水深對(duì)立體種植沉水植物污染物去除效果的影響

馬建中，黃 和，賈 利，朱宇軍

(中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

2017年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)顯示，被監(jiān)測營養(yǎng)狀態(tài)的湖泊(水庫)中有3.67%處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)，26.61%為輕度富營養(yǎng)[1]。以長期以來一直堅(jiān)持治理的太湖為例，其絕大多數(shù)水體仍處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)。過量排放氮(N)和磷(P)是導(dǎo)致地表水富營養(yǎng)化主要原因，從而引起湖泊和河流生態(tài)環(huán)境惡化。富營養(yǎng)化導(dǎo)致湖泊由以草為主的多樣性藻類湖泊向以藍(lán)藻為主的湖泊轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致湖泊生態(tài)平衡遭到破壞[2-3]。其中，水體較高的磷濃度被認(rèn)為是藍(lán)藻爆發(fā)的關(guān)鍵因素。

植物修復(fù)是一種將過剩營養(yǎng)轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的植物生物量的簡便、廉價(jià)、環(huán)保的方法。沉水植物作為水生生態(tài)系統(tǒng)的主要生產(chǎn)者，已被證明有助于淡水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定并促進(jìn)周圍水體的污染去除，沉水植物可釋放化學(xué)感應(yīng)物質(zhì)抑制藍(lán)藻的生長。此外，它們還為魚類提供了棲息地，同時(shí)減少了由浮游植物引起的水體渾濁，并為細(xì)菌、藻類等微生物的生長提供天然底物，形成生物膜或稱為附生微生物群落，有效抑制有害藻華的形成，在調(diào)節(jié)湖泊功能和維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著重要作用[4]，種植沉水植物已被廣泛用于恢復(fù)富營養(yǎng)化水體的生態(tài)環(huán)境。

受生長型影響，不同沉水植物對(duì)水深的適應(yīng)對(duì)策和能力之間存在較大差異[6-7]。蓮座型植物(如苦草多以生理上的改變，如改變地上/地下生物量來適應(yīng)水深的變化，而狐尾藻等冠層型植物更傾向于通過形態(tài)的改變，如改變莖葉的長度等來響應(yīng)水深環(huán)境的變化[8]。同時(shí)水深與水體的多個(gè)環(huán)境要素(如光照、水溫、CO2濃度、壓力、溶解氧、風(fēng)浪、光質(zhì)和底泥等)密切關(guān)聯(lián)，深刻影響著沉水植物的生長繁殖等環(huán)節(jié)[9]，但是水深變化對(duì)于沉水植物污染物的去除效果卻鮮有研究。因此明確各種沉水植物對(duì)水深的響應(yīng)機(jī)制，才能通過靈活的水深調(diào)控實(shí)現(xiàn)植被的機(jī)動(dòng)管理，保障植被的成活率和水域覆蓋度。為了研究水位波動(dòng)對(duì)沉水植物形態(tài)及污染物去除效果的影響，本研究通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了水位波動(dòng)和苦草之間的生態(tài)響應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)內(nèi)徑380 mm、高1 650 mm的圓柱狀無蓋有機(jī)玻璃桶為反應(yīng)器(如圖1)，在400 mm和800 mm處分別設(shè)置一個(gè)取水口用于取樣，50 mm處設(shè)一個(gè)出水口用于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后排水。反應(yīng)器內(nèi)水體深度均為1 580 mm。設(shè)計(jì)內(nèi)徑340 mm、高150 mm的無蓋有機(jī)玻璃桶作為栽種盆，并設(shè)置深度為80 mm的石英砂作為固定基質(zhì)。反應(yīng)器側(cè)面使用鋁箔紙進(jìn)行遮光處理。

圖1 水深實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of water depth experiment device

