苦草(Vallisneria natans)移植對(duì)沉積物再懸浮后的水質(zhì)控制效果研究

谷 嬌，寧曉雨，靳 輝，2，朱小龍，2，談冰暢，3，李寬意*

（1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210008;2.江南大學(xué)，江蘇無錫214122;3.貴州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽 550025）

水體富營(yíng)養(yǎng)化和水生植被衰退是當(dāng)前全世界面臨的生態(tài)環(huán)境問題［1-3］。水生植被尤其是沉水植被作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要初級(jí)生產(chǎn)者，對(duì)維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)及凈化水質(zhì)有著重要的意義［4-9］。因此，重建和恢復(fù)沉水植被是控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化、恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效途徑之一［10-11］。近年來，關(guān)于沉水植被對(duì)水體修復(fù)效果的野外調(diào)查研究較為集中。Horppila［12］通過對(duì)希登韋西湖(芬蘭西南部，總面積30.3 km2)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沉水植物區(qū)內(nèi)底泥再懸浮量為 793 g DW/m2，而沉水植物區(qū)外同時(shí)刻底泥再懸浮量可達(dá)1 701 g DW/m2。Houwing等［13］也發(fā)現(xiàn)植物區(qū)水體濁度和懸浮固體濃度明顯低于周圍水體，認(rèn)為沉水植物抑制底泥再懸浮是由于植物有效地衰減了風(fēng)浪波，抑制了水流的紊動(dòng)。吳振斌等［14］利用富營(yíng)養(yǎng)淺水湖泊——武漢東湖中建立的大型試驗(yàn)圍隔系統(tǒng)，證明重建后的沉水植物可顯著改善水質(zhì)。與無沉水植被覆蓋區(qū)相比，沉水植被區(qū)對(duì)沉積物再懸浮的抑制是植被密度、覆蓋度、種類等綜合作用的結(jié)果，涉及機(jī)理較多，而關(guān)于植被本身的作用尚需進(jìn)一步研究。除此之外，沉水植被區(qū)水體底泥沉降特性除了取決于植物本身外，是否與沉積物性質(zhì)有關(guān)?因此，筆者利用造浪泵模擬風(fēng)浪擾動(dòng)，選取太湖不同性質(zhì)的沉積物，根據(jù)太湖苦草平均密度，設(shè)計(jì)單因子(苦草密度)影響試驗(yàn)和雙因子(有無苦草、沉積物性質(zhì))受控試驗(yàn)，研究苦草移植后短時(shí)間內(nèi)對(duì)沉積物再懸浮后的水質(zhì)控制機(jī)理，旨在為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)置 試驗(yàn)于2013年10月21日～11月12日在蘇州東山試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)分為兩部分，一部分研究移植不同密度苦草對(duì)沉積物再懸浮后水體懸浮濃度及水體營(yíng)養(yǎng)鹽的影響，一部分研究移植苦草對(duì)不同性質(zhì)沉積物再懸浮后水體懸浮濃度及水體營(yíng)養(yǎng)鹽的影響。試驗(yàn)所選用的沉水植物苦草是東太湖的優(yōu)勢(shì)種之一，苦草植株高度約30 cm。兩試驗(yàn)均在聚乙烯塑料桶(桶高56 cm，上下底直徑分別為50、38 cm)中進(jìn)行，桶內(nèi)沉積物厚度為10 cm，注入50 cm深經(jīng)過濾的東太湖湖水，水體總氮(TN)、總磷(TP)的初始濃度分別為0.68 ±0.06 mg/L、0.06 ±0.01 mg/L，平均水溫為 16 ℃(范圍為13～19℃)。試驗(yàn)均在露天條件下進(jìn)行，如遇下雨天氣，及時(shí)加蓋桶蓋，以免雨水影響桶內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度。

