高時(shí)空分辨景觀塘池生境修復(fù)及其灰水足跡匯變研究

郭一明, 劉云國(guó), 宋炳良, 孫玉琴, 譚小飛, 江盧華, 李 華, 甘勝軍, 劉義軍

(1. 上海海事大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院(交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理國(guó)家重點(diǎn)培育學(xué)科), 上海 201306;2.湖南大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410082;3.環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南大學(xué)), 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

高時(shí)空分辨景觀塘池生境修復(fù)及其灰水足跡匯變研究

郭一明1, 劉云國(guó)2, 3*, 宋炳良1, 孫玉琴1, 譚小飛2, 3, 江盧華2, 3, 李 華1, 甘勝軍1, 劉義軍1

(1. 上海海事大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院(交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理國(guó)家重點(diǎn)培育學(xué)科), 上海 201306;2.湖南大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410082;3.環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南大學(xué)), 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

將搭載土著生態(tài)組成的疊層生境系統(tǒng) (Laminated Habitat System, LHS) 嵌入富營(yíng)養(yǎng)化景觀塘池, 以發(fā)生水華的氮、磷經(jīng)驗(yàn)閾值為基準(zhǔn), 研究了高時(shí)空分辨條件下LHS對(duì)塘池水質(zhì)及其灰水足跡“匯”變的作用, 并綜合分析了實(shí)驗(yàn)生境的改善. 結(jié)果表明: 室外靜態(tài)條件下, 嵌入LHS至模擬景觀塘池20 d后, 塘池水質(zhì)改善明顯, TP去除率可達(dá)81.01%, TN, NH4+-N, NO3--N去除率分別為77.10%, 88.82%, 84.12%; CODCr的處理率達(dá)67.51%; Chl.a質(zhì)量濃度降至0.98 μg·L-1; Chl.a質(zhì)量濃度及濁度降至了初始值的10%以下; 模擬景觀塘池灰水足跡降至初始態(tài)的22.9%. LHS利于景觀塘池水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)改善, 益于藻型塘池向草型塘池轉(zhuǎn)變及塘池灰水足跡“匯”增. 本研究提供了灰水足跡理論指導(dǎo)下的景觀塘池生態(tài)修復(fù)新思路.

富營(yíng)養(yǎng)化; 疊層生境系統(tǒng); 灰水足跡; 生態(tài)系統(tǒng)

小型塘池是重要的常見景觀, 我國(guó)75%以上的城鎮(zhèn)湖泊和池塘景觀受到污染和富營(yíng)養(yǎng)化脅迫[1]. 不僅生產(chǎn)和生活污水會(huì)危害塘池生態(tài)景觀, 即使用以緩解水資源緊張、補(bǔ)充景觀水體的再生水也難免會(huì)導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化[2]. 如何兼顧景觀功能, 實(shí)現(xiàn)小型塘池水質(zhì)的深度凈化, 優(yōu)化小型塘池生境組成, 預(yù)防其水體富營(yíng)養(yǎng)化已成為研究熱點(diǎn). 生態(tài)浮床(島)技術(shù)具有深度凈化水體、消浪護(hù)岸、改善景觀、促進(jìn)塘池生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)等功能而廣為研究應(yīng)用[3]. 然而, 傳統(tǒng)人工浮床側(cè)重于利用漂浮結(jié)構(gòu)輔助挺水植物發(fā)揮營(yíng)養(yǎng)元素吸收等生態(tài)功能, 卻沒有發(fā)揮沉水植物等水下生態(tài)組成在小型塘池生境中的重要生態(tài)功能[4-6]. 恢復(fù)沉水植物對(duì)水體深度凈化、生態(tài)保育及景觀提升功能至關(guān)重要. 而沉水植物的恢復(fù)較之挺水植物要面臨諸多特殊環(huán)境脅迫, 如所在水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度過高或化學(xué)形態(tài)復(fù)雜, 植物表面滋生附著生物, 風(fēng)浪對(duì)植物的機(jī)械作用, 底泥的再懸浮及水位的變化導(dǎo)致水下光照的不足, 水生動(dòng)物的擾動(dòng)和牧食, 水下生態(tài)系統(tǒng)中生物群類的變化等[7-8], 使實(shí)踐中難以通過直接向富營(yíng)養(yǎng)化塘池中栽種沉水植物來恢復(fù)“水下森林”, 發(fā)揮其改善水質(zhì)和穩(wěn)定生境的功能[9-10]. 控源截污, 改善水生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)環(huán)境, 而后實(shí)施恢復(fù)沉水植物的生態(tài)工程, 促進(jìn)水體由藻型向草型轉(zhuǎn)變的技術(shù)路徑受到富營(yíng)養(yǎng)化修復(fù)領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可[11-12]. 其中, 如何有效促進(jìn)景觀塘池沉水植物恢復(fù), 改善景觀效果備受研究者關(guān)注.

