石佛寺人工濕地不同水生植物對(duì)水質(zhì)凈化效應(yīng)分析

樊海川

(遼寧省石佛寺水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

遼河作為我國(guó)的七大河流之一，對(duì)遼寧省內(nèi)的生態(tài)產(chǎn)業(yè)和生態(tài)資源體系構(gòu)建都具有著無法替代的戰(zhàn)略地位及作用。近年來，遼河已經(jīng)成為了我國(guó)污染最為嚴(yán)重的河流之一，水體富營(yíng)養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重，水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量逐年上升[1]。根據(jù)2019年7月生態(tài)環(huán)境部公布的全國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量狀況資料顯示，目前我國(guó)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的109個(gè)湖泊(水庫(kù))中，水質(zhì)優(yōu)良(Ⅰ-Ⅲ)的湖庫(kù)個(gè)數(shù)占比達(dá)到68.8%，相比去年同期上升2.7%。其中遼河流域中劣Ⅴ類水質(zhì)斷面比例達(dá)15%以上，受污染情況較為嚴(yán)重。受遼河水質(zhì)影響，沈陽(yáng)市斷面水環(huán)境質(zhì)量排名為全國(guó)倒數(shù)第20位。目前遼河流域主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量(CODCr)、總磷(TP)、總氮(TN)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，大部分水體處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[2]。以為我國(guó)目前的科技手段，還無法完全解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問題，但可以通過控制流域外源污染輸入和內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽的減消，與科學(xué)的預(yù)防和治理手段相結(jié)合，盡可能將危害降到最小。在湖泊內(nèi)種植水生植物是國(guó)內(nèi)較常見的預(yù)防和治理水體富營(yíng)養(yǎng)化的方法之一，水生植物在其生長(zhǎng)過程中為滿足自身發(fā)育的需求，會(huì)不斷從水體吸收各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并促進(jìn)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向淤積物中沉積，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的凈化。

石佛寺水庫(kù)位于沈陽(yáng)市新城子區(qū)、法庫(kù)縣依牛堡鄉(xiāng)和鐵嶺市鐵法縣境內(nèi)，是遼河干流上唯一一座控制性水利樞紐工程。為改善區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境，于2009年在原有基礎(chǔ)上建立人工濕地。據(jù)2018年野外調(diào)查表面，目前水庫(kù)人工濕地總面積25.05 km2，其中荷花區(qū)域面積167.1 hm2，蘆葦區(qū)域面積173.3 hm2，水燭區(qū)域面積367.3 hm2。本文通過在不同時(shí)期對(duì)不同水生植物區(qū)域內(nèi)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，研究不同水生植物對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收能力的差異，探究水生植物在濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮的作用，旨在為遼河流域斷面生態(tài)修復(fù)工程提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)的確定

通過對(duì)石佛寺人工濕地進(jìn)行野外調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，目前濕地內(nèi)優(yōu)勢(shì)物種為荷花、蘆葦和水燭等挺水植物，其他三種生活型的水生植物(沉水植物、根生浮葉植物和自由漂浮植物)生長(zhǎng)區(qū)域較為集中，彼此之間形成群落，單獨(dú)取樣較為困難，故將它們所形成的區(qū)域作為一個(gè)整體，稱為混合植物區(qū)域。將荷花區(qū)域、蘆葦區(qū)域、水燭區(qū)域和混合植物區(qū)域分別作為研究對(duì)象，通過遙感圖像監(jiān)測(cè)后選取幾個(gè)合適的植物群落，再經(jīng)過實(shí)地考察后，根據(jù)各群落間植物生物量和生長(zhǎng)茂盛情況的差異確定具體的采樣點(diǎn)，并在無水生植物種植湖心島附近設(shè)立空白區(qū)域作為對(duì)照，在5個(gè)不同區(qū)域內(nèi)各取5個(gè)采樣點(diǎn)。由于遼河與濕地水體連通且明沈公路東側(cè)水面較少且生長(zhǎng)的植物多為喬木、灌木，故不在此區(qū)域布設(shè)采樣點(diǎn)。具體的采樣點(diǎn)布設(shè)見圖1。

圖1 石佛寺人工濕地水質(zhì)采樣點(diǎn)分布圖

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

分別于2019年4月～9月月初分別對(duì)采樣點(diǎn)內(nèi)水樣進(jìn)行采集，測(cè)定其CODCr、TP、TN和CODMn含量。水樣中CODCr含量通過快速密閉催化消毒—滴定法測(cè)定，TP和TN通過Skalar流動(dòng)水質(zhì)分析儀來檢測(cè)，CODMn含量通過酸性高錳酸鉀法測(cè)定。所有采集的數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行整理與分析，用Photoshop CS6軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水生植物對(duì)CODCr的去除效果

