、無河沙覆蓋+4 mg/L營養(yǎng)鹽處理（NC2），每個處理有4個培養(yǎng)箱。

2016年12月20日加入營養(yǎng)鹽，試驗共持續(xù)21 d。在試驗后1、2、3、5、7、9、11、13、17、21 d，利用蒸餾水淋洗過的塑料廣口瓶，采集水樣，共采集水樣10次。每天補充蒸餾水，以保持水位。將采集的水樣放入保溫箱中，立即帶回實驗室，測定水樣的氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、總氮含量、磷酸鹽含量和總磷含量。

本研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)箱中加入營養(yǎng)鹽溶液后，各水質指標都快速上升，達到最高值后下降，但除硝態(tài)氮含量外，都未達到加入的營養(yǎng)鹽配制濃度。這是由于營養(yǎng)鹽溶液在微生態(tài)系統(tǒng)中擴散的同時，系統(tǒng)中的黃花鳶尾和微生物對營養(yǎng)物質具有吸收轉化和物理吸附作用，消耗了輸入的部分營養(yǎng)鹽。硝態(tài)氮含量在其他指標達到最高值后，仍持續(xù)上升并超過加入的營養(yǎng)鹽中的含量，直到氨態(tài)氮含量下降到較低時，硝態(tài)氮含量才開始下降，表明在微生態(tài)系統(tǒng)中，除了外加營養(yǎng)鹽，硝態(tài)氮還有其他來源，考慮到微生態(tài)系統(tǒng)中硝態(tài)氮與氨態(tài)氮含量變化的對應關系，推測氨態(tài)氮經硝化作用轉化為硝態(tài)氮可能是其主要來源。各形態(tài)氮含量在試驗后期持續(xù)下降但仍有小幅波動，而磷酸鹽和總磷含量達到最大后即持續(xù)下降，其變化過程比各形態(tài)氮含量變化相對簡單。

在無植物且厭氧條件的底泥覆蓋試驗中發(fā)現(xiàn)，沙土（粒徑約2 mm）覆蓋和熱改性凹凸棒黏土覆蓋對底泥總磷釋放的抑制率達40%以上[21];在無植物且非厭氧條件的系統(tǒng)中使用生物炭（粒徑為0.15～1.00 mm）覆蓋底泥，覆蓋處理的氨態(tài)氮累計釋放量比未覆蓋的平均少82.71%[22]。底泥覆蓋能夠阻滯底泥中的營養(yǎng)鹽向水體釋放，但同時也可能降低水生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力。研究發(fā)現(xiàn)，當有外源營養(yǎng)鹽輸入時，底泥覆蓋+水生植物處理下水中的總氮含量和總磷含量高于底泥裸露+水生植物處理[23];也有研究發(fā)現(xiàn)，物理材料覆蓋率高的處理下水中氨態(tài)氮含量高于覆蓋率低的處理[24]。因此，不同的試驗條件、對底泥的覆蓋材料以及覆蓋率，都對水質指標有不同的影響。

本研究中黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)加入營養(yǎng)鹽溶液后，河沙覆蓋處理的各水質指標最大值都顯著大于相應的無河沙覆蓋處理，在試驗后期有無河沙覆蓋處理之間水中的氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和總氮含量無顯著差異;河沙覆蓋處理下各水質指標降至較低水平所需時間顯著大于無河沙覆蓋處理，而加入營養(yǎng)鹽含量為4 mg/L處理下水質指標降至較低所需時間僅略大于2 mg/L處理。表明底泥覆蓋后，黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力減弱，相較于加入營養(yǎng)鹽的含量，覆蓋對各水質指標的下降速度影響更大。

研究認為，覆蓋材料能夠對底泥營養(yǎng)鹽的釋放產生抑制作用主要是通過覆蓋效應、化學效應和吸附效應，不同覆蓋材料起作用的原因不同。其中，河沙主要通過覆蓋效應（物理隔離）來抑制底泥中營養(yǎng)鹽的釋放[24]。而底泥-水界面是水中氮、磷等物質交換較頻繁和復雜的區(qū)域，任何環(huán)境條件的變化都會直接或間接影響界面的物質交換和能量交換[25]。在底泥營養(yǎng)鹽含量高、水體pH值高[26]、底泥擾動[27-28]和水中溶氧量較低[29]等情況下，會促進底泥中的營養(yǎng)鹽向水體中釋放。底泥覆蓋還會改變沉積物-水界面的氧化還原條件，影響底泥表面的物化環(huán)境[30]。底泥覆蓋可以通過物理隔離抑制底泥營養(yǎng)鹽釋放，同時有外源營養(yǎng)鹽輸入時，底泥覆蓋對沉積物-水界面的影響會使水中的營養(yǎng)鹽無法順利通過底泥表面吸附、沉積以及硝化作用和反硝化作用等過程消減。

在本研究中，河沙覆蓋對水質指標降低速度的影響大于營養(yǎng)鹽濃度對其的影響，一方面可能是由于清潔的河沙作為覆蓋層，阻礙了水中的營養(yǎng)鹽向底泥中轉移，同時河沙的吸附作用并不明顯，沒有有效去除水中的營養(yǎng)鹽，使得覆蓋處理后微生態(tài)系統(tǒng)中加入的營養(yǎng)鹽需要更長的時間來降到相對較低的濃度;另一方面，河沙覆蓋阻礙了底泥與上覆水的直接接觸，改變了沉積物-水界面環(huán)境，這種對界面過程的影響可能導致水中營養(yǎng)鹽濃度的下降速度減慢，減弱黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)的水體自凈能力。

3.2 結論

加入營養(yǎng)鹽后不同處理組各水質指標變化過程存在一定的差異，水中氨態(tài)氮、磷酸鹽和總磷含量在試驗后2～3 d即可達到最大，總氮含量在試驗后2～5 d內達到最大，硝態(tài)氮含量達到最大的時間較晚，大都在試驗后7 d。當氨態(tài)氮含量開始下降時，硝態(tài)氮含量仍在上升，與氨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量變化不同，水中總氮含量的變化相對平緩。在不同處理條件下，水中磷酸鹽含量和總磷含量的變化規(guī)律相似。未加營養(yǎng)鹽的處理下，水質指標變化相對平緩。

相較于加入的營養(yǎng)鹽濃度，河沙覆蓋對黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)水質指標影響更大。加入營養(yǎng)鹽后，河沙覆蓋處理下的氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、總氮含量最大值明顯高于相應的無河沙覆蓋處理。無河沙覆蓋處理下水中氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和總氮含量大都分別在試驗后5、9、11 d降至較低，而河沙覆蓋處理下大都分別在試驗后7、13、13 d降至較低。無河沙覆蓋處理下水中磷酸鹽含量和總磷含量降至較低所需時間為7～9 d，河沙覆蓋處理下所需時間為9～11 d。河沙覆蓋處理下的各水質指標降至較低所需時間長于無河沙覆蓋處理。河沙覆蓋一定程度上影響了黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)對加入的營養(yǎng)鹽的消減能力。

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