防治富營(yíng)養(yǎng)化所需的水體生態(tài)修復(fù)的要求與工業(yè)、生活污水凈化不同. 以總氮和總磷為例, 我國(guó)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)規(guī)定的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的總氮(TN≤1.0 mg/L, 一級(jí)最高甚至達(dá)15.0 mg/L)與總磷(TP≤0.6 mg/L)質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于富營(yíng)養(yǎng)化爆發(fā)的營(yíng)養(yǎng)閾值(TN 0.20～0.84 mg/L, TP 0.02～0.07 mg/L), 因而對(duì)防范富營(yíng)養(yǎng)化而言, 并不宜以國(guó)家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)為據(jù)[13-15]. 傳統(tǒng)景觀塘池的富營(yíng)養(yǎng)化防治技術(shù)通常以氮、磷水質(zhì)參數(shù)為依據(jù), 而景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化問題與受納含氮、磷污水的量也息息相關(guān). 當(dāng)前, 結(jié)合水質(zhì)、水量綜合反映水體的污染負(fù)荷與富營(yíng)養(yǎng)化防治的研究亟需而鮮見.

Hoekstra和Chapagain基于生態(tài)足跡理念, 在定義水足跡的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將灰水足跡(grey water footprint)定義為以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將一定的污染負(fù)荷吸收同化, 保持在約定標(biāo)準(zhǔn)之上, 所需的水量, 為實(shí)現(xiàn)精確時(shí)空條件下的水污染程度的量化、水污染評(píng)價(jià)和資源利用提供了新視角和工具[16-17]. 劉俊國(guó)等譯著水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)為地理區(qū)域、商品生產(chǎn)及消費(fèi)提供了常規(guī)的測(cè)度方法, 促進(jìn)了農(nóng)作物、畜牧產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)及區(qū)域水污染綜合評(píng)價(jià)[18]. 源-匯理論是生態(tài)足跡理論的重要內(nèi)涵, Hoekstra據(jù)之提出了水中和思路[19]. 在富營(yíng)養(yǎng)化水體防治領(lǐng)域, 以氮、磷限制性營(yíng)養(yǎng)元素的質(zhì)量濃度為依據(jù), 探討關(guān)鍵性限制條件、富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生與灰水足跡之間關(guān)系的研究尚待開展.

本研究將依據(jù)小型景觀塘池生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流、 能量流和信息流的特點(diǎn), 在傳統(tǒng)生態(tài)浮床的結(jié)構(gòu)和形式的基礎(chǔ)上, 著重為沉水植物恢復(fù)營(yíng)造輔助環(huán)境, 構(gòu)建了疊層生境系統(tǒng) (Laminated Habitat System, LHS), 緩解沉水植物恢復(fù)過程中的生境制約. 實(shí)驗(yàn)考察了原位靜態(tài)條件下, LHS嵌入模擬富營(yíng)養(yǎng)化塘池后對(duì)水質(zhì)的改善能力. 進(jìn)一步地, 對(duì)高時(shí)空分辨條件下, LHS增強(qiáng)受納水體的自凈能力所帶來的灰水足跡消減(形成灰水足跡“匯”)效應(yīng)進(jìn)行了應(yīng)用嘗試. 為景觀塘池的水生境維護(hù)提供了新的技術(shù)視角.

1 材料與方法

1.1 LHS構(gòu)建

依據(jù)生態(tài)學(xué)原理, 為同時(shí)發(fā)揮挺水植物的高效營(yíng)養(yǎng)鹽去除作用及沉水植物的生境保育功能, 作者在前期研究的基礎(chǔ)上, 構(gòu)建LHS如圖1所示[20]. LHS在空間上可劃分為挺水植物區(qū)(LHS-A), 中部交匯區(qū)、 沉水植物區(qū)(LHS-B)3個(gè)層區(qū), LHS-A植物根區(qū)與LHS-B植物莖葉區(qū)在空間上交錯(cuò), 優(yōu)化生境布局.

圖1 LHS的原理示意圖

其中LHS-A, LHS-B部布置及情況如圖2所示.

圖2 LHS-A, LHS-B部布置及組分

如圖2所示, LHS-A, LHS-B部均為正六邊形, 實(shí)踐中LHS可在不同方向上自由拼接以滿足不同面積水域景觀保育與塘池灰水足跡“匯”增的需求. LHS-A外部正六邊形邊框長(zhǎng)為300 mm, 內(nèi)框邊長(zhǎng)150 mm, 擇A1, A3, A5區(qū)(占LHS-A部平面面積37.5%)為挺水植物美人蕉(CannaindicaLinn.)著生區(qū), 以孔徑3 mm(植物根系可透過生長(zhǎng))的PVC材質(zhì)筐體裝盛粒徑為5 mm的天然沸石(浙江, 縉云)作為著生基質(zhì), 沸石深度約60 mm. LHS-A部透光面積占62.5%, 利于沉水植物光合作用. LHS的A部邊框設(shè)置可充排水調(diào)節(jié)LHS浮力的浮力瓶, 保證LHS-A部與水面相切.圖2中LHS-A和LHS-B各組成部件及所用土著物種組成情況見表1.