CODCr作為水體有機(jī)污染的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可以反映出水體的污染程度。CODCr含量過高意味著水體中含有大量還原性的有機(jī)污染物，如不及時(shí)處理，這些污染物會(huì)逐漸被湖底淤積物吸附，在之后多年間持續(xù)向水體釋放，從而造成水體二次污染[3～4]。

5個(gè)區(qū)域內(nèi)水體中CODCr平均含量變化趨勢(shì)見圖2。5個(gè)區(qū)域內(nèi)水體中CODCr含量均隨著時(shí)間出現(xiàn)了明顯變化，總體來看濕地內(nèi)水體CODCr含量均在4月～5月和7月～8月呈下降趨勢(shì)，5月～6月和8月～9月呈上升趨勢(shì)，總體趨勢(shì)趨近于“W”型。6個(gè)月內(nèi)各區(qū)域水體中CODCr含量均值分別為：荷花區(qū)域17.21 mg/L；蘆葦區(qū)域16.97 mg/L；水燭區(qū)域17.16 mg/L；混合植物區(qū)域17.71 mg/L；空白區(qū)域18.67 mg/L，有水生植物種植的區(qū)域內(nèi)水體中CODCr含量明顯少于空白區(qū)域，這說明水生植物對(duì)于水體中CODCr的凈化效果是較為明顯的，同時(shí)不同水生植物區(qū)域?qū)τ贑ODCr的凈化能力有所差異，3種挺水植物對(duì)CODCr的凈化效果較為接近且強(qiáng)于由沉水植物、浮葉植物和漂浮植物組成的混合植物區(qū)域?？傮w的凈化效果為：蘆葦區(qū)域>水燭區(qū)域>荷花區(qū)域>混合植物區(qū)域。

圖2 不同區(qū)域水體中CODCr平均含量變化

2.2 不同水生植物對(duì)TP和TN的去除效果

氮、磷元素含量過多是水體富營(yíng)養(yǎng)化形成的重要原因之一，水體中氮、磷元素含量較高會(huì)導(dǎo)致浮游生物和部分藻類的過量繁殖，并伴隨出現(xiàn)赤潮、水華等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響湖泊的生態(tài)平衡[5]。

圖3為5個(gè)區(qū)域內(nèi)水體內(nèi)水體TP和TN平均含量變化趨勢(shì)。4個(gè)水生植物區(qū)域內(nèi)水體中TN和TP含量在各月均低于空白區(qū)域。6個(gè)月內(nèi)各區(qū)域水體中TP和TN含量均值分別為：荷花區(qū)域0.15 mg/L、3.53 mg/L；蘆葦區(qū)域0.13 mg/L、3.24 mg/L；水燭區(qū)域0.13 mg/L、3.29 mg/L；混合植物區(qū)域0.16 mg/L、3.65 mg/L；空白區(qū)域0.18 mg/L、3.93 mg/L，水生植物對(duì)于氮、磷元素的凈化效果較為明顯。各區(qū)域內(nèi)水體中TN和TP含量均隨時(shí)間出現(xiàn)了較明顯的變化，且不同植物之間的凈化效果也有所不同。蘆葦和水燭對(duì)TP和TN的凈化效果均較為接近，且明顯優(yōu)于于其他水生植物，荷花的凈化略強(qiáng)于混合植物。綜合來看，不同水生植物對(duì)于TP的凈化效果為：蘆葦區(qū)域≈水燭區(qū)域>荷花區(qū)域>混合植物區(qū)域；對(duì)于TN的凈化效果為：蘆葦區(qū)域>水燭區(qū)域>荷花區(qū)域>混合植物區(qū)域。

圖3 不同區(qū)域內(nèi)水體中TP和TN平均含量變化

2.3 不同水生植物對(duì)CODMn的去除效果

水體中高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量同為反映水體可氧化物質(zhì)污染的常見指標(biāo)，水體CODMn含量過高通常意味著水體中含有較多的亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物和有機(jī)物，污染情況較為嚴(yán)重[6]。以水生植物為核心的污水處理技術(shù)是目前較為常見的富營(yíng)養(yǎng)化水體治理方式，林春風(fēng)[7]的研究表明，水生植物對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體中的CODMn含量有較好的處理效果。

