基于水體光學(xué)特性的水生植物水質(zhì)凈化調(diào)控技術(shù)

黃 暉，童春富，陳蓓蓓

(1. 上海城投原水有限公司，上海 200125；2. 華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200241)

1 研究背景

水體富營養(yǎng)化是當(dāng)前國內(nèi)面臨的主要環(huán)境問題之一。在治理富營養(yǎng)化水體的多種措施中，水生植物由于凈化效果好、經(jīng)濟環(huán)保、低能耗、操作簡單以及利于恢復(fù)和重建水生態(tài)系統(tǒng)自凈能力等優(yōu)勢，已成為廣受關(guān)注的重要舉措。鄭足紅等[1]選擇蘆葦、狐尾藻、菖蒲3種水生植物凈化富營養(yǎng)化水體，結(jié)果表明，菖蒲對氮、磷的去除效果明顯優(yōu)于蘆葦和狐尾藻，狐尾藻在COD的去除上表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，而蘆葦對BOD5的去除效果最佳；在植物組合處理中，菖蒲+狐尾藻組合對氮、BOD5去除效果最佳，蘆葦+菖蒲組合對TP、COD去除效果優(yōu)于其他組合。楊賢鑫等[2]選擇了10種水生植物對水質(zhì)凈化效果進行研究，結(jié)果表明，水芹、紙莎草、蓼對TP、TN的吸收效果最佳，去除率均達到65%以上；選取3組水生植物進行鑲嵌組合，其對TP和TN的去除率比單一植物的平均去除率分別提高了11.98%和18.09%。楊洪云等[3]選取黃菖蒲和千屈菜2種植物構(gòu)建人工浮床，結(jié)果顯示，2種植物體內(nèi)的氮、磷分布均呈葉>根的分布形式，可以通過收割植物有效去除水體中的氮、磷；千屈菜對COD和TP的去除率較高，分別為19.8%和86.8%；黃菖蒲對TN的去除率較高，為73.4%；2種植物對氨氮的去除率均達到95%以上。

水生植物的營建是其發(fā)揮水質(zhì)凈化作用的前提，而光強是植物生長的必要條件，不同種類、不同生長階段的水生植物，其對光照條件的要求有所不同。在湖庫進行水生植物營建時，光強往往不是單獨起作用，它是與水體透明度、淹水深度等多種因素綜合起作用。因此，需基于湖庫光學(xué)特性，綜合考慮多種生境因子，有效開展水生植物營建，進而凈化水質(zhì)。

2 研究內(nèi)容

2.1 挺水植物生長變化特征

由圖1可知，金澤水庫邊灘種植的挺水植物主要分為5個區(qū)域，A區(qū)為強制凈化區(qū)，主要種植旱傘草、美人蕉、千屈菜、水蔥、再力花和鴛尾，以斑塊狀鑲嵌種植；B～E區(qū)為生態(tài)凈化區(qū)，主要種植蘆葦和香蒲。

圖1 金澤水庫植被分區(qū)Fig.1 Vegetation Area in Jinze Reservoir

由圖2可知，A區(qū)植被生長狀況良好，生物量呈逐年上升趨勢，大多數(shù)植物生物量在秋冬季達到高值。2019年初春，對水生植物進行了收割，收割后6種植物生物量均有顯著升高。2019年底對水生植物再次進行了收割，2020年6月多數(shù)植物生物量高于2019年6月，說明收割有利于促進植物生長。

圖2 A區(qū)植被生物量變化特征Fig.2 Characteristics of Vegetation Biomass Change in Area A

B區(qū)為水庫南堤區(qū)域，如圖3所示，工程施工階段種植的蘆葦和香蒲均生長不佳。2018年7月補種了蘆葦，但由于盛夏光照太強，溫度太高，導(dǎo)致補種蘆葦未能存活。2019年3月，通過填土抬高基底、改良底質(zhì)，新補種了蘆葦，同時在植物萌發(fā)期，適當(dāng)控制運行水位，保證充足出露時間，使植物能夠獲得有效光照；至5月時，補種蘆葦生長情況良好，生物量較穩(wěn)定；但6月以后，該區(qū)域植被被大面積長芒稗替代，可能是填土?xí)r由土壤帶入。2019年底，將區(qū)域內(nèi)長芒稗收割清除后，于2020年春季參照2019年的方式再次補種蘆葦和香蒲；到2020年6月，該區(qū)域蘆葦和香蒲生長良好，生物量顯著增加。需注意的是，2020年6月長芒稗又有一定的生物量，其后期對蘆葦?shù)母偁幪卣?，還需繼續(xù)觀測。