表1 LHS-A, LHS-B部件及組分

如圖2所示, LHS-B部b7～b12區(qū)為沉水植物菹草(PotamogetoncrispusLinn.)著生區(qū), 沸石深度30 mm, 沸石筐孔徑、材質(zhì)同LHS-A部件, LHS-B部通過該布局形式幫助沉水植物獲得充分光照. LHS-A部與LHS-B部間以圍隔網(wǎng)(孔尺寸為1.5 mm×1.5 mm, PVC)裹覆, 阻隔風(fēng)浪, 為附著藻類和微生物提供依附基質(zhì), 為銅銹環(huán)棱螺 (Bellamyaaeruginosa)提供牧食場(chǎng)所, 利于消減風(fēng)浪和穩(wěn)定中部小生境. 以升降鏈條鏈接LHS-A與LHS-B并調(diào)節(jié)LHS-B部所處水深, 以保障沉水植物的光補(bǔ)償點(diǎn). 在LHS內(nèi)放養(yǎng)銅銹環(huán)棱螺和泥鰍(Misgurnusanguillicaudatus), 延長(zhǎng)LHS生物鏈, 增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性. 所選動(dòng)植物均采自實(shí)驗(yàn)地區(qū)優(yōu)勢(shì)土著物種.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)置

實(shí)驗(yàn)在室外靜態(tài)條件下考察了不同成熟情況的LHS對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化塘池水質(zhì)的改善. 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)通風(fēng)和光照條件良好, 以容積290 L的PVC材質(zhì)容器裝盛270 L高營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水體和LHS(LHS-B部水下300 mm深), 實(shí)驗(yàn)用水取自頻發(fā)水華的池塘, 水體中富含藍(lán)、綠藻和原生動(dòng)物.

實(shí)驗(yàn)前添加適量KH2PO4, (NH2)2CO和NH4NO3營(yíng)造高營(yíng)養(yǎng)濃度水環(huán)境. 布置實(shí)驗(yàn)組后測(cè)定模擬塘池水體初始水質(zhì)情況見表2.

表2 模擬塘池水體水質(zhì)參數(shù)

據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)標(biāo)準(zhǔn)限值判斷, 實(shí)驗(yàn)用塘池水質(zhì)劣于Ⅴ類水體, 具富營(yíng)養(yǎng)化特征.

實(shí)驗(yàn)設(shè)置以組A, B為效用組, 組C為對(duì)照, 均設(shè)3組平行, 具體組分設(shè)置見表3.

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在防雨條件下以自來水補(bǔ)給各組日蒸發(fā)和蒸騰水分損失. 水生動(dòng)植物于當(dāng)年3月中旬開始馴化培養(yǎng), 4月30日至5月20日進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定, 其中設(shè)置A組和B組的LHS-B部以10 mm/d速度漸沉. 實(shí)驗(yàn)每5 d于10時(shí)30分及18時(shí)30分取LHS中心部位的水樣混勻測(cè)定; 氣溫、水溫逐日測(cè)定, 讀取便攜式水溫測(cè)定儀LHS中心部位水溫值, 各指標(biāo)值取3次平行測(cè)定的平均值; 應(yīng)用SPSS (V 19.0)對(duì)結(jié)果進(jìn)行單因素方差(One-Way ANOVA)分析.

1.3 水質(zhì)測(cè)定指標(biāo)及灰水足跡表征方法

實(shí)驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)包括總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸鹽氮(NO3--N)、葉綠素a(Chl.a)、化學(xué)需氧量(CODCr) 和濁度等, 測(cè)定參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第4版)》.

灰水足跡核算公式見式(1)[18]：

(1)

式中: WFgrey為實(shí)驗(yàn)微型塘池水體的灰水足跡;Cnat為以TP和TN為富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的閾值濃度, 實(shí)驗(yàn)水體爆發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化的假定營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度(TN 0.20 mg/L, TP 0.02 mg/L); 考慮景觀塘池親膚性游憩功能的需求, 本研究設(shè)定Cmax為實(shí)驗(yàn)水體符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中“Ⅲ類主要適用于集中式生活飲用水地表水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)、魚蝦類越冬場(chǎng)、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)”水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的TP和TN質(zhì)量濃度(TP 0.05 mg/L, TN 1.0 mg/L). 實(shí)驗(yàn)定義LHS作用前后微型景觀塘池系統(tǒng)灰水足跡的差(ΔWFgrey)為實(shí)驗(yàn)?zāi)M微塘池灰水足跡的“匯”.