移植不同密度苦草對(duì)沉積物再懸浮影響的試驗(yàn)于10月21日～10月28日進(jìn)行。設(shè)計(jì)了1個(gè)影響因子(苦草密度)3組處理(低密度882 g/m2，中密度1 764 g/m2，高密度3 528 g/m2)，每組處理4個(gè)重復(fù)?？嗖菝芏仍O(shè)定參考太湖的分布情況，將低密度組作為對(duì)照，其他兩組處理均與低密度組進(jìn)行比較。沉積物來自梅梁灣一河道表層底泥為高營(yíng)養(yǎng)底泥(表1)，經(jīng)過60目的篩絹網(wǎng)過篩混勻后使用。移植苦草對(duì)不同性質(zhì)沉積物再懸浮影響的試驗(yàn)于11月5日開始，11月12日結(jié)束。設(shè)計(jì)2個(gè)影響因子(有無苦草與沉積物性質(zhì))4個(gè)處理組，即低營(yíng)養(yǎng)底泥+無草、低營(yíng)養(yǎng)底泥+有草(3 528 g/m2)、高營(yíng)養(yǎng)底泥 +無草、高營(yíng)養(yǎng)底泥 +有草(3 528 g/m2)，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。高營(yíng)養(yǎng)底泥來自梅梁灣一河道表層底泥，低營(yíng)養(yǎng)底泥來自同一河道深層底泥(表1)，經(jīng)過60目的篩絹網(wǎng)過篩混勻后使用。高、低營(yíng)養(yǎng)底泥根據(jù)沉積物中總氮、總磷以及有機(jī)質(zhì)含量來劃分(表1)。兩試驗(yàn)均采用森森造浪泵(6 W)模擬風(fēng)浪擾動(dòng)，置于水面下15 cm處。擾動(dòng)強(qiáng)度根據(jù)太湖年平均懸浮濃度40 mg/L(10～150 mg/L)［15］來確定，6 W造浪泵置于該試驗(yàn)水面下15 cm處，可使水體懸浮濃度達(dá)到152 mg/L。試驗(yàn)前開啟水泵擾動(dòng)底泥，每隔半天采集一次水樣，測(cè)定懸浮物濃度，觀察模擬風(fēng)浪擾動(dòng)引起沉積物再懸浮特征。待水體懸浮濃度穩(wěn)定后，分別稱量不同生物量苦草種入各試驗(yàn)桶，種植完畢后關(guān)閉造浪泵，采集初始值，試驗(yàn)開始。試驗(yàn)期間，觀察沉積物再懸浮沉降以及苦草生長(zhǎng)情況。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目 采樣于試驗(yàn)開始后第0.5、1、2、4、8 d進(jìn)行，依據(jù)《湖泊生態(tài)調(diào)查觀測(cè)與分析》，測(cè)定水體氮、磷濃度和葉綠素含量，分析沉積物中總氮、總磷及有機(jī)質(zhì)的含量;計(jì)算懸浮物濃度，樣品懸浮顆粒物分析主要參照《湖泊營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析 所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)和檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)均采用SPSS 19.0進(jìn)行，重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)采用Repeated Measures進(jìn)行分析，非重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)采用One-way ANOVA進(jìn)行分析，顯著性水平為P＜0.05;所有圖形均由Origin8.0生成。

2 結(jié)果與分析

2.1 移植不同密度苦草對(duì)沉積物再懸浮的影響 重復(fù)測(cè)量方差分析表明，移植不同密度苦草對(duì)水體懸浮物濃度的影響有顯著差異(P＜0.05)，即低密度組＞中密度組＞高密度組。由圖1可知，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)低、中、高密度處理組懸浮濃度分別為 10.00、7.05、4.73 mg/L，其中高密度處理組懸浮濃度從161.63 mg/L降至4.73 mg/L，顯著低于低密度處理組(P＜0.01)。各處理組懸浮物濃度隨時(shí)間變化呈逐步下降趨勢(shì)(P＜0.01)，且不同處理組的下降速率存在極顯著差異(P＜0.01)，高密度組大于中、低密度組。說明種植苦草促進(jìn)沉積物再懸浮的沉降，并且密度越大，對(duì)水體懸浮濃度影響越明顯。

