衡水湖水生植物水質(zhì)凈化效應(yīng)研究

尹俊嶺　張學(xué)知　張家興

摘要:衡水湖是位于河北省東部平原的一個人工湖泊,水源供給主要靠外流域調(diào)水。水體相對靜止,水量交替緩慢,來水量水質(zhì)復(fù)雜多變,對湖水水質(zhì)影響較大。為凈化水質(zhì),衡水湖采用以水生植物進(jìn)行水質(zhì)凈化的措施,取得了良好的效果。通過對來水量水質(zhì)、湖水水質(zhì)監(jiān)測,分析水生植物對氮、磷物質(zhì)的凈化作用;在不同水生植物區(qū)進(jìn)行取樣分析,采用綜合污染指數(shù)對比的方法,分析不同水生植物的凈化作用和效果;分析結(jié)果表明:水質(zhì)凈化效果最好的是沉水植物區(qū),依次分別為荷花區(qū)、蒲草區(qū)、蘆葦區(qū)。水生植物在凈化水質(zhì)的同時,也美化了環(huán)境。

關(guān)鍵詞:湖泊生態(tài)系統(tǒng);水生植物;凈化水質(zhì)作用;衡水湖

中圖分類號:X171;X703文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672-1683(2009)05-0128-03

Study of Hydrophyte and the Effect of Water Purification of Hengshui Lake

YIN Jun-ling,ZHANG Xue-zhi,ZHANG Jia-xing

(Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hengshui City,Hengshui 053000,China)

Abstract: Hengshui Lake is one of the artificial lakes in the eastern plain of Hebei Province.Its water supply mainly depends on water diversion from outside basin.Water body is relatively static,quantity of water alternates slowly,and water quality is complex and changeable,which have great effects on the water quality of the lake.Aquatic plants are used to purify the lake and good results are achieved.By monitoring water quantity and quality,purifying effect of aquatic plants to nitrogen,phosphorus materials is analyzed;samplings are taken at different aquatic plants areas by the methods of integrated pollution index to analyze the different purifying effect of aquatic plants;The results showed that: the best effect of water quality purification is submerged macrophyte zone as lotus area,leaf of cattail areas,reed areas.Aquatic plants can not only purify the water,but also beautify the environment.

Key words: lake ecosystems;aquatic plants;effect of the water purification;Hengshui Lake

衡水湖自然保護(hù)區(qū)成立于2000年7月,面積18 787 hm²,由草甸、水域、林地、灘涂等多種生態(tài)環(huán)境組成的天然濕地生態(tài)系統(tǒng),是多種候鳥南北遷徙的路線匯集地和眾多珍惜鳥類在華北地區(qū)最理想的棲息地,是華北內(nèi)陸具有典型代表性的濕地環(huán)境。由于衡水湖供水水源的復(fù)雜性和地理位置的特殊性,分析衡水湖水環(huán)境變化規(guī)律與水質(zhì)影響因素,評價水生植物對水質(zhì)凈化作用的機(jī)理和效果,加強(qiáng)對衡水湖水環(huán)境影響因素的研究,為保證衡水湖濕地水環(huán)境良性循提供科學(xué)依據(jù)。

1 衡水湖水生植物類型與分布

水生植物指生理上依附于水環(huán)境、至少部分生殖周期發(fā)生在水中或水表面的植物類群。水生植物大致可區(qū)分為4類:挺水植物、沉水植物、浮葉植物與漂浮植物。而大型水生植物是除小型藻類以外所有水生植物類群。水生植物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和主要的初級生產(chǎn)者,對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的循環(huán)和傳遞起調(diào)控作用。它還可固定水中的懸浮物,并可起到潛在的去毒作用。

為保護(hù)水質(zhì),衡水湖從2000年開始,在湖內(nèi)大量種植水生植物,利用水生植物的凈化作用,為保護(hù)衡水湖水質(zhì)發(fā)揮了重要作用。