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)期間氣象條件

環(huán)境溫度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)微生物活性、植物生長(zhǎng)等存在一定影響, 實(shí)驗(yàn)期為當(dāng)年4月30日至5月20日, 實(shí)驗(yàn)記錄了LHS運(yùn)行期間的氣溫及水溫?cái)?shù)據(jù), 實(shí)驗(yàn)期間降雨天氣占實(shí)驗(yàn)周期的1/2, 氣溫?cái)?shù)據(jù)如圖3所示. 實(shí)驗(yàn)在室外自然光照環(huán)境條件下開展.

時(shí)間/d

由圖3可知, 實(shí)驗(yàn)期間氣溫與水溫波動(dòng)較大, 其中實(shí)驗(yàn)第2 d, 13 d, 14 d, 15 d變化較為劇烈，可能對(duì)系統(tǒng)發(fā)育和功能發(fā)揮有一定影響. 應(yīng)用照度計(jì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)期間晴天日間照度為1 700～60 000 lx, 陰雨天日間照度范圍為100～1 800 lx (共統(tǒng)計(jì)5 d). 實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)泥鰍、田螺死亡率≤3%. 實(shí)驗(yàn)測(cè)定美人蕉生物量分布增量約為0.63～0.81 kg/m2, 菹草生物量分布增量約為0.42～0.57 kg/m2.

2.2 LHS對(duì)CODCr的影響

LHS是包含大型水生植物、水生動(dòng)物及復(fù)雜微生物系統(tǒng)的微型生境, 其中硝化、反硝化及聚磷菌等菌群均能以CODCr為碳源同化生長(zhǎng), 且與生境中大型水生植物的生長(zhǎng)量具有一定的正相關(guān)關(guān)系[21]. 沸石基質(zhì)與植物根區(qū)微生物作用可有效降低水體的CODCr. 本實(shí)驗(yàn)CODCr質(zhì)量濃度變化情況如圖4所示.

時(shí)間/d

由圖4可知, 各實(shí)驗(yàn)組初始COD質(zhì)量濃度次序?yàn)锳>C>B, 其原因可能是: 實(shí)驗(yàn)布置時(shí), A組LHS基質(zhì)中存有部分高COD預(yù)培養(yǎng)積液; 而B組LHS基質(zhì)為新布置沸石基質(zhì), 在布置期間沸石基質(zhì)快速形成COD代謝循環(huán), 使系統(tǒng)初始COD低于對(duì)照組C; 此外, A, B組LHS所形成的生境系統(tǒng)的組分代謝也可能影響實(shí)驗(yàn)布置的初始COD質(zhì)量濃度. A組對(duì)CODCr的去除率和去除速率分別為67.51%和4.35 g·m-3·d-1; B組去除率為57.93%, 去除速率為3.05 g·m-3·d-1; 對(duì)照組C組的CODCr質(zhì)量濃度保持在75 mg·L-1左右，僅比初始時(shí)降低13.91%. 效果上實(shí)驗(yàn)組A與B較為接近(p=0.964), 且A組在初始COD質(zhì)量濃度高于B組的情況下, 凈化效果仍能略優(yōu)于B組, 反映了LHS經(jīng)預(yù)培養(yǎng)后能促進(jìn)其對(duì)受試水體生態(tài)凈化功能的提升.

2.3 LHS對(duì)塘池水體TP的凈化

在LHS中, 植物吸收、顆粒物沉降、微生物作用吸收等均能有效促進(jìn)TP的去除. 實(shí)驗(yàn)20 d塘池水體TP變化與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示.

時(shí)間/d

圖5反映出, 實(shí)驗(yàn)組A中TP去除率為81.01%, LHS的除磷速率為9.62 mg·m-3·d-1; B組TP去除率為72.2%, 速率為8.96 mg·m-3·d-1; C組去除率為16.28%. A, B組對(duì)水體總磷的去除效果明顯, 去除率約是C組的4倍.

第20 d時(shí), A組處理效果明顯優(yōu)于B組, 經(jīng)單因素方差分析及Tukey HSD檢驗(yàn)顯示A和B, A和C, B和C組間均存在顯著差異(p<0.05). 整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期的前1/4時(shí)間, A, B組水體總磷質(zhì)量濃度迅速降低, 可能與生境綜合作用中沸石基質(zhì)吸附作用突出、藻類大量增殖有關(guān).

