滇池底泥堆場次生植被富集污染物調查

王瀚墨，白 濤，肖 丹，何 潔

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學院藥用植物所，云南昆明 650223;2.昆明市城市排水監(jiān)測站，云南昆明 650034)

底泥污染是滇池內(nèi)源污染的主要問題，在靜態(tài)條件下，湖泊沉積物每1a可以釋放1萬t左右的氮、900t左右的磷，相當于外源輸入的污染物量的30% ～40%［1］。目前，滇池流域所采取的控制滇池污染的措施主要有:控制性圈養(yǎng)鳳眼藍、機械手段分離 (藍)藻水、種植中山杉以及對滇池底泥進行環(huán)境疏浚［2］。其中環(huán)境疏浚是目前控制內(nèi)源污染最有效的方法［3～4］。

環(huán)境疏浚是指以改善水體環(huán)境質量為目的，用機械手段清除湖床上層一定范圍內(nèi)富含有機質、氮、磷和重金屬的污染底泥并妥當處置，一定程度上去除污染內(nèi)源，為湖泊水質的好轉和穩(wěn)定創(chuàng)造條件［5］的一種工程技術。疏浚后所帶離水體的底泥具有有機質含量大、含水率高、組分復雜等特點，若處置不當極易產(chǎn)生二次污染［6～7］。滇池底泥堆場運用疏浚底泥構建生態(tài)湖濱帶進而清除疏浚底泥內(nèi)污染物的處置方案具有節(jié)省費用、不破壞原有生態(tài)、去污效率高等優(yōu)點［8～9］，但也存在諸如處置周期長，可能造成物種入侵，并非所有污染物都能被生物富集或利用等缺點［10］。因此，如何選擇在疏浚底泥堆場上構建生態(tài)湖濱帶的物種成為疏浚底泥后期處置成功與否的關鍵。目前國內(nèi)尚無關于利用堆場次生植被作為恢復材料的相關研究報道。

滇池底泥疏浚在二期工程實施過程中建立了3個底泥堆場 (柳苑底泥堆場、福寶塘底泥堆場、福寶灣底泥堆場)，本文就這3個堆場的植被次生演替過程中出現(xiàn)的各種植物對滇池底泥中的污染物的富集情況及這些植物是否適合作為底泥堆場生態(tài)修復的生物素材進行了初步的調查，希望能為下一步構建滇池疏浚底泥生態(tài)湖濱帶物種的選擇提供一些實驗數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域簡介

柳苑底泥堆場建于2009年11月～2010年7月，占地面積約0.27km2，底泥棕黑色至黑灰色，含水和有機質較多，含沙較少，主要呈現(xiàn)為表流濕地，表層水深12～75cm。

福寶塘底泥堆場建于2009年11月～2010年9月，占地面積約0.8km2，整個堆場目前分為表流和潛流兩個區(qū)域，表流區(qū)域比潛流區(qū)域底泥堆積略高，因此兩個區(qū)域所呈現(xiàn)的土壤結構、底泥的含水量以及植被類型均有所差異:西側區(qū)域底泥深棕色至灰黑色，含水和有機質較多，含沙稍少，絕大部分區(qū)域呈現(xiàn)為表流濕地，表層水深8～40cm;東側區(qū)域底泥淺棕色至深棕色，含水和有機質較少，含沙稍多，地表積水 (或涌水)或地面表層板結、較少龜裂，呈現(xiàn)為潛流濕地。

福寶灣底泥堆場建于2009年11月～2010年1月，占地面積約0.13km2。底泥淺棕色，含水和有機質較少，含沙較多，表層板結龜裂，25～30cm以下有潛流，主要呈現(xiàn)為潛流濕地。

2 調查與研究方法

2.1 植被調查

于2010年11月對位于滇池東北岸的3個底泥堆場進行了實地調查。調查采用樣方法:首先使用記名樣方法目測記錄3個滇池底泥堆場樣地內(nèi)植物的種類以及它們的多優(yōu)度和群集度，并對其進行排序，選取前5種植物作為該堆場的優(yōu)勢種。

在該堆場選取由單一優(yōu)勢種種群構成或單一優(yōu)勢種種群占絕對優(yōu)勢的生境建立1 m ×1 m的樣方，記錄該優(yōu)勢種的生態(tài)特征:優(yōu)勢種的層高，種群密度以及物候期等。其中1.1至1.5號的5個樣方為柳苑堆場樣地樣方，2.1至2.5號的5個樣方為福保塘堆場樣地樣方，3.1至3.5號的5個樣方為福保塘堆場樣地樣方。

2.2 樣品生物量和含水率測定

將單一樣方內(nèi)的優(yōu)勢種全部植株帶根挖出，將根清理干凈后用吸水紙擦拭干凈，測量得其鮮重W1;將挖出的優(yōu)勢種全部個體帶回實驗室，80℃干燥至恒重，測量得其干重W2，以W1－W2的值除以W1再乘以100%所得即為樣方內(nèi)優(yōu)勢種樣品的含水率。