選取苦草和黑藻兩種沉水植物作為實(shí)驗(yàn)材料，每組種植一定量的沉水植物(每組苦草共(29.94±0.71)g，約12株，株平均鮮重(2.45±0.27)g，平均葉長(22.4±0.8)mm，平均根長(6.4±1.5)mm；每組黑藻共(30.41±0.73)g，10株，株平均鮮重(3.02±0.33)g，平均莖長(53.2±6.2)mm，平均根長(7.0±1.4)mm)。反應(yīng)器設(shè)定0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 m五個(gè)水深梯度(以基質(zhì)上表面為準(zhǔn))。實(shí)驗(yàn)用水取自無錫望虞河，取水時(shí)間為2020年9月19日，水樣取回后置于冷藏柜子中保存，每日取用分析量約為100 mL。為防止取回水樣變質(zhì)，通過檢測水質(zhì)TOC和254 nm吸光度的變化判定。水體中CODMn采用國標(biāo)化學(xué)需氧量測定方法(GB 11914—89)，總氮和總磷分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894—89)和過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉水植物去除CODMn效果對(duì)水深的響應(yīng)

CODMn是影響水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，控制自然水體中的CODMn含量是提高自然水體水質(zhì)的重要保障。由圖2可知，苦草和黑藻對(duì)水體中有機(jī)物(CODMn)的去除率不高。在苦草生長的第0～12天，水體有機(jī)物的含量略有下降，但后期又回升。在黑藻組，種植后的0～4天內(nèi)，水中的CODMn含量略有上升，這是沉水植物對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)。在第4～16天CODMn含量開始下降，且降低的速度較快，這是因?yàn)槌了参锝?jīng)過了饑餓培養(yǎng)后對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的過量吸收。而第16天后CODMn的含量又開始增加，是由于沉水植物釋放胞外聚合物[10]，且此時(shí)部分沉水植物開始凋亡。在第16天，0.6 m和1.5 m水深組的CODMn均降低至10 mg·L-1之下，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)》(以下簡稱GB 3838—2002)中規(guī)定的Ⅳ類水高錳酸鹽指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(CODMn≤10 mg·L-1)。而在16～24天內(nèi)CODMn含量又開始上升。整個(gè)周期內(nèi)水體中CODMn含量呈不規(guī)則波動(dòng)，且兩種沉水植物對(duì)水中CODMn的去除效果均不明顯。兩種沉水植物在24天的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，在1.5 m的水深內(nèi)對(duì)COD的去除效率都達(dá)到50%，相比于0.9 m以上水深大約提高了15%。但是水深對(duì)苦草和黑藻的各自CODMn去除效果差異影響并不明顯。

圖2 沉水植物系統(tǒng)的CODMn變化Fig.2 Changes of CODMn in the submerged plant system

利用掃描電鏡(SEM)研究了不同水深條件下苦草葉片表面生物膜的形態(tài)如圖3所示。

5組均苦草葉片吸附了大量的微生物，但表面生物膜從分布上來看并不均勻。水深0.6 m和1.5 m組的生物膜在視覺上微生物和相關(guān)的衍生有機(jī)物數(shù)量較多?？嗖萑~片表面吸附了大量的顆粒，包括藍(lán)藻以及球菌、芽孢桿菌等細(xì)菌。造成這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè)。首先，天然水體中含有藍(lán)藻等眾多的微生物，之前的研究也表明，高營養(yǎng)含量會(huì)導(dǎo)致淺水湖泊大型沉水植物附生藻類過度生長。其次，細(xì)菌等微生物表面化學(xué)基團(tuán)的靜態(tài)累積使得它們?nèi)菀赘街诳嗖萑~片之上。

采用TOC法測定苦草葉片表面微生物及其衍生有機(jī)物的含量，如圖4。不同水深下，苦草葉片表面生物膜的生物量及表面有機(jī)物的量差別不大。0.9 m和1.5 m組TOC含量略高于其他組，分別達(dá)到2.53 mg·g-1和2.72 mg·g-1鮮重，與SEM圖像結(jié)果基本一致。

2.2 沉水植物去除總氮效果對(duì)水深的響應(yīng)