同樣在實(shí)驗(yàn)周期的前1/4時(shí)間, B組比A組處理效果和速率略優(yōu), 可能是由于B組對(duì)TP的凈化過程中, 快速的材料吸附(沸石吸附)發(fā)揮了主導(dǎo)作用, 而對(duì)于A實(shí)驗(yàn)組LHS而言, 經(jīng)過初期馴化形成的微生物群落等對(duì)新環(huán)境需要一定的緩沖與適應(yīng); 在第5～15 d時(shí), A組處理效率高于B組, 應(yīng)是A組較B組各生態(tài)組成更加成熟穩(wěn)定, 其完善的生物鏈能保障TP消減的物質(zhì)循環(huán)體系發(fā)揮優(yōu)勢(shì), B組趨于穩(wěn)定的同時(shí)有些組分衰老并向水體釋放磷所致. 氣溫在第17 d時(shí)的驟降等變化對(duì)LHS系統(tǒng)作用下挺水植物根系泌氧及沉水植物光合釋氧有所抑制, 進(jìn)一步地在溫度及水體溶氧條件變化下微生物發(fā)揮除磷作用也將受到抑制[22].

2.4 LHS對(duì)塘池水體TN, NH4+-N, NO3--N質(zhì)量濃度的影響 在LHS中的各組成生物量增長(zhǎng)均需要大量氮元素供給. 作者前期研究表明, LHS在水柱結(jié)構(gòu)上存在營(yíng)養(yǎng)鹽吸收功能的差異: LHS-A部由于搭載大型挺水植物, 能夠快速高效地吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽以供給其大生物量的增長(zhǎng), 其營(yíng)養(yǎng)鹽吸收效果和能力往往優(yōu)于搭載較低生物量沉水植物的LHS-B部[20].

LHS系統(tǒng)大型水生植物根基微生物區(qū)、沉水植物表面、支撐結(jié)構(gòu)表面的微生物膜、沸石基質(zhì)表面均有可能形成好氧-缺氧-厭氧的微環(huán)境, 為各種微生物提供生存環(huán)境, 可促進(jìn)氮的去除. 實(shí)驗(yàn)組A, B, C中, TN, NH4+-N, NO3--N質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化情況如圖6所示.

時(shí)間/d

時(shí)間/d

時(shí)間/d

對(duì)A, B, C各組中3種形態(tài)的N元素指標(biāo)的變化情況進(jìn)行計(jì)算分析, 以LHS的水下體積為基準(zhǔn)計(jì)算LHS對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除速率, 結(jié)果見表4.

結(jié)合圖6所示數(shù)據(jù)趨勢(shì), 以及如表4中3種形態(tài)的含N元素去除率及去除速率的變化結(jié)果可知, 在實(shí)驗(yàn)前1/4時(shí)間內(nèi), 實(shí)驗(yàn)A組和B組中TN, NH4+-N, NO3--N的質(zhì)量濃度變化均較大, 可能與生境中沸石的物理吸附作用相關(guān), 藻類劇增及植物根系生長(zhǎng)吸附均消耗一定的N類營(yíng)養(yǎng)鹽. A組中3項(xiàng)指標(biāo)去除效果均顯著優(yōu)于B組(p<0.05), 說明經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)的成熟系統(tǒng)的N營(yíng)養(yǎng)鹽去除能力優(yōu)于新生系統(tǒng). 由以上分析可知, LHS從創(chuàng)建到成熟的過程均能對(duì)水體中N營(yíng)養(yǎng)元素發(fā)揮去除功能, 且能較好地適應(yīng)環(huán)境中氮元素的質(zhì)量濃度變化. 對(duì)LHS進(jìn)行一定時(shí)間長(zhǎng)度的預(yù)培養(yǎng)能夠促進(jìn)其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化生境的適應(yīng)及凈化效果提升, 預(yù)培養(yǎng)最優(yōu)時(shí)間長(zhǎng)度的確定需要進(jìn)一步研究.

2.5 LHS對(duì)塘池水體清澈程度的影響

2.5.1 LHS對(duì)藻類的影響

藻類密度是影響各類水體清澈度的重要因素, 高密度藻類是損害景觀塘池視覺效果的重要原因. 實(shí)驗(yàn)以Chl.a質(zhì)量濃度表征水體中浮游藻類的生物量. 20 d內(nèi)Chl.a質(zhì)量濃度變化如圖7所示.

時(shí)間/d

A組Chl.a質(zhì)量濃度由初始濃度14.45 μg·L-1經(jīng)峰值19.8 μg·L-1降至0.98 μg·L-1; B組Chl.a質(zhì)量濃度由13.15 μg·L-1經(jīng)19.01 μg·L-1降至2.30 μg·L-1; C組由初始16.45 μg·L-1增至23.08 μg·L-1. 溫度變化、 營(yíng)養(yǎng)鹽的組成和濃度水平、微生物的種類和數(shù)量、植物間的化感作用等諸多因素均可使藻類生物量發(fā)生變化[19,21].