5個(gè)區(qū)域內(nèi)水體中CODMn平均含量變化趨勢(shì)見圖4。相較于無水生植物種植的空白區(qū)域，4個(gè)水生植物區(qū)域內(nèi)CODMn含量均得到了有效的抑制，其中水燭和蘆葦?shù)奶幚硇Ч鄬?duì)較好，挺水植物對(duì)CODMn的處理效果較強(qiáng)于其他種類的水生植物。總體來看濕地內(nèi)水體CODMn含量均在4月～5月和7月～8月呈下降趨勢(shì)，5月～7月和8月～9月呈上升趨勢(shì)，整體趨勢(shì)趨近“W”型。6個(gè)月內(nèi)各區(qū)域水體中CODMn含量均值分別為：荷花區(qū)域5.30 mg/L；蘆葦區(qū)域5.11 mg/L；水燭區(qū)域5.06 mg/L；混合植物區(qū)域5.63 mg/L；空白區(qū)域6.43 mg/L。綜合來看，不同水生植物對(duì)于CODMn的凈化效果為：水燭區(qū)域>蘆葦區(qū)域>荷花區(qū)域>混合植物區(qū)域。

圖4 不同區(qū)域內(nèi)水體中CODMn平均含量變化

2.4 綜合分析

不同區(qū)域內(nèi)各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的隨時(shí)間的變化趨勢(shì)不同與植物本身在生長(zhǎng)發(fā)育過程中對(duì)各類營(yíng)養(yǎng)元素吸收能力差異有關(guān)[8～9]。在4月～5月期間，水生植物逐漸開始生長(zhǎng)發(fā)育，此階段受水生植物光合作用的影響，4個(gè)水生植物區(qū)域內(nèi)CODCr和CODMn含量均逐漸降低；水生植物的發(fā)育過程中需要不斷從水體吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)元素[10～11]，4個(gè)水生植物區(qū)域內(nèi)水體中TP和TN含量明顯下降。5月～6月，受外源徑流和部分降雨影響，各區(qū)域內(nèi)CODCr和CODMn含量呈上升趨勢(shì)；4個(gè)水生植物區(qū)域內(nèi)的水生植物通過根、頸部位吸收水體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并通過促氮、磷沉積的效應(yīng)使水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到湖底沉積物中[12]，區(qū)域內(nèi)TP和TN含量均呈降低趨勢(shì)。6月～7月，隨著溫度升高，水生植物光合作用速率和部分根系微生物活性增高，水生植物可以通過根際效應(yīng)，讓其附著的根系微生物可以作用于周圍環(huán)境，促進(jìn)磷營(yíng)養(yǎng)鹽和其他養(yǎng)分的循環(huán)，水體中有機(jī)物受自然氧化的速率也有所增加[13～14]，此階段蘆葦、水燭和混合植物區(qū)域內(nèi)CODCr含量均略有下降，但荷花區(qū)域內(nèi)CODCr含量仍呈上升趨勢(shì)，其原因可能為荷花區(qū)域內(nèi)植株根系微生物較多，隨著微生物活性增強(qiáng)，水體中溶解氧逐漸減少，氧化還原電位降低；除混合植物區(qū)域外，3個(gè)挺水植物區(qū)域內(nèi)CODMn含量的增長(zhǎng)趨勢(shì)均有所減緩；荷花、水燭和混合植物區(qū)域內(nèi)TP含量有所減少，蘆葦區(qū)域內(nèi)TP含量略微上升；各區(qū)域內(nèi)TN含量均呈明顯的上升趨勢(shì)，其原因可能為外源污染流入河道。7月～8月，各區(qū)域內(nèi)水體中CODCr和CODMn含量均呈下降趨勢(shì)，其中荷花區(qū)域內(nèi)CODCr含量下降趨勢(shì)最大，荷花區(qū)域內(nèi)CODMn含量下降趨勢(shì)最??；各區(qū)域內(nèi)TP含量均呈上升趨勢(shì)，TN含量呈下降趨勢(shì)，物種之間差異不明顯。8月～9月，受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響，區(qū)域降雨和上游洪峰流量達(dá)到近幾年之最，各區(qū)域內(nèi)CODCr、TP、TN和CODMn含量均明顯升高。

3 結(jié)論

總體來看，水生植物均對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體起到良好的凈化作用，且水體中各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量變化會(huì)受水生植物的成長(zhǎng)過程的影響。相較于無水生植物種植的空白區(qū)域，4個(gè)水生植物區(qū)域內(nèi)CODCr、TP、TN和CODMn含量均明顯降低，水生植物的種植使?jié)竦貎?nèi)水質(zhì)得到了改善。不同水生植物間的凈化效果存在一定差異，3種挺水植物對(duì)CODCr的凈化效果較為接近且均強(qiáng)于混合植物區(qū)域，其中蘆葦對(duì)CODCr的凈化效果最好。蘆葦和水燭對(duì)TP和TN的凈化效果均較為接近，且明顯優(yōu)于于其他水生植物，荷花的凈化略強(qiáng)于混合植物。對(duì)于CODMn的凈化效果，水燭最強(qiáng)，蘆葦和荷花次之，混合植物區(qū)域最弱。建議進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)濕地內(nèi)水生植物的優(yōu)化改造和利用，增加蘆葦和水燭的生物量和區(qū)域面積。