硫酸鹽型水體中水生植物生長與凈水效率研究

柴炎

(山西省水產(chǎn)技術(shù)推廣服務(wù)中心，山西 太原 030002)

汾河流域太原清徐段為硫酸鹽型鹽堿水體，濕地資源退化，植物多樣性降低，實(shí)施汾河流域生態(tài)治理修復(fù)與保護(hù)工程迫在眉睫。本研究采用小水體試驗(yàn)，種植水雍菜等8種植物，通過帶介質(zhì)和不帶介質(zhì)兩種種植方式，對比研究硫酸鹽型鹽堿水體環(huán)境下植物的生長情況及其凈水效率，為汾河流域鹽堿地區(qū)富營養(yǎng)化水體生態(tài)環(huán)境治理及周邊水產(chǎn)養(yǎng)殖水體治理提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

一、材料與方法

1.水生植物的選擇

水生植物能直接吸收利用污水中的營養(yǎng)物質(zhì)，但也會因水體理化指標(biāo)超標(biāo)，對其生長產(chǎn)生鹽脅迫，影響正常生長。根據(jù)水生植物凈化水體的相關(guān)研究，挑選具有耐污和耐鹽脅迫能力且有一定景觀效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益的水生植物，包括水雍菜、美人蕉、矮化蘆葦、寬葉香蒲、黃菖蒲、水芹菜、生菜、韭菜。同種選用長勢相近的植株苗來試驗(yàn)。植物苗除了水雍菜自己育苗外，其他均購置于山西青聯(lián)農(nóng)業(yè)科技有限公司。

2.小水體試驗(yàn)箱中植物的種植

2019年5月將每種植物以帶生長介質(zhì)和不帶生長介質(zhì)種植于條件相同的小水體試驗(yàn)箱(試驗(yàn)箱規(guī)格為長100厘米×寬60厘米×高80厘米)內(nèi)，每組植物設(shè)3個重復(fù)。每種植物在種植前對植株上帶有的基質(zhì)進(jìn)行去除，洗凈根部，提前1周移入霍格蘭氏營養(yǎng)液進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，以適應(yīng)后期水培條件。

同種植株一部分種植在帶介質(zhì)定植籃里(本研究介質(zhì)為小礫石)，安置在小水體試驗(yàn)箱的高密度泡沫板浮床上；一部分以根部裸露用定植棉固定在定植籃上種植在小水體試驗(yàn)箱的高密度泡沫板浮床上。美人蕉、矮化蘆葦、生菜每個定植籃種植1棵，每個小水體試驗(yàn)箱中共種植10棵；香蒲每個定植籃種植1棵，每個小水體試驗(yàn)箱中共種植20棵；黃菖蒲每個定植籃種植1顆，每個小水體試驗(yàn)箱里共種植30棵；水芹菜、水雍菜每個定植籃各種植2棵，每個小水體試驗(yàn)箱里共種植60棵。同種帶介質(zhì)的植物種植數(shù)量等于不帶生長介質(zhì)的植物的種植數(shù)量。

帶介質(zhì)和不帶介質(zhì)的小水體試驗(yàn)箱里的水均為汾河流域清徐段池塘養(yǎng)殖用水。

3.數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)測

(1)觀察記錄每種植株的生長情況。試驗(yàn)期間，每隔5天記錄植株的生長情況，主要是存活數(shù)、植株高度，計算成活率和平均生長速率。

(2)測定水體指標(biāo)。每次記錄完植物的生長情況時對試驗(yàn)箱內(nèi)水體進(jìn)行水質(zhì)檢測。采樣時，對各試驗(yàn)箱上、中、下層水樣各取3份，不同采樣點(diǎn)混合均勻后測定水體指標(biāo)總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、亞硝酸鹽(NO2--N)、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)，取3次采樣的平均值。

4.數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用SPSS16.0與Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計分析。

(1)平均生長率。平均生長率＝(h2-h1)/t，式中h1、h2分別為第1次和第2次測量的植物高度，t為兩次測定間隔的時間。

(2)成活率。成活率＝試驗(yàn)前后植物存活數(shù)的差值/試驗(yàn)前的植物總數(shù)。

(3)凈化效率(污染物的去除率)。R＝(Ci-Ce)/Ci×100，式中Ci、Ce分別為某項(xiàng)指標(biāo)前、后的質(zhì)量濃度，單位為毫克/升。

二、結(jié)果與分析

1.植物生長狀況

小水體試驗(yàn)中，每種植物以帶介質(zhì)和不帶介質(zhì)兩種方式進(jìn)行種植試驗(yàn)。40天的植物生長成活率表明，帶介質(zhì)的小水體試驗(yàn)箱中，植物都能正常生長，而不帶介質(zhì)的試驗(yàn)箱內(nèi)只有生菜和韭菜成活率低，其他均相當(dāng)。