表4 各實(shí)驗(yàn)組中不同形態(tài)氮的處理情況

實(shí)驗(yàn)前1/4時(shí)間內(nèi), A, B組藻類生物量快速增長(zhǎng), 對(duì)照組C中藻類生物量保持相對(duì)恒定, 可能與水體中優(yōu)勢(shì)種群競(jìng)爭(zhēng)和LHS置入后水體中營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)變化而利于藻類吸收有關(guān). 第5～20 d, LHS適應(yīng)性增強(qiáng), 營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)、化感作用、光能競(jìng)爭(zhēng)等方面作用增強(qiáng), A, B兩組藻類濃度迅速降低, C組藻類在有利的氣溫條件下持續(xù)增長(zhǎng).

2.5.2 LHS對(duì)濁度的影響

LHS對(duì)各實(shí)驗(yàn)組濁度的影響如圖8所示.

時(shí)間/d

水體濁度是塘池清澈度的重要影響因素, 受溫度、生物擾動(dòng)等影響, 3組水體濁度均波動(dòng)較大, A, B組由10 NTU左右分別降至1.03 NTU和1.45 NTU, C組因藻類增殖濁度由7.06 NTU升至12.50 NTU.

濁度較大時(shí)水體透明度較低, 光學(xué)衰減系數(shù)增大. LHS生態(tài)系統(tǒng)可穩(wěn)定水體, 促懸浮物沉降, 通過植物根系吸附、沉水植物葉面吸附、生物攝食、基質(zhì)吸附等使?jié)岫冉档? 從而沉水植物獲得更好的光照, 利于沉水植物恢復(fù).

2.6 LHS作用下微塘池的灰水足跡“匯”變

對(duì)大學(xué)生而言，其走向社會(huì)的關(guān)鍵一步就是擇業(yè)，而擇業(yè)的核心能力包括溝通協(xié)調(diào)能力、問題解決能力、學(xué)習(xí)能力、社會(huì)適應(yīng)能力等在內(nèi)的多項(xiàng)能力，這些能力的培養(yǎng)都需要學(xué)生們?cè)诟黝惿鐣?huì)實(shí)踐活動(dòng)中去獲取和提升。[6]社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，能夠幫助大學(xué)生深刻意識(shí)到自己所學(xué)知識(shí)的價(jià)值，是學(xué)生了解社會(huì)、鍛煉自身?yè)駱I(yè)能力的有效途徑，其對(duì)學(xué)生良好擇業(yè)觀的形成具有十分重要的意義。所以，校方和相關(guān)教育部門可以結(jié)合畢業(yè)生實(shí)際情況聯(lián)合起來多為學(xué)生舉辦一些社會(huì)實(shí)踐類活動(dòng)，通過社會(huì)實(shí)踐，使其能夠充分恰當(dāng)?shù)卣J(rèn)識(shí)自我和評(píng)價(jià)自我，從而做出正確的職業(yè)選擇。

氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度及其比例是導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素. 本研究通過核算模擬塘池灰水足跡的變化來反映富營(yíng)養(yǎng)化脅迫的變化. 靜態(tài)原位條件下以模擬微塘池的TN和TP為灰水足跡核算的關(guān)鍵條件.

在灰水足跡計(jì)算中, 認(rèn)為同一水體可以稀釋不同污染物，不同污染物所需的稀釋水量不具有疊加性，在計(jì)算中將灰水足跡確定為由需要最大稀釋水量的污染物決定, 因此微型模擬塘池灰水足跡的“匯”變化將由TN與TP中稀釋水量最大(即WFgrey最大)的因素決定. 這種核算要求與富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的脅迫性營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及營(yíng)養(yǎng)鹽閾值具有稀釋水量與污染物濃度方面的對(duì)應(yīng)性.

基于以上原理, 核算微塘池WFgrey隨LHS系統(tǒng)嵌入時(shí)間變化的情況如圖9所示.

時(shí)間/d

圖9直觀地顯示出在本研究的A, B, C三組實(shí)驗(yàn)中, 由TN所致WFgrey值更大, 因而WFgrey核算中應(yīng)依據(jù)各實(shí)驗(yàn)組TN的濃度變化進(jìn)行計(jì)算.

基于圖9所示微塘池WFgrey隨LHS系統(tǒng)嵌入時(shí)間變化結(jié)果, 實(shí)驗(yàn)以TN稀釋至富營(yíng)養(yǎng)化爆發(fā)閾值之下所需水量的變化為依據(jù), 進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)各實(shí)驗(yàn)組“匯”變(ΔWFgrey), 結(jié)果如圖10所示.