試驗(yàn)期間，不同處理組懸浮濃度在0～0.5 d快速下降，0.5～4 d緩慢下降，2～8 d趨于穩(wěn)定。在 0～0.5 d，高密度處理組懸浮濃度下降速率高達(dá)11.1 mg/(L·h)，懸浮濃度下降了82.7%，顯著高于低密度處理組(P＜0.05)。說明苦草密度越大，懸浮濃度下降越快，下降幅度越大。0.5～4 d，各處理組懸浮濃度下降變緩，其中低密度處理組波動(dòng)較大，在0.5～2 d下降速率僅是中、高密度處理組的1/3和1/5，而2～4 d時(shí)下降速率是中、高密度處理組的2.98和2.57倍。說明苦草密度越大，懸浮濃度下降越平穩(wěn)。4～8 d，低、中、高密度處理組懸浮濃度下降速率分別為0.09、0.11和0.11 mg/(L·h)，各處理組趨于穩(wěn)定。

2.2 移植不同密度苦草對(duì)水體TN、TP的影響 移植不同密度苦草對(duì)水體中TN、TP的去除效果均有顯著差異(P＜0.05)。由圖2可知，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)高密度處理組的水體TN濃度下降了83.70%，顯著高于低密度(P＜0.01)和中密度處理組(P＜0.05)的下降幅度;高、中密度處理組中水體TP濃度比低密度處理組多下降了18%和21%(P＜0.01)，而高、中密度處理組差異不顯著。說明苦草密度越大，越有利于水體TN、TP的去除和沉降。

2.3 苦草對(duì)不同性質(zhì)沉積物再懸浮的影響 重復(fù)測(cè)量方差分析表明，沉積物性質(zhì)和種植苦草對(duì)水體懸浮物濃度均有顯著影響(P＜0.05)，并且二者具有交互作用(P＜0.01)。沉積物性質(zhì)不同，苦草對(duì)水體懸浮物濃度的作用也不同。由圖3可知，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)低營(yíng)養(yǎng)底泥+無草、低營(yíng)養(yǎng)底泥+有草、高營(yíng)養(yǎng)底泥+無草、高營(yíng)養(yǎng)底泥+有草4個(gè)處理組的懸浮物濃度分別為 8.00、5.13、7.86、4.33 mg/L。高營(yíng)養(yǎng)底泥中，有草組的水體懸浮物濃度下降了316.74 mg/L，比無草組多下降了70.27 mg/L，苦草對(duì)懸浮物的去除率為22.19%;低營(yíng)養(yǎng)底泥中，有草組的水體懸浮物濃度下降了144.87 mg/L，比無草組多下降了11.89 mg/L，去除率僅為8.21%。說明種植苦草促進(jìn)了再懸浮的沉降，底泥性質(zhì)會(huì)影響苦草對(duì)底泥再懸浮的控制作用。無草時(shí)，高營(yíng)養(yǎng)底泥組懸浮物物濃度下降速率為 30.81 mg/(L· d)，比 低 營(yíng) 養(yǎng) 底 泥 組 高 了 13.38 mg/(L·d);有草時(shí)，高營(yíng)養(yǎng)底泥組懸浮物濃度下降速率高達(dá) 39.59 mg/(L· d)，比 低 營(yíng) 養(yǎng) 底 泥 組 高 了 22.18 mg/(L·d)，說明沉積物營(yíng)養(yǎng)含量越高，沉積物再懸浮沉降越快，并且種植苦草更加速沉降。試驗(yàn)期間，不同處理組懸浮物濃度在0～0.5 d快速下降，0.5～4 d緩慢下降，4～8 d趨于穩(wěn)定。