2.3 樣品富集污染物檢測

將干燥后的樣品粉碎，混勻，測量其TN、TP、有機質和重金屬的含量，檢測方法為:砷 GB/T 5009.11－2003，汞 GB/T 5009.17－2003，鉛 GB/T 5009.12－2010，鎘 GB/T 5009.15－2003，鉻 GB/T 5009.123－2003，銅GB/T 5009.13－2003，鋅GB/T 5009.14－2003，總氮GB 5009.5－2010，總磷NY/T1653－2008，有機質NY/T304－1995。

2.4 對樣品生物量曲線與樣品富集污染物曲線進行相關性比較

其中X和Y為兩個待比較的數(shù)值序列，r為X序列與Y序列的相關系數(shù)。

3 結果

3.1 3個底泥堆場的優(yōu)勢種及其生態(tài)學特征

經(jīng)調查發(fā)現(xiàn)柳苑底泥堆場內(nèi)生長的植物共有11種，依照其在樣地中的多優(yōu)度排在前5位的優(yōu)勢種分別為鳳眼藍 (Eichhornia crassipes)、長柱柳葉菜 (Epilobium blinii)、西來稗 (Echinochloa crusgalli var.zelayensis)、喜旱蓮子草 (Alternanthera philoxeroides)和水燭 (Typha angustifolia)。福寶塘底泥堆場內(nèi)生長的植物共有23種，依照其在樣地中的多優(yōu)度排在前5位的優(yōu)勢種分別為鳳眼藍、水蓼 (Polygonum hydropiper)、稗 (Echinochloa crusgalli)、香 蒲 (Typha orientalis)和 云 南 莎 草(Cyperus duclouxii);福寶灣底泥堆場內(nèi)生長的植物共有19種，依照其在樣地中的多優(yōu)度排在前5位的優(yōu)勢種分別為水蓼、雙穗雀稗(Paspalum paspaloides)、燈心草 (Juncus effusus)、喜旱蓮子草和菰(Zizania latifolia)。

通過表1對3個滇池底泥堆場中的樣方進行比較可知，優(yōu)勢種的平均含水量:柳苑堆場＞福保塘堆場＞福保灣堆場;優(yōu)勢種的平均生物量:福保塘堆場＞柳苑堆場＞福保灣堆場;優(yōu)勢種的平均種群密度:福保灣堆場＞柳苑堆場＞福保塘堆場。

表1 3個滇池底泥堆場內(nèi)優(yōu)勢種的生態(tài)學特征

3.2 底泥堆場內(nèi)優(yōu)勢種富集污染物的測定

在表2中各種污染物的含量對應以樣方面積(即1 m×1 m)內(nèi)優(yōu)勢種生物量中的污染物含量表示。由表2可以看出，單位樣方面積內(nèi)的優(yōu)勢種的污染物含量存在著柳苑堆場＞福保塘堆場＞福保灣堆場的梯度關系。通過對滇池底泥堆場內(nèi)生長的植物優(yōu)勢種富集污染物能力的比較分析，可以看出水生植物富集污染物的能力高于陸生植物富集污染物的能力。

表2 3個滇池底泥堆場內(nèi)優(yōu)勢種單位樣方面積內(nèi)的污染物含量 (mg/m2)

圖1為3個底泥堆場內(nèi)優(yōu)勢種單位樣方內(nèi)的生物量曲線，圖2為3個底泥堆場內(nèi)優(yōu)勢種單位樣方內(nèi)的TN、TP的含量曲線。一般而言，植物富集的TN與TP應與植物的生物量成正比關系，且具有較高的相關性。但通過圖1、圖2的數(shù)據(jù)可知:3個底泥堆場內(nèi)優(yōu)勢種的TN含量曲線與優(yōu)勢種生物量的曲線相關系數(shù)僅為0.0008，優(yōu)勢種的TP含量曲線與生物量的曲線相關系數(shù)略高，為0.0050。其中1.5號樣方鳳眼藍富集的TN最多，2.2號樣方云南莎草富集的TN最少，同時2.3號樣方稗的TN含量較低;1.5號樣方鳳眼藍富集的TP最多，2.1號樣方水蓼富集的TP最少，同時2.1號樣方和3.1號樣方的水蓼、2.3號樣方稗和3.3號樣方雙穗雀稗的TP含量均略低。