作為引起水體富營養(yǎng)化的重要元素之一，控制天然水體中的N對(duì)于控制水體富營養(yǎng)化具有重要的意義。不同水深下苦草和黑藻對(duì)水體中總氮(TN)的去除效果如圖5所示。由圖可知，五種水深下的TN實(shí)驗(yàn)當(dāng)天起開始減少，期間略有波動(dòng)氮總體呈下降趨勢。苦草在0～12天內(nèi)對(duì)TN的去除速度略大于12～24天?？嗖萁M在12天后，除0.3 m組外其余水深組的TN均低于1.0 mg·L-1，達(dá)到GB 3838—2002中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(TN≤1.0 mg·L-1)?？嗖莩了参锵到y(tǒng)在水深0.3 m以下對(duì)總氮的去除效果要約提高13%。黑藻組的TN從第0天開始下降，同樣地雖然TN含量略有波動(dòng)但整體呈下降趨勢。黑藻組0～16天內(nèi)對(duì)TN的削減速度大于16～24天。且在0.6 m和0.9 m組在16～24天內(nèi)TN都低于1.0 mg·L-1，達(dá)到GB 3838—2002中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(TN≤1.0 mg·L-1)。黑藻沉水植物系統(tǒng)在0.3 m以下對(duì)總氮的去除效果約提高20%，相比苦草，水深對(duì)黑藻去除總氮的提升效果更為明顯。

圖5 沉水植物系統(tǒng)的總氮變化Fig.5 Changes of total nitrogen in the submerged plant system

2.3 沉水植物去除總磷效果對(duì)水深的響應(yīng)

不同水深下苦草和黑藻對(duì)污水中總磷(TP)的去除效果如圖6所示。

圖6 沉水植物系統(tǒng)的總磷變化Fig.6 Changes of total phosphorus in the submerged plant system

苦草組地表水體中TP的含量在接種后的第4天才開始下降，4～8天內(nèi)迅速下降，8～24天內(nèi)上下波動(dòng)。在8～24天，苦草0.9 m組的TP均低于0.05 mg·L-1，水質(zhì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在12～24天，黑藻0.9 m和1.2 m組的TP均低于0.05 mg·L-1，達(dá)到GB 3838—2002中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(湖泊TP≤0.05 mg·L-1)。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明沉水植物立體種植對(duì)污染水體的總磷去除效果顯著，去除效率可達(dá)到60%，但水深對(duì)沉水植物的總磷去除效果影響相比于總氮去除并不明顯。

2.4 沉水植物形態(tài)對(duì)水深的響應(yīng)

如圖7(a、b)所示，24天后苦草的葉長隨水深的增加呈增加趨勢，在水深1.5 m處苦草的平均葉長出現(xiàn)最大值為24.0 cm。由于葉長隨水深增加的幅度很小，因此水深對(duì)苦草平均葉長的影響是微弱的。造成這種現(xiàn)象的原因是苦草無莖或僅有匍匐莖而黑藻具有細(xì)長的莖，當(dāng)環(huán)境水位增加時(shí)，黑藻會(huì)通過調(diào)節(jié)莖的長度來調(diào)整株高從而適應(yīng)環(huán)境的變化[10-11]。如圖7(c、d)所示，苦草的根長先隨水深的增加而增加，在水深0.9 m處達(dá)到最長12 cm后在1.2 m處驟降又在1.5 m處回升至11 cm。黑藻的根長隨著水深的增加呈先增加再減小的趨勢。在0.3～1.2 m之間，黑藻的根長逐漸增長，在水深1.2 m處，黑藻的根長可到11 cm，增幅約83%。但在水深1.5 m處黑藻根長增幅減小至43%。

圖7 水深對(duì)沉水植物系統(tǒng)的莖、根長的影響Fig.7 Effects of water depth on stem and root length of submerged plant system

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)五種水深梯度下苦草和黑藻兩種沉水植物的形態(tài)的變化和水體污染去除效果進(jìn)行監(jiān)測，研究了苦草和黑藻葉片對(duì)水深的響應(yīng)。得出以下結(jié)論：

(1)種植水深會(huì)對(duì)兩種沉水植物的葉長、根長等生長狀況造成影響。在極淺水深和深層水深時(shí)，沉水植物都會(huì)受到脅迫。

(2)沉水植物系統(tǒng)對(duì)總磷和總氮都表現(xiàn)出一定的去除效果。

(3)水深對(duì)沉水植物表面生物膜造成了影響。不同水深下，除了生物膜的量不同外，微生物的種群結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生變化。

(4)綜合考慮營養(yǎng)鹽去除效果和沉水植物受脅迫程度，本實(shí)驗(yàn)中0.9～1.2 m是苦草和黑藻的最佳種植深度區(qū)間。