不同生物量苦草殘?bào)w腐解對水體水質(zhì)的影響

付賢鐘，崔康平，藕 翔，湯海燕，韋 釗

（合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

水生植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，能通過其生長過程中的吸收、過濾、截留等作用，主動并有效地吸收水體中的氮、磷、重金屬、有機(jī)物等污染物質(zhì)，對污水起到一定的凈化作用［1］。水生植物通過促進(jìn)微生物的生長代謝，可降解水中大部分可生物降解有機(jī)物；通過抑制低等藻類的生長，控制富營養(yǎng)化的表現(xiàn)形式［2］。因此，培育水生植物已經(jīng)成為水體污染治理和生態(tài)修復(fù)的重要途徑［3］。

沉水植物作為水生生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，是水體食物鏈的基礎(chǔ)，對水體理化環(huán)境有重要的作用，同時(shí)在維持水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能以及生物多樣性方面也起到關(guān)鍵作用［4-5］。研究沉水植物腐解過程以及此過程中釋放的物質(zhì)對水體水質(zhì)的影響，有助于充分利用沉水植物對水體的凈化功能，還能有效預(yù)防沉水植物殘?bào)w向水中釋放的營養(yǎng)物質(zhì)造成水體的二次污染［6］。同時(shí)，研究沉水植物腐解過程對水質(zhì)影響的差異及其成因，對沉水植物管理和水質(zhì)保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［7］。此外，若沉水植物自然死亡后在水體中大量腐解，會對水體造成嚴(yán)重的二次污染，從而進(jìn)一步惡化水體環(huán)境［8-9］。因此，在用沉水植物恢復(fù)被污染水體的過程中，需對其生物量進(jìn)行合理的調(diào)控，才能達(dá)到較為理想的效果［10］。

沉水植物腐解過程及其水質(zhì)效應(yīng)可能因植物殘?bào)w總量而不同，例如張來甲等［11］通過研究發(fā)現(xiàn)，不同生物量苦草在生命周期的不同階段對水體水質(zhì)的影響有較大的差異。因此本文以沉水植物苦草（Vallisneria natans）為例，通過定期對各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定，進(jìn)一步探索不同生物量的苦草殘?bào)w在腐解過程中對水體水質(zhì)的影響，以期為水生生態(tài)修復(fù)中苦草的種植密度及其殘?bào)w的管理提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用沉水植物苦草取自合肥工業(yè)大學(xué)校園內(nèi)斛兵塘，收集的苦草殘?bào)w用高純水漂洗去除殘?bào)w表面的雜質(zhì)后，將殘?bào)w置于烘箱中于65℃烘干至恒重，然后再將其剪成約1 cm長的碎片，混合均勻后置于密封袋中，并置于干燥器內(nèi)以備使用。試驗(yàn)用水均為試驗(yàn)室高純水設(shè)備制取的高純水，其pH值在7左右，ρ（余 氯）≤ 0.05 mg／L，ρ（TDS）≤ 300 mg／L，ρ（COD）≤1.5 mg／L，ρ（TOC）≤2.0 mg／L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在室溫條件下，用尼龍網(wǎng)將不同質(zhì)量的苦草殘?bào)w碎片包裹后，置于容量為1 L的燒杯中進(jìn)行腐解試驗(yàn)。試驗(yàn)分為A、B、C三個(gè)工況，分別為：0.1 g／L苦草殘?bào)w＋高純水、0.2 g／L 苦草殘?bào)w＋高純水、0.4 g／L殘?bào)w＋高純水，每個(gè)工況設(shè)3個(gè)平行樣。整個(gè)試驗(yàn)在避光條件下進(jìn)行，于第 0、2、4、6、8、10、17、24、31、38、52、66 d 進(jìn)行采樣監(jiān)測，每次取 20 mL 水樣測定 COD、TN、NH3－N、TP、pH、DO 等指標(biāo)。試驗(yàn)期間每次取完水樣后，應(yīng)補(bǔ)充適量的高純水以保持整體水量，直至試驗(yàn)結(jié)束。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)測定方法

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所測數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，作圖分析時(shí)各指標(biāo)最終數(shù)據(jù)均取三個(gè)平行工況所得數(shù)據(jù)的平均值，使用Origin 9.1對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物量苦草殘?bào)w腐解對水體pH值的影響