圖3 B區(qū)植被生物量變化特征Fig.3 Characteristics of Vegetation Biomass Change in Area B

總體來看，選擇早春種植、填土抬高基底、改良底質(zhì)，并在3月—5月生長初期適當(dāng)降低運行水位，保證充足出露時間，使幼苗獲得有效光照，有利于植物成活。

由圖4可知，C區(qū)初期種植的蘆葦生長情況不良，2018年后此區(qū)域基本無蘆葦生長；局部區(qū)域生長有香蒲，2019年12月其生物量有顯著升高。2020年初春按照B區(qū)方式補種香蒲，生長情況良好，2020年6月生物量有明顯提升。

圖4 C區(qū)植被生物量變化特征Fig.4 Characteristics of Vegetation Biomass Change in Area C

D區(qū)植被以蘆葦為主，部分區(qū)域生長有香蒲。由圖5可知，此區(qū)域植物生長茂盛，生物量較高，呈上升趨勢。經(jīng)2019年底收割后，2020年6月生物量較往年同期有顯著增加。

圖5 D區(qū)植被生物量變化特征Fig.5 Characteristics of Vegetation Biomass Change in Area D

E區(qū)生長有蘆葦、香蒲，植物生長旺盛，由圖6可知，2019年9月前蘆葦和香蒲生物量在各季度無顯著差異，2019年9月—12月均有顯著升高，總體生物量呈上升趨勢。經(jīng)2019年底收割后，2020年6月蘆葦生物量較往年同期顯著增加。

圖6 E區(qū)植被生物量變化特征Fig.6 Characteristics of Vegetation Biomass Change in Area E

綜合來看，水生植物經(jīng)過收割后，植被生長狀況相較之前有所改善，多數(shù)植物生物量有顯著升高，植物收割有利于促進植物生長。

2.2 沉水植物生長變化特征

金澤水庫沉水植物種植區(qū)主要在導(dǎo)流潛堤區(qū)域，監(jiān)測到的植物主要為苦草和狐尾藻。2017年12月以后，苦草基本從庫區(qū)消失；2018年9月以后，狐尾藻也基本消失。2019年8月在導(dǎo)流潛堤近岸區(qū)域進行了以水生植物為主的引種試驗，外圍建有圍網(wǎng)，種植的植物種類有輪葉黑藻、苦草、水盾草、眼子菜、睡蓮，到2019年11月已基本消失。

根據(jù)區(qū)域生態(tài)現(xiàn)狀，可能導(dǎo)致沉水植物消失的原因包括風(fēng)浪、光強和動物取食等方面。根據(jù)東太湖區(qū)域的原位控制試驗，水深1.0 m左右較為適合苦草生長，但需借助防浪措施，防止風(fēng)浪的影響[4]。2017年12月水庫正常運營以后，拆除了潛堤周邊的圍網(wǎng)，可能是導(dǎo)致庫區(qū)苦草消失的重要原因。另外，從庫區(qū)真光層深度來看，金澤水庫導(dǎo)流潛堤區(qū)域真光層深度在1.09～1.36 m(表1)，而導(dǎo)流潛堤區(qū)域常水位運行時的水深在1.5 m，水深相對較深，不利于沉水植物生長，這也是導(dǎo)致苦草、狐尾藻等沉水植物消失的重要原因。而2019年8月開始在導(dǎo)流潛堤淺水區(qū)開展的引種試驗，盡管也設(shè)置了圍網(wǎng)而且水深較淺，但是由于存在取食沉水植物的動物，基本也沒有長起來。

表1 導(dǎo)流潛堤處光衰減系數(shù)和真光層深度Tab.1 Optical Attenuation Coefficient and Euphotic Depth at Diversion Dike