根據(jù)北方特點以及當(dāng)?shù)貧夂驙顩r以及地理位置等情況,在衡水湖內(nèi)主要種植的水生植物有蘆葦、香蒲和荷花。沉水植物區(qū)主要種植的水生植物有輪藻、眼子菜等[1]。各水生植物種植面積見表1。

大型水生植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,它們共同構(gòu)成湖泊水生植被,具有顯著的初級生產(chǎn)能力和環(huán)境功能。尤其是在淺水湖泊中,大型水生植物可占據(jù)較大面積比例,不僅是初級生產(chǎn)力的主體,而且能在一定程度上改善湖泊環(huán)境和其它生物的生存環(huán)境。

2 水生植物凈化水質(zhì)作用機(jī)理分析

水生植物能夠不同程度地清除被污染水體的氮、磷、重金屬及有機(jī)污染物,并在凈化水質(zhì)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過分析水生植物對水中氮、磷等營養(yǎng)元素和污染物的吸收及分解作用,可選擇不同的水生植物及其組合來適應(yīng)不同的受污染水體。還可通過控制水生植物的數(shù)量來調(diào)控凈化能力的大小,以修復(fù)受污染水體并保持水質(zhì)。水生植物凈化水質(zhì)的作用機(jī)理可分為以下幾個方面[2]。

①植物提取:指應(yīng)用可累積污染物的植物將水體中的重金屬或有機(jī)污染物轉(zhuǎn)運、富集于植物體易于收集的部分。

②植物轉(zhuǎn)化:指植物從土、水體等污染環(huán)境中吸收集富營養(yǎng)化污染物或有機(jī)污染物,并通過植物體的代謝過程來降解污染物,將污染物部分或完全降解或結(jié)合進(jìn)植物組織內(nèi),從而使污染物變得無毒或毒性較以前減小。

③植物固定:利用植物降低污染物質(zhì)在環(huán)境中的不穩(wěn)定性和可利用性,防止污染物進(jìn)入地下水或食物鏈,降低污染物對生物的毒性。

④根際生物修復(fù):植物根系及其根際微生物釋放酶、有機(jī)酸等物質(zhì),對污染物進(jìn)行溶解、蟞合、吸收或降解。

⑤植物揮發(fā):應(yīng)用植物將揮發(fā)性污染物或其代謝產(chǎn)物吸收并釋放到大氣中,從而清除水中的污染。

⑥根際過濾:利用植物根部從水中吸收、富集和沉淀重金屬、有機(jī)物等污染物,從而達(dá)到消除環(huán)境污染的目的。

通過種植水生植物凈化水質(zhì),是利用許多水生植物特別是水生維管束植物能夠大量吸收營養(yǎng)物質(zhì),或降解轉(zhuǎn)化有毒有害物質(zhì)為無毒物質(zhì)的性質(zhì)。在廢水或受到污染的天然水體中種植大量耐污染凈化較強(qiáng)的水生高等植物,使其通過自身的生命活動將水中的污染物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化或富集到體內(nèi),然后除去,恢復(fù)水域中的養(yǎng)分平衡;同時通過水生植物的光合作用放出氧氣,增加水中溶解氧含量,從而改善水質(zhì)。

3 衡水湖水生植物的生態(tài)功能

水生植物和其它水生生物生活在同一個水體環(huán)境中,當(dāng)擁有一定的群體數(shù)量時,它們不僅可以改善環(huán)境,還能通過各種方式直接或間接影響其它生物,這就是大型水生植物的環(huán)境生態(tài)功能。

3.1 促淤防蝕澄清水質(zhì)功能

當(dāng)湖泊中的水生植物比較密集、組成具有一定覆蓋度的水生植物時,可以改變湖水與底泥之間的物質(zhì)交換平衡,促使懸浮或溶解在湖水中的污染物質(zhì)向底泥的轉(zhuǎn)移,澄清凈化水質(zhì),其作用機(jī)制可以歸納以下幾個方面。