通過圖3～圖6可知3個底泥堆場內(nèi)優(yōu)勢種富集重金屬污染物的數(shù)量級存在著Hg＜Cd＜Cr＜As＜Pb＜Cu＜Zn的關系，這主要與重金屬在植物體內(nèi)存在形式的水溶性、植物能否對其利用以及重金屬的揮發(fā)性三個條件有關。例如Hg具有一定的揮發(fā)性，可以借由植物的蒸騰作用揮散至空氣中，所以植物體內(nèi)的Hg含量較低，而Cu和Zn是植物必須的元素，所以在植物內(nèi)的富集量遠高于其他重金屬。同時還可看出，水生植物富集重金屬的能力要高于陸生植物，7種重金屬中6種的富集峰值出現(xiàn)在水生植物樣方內(nèi)，同時全部7種重金屬的富集最低值均出現(xiàn)在陸生植物樣方內(nèi)。

利用圖3～圖6與圖1進行植物優(yōu)勢種富集重金屬能力曲線與生物量曲線的相關性數(shù)據(jù)比較:Zn(0.0002) ＜Cu(0.0003) ＜Pb(0.0007) ＜As(0.0036) ＜Cr(0.0042) ＜Cd(0.0091) ＜Hg(0.797)。其中除了Hg的富集曲線與生物量累積曲線有較高的相關性以外，其余污染物富集曲線與其生物量累積曲線的相關性均＜0.01。

4 結論與討論

4.1 滇池底泥堆場次生植被概況

3個滇池底泥堆場地理位置相近，生態(tài)背景基本相同，但由于構建時間前后以及堆積底泥的厚度有所差異，目前所呈現(xiàn)的表征亦有所不同:柳苑堆場目前呈現(xiàn)為表流濕地;福寶灣堆場呈現(xiàn)為潛流濕地;福寶塘堆場目前為半潛流半表流濕地，可以看作柳苑堆場與福寶灣堆場中間的過渡狀態(tài)。調查數(shù)據(jù)表明:隨著底泥堆場由表流濕地向潛流濕地過渡，植被的整體含水量逐漸減少，種群密度逐漸增加;3個底泥堆場優(yōu)勢種的生物量則隨著樣地堆場堆好后植被恢復的時間的增長而逐步減少。

4.2 滇池底泥堆場植被富集污染物的情況

通過調查發(fā)現(xiàn)3個滇池底泥堆場植被富集的污染物存在著柳苑堆場＞福保塘堆場＞福保灣堆場的梯度關系，即隨著底泥堆場由表流濕地向潛流濕地過渡，植被富集的污染物逐漸減少。造成這一結果存在著兩種可能:一是在底泥堆場由表流濕地過渡到潛流濕地的過程中，其上的植被不斷地富集污染物，導致底泥內(nèi)的污染物總量不斷減少，使后期生長的植被能夠富集的污染物遠少于前期生長的植被;二是水生植物疏導速度和效率比陸生植物要高，因此水生植物對污染物的富集能力要高于陸生植物。

對滇池底泥堆場內(nèi)所生長的植物優(yōu)勢種富集污染物能力曲線與生物量曲線的相關性數(shù)據(jù)比較:TN(0.0008) ＜TP(0.0050);Zn(0.0002)＜Cu(0.0003)＜Pb(0.0007) ＜As(0.0036) ＜Cr(0.0042) ＜Cd(0.0091) ＜Hg(0.797)。其中除了Hg的富集曲線與生物量累積曲線有較高的相關性以外，其余污染物富集曲線與其生物量累積曲線的相關性均＜0.01，證明之前關于TN、TP富集曲線與生物量曲線的相關性較高的猜測是錯誤的。同時發(fā)現(xiàn)植物優(yōu)勢種富集重金屬能力曲線與生物量曲線的相關系數(shù)與優(yōu)勢種富集重金屬能力平均值的大小順序相反，也就是說單位樣方內(nèi)所有優(yōu)勢種富集某種重金屬的平均值越高，則該重金屬富集能力曲線與生物量曲線的相關性系數(shù)越低。

通過比較發(fā)現(xiàn)水生植物富集污染物的能力要高于陸生植物，9種污染物中8種的富集峰值出現(xiàn)在水生植物樣方內(nèi)，同時全部9種污染物的富集最低值均出現(xiàn)在陸生植物樣方內(nèi)。水生植物富集污染物能力最強的是鳳眼藍，其次是長柱柳葉菜和水燭;陸生植物富集污染物能力最強的是稗、云南莎草和水蓼。這與鄧輔唐等在2005年得到的結果較為相符［11］。水生植物富集污染物能力高于陸生植物的主要原因，應該與植物富集的污染物多為水溶性的分子或離子，而水生植物的含水量高于陸生植物有關。

綜合考慮，在表流型底泥堆場內(nèi)宜選用種植水生植物長柱柳葉菜和水燭，潛流型底泥堆場則可以考慮種植稗、云南莎草和燈心草，這幾種植物既能較好地吸附底泥中的污染物質，又具有一定的觀賞價值。但不建議選擇鳳眼藍和水蓼，因為實地調查中發(fā)現(xiàn)這兩種植物極易形成大面積的單一種群，不僅會造成堆場生物多樣性的降低，而且會造成生物景觀的破壞。

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