綜合來看，風(fēng)浪、光照條件(水深)和動物攝食是影響沉水植物生長的重要因素，導(dǎo)流潛堤區(qū)域沉水植物生長不佳，后續(xù)需根據(jù)水庫實際運行情況，選取適宜地點和方式補種沉水植物。

2.3 挺水植物氮磷吸收賦存特征

如圖7～圖14所示，旱傘草氮的吸收賦存最大值主要出現(xiàn)在12月，約為25 000 mg/m2，而磷吸收賦存的最大值主要出現(xiàn)在3月，約為1 500 mg/m2；水蔥氮、磷吸收賦存的最大值分別為1 200 mg/m2和80 mg/m2；再力花氮、磷吸收賦存的最大值主要出現(xiàn)在6月，分別為1 550 mg/m2和140 mg/m2；美人蕉氮的吸收賦存量主要出現(xiàn)在12月，約為12 000 mg/m2，磷的最大吸收賦存量主要出現(xiàn)在10月，約為800 mg/m2；鳶尾氮、磷吸收賦存的最大值出現(xiàn)在6月，分別為2 500 mg/m2和350 mg/m2；蘆葦?shù)?、磷吸收賦存的最大值主要出現(xiàn)在10月，分別為11 000 mg/m2和450 mg/m2；千屈菜氮、磷吸收賦存的最大值主要出現(xiàn)在10月，分別為12 000 mg/m2和2 200 mg/m2；香蒲氮、磷吸收的最大值主要出現(xiàn)在6月，分別為5 000 mg/m2和600 mg/m2。

圖7 旱傘草賦存特征 (a)磷; (b)氮Fig.7 Occurrence Characteristic of Cyperus Alternifolius (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

圖8 水蔥賦存特征 (a)磷; (b)氮Fig.8 Occurrence Characteristic of Scirpus Validus (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

圖9 再力花賦存特征 (a)磷; (b)氮Fig.9 Occurrence Characteristic of Thalia Dealbata (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

圖10 美人蕉賦存特征 (a)磷; (b)氮Fig.10 Occurrence Characteristic of Canna Indica (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

圖11 鳶尾賦存特征 (a)磷; (b)氮Fig.11 Occurrence Characteristic of Iris Tectorum (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

圖12 蘆葦賦存特征 (a)磷; (b)氮Fig.12 Occurrence Characteristic of Phragmites Australis (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

圖13 千屈菜賦存特征 (a)磷; (b)氮Fig.13 Occurrence Characteristic of Lythrum Salicaria (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

圖14 香蒲賦存特征 (a)磷; (b)氮Fig.14 Occurrence Characteristic of Typha Domingensis (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

2.4 植物凋落分解氮磷釋放特征

從2019年1月開始，選擇代表性植物蘆葦、美人蕉、旱傘草和香蒲，開展凋落物袋試驗，分析調(diào)落物分解特征。由植物凋落物生物量變化情況(圖15)可知，淹水狀態(tài)下凋落物生物量下降速率明顯高于在空氣生境中(立枯)，除蘆葦莖外，旱傘草、美人蕉、香蒲莖葉和蘆葦葉子在淹水情況下的生物量都在5月后顯著下降。

圖15 凋落物生物量變化Fig.15 Variation of Biomass in Litter

凋落物分解釋放試驗的結(jié)果顯示(圖16、圖17)，旱傘草葉和蘆葦葉以及美人蕉莖的淹水部分在5月后TN賦存削減量(即釋放量)顯著升高，且淹水部分顯著高于地上部分，隨氣溫及水溫升高，5月以后凋落物TN釋放量顯著升高，而TP釋放量則整體較小，莖與葉部分TP的釋放量相差不明顯，淹水條件下的釋放量整體大于空氣生境中(立枯)。

圖16 凋落物TN釋放量變化Fig.16 Variation of Total Nitrogen Release in Litter

圖17 凋落物TP釋放量變化Fig.17 Variation of Total Phosphorus Release in Litter

綜合分析植物氮磷賦存特征與氮磷釋放特征，為減少凋落物氮磷釋放對水質(zhì)的影響，同時盡可能保證植物對氮、磷的最佳吸收效率，要在植物地上部分枯萎前進行收割。綜合考慮植物花期等因素，建議對植物在10月進行收割，并對進入水體的植物凋落物及時打撈。