抑制風(fēng)浪和水流,促進(jìn)湖水中懸浮物質(zhì)的沉降;固持底泥,減少底泥中污染物的再懸浮和溶解釋放;分泌助凝物質(zhì),促進(jìn)湖水中小顆粒物質(zhì)、溶解態(tài)有機(jī)物質(zhì)和膠體的絮凝沉降;水生植物與湖水之間有龐大的接觸面積,能吸附水中的污染物質(zhì)并通過周叢生物進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化,剩余部分通過剝落-沉降進(jìn)入底泥;通過吸收同化-死亡凋落過程將溶解態(tài)污染物輸送到底泥。

蘆葦生長在水中,根和下端的基部附生著一層厚厚的呈深灰色的微生物,這些微生物依靠吸收水中的有機(jī)物質(zhì)生存,起著凈化水質(zhì)的獨特作用。蘆葦?shù)母枯^淺,主要是橫向生長在泥土中盤根錯節(jié)。這樣的根系生長結(jié)構(gòu),對灘涂和溝河的坡岸水土起著極好的保護(hù)作用。

3.2 抑制藻類功能

水生植物與浮游藻類有相互克制的特性,在水草發(fā)育比較好的水質(zhì)中不易發(fā)生藻類水華,其相克機(jī)制主要有生物克制和物理效應(yīng)。

生化克制:水生植物在旺盛生長時能向湖水中分泌某些生化物質(zhì),殺死藻類或者抑制其生長繁殖。沉水植物與浮游藻類在資源方面競爭勢均力敵,生化克制效應(yīng)在二者之間的生存競爭中起著決定性作用。

物理效應(yīng):湖泊中浮游藻類大部分沒有運動能力或者運動能力很差,它們主要借助于紊動來維持其懸浮生活。在水生植物比較密集的湖區(qū),湖水的紊動強(qiáng)度減弱,可影響某些浮游藻類的生長。有些藻類的自然群體具備較小顆粒的某些性質(zhì),同樣可以被水生植物的表面所吸附。比如在有藍(lán)藻水華的湖泊中,水生植物分區(qū)常常成為漂浮性藍(lán)藻的陷阱,挺水植物帶和浮葉植物帶對藍(lán)藻的捕獲作用最為有效。

3.3 衡水湖不同水生植物凈化作用效果分析

2004年-2005年,衡水水環(huán)境監(jiān)測中心開展了對衡水湖不同水生植物分布區(qū)水質(zhì)監(jiān)測試驗,先后在2004年10月,2005年4月、6月、7月、8月分別對荷花區(qū)、蘆葦區(qū)、蒲草區(qū)、沉水植物區(qū)和深水區(qū)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測,監(jiān)測項目有pH值、氯化物、硫酸鹽、溶解氧、氨氮、硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數(shù)、氰化物砷化物、揮發(fā)酚、六價鉻、總汞、隔、鉛、銅、溶解性鐵、硫化物、氟化物、總磷等20個項目。對監(jiān)測結(jié)果采用綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評價,評價結(jié)果見表2。

為便于比較,對不同區(qū)域5次評價的綜合污染指數(shù),計算其算數(shù)平均值,用算數(shù)平均值進(jìn)行對照,沉水植物區(qū)的綜合污染指數(shù)平均值為0.47,屬微污染;荷花區(qū)、蒲草區(qū)和蘆葦區(qū)綜合污染指數(shù)依次為0.57、0.62、0.66,屬輕污染。

不同的水生植物,對不同性質(zhì)的污染物去除效果不一樣,如蘆葦對總磷、總氮的去除效果明顯;水蔥,能凈化水中的酚類;野慈菇對水體中氮的去除率達(dá)75%;荷花可以削減水體中總磷、總氮、BOD₅、COD_Cr的含量;菹草對水體和底泥中的N、P、Pb、Zn、Cu、As等有較強(qiáng)的吸收、富集作用。不同的物種或同一物種在不同濕地環(huán)境中的凈化效果都會有較大的差異性。