水體中pH值隨時(shí)間的變化情況如圖1所示，在試驗(yàn)初期各工況水體pH均呈現(xiàn)先下降再上升而后又下降的趨勢，并在下降到最低值后于第17 d達(dá)到最大值，而且在試驗(yàn)?zāi)┢谒w的pH均高于試驗(yàn)初始值，但是試驗(yàn)組三種工況的pH差距并不是很大。這說明苦草殘?bào)w的腐解對水體的pH變化有一定的影響，但是不同生物量的苦草殘?bào)w腐解對水體的pH影響不大。

圖1 水體pH值隨時(shí)間的變化Fig.1 Variation with Time of pH Value in Water Body

試驗(yàn)初期水體pH值下降是由于在沉水植物腐爛初期，一方面植物大量衰亡，導(dǎo)致水體內(nèi)有機(jī)物迅速增加，在微生物作用下分解并釋放出CO2，導(dǎo)致水體中pH值下降［13］；另一方面，苦草中蛋白質(zhì)含量較高，植物體中的蛋白質(zhì)被微生物分解后產(chǎn)生大量的氨基酸，苦草中氨基酸不僅種類齊全，而且含量豐富［14］，這也導(dǎo)致了水體pH值的下降。隨后由于氨基酸的分解導(dǎo)致水體酸度降低，同時(shí)苦草殘?bào)w中的含氮有機(jī)物被逐步降解釋放到水體，微生物在代謝過程中產(chǎn)生的和胺類物質(zhì)又引起 pH值上升［15］。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，水體中和胺類物質(zhì)等經(jīng)硝化反硝化等過程被消耗，pH值又逐漸降低。

2.2 不同生物量苦草殘?bào)w腐解對水體ρ（DO）的影響

如圖2所示，水體中DO在試驗(yàn)初期迅速下降，在試驗(yàn)第6 d時(shí)降至最小值，而后又緩慢上升，而且在不同工況中投加的苦草殘?bào)w生物量越大，DO的值越小，這說明投加的生物量越大，水體中的溶解氧被消耗的越多。

圖2 水體DO濃度隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation with Time of DO Concentration in Water Body

在試驗(yàn)前期，由于苦草的腐爛分解是在微生物的作用下完成的，微生物迅速的降解過程消耗了水體中大量的溶解氧，因此水體中的DO濃度在試驗(yàn)初期迅速降低［7］；而在試驗(yàn)中、后期，植物腐解程度逐漸減弱，DO消耗量降低［13］，而且試驗(yàn)水體與空氣直接接觸發(fā)生復(fù)氧作用，導(dǎo)致水體中DO濃度又逐漸上升。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，沉水植物的腐解都在進(jìn)行，因此水體中的溶解氧也一直被消耗，在試驗(yàn)?zāi)┢诟鞴r的DO濃度均低于試驗(yàn)初始值。

2.3 不同生物量苦草殘?bào)w腐解對水體ρ（COD）的影響

由圖3可知，投加苦草殘?bào)w腐解的各工況水體中COD濃度均呈緩慢上升趨勢，而且在試驗(yàn)?zāi)┢谒w中的COD濃度遠(yuǎn)高于試驗(yàn)初始值。由不同生物量之間的比較可知，隨著生物量的增加，整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)程中水體中COD濃度也在不斷增加，而且在試驗(yàn)?zāi)┢冢锪扛叩墓r水體COD濃度明顯高于生物量低的。由此可知，苦草的殘?bào)w腐解會增加水體的COD值，而且生物量越高，對水體COD濃度影響越大。

圖3 水體CODCr濃度隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation with Time of CODCrConcentration in Water Body

相關(guān)文獻(xiàn)表明沉水植物腐解對水體COD產(chǎn)生影響的變化趨勢一般為先上升后下降［6-7］，而本試驗(yàn)結(jié)果卻顯示苦草的殘?bào)w腐解使得水體COD濃度不斷升高，原因可能是本試驗(yàn)用水為高純水，其中的微生物種類和數(shù)量較少，這對于硝化菌的生長繁殖而言需時(shí)較長，導(dǎo)致在試驗(yàn)中后期苦草殘?bào)w腐解產(chǎn)生有機(jī)物的速率要遠(yuǎn)大于微生物利用有機(jī)碳源進(jìn)行自身反硝化作用的速率。

2.4 不同生物量苦草殘?bào)w腐解對水體氮含量的影響

圖4 水體濃度隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation with Time of Concentration in Water Body