2.4 苦草對(duì)水體TN、TP的影響 沉積物性質(zhì)和苦草對(duì)水體TN、TP均有顯著影響(P＜0.05)，并且二者有交互作用(P＜0.01)。由圖4可知，高營(yíng)養(yǎng)底泥中，有草組TN濃度比無草組多下降了10.94%(P＜0.01);低營(yíng)養(yǎng)底泥中，有草組TN濃度僅比無草組多下降了2.97%。說明種植苦草能夠降低水體TN的含量，且高營(yíng)養(yǎng)底泥中苦草的去除作用更明顯。高營(yíng)養(yǎng)底泥中，有草組TP濃度比無草組多下降了4.51%(P＜0.05);低營(yíng)養(yǎng)底泥中，有草組TP濃度比無草組多下降了5.74%。說明移植苦草能夠降低水體TP含量，但是沉積物營(yíng)養(yǎng)含量對(duì)苦草去除TP的作用影響不大。

3 討論

3.1 水體懸浮物濃度下降的機(jī)理 水體懸浮物濃度降低與苦草的移植密切相關(guān)。Madsen等［16］認(rèn)為，水生植物抑制再懸浮的能力取決于其單位生物量所占的水體體積，沉水植物對(duì)再懸浮的抑制作用既受其生物量在水體中配置特點(diǎn)的影響，同時(shí)也受其密度的影響。試驗(yàn)0～0.5 d期間，苦草對(duì)水體泥沙沉降的影響主要是通過改變水體上下水動(dòng)力條件，減小水力挾沙能力實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樗秒m然停止，但是水體運(yùn)動(dòng)不會(huì)馬上停止，而種植的苦草具有發(fā)達(dá)的根系和繁密的葉片，能夠有效地減小上覆水的流速和水體擾動(dòng)，降低了擾動(dòng)能量，并阻礙其進(jìn)一步向下傳導(dǎo)［17］，而苦草密度越大，對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的阻礙作用也大，沉降越快。試驗(yàn)4～8 d期間，沉積物再懸浮沉降減緩，苦草開始扎根生長(zhǎng)，依靠莖葉的過濾吸附作用去除懸浮泥沙是此時(shí)懸浮物濃度降低的主要原因。首先，苦草繁密的枝葉可以形成密集的過濾層，部分懸浮泥沙被截留，有效地充當(dāng)懸浮物的“陷阱”。黃宜凱等［18］研究認(rèn)為，懸浮物中的細(xì)小顆粒攜帶電荷，在靜電作用下常被吸附在植物的根莖葉上，吸附能力一般與植物表面積有關(guān)，面積越大，吸附能力越強(qiáng)。試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)苦草葉片上覆蓋了一層泥沙，并且苦草密度越大、葉片越多，富集的泥沙顆粒也越多，導(dǎo)致高密度苦草處理組懸浮物濃度顯著低于其他各組。其次，苦草表面分泌助凝物質(zhì)，促使懸浮泥沙顆粒由分散的懸移質(zhì)向絮凝團(tuán)轉(zhuǎn)化，當(dāng)浮力小于重力時(shí)下降沉積于植物根部周圍［19-20］。最后，苦草與浮游藻類競(jìng)爭(zhēng)光照和營(yíng)養(yǎng)鹽，分泌化感物質(zhì)，抑制藻類生長(zhǎng)，可以有效降低水體中的有機(jī)懸浮顆粒。

沉積物性質(zhì)會(huì)影響苦草對(duì)懸浮泥沙的控制作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，高營(yíng)養(yǎng)底泥中苦草對(duì)懸浮物的去除率顯著高于低營(yíng)養(yǎng)底泥中的去除率。因?yàn)閼腋∧嗌潮旧砭哂凶晕页两底饔?，擾動(dòng)停止后，懸浮物懸浮的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)被打破，在重力作用下不斷發(fā)生絮凝沉降。而絮凝的直接原因在于泥沙顆粒的碰撞，碰撞導(dǎo)致泥沙顆粒粘結(jié)。懸浮體系泥沙濃度越大，顆粒平均距離越小，單位時(shí)間內(nèi)顆粒自由無碰撞運(yùn)動(dòng)距離就越小，碰撞的概率也就越大，絮凝作用越強(qiáng)烈，泥沙絮凝沉降較快［21］。高營(yíng)養(yǎng)底泥粒徑小、粘性大、有機(jī)質(zhì)含量高，擾動(dòng)后水體懸浮物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低營(yíng)養(yǎng)底泥處理組，更容易發(fā)生顆粒粘結(jié);再加之移植的苦草表面分泌助凝物質(zhì)，更加速了懸浮物的沉降。