通過對衡水湖不同水生植物區(qū)水質(zhì)評價,對水質(zhì)凈化作用最好的是沉水植物區(qū),依次分別為荷花區(qū)、蒲草區(qū)、蘆葦區(qū)。該結(jié)果是該水生植物區(qū)內(nèi)對評價項目綜合作用的結(jié)果,生物凈化水質(zhì)是一個涉及物理、化學(xué)、生物反應(yīng)的綜合過程,單獨進(jìn)行某一種生物對某一項污染物的凈化作用,需要建立專門的試驗設(shè)施進(jìn)行研究。

4 衡水湖水生植物對氮磷物質(zhì)凈化作用分析

衡水湖供水水源主要靠外流域調(diào)水,一般在每年冬季從黃河調(diào)水,入湖水量時間短。利用來水量水質(zhì)監(jiān)測資料與湖內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測資料進(jìn)行比較,分析衡水湖內(nèi)水生植物的凈化作用(該計算成果包括水體自凈作用在內(nèi)),本次僅對氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行分析計算。

4.1 引黃水源水質(zhì)資料分析

衡水湖上游水源幾乎都被水利工程控制,平時很少來水,只有汛期上游棄水時才有來水,而且沒有保障,數(shù)量很少。目前,衡水湖主要水源是從黃河調(diào)水。在調(diào)水期間,水量平穩(wěn)時每旬監(jiān)測一次,水量變化大隨時增加監(jiān)測次數(shù)。本次分析項目為總磷、總氮兩個監(jiān)測項目,根據(jù)監(jiān)測資料計算其平均值。如下表3為2003年-2007年衡水湖水源水質(zhì)監(jiān)測計算成果。

根據(jù)調(diào)水水質(zhì)資料分析,水質(zhì)監(jiān)測成果每年變化幅度較大,主要受河道沿途污水和底泥影響。在調(diào)水前,河道大部分是存儲和排放污水的,河道底部嚴(yán)重污染,在最開始的調(diào)水水質(zhì)有時超過Ⅴ類水。隨調(diào)水時間的延長,水質(zhì)逐漸變好。因此,長距離調(diào)水時,沿途河道狀況對水質(zhì)影響較大。

4.2 湖區(qū)監(jiān)測點布設(shè)及檢測項目情況

監(jiān)測點布設(shè):在衡水湖內(nèi)設(shè)施2個監(jiān)測取樣點,每年雙月進(jìn)行監(jiān)測,全年監(jiān)測6次,遇到水質(zhì)和水量變化較大時,隨時增加監(jiān)測次數(shù),按照算術(shù)平均法計算年平均濃度,計算結(jié)果見表4。

水質(zhì)監(jiān)測成果分析,衡水湖水質(zhì)變化幅度較大,主要與來水量水質(zhì)關(guān)系有關(guān)。也和周邊流域產(chǎn)流直接入湖的水質(zhì)有關(guān)。由于上游來水基本是污水,來水量一般是存入小庫,然后直接進(jìn)行灌溉,以防止污水污染衡水湖水體。遇到上游在汛期棄水,水質(zhì)較好時,適當(dāng)向衡水湖調(diào)水。因此,衡水湖水質(zhì)受上游來水水質(zhì)影響較大。