2.5 人工浮床植物與邊灘植物對比

水庫中目前設(shè)有約2 000 m2的人工浮床，主要種植旱傘草、美人蕉和鳶尾。與邊灘挺水植物相比，浮床種植的旱傘草和美人蕉生物量較高，且均顯著大于邊灘區(qū)域；鳶尾在2種生境下生物量差別不顯著；浮床種植的旱傘草和美人蕉的TN賦存量顯著高于邊灘，而鳶尾在2種生境下TN賦存量差異不顯著；浮床種植的美人蕉TP賦存量顯著高于邊灘，而旱傘草、鳶尾的TP賦存量在2種生境下差異不顯著。總體而言，由于浮床種植的挺水植物其光照條件不受淹水影響，在浮床種植條件下植物的生物量、氮磷賦存量要高于邊灘區(qū)域。由于浮床種植的植物，其吸收的氮、磷基本來自水體，植物根系也會起到生物填料、掛膜的作用，其水質(zhì)凈化效果更加突出。因此，建議可適當(dāng)擴大金澤水庫庫區(qū)浮床種植面積。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 濱岸及淺水區(qū)挺水植物的營建

(1)挺水植物營建一般在以3月—5月進行，可以采用種子、種苗、根莖等不同的種植體進行種植。種苗、根莖等采挖、儲運過程應(yīng)盡量避免影響其活性，以保證種植成活率。

(2)在植株生長初期，應(yīng)降低湖庫運行水位，保證幼苗在白天能夠充分出露，接受充足的光照；在無法降低水位或水深相對較深的濱岸區(qū)域，可以通過填土的方式，增加基底高程，保證幼苗能充分出露。

(3)植株種植以后，要進行跟蹤監(jiān)測，評估種植成效。植株未成活區(qū)域，可在秋冬，或第2年春季補種，避免在光照強、溫度高的盛夏補種。

(4)在水深較深、濱岸以直立駁岸為主的湖庫區(qū)域，可以人工浮床方式進行挺水植物營建，優(yōu)先選擇旱傘草、美人蕉等植株高大、根系發(fā)達的植物種類進行浮床種植。從鳥類等生物對水域的利用情況來看，浮床種植面積宜控制在區(qū)域面積的30%以下。

(5)在秋冬季需對植物地上部分進行收割，以利于植物第2年的生長，同時避免植物體內(nèi)氮磷大量釋放至水體中。從金澤水庫現(xiàn)有植物氮磷賦存釋放特征來看，可在10月進行收割，并對進入水體的植物凋落物及時打撈。

3.2 開敞水域沉水植物營建

(1)測定沉水植物生長季湖庫水域水下光強，計算光衰減系數(shù)和真光層深度，根據(jù)真光層深度選擇種植水域和種植方式，水深小于真光層深度有利于沉水植物生長。

(2)在種植區(qū)域周邊布設(shè)圍網(wǎng)，減緩水流，并預(yù)先清除圍網(wǎng)區(qū)域內(nèi)植食性動物，防止其牧食沉水植物。

(3)水體的水位變化及風(fēng)浪影響對沉水植物生長有較大影響，沉水植物種植以后，需定期進行監(jiān)測，評估其生長狀況；對生長不良或未成活區(qū)域，要適時進行補種。

4 總結(jié)與展望

金澤水庫種有水生植物4萬m2以上，大部分區(qū)域挺水植物生長良好，小部分生長不良區(qū)域已通過填土抬高基底、改良底質(zhì)，并在3月—5月生長初期適當(dāng)降低運行水位的方式進行補種，目前長勢良好。研究表明，人工浮床挺水植物生物量和氮磷賦存量均優(yōu)于邊灘挺水植物，因此水庫計劃增加5 200 m2人工浮床，進一步提升水質(zhì)凈化效果。導(dǎo)流潛堤處沉水植物由于光照不足、風(fēng)浪影響、動物攝食等，存活量低，現(xiàn)有研究表明，導(dǎo)流潛堤處并不適宜于種植沉水植物，后續(xù)將根據(jù)水庫實際運行情況，選取適宜地點補種沉水植物。