圖5 水體濃度隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation with Time ofConcentration in Water Body

2.4.3 水體中 ρ（TN）的變化

圖6為水體TN濃度隨時(shí)間的變化。由圖6可知，各工況水體中TN濃度均呈先上升再下降的趨勢，且在試驗(yàn)第10 d上升至峰值。其中C工況的變化趨勢尤為明顯，在整個(gè)試驗(yàn)過程中該工況水體中TN濃度均明顯高于其他兩組，這說明隨著生物量的增加，水體中TN濃度也在逐漸增加。

圖6 水體TN濃度隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation with Time of TN Concentration in Water Body

試驗(yàn)各工況水體中TN濃度呈先上升再下降的趨勢，這主要是由于在試驗(yàn)前期隨著苦草的腐爛釋放出大量的營養(yǎng)鹽，苦草體內(nèi)所含的氮也不斷地被釋放出來，致使水體中的TN濃度變高。同時(shí)由于水體中溶解氧充足，苦草殘?bào)w的生物量越高，微生物作用越明顯，因腐解釋放到水體中的TN濃度也越高，TN濃度得以迅速達(dá)到一個(gè)峰值。隨著時(shí)間推移，由于植物腐爛耗氧致使水體溶解氧濃度維持在較低的水平，使無機(jī)氮濃度變化趨于平緩。同時(shí)水體中的氮在先后經(jīng)過氨化、硝化和反硝化作用下轉(zhuǎn)化成氧化亞氮和氮?dú)膺M(jìn)入大氣，致使各工況水體中的TN濃度均有所降低［6］。

2.5 不同生物量苦草殘?bào)w腐解對水體ρ（TP）的影響

水體中TP濃度隨時(shí)間的變化如圖7所示。由圖7可知，各工況水體中的TP濃度在試驗(yàn)初期迅速上升，在第6 d達(dá)到峰值，然后呈下降趨勢，在試驗(yàn)?zāi)┢谒w中TP的濃度均高于初始值，說明苦草殘?bào)w的腐解使得水體中TP的含量有所上升。對于不同生物量的工況而言，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，水體中TP的濃度隨著生物量的增加而逐漸升高，且在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)C工況水體中TP的濃度明顯高于其他兩組。

圖7 水體TP濃度隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation with Time of TP Concentration in Water Body

試驗(yàn)前期水體中的TP濃度迅速上升，這是由于在腐解前期苦草殘?bào)w體內(nèi)部分不穩(wěn)定有機(jī)物釋放至水體，迅速向水體釋放出磷［16-17］；而在中后期由于殘?bào)w腐解處在難溶性物質(zhì)分解階段，腐解負(fù)荷相對前期較低，所以TP的濃度逐漸下降。當(dāng)水體中殘留的生物量很大時(shí)，極易造成水體缺氧，促使植物體厭氧分解，向水體釋放大量的磷［9］，因此隨著生物量的增加，苦草殘?bào)w腐解后釋放到水體中的磷濃度也有所升高。

3 結(jié)論

（1）隨著不同生物量苦草殘?bào)w的腐解，水體pH值均呈現(xiàn)先下降再上升而后又下降的趨勢，且在試驗(yàn)完成時(shí)均高于試驗(yàn)初始值，但不同生物量苦草殘?bào)w腐解對水體pH值影響不明顯；水體中的DO隨殘?bào)w的腐解而迅速降低，而后又逐漸升高，且生物量越大，水體中DO越小。

（2）苦草殘?bào)w腐解過程對水體中有機(jī)物的影響是長期的，即水體中COD濃度隨苦草殘?bào)w腐解一直呈現(xiàn)上升趨勢，在試驗(yàn)?zāi)┢谶h(yuǎn)高于試驗(yàn)初始值，這可能與試驗(yàn)中后期苦草殘?bào)w腐解產(chǎn)生有機(jī)物的速率要遠(yuǎn)大于微生物利用有機(jī)碳源進(jìn)行自身反硝化作用的速率有關(guān)。而且生物量越大，水體中COD濃度越高。

（4）沉水植物苦草進(jìn)入衰亡期后，在一定生物量范圍內(nèi)，殘?bào)w的腐解不會對水質(zhì)造成惡劣的影響，但是仍要控制其殘留生物量，以避免過多的苦草殘?bào)w腐解對水體造成二次污染。

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