4.3 水生植物凈化水質(zhì)效果評價

4.3.1 氮的去除效果分析

湖水中的氮基本上以有機(jī)氮和氨態(tài)氮兩種形式存在,氮在湖泊及濕地內(nèi)的轉(zhuǎn)化途徑包括土壤吸附和離子交換、水生植物吸收、微生物的硝化、反硝化以及氨的揮發(fā)等[3]。根據(jù)衡水湖引水水質(zhì)監(jiān)測資料和湖水水質(zhì)監(jiān)測資料分析,采用2003年-2007年水質(zhì)監(jiān)測成果計算,衡水湖水體總氮的去除率為63.0%。植物是濕地凈化水質(zhì)的一個重要組成部分,衡水湖在湖中種植了不同的水生植物,為凈化水質(zhì)發(fā)揮了重要作用。就氮的去除情況分析,有關(guān)研究表明[3],在人工濕地中,氮的去除主要通過硝化和反硝化兩步反應(yīng)。微生物在濕地系統(tǒng)營養(yǎng)物氮的去除中起著主要作用,通過收割實驗,分析表明濕地系統(tǒng)中,只有4%～11%的氮是通過植物吸收去除的,而大部分是通過硝化、反硝化作用去除的。

4.3.2 磷的去除效果分析

濕地對磷的去除主要通過底質(zhì)吸附、植物攝取和微生物同化三條途徑來進(jìn)行,其中底質(zhì)吸附是最主要的一個因素,而磷最終從系統(tǒng)中去除依賴于濕地植物的收割和飽和底質(zhì)的更換(定期清除底泥是除磷和其它重金屬的有效措施)。根據(jù)5年內(nèi)衡水湖調(diào)水水質(zhì)監(jiān)測資料和湖水水質(zhì)監(jiān)測資料分析[5],按平均值計算,衡水湖水體對磷的去除率為21.1%。具體底質(zhì)吸附、植物攝取和微生物同化對磷去除的比例,衡水湖沒有這方面的監(jiān)測和試驗結(jié)果,有待于以后能開展這方面的試驗研究。

5 結(jié)論

濕地可以提供生物繁育生長棲地、對于保護(hù)生物多樣性、減少洪水危害等具有重要意義。衡水湖利用水生植物及人工濕地來凈化水質(zhì)的方法,由于無副作用、廉價和易操作,具有較強(qiáng)的應(yīng)用和發(fā)展前景。在去除污染物的同時,具有美化環(huán)境的功能,因此有較高的生態(tài)效益。

湖泊中種植水生植物,利用微生物─植物這個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)調(diào)作用,通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、微生物同化分解和植物吸收等途徑去除水體中的懸浮物、有機(jī)物、氮、磷和重金屬等,根據(jù)對衡水湖不同水生植物區(qū)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果分析,沉水植物區(qū)凈化水質(zhì)效果最好,依次分別為荷花區(qū)、蒲草區(qū)和蘆葦區(qū)。利用調(diào)水和湖區(qū)水質(zhì)資料對比分析,總氮的去除率為63.0%,總磷的去除率為21.1%。

衡水湖通過人工種植水生植物,如蘆葦、香蒲、荷花等,野趣橫生。在凈化水質(zhì)的同時,也增加了觀賞價值。

參考文獻(xiàn):

[1] 衡水水文水資源勘測局.衡水湖濕地保護(hù)與環(huán)境功能研究[R].2006.

[2] 吳振斌,邱東茹,賀 鋒,等.水生植物對富營養(yǎng)水體凈化作用研究[J].武漢植物學(xué)研究,2001,19(4):299-303.

[3] 唐 峰,陳季華.人工濕地系統(tǒng)中氮磷去除機(jī)理的研究進(jìn)展[A].第七屆全國環(huán)境水力學(xué)學(xué)術(shù)研討會論文集[C].北京:中國水利水電出版社,2006.

[4] 許航,陳煥仕.水生植物塘脫氮處磷的效能及機(jī)理研究[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報,1999,32(4):69-73.

[5] 尹俊嶺,喬光建,崔希東.水生植物對氮磷營養(yǎng)物質(zhì)凈化作用分析[A].中國水利學(xué)會第四屆青年科技論壇論文集[C].北京:中國水利水電出版社,2008.