3.2 水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度下降的機(jī)理 苦草通過吸附沉淀、吸收代謝、富集濃縮等各種綜合作用，影響水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，且其程度受植物種植密度與沉積物性質(zhì)的影響。首先，苦草對(duì)水體氮磷有吸附作用，因?yàn)榭嗖莞蛋l(fā)達(dá)、具有較大的接觸面積，不溶性膠體、附著于根系的細(xì)菌(部分凝集的菌膠體)容易被根系粘附或吸附而沉積，使得底泥中的N、P含量升高而減少向上覆水的釋放。其次，移植苦草促進(jìn)懸浮物的沉降從而攜帶大量顆粒態(tài)氮、磷，是短期內(nèi)水體氮、磷快速下降的主要原因［22］。種植苦草時(shí)，高營(yíng)養(yǎng)底泥組TN的下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低營(yíng)養(yǎng)底泥組，一方面可能與沉積物中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量有關(guān)，高營(yíng)養(yǎng)底泥TN含量為3.15±0.09 mg/g，低營(yíng)養(yǎng)底泥僅為1.58±0.05 mg/g，因此苦草促進(jìn)高營(yíng)養(yǎng)底泥再懸浮沉降時(shí)攜帶的TN含量更多;另一方面可能與水體初始懸浮物濃度有關(guān)，試驗(yàn)開始時(shí)高營(yíng)養(yǎng)底泥組的懸浮物濃度是低營(yíng)養(yǎng)底泥組的2倍。研究表明，水體懸浮物濃度與水體N含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，水中顆粒懸浮物大多帶負(fù)電荷，NH4+-N帶有正電荷［23］。因此，大量顆粒物對(duì)NH4+-N的吸附可能也是高營(yíng)養(yǎng)底泥組TN下降較多的原因之一。最后，苦草及其葉表面的附著藻類與水體浮游植物競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)鹽，吸收水體N、P，并抑制藻類生長(zhǎng)，也會(huì)促進(jìn)水體TN、TP濃度的降低［24］。另外，王傳海等［25］的研究表明，沉水植物的光合作用增加了上覆水和沉積物-水界面氧的含量，不但降低了水體氨氮濃度，而且鐵、錳、鋁等金屬氧化物通過吸附和離子交換也控制磷酸鹽的遷移。這可能也是該試驗(yàn)水體移植苦草后TN、TP下降的原因。

沉水植物是淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，一場(chǎng)風(fēng)浪過后，其密度、覆蓋度以及種類等的不同會(huì)直接改變其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。因此，了解沉水植被對(duì)沉積物再懸浮的抑制作用，有利于明晰水質(zhì)改善的機(jī)理，加強(qiáng)對(duì)沉水植物在生態(tài)系統(tǒng)中作用的認(rèn)識(shí)，為治理淺水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

苦草移植對(duì)沉積物再懸浮后的水質(zhì)控制有明顯作用，不僅可以加速沉積物再懸浮的沉降、降低水體懸浮顆粒物濃度、改善水下光照條件，還可以有效降低水體總氮、總磷含量?？嗖菀浦矊?duì)水質(zhì)的控制效果與苦草密度及其沉積物性質(zhì)密切相關(guān)，苦草密度越大，沉積物營(yíng)養(yǎng)含量越高，有利于沉積物再懸浮的沉降和水體TN、TP的去除?？傊嗖菀浦矊?duì)沉積物再懸浮后的水質(zhì)控制效果顯著，對(duì)于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理有重要的意義。

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