圖10中縱坐標(biāo)(ΔWFgrey)負(fù)值代表“匯”的含義, 即基于TN統(tǒng)計(jì)各階段ΔWFgrey量的減少. 由圖10可知, 實(shí)驗(yàn)組間ΔWFgrey變化規(guī)律總體上呈現(xiàn)為: A>B>C, 即用以稀釋TN至脫離富營(yíng)養(yǎng)化爆發(fā)脅迫的純水耗用量的減少, 且該數(shù)量關(guān)系與本實(shí)驗(yàn)考察LHS系統(tǒng)水體凈化功能的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)變化規(guī)律具有趨勢(shì)一致性.

時(shí)間/d

圖10中ΔWFgrey最大的A組模擬景觀塘池灰水足跡降至初始狀態(tài)的22.9%, 從水量角度體現(xiàn)了LHS良好的修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的生態(tài)功能.

3 分析與討論

實(shí)驗(yàn)組A較B對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)改善效果好的原因還可能在于, 通過實(shí)驗(yàn)20 d的預(yù)培養(yǎng), 系統(tǒng)植物生長(zhǎng)狀態(tài)更穩(wěn)定, 植物與微生物等形成了較好的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng). 美人蕉根植天然沸石基質(zhì), 根系發(fā)達(dá), 通過泌氧、釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等與微生物協(xié)同去除N, P, 吸附懸浮物, 為枝角類等提供棲息環(huán)境, 發(fā)揮多種生態(tài)功能. 菹草是多年生耐寒沉水植物, 對(duì)TN, NH4+-N, TP去除效果較好, 與藻類進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)和光照的競(jìng)爭(zhēng), 分泌化感物質(zhì)抑制藻類生長(zhǎng)，降低水體Chl.a[25]; 部分附著藻類可依附菹草莖葉表面生長(zhǎng), 協(xié)同去除營(yíng)養(yǎng)鹽; LHS底層的可升降結(jié)構(gòu)可據(jù)水質(zhì)條件輔助沉水植物漸沉至底泥, 以發(fā)揮沉水植物強(qiáng)大的生態(tài)修復(fù)功能[26].

實(shí)驗(yàn)中A組凈水較B組效果好的原因可能與泥鰍、田螺等水生動(dòng)物的系統(tǒng)適應(yīng)性有關(guān). 泥鰍適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強(qiáng), 可取食多種系統(tǒng)垃圾, 其晝伏夜出的習(xí)性可降低晝間光照時(shí)的生物擾動(dòng), 利于植物生長(zhǎng). 剮食類動(dòng)物田螺可通過取食沉水植物表面附著藻類或藻菌共生膜, 增強(qiáng)沉水植物光能利用率, 降低沉水植物不利生長(zhǎng)因素[27]. 實(shí)驗(yàn)中, A組預(yù)培養(yǎng)使泥鰍與田螺充分適應(yīng)了人工生境, 融入了系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流及信息流環(huán)節(jié), 促進(jìn)了LHS整體功能的發(fā)揮[20].

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)組A與B的水質(zhì)變化與對(duì)照組C的水質(zhì)惡化, 可知通過LHS-A的上層間隔布局可保障沉水植物獲得光照; 底層可升降結(jié)構(gòu)可保障沉水植物獲得光源, 使生境溶解氧水平較高, 改善系統(tǒng)內(nèi)部動(dòng)植物生長(zhǎng)環(huán)境; 整體以PVC網(wǎng)圈圍, 可削弱風(fēng)浪給生境內(nèi)帶來的侵?jǐn)_, 避免外界魚類的牧食等使LHS生境內(nèi)枝角類、水生植物穩(wěn)定生長(zhǎng), 圈圍網(wǎng)面可為附著藻類依附, 為田螺提供覓食空間[28]. 從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)組A與B區(qū)別于對(duì)照組C的水質(zhì)改善.

Scheffer等研究認(rèn)為水生態(tài)存在二相轉(zhuǎn)換機(jī)制[11, 20]. LHS嵌入富營(yíng)養(yǎng)化塘池后發(fā)揮水質(zhì)改善功能，利于促進(jìn)藻型水質(zhì)向草型水質(zhì)的轉(zhuǎn)變或維持草型水質(zhì), 提升景觀塘池的生境健康; 另LHS中沉水植物離水面距離減小, 沉水植物光補(bǔ)償點(diǎn)易達(dá), 實(shí)驗(yàn)采取LHS-B漸沉策略, 有助于削弱沉水植物在高營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中的脅迫[29], 促進(jìn)草型生態(tài)系統(tǒng)崩潰的營(yíng)養(yǎng)濃度閾值和由藻型生態(tài)系統(tǒng)向草型恢復(fù)的閾值增大, 使生態(tài)恢復(fù)在高于自然恢復(fù)的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平時(shí)即可開始, 削弱藻型塘池向草型塘池轉(zhuǎn)換的延遲性.

通過引入灰水足跡, 在富營(yíng)養(yǎng)化爆發(fā)TN及TP經(jīng)驗(yàn)閾值的基礎(chǔ)上, 能輔助對(duì)致水體富營(yíng)養(yǎng)化制約性營(yíng)養(yǎng)鹽的判斷, 能夠?qū)HS系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的改善轉(zhuǎn)變成稀釋水量或灰水足跡表征. 本實(shí)驗(yàn)中, 實(shí)驗(yàn)組A中ΔWFgrey可達(dá)2 689.23 L, 將模擬景觀塘池灰水足跡降至初始狀態(tài)的22.9%, 展現(xiàn)了灰水足跡理論與方法的可適用性, 也從灰水足跡角度佐證了LHS系統(tǒng)在20 d內(nèi)對(duì)小型水域的生態(tài)改善意義.

4 結(jié) 論

1) LHS在實(shí)驗(yàn)條件下經(jīng)過20 d對(duì)實(shí)驗(yàn)塘池營(yíng)養(yǎng)鹽改善效果明顯. 經(jīng)預(yù)培育的LHS對(duì)TP去除率可達(dá)81.01%, TN, NH4+-N, NO3--N去除率分別可達(dá)77.10%, 88.82%, 84.12%; 對(duì)塘池水體CODCr的處理率可達(dá)67.51%, Chl.a質(zhì)量濃度降低至0.98 μg·L-1, 濁度可降至1.03°, 可使模擬景觀塘池灰水足跡降至初始狀態(tài)的22.9%.

2) LHS在實(shí)驗(yàn)期間組份穩(wěn)定, 搭載的生態(tài)系統(tǒng)以漸沉方式運(yùn)行利于沉水植物的恢復(fù), 盡管LHS組件初期凈化能力略低于成熟期的凈化能力，但是其從組建(B組態(tài))到成熟(A組態(tài)), 均對(duì)模擬塘池水質(zhì)有良好改善效果.

3) 灰水足跡理論有利于從水量角度識(shí)別富營(yíng)養(yǎng)化限制性營(yíng)養(yǎng)鹽, 并能從水量角度反映生態(tài)工程技術(shù)的效用. LHS嵌入塘池生境, 有利于促進(jìn)塘池灰水足跡“匯”的增長(zhǎng), 利于維持塘池草型生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和促進(jìn)藻型塘池向草型塘池轉(zhuǎn)變.

4) 對(duì)于LHS中各組成部分的添加時(shí)序、物種間的優(yōu)化搭配和量化分布規(guī)律還有待進(jìn)一步的研究.

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Study on Rehabilitation of Small Landscape Pond and Its Grey Water Footprint Sink at High Spatiotemporal Resolution

GUO Yi-ming1, LIU Yun-guo2,3?, SONG Bing-liang1, SUN Yu-qin1, TAN Xiao-fei2,3, JIANG Lu-hua2,3, LI Hua1, GAN Sheng-jun1, LIU Yi-jun1

(1.School of Economics and Management (Transport Planning and Management of National Key Disciplines), Shanghai Maritime Univ, Shanghai 201306，China; 2. College of Environmental Science and Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China; 3. Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control (Hunan Univ),Ministry of Education, Changsha, Hunan 410082, China)

The Laminated Habitat System (LHS) composed of indigenous species was designed and embedded into a Small Experimental Landscape Pond (SELP). The variation of water quality, eco-habitat and the sink of grey water footprint (WFgreysink) for the SELP at high spatiotemporal resolution were measured statically outdoor for 20 days. The results showed that the removal efficiencies of TP, TN, NH4+-N, and NO3--N reached 81.01%, 77.1%, 88.82% and 84.12%, respectively, while the removal efficiency of CODCrreached 67.51%, and the concentration of Chl.a decreased to 0.98 μg·L-1. The turbidity reduced to about 10% of its original level, while 22.9% for the sink of grey water footprint. The LHS acted excellently in improving water quality and rehabilitating the eco-habitat, and promoted the eco-succession of SELP from algal-dominated to macrophyte-dominated. Moreover, this study provided a new idea for Landscape Pond ecology maintenance in the light of Grey Water Footprint theory.

eutrophication; laminated habitat system; grey water footprint; ecosystem

1674-2974(2016)12-0118-10

2016-05-15 基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M590348), China Postdoctoral Science Foundation(2016M590348); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41301154, 41271332), National Natural Science Foundation of China(41301154, 41271332) 作者簡(jiǎn)介：郭一明(1982-)， 男, 山東臨沂人, 上海海事大學(xué)博士后 ?通訊聯(lián)系人，E-mail: liuyunguo@hnu.edu.cn

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