根據(jù)整個周期內(nèi)帶介質(zhì)和不帶介質(zhì)的平均生長率，發(fā)現(xiàn)帶介質(zhì)的平均生長率都高于不帶介質(zhì)的。兩種方式的小水體試驗(yàn)箱內(nèi)水雍菜、美人蕉、矮化蘆葦、寬葉香蒲、黃菖蒲、水芹菜6種植物能正常生長。從整個周期平均生長率可看出，帶介質(zhì)的小水體試驗(yàn)箱里，寬葉香蒲平均生長率最高，其他植物平均生長率由高到低依次是黃菖蒲、矮化蘆葦、美人蕉、水雍菜、水芹菜、生菜和韭菜。帶介質(zhì)的生菜經(jīng)過了1～2天的緩苗期有所生長，但是經(jīng)過半個月后停止生長。韭菜一直沒長高(不見有長勢)。不帶介質(zhì)的小水體試驗(yàn)箱里平均生長率最高的是寬葉香蒲，剩下的由高到低依次是水雍菜、黃菖蒲、美人蕉、矮化蘆葦。生菜和韭菜在實(shí)驗(yàn)過程中長勢差，最后干枯死亡，說明生菜和韭菜不適合該水體環(huán)境。實(shí)驗(yàn)表明，水雍菜、美人蕉、矮化蘆葦、寬葉香蒲、黃菖蒲、水芹菜6種植物較適合該水體環(huán)境。

當(dāng)帶介質(zhì)的植物種植于小水體試驗(yàn)箱里，前期長勢比較慢，因植物有一定的適應(yīng)期；中期平均生長率較高，植物長勢快；后期由于小水體試驗(yàn)箱是一個靜態(tài)的水體，生態(tài)環(huán)境有所改變，而且水體營養(yǎng)物質(zhì)大部分被消耗，所以植物生長率開始下降。當(dāng)帶介質(zhì)的植物平均生長率開始下降時，不帶介質(zhì)的植物平均生長率有所上升，可能是帶介質(zhì)的植物在前期生長過程中對水體的養(yǎng)分有所吸收。此外，植物根系對水環(huán)境適應(yīng)后能形成微生物保護(hù)屏障，加速了植物對養(yǎng)分的吸收，相應(yīng)降低了脅迫帶來的影響，植物出現(xiàn)生長率提高的現(xiàn)象。

2.植物凈水效率分析

從種植前后水體中營養(yǎng)鹽的去除率看，6種植物對水體均起到了凈化效果。不帶介質(zhì)的植物種植于小水體試驗(yàn)箱，對污染物的去除率均不如帶介質(zhì)者高，這與平均生長率的結(jié)果相符。

帶介質(zhì)的植物小水體試驗(yàn)箱內(nèi)，水雍菜對總氮的去除率最高，為85.012%，其次是水芹菜79.991%，其他都相當(dāng)。水雍菜、矮化蘆葦、美人蕉對氨氮的去除率較高，分別達(dá)到87.491%、84.534%、83.807%。6種植物對總磷、亞硝酸鹽、CODMn的去除率沒有總氮、氨氮的去除率高。矮化蘆葦、美人蕉、水芹菜對總磷的去除率較高，分別為59.152%、58.424%、57.409%；矮化蘆葦對亞硝酸鹽的去除率較高，為78.437%。6種植物對CODMn去除率相對較低，最高為寬葉香蒲，去除率為50.245%；其次為水雍菜，去除率為50.012%。

不帶介質(zhì)的植物小水體試驗(yàn)箱內(nèi)，矮化蘆葦對總氮的去除率最高，為57.500%；其次是水芹菜(56.657%)、寬葉香蒲(50.254%)，其他都不到50%。對氨氮的去除率排在前3位的是水雍菜、矮化蘆葦、美人蕉。矮化蘆葦對亞硝酸鹽的去除率最高,為55.391%，其他植物均小于50%。6種植物對總磷、CODMn的去除率均小于50%。

三、討論

帶介質(zhì)的植物成活率及平均生長率比不帶介質(zhì)的植物高，而且?guī)Ы橘|(zhì)的植物對水質(zhì)的凈化效率也比不帶介質(zhì)的高。將植物不帶介質(zhì)種植于小水體試驗(yàn)箱中，水質(zhì)對植物的生長有一定的抑制作用，可能因?yàn)樵囼?yàn)箱水體對于植物的生長有一定的脅迫作用。池塘養(yǎng)殖用水采自汾河流域清徐段，為硫酸鹽型水體，硫酸鹽含量約700毫克/升，總含鹽量約2 000毫克/升，遠(yuǎn)大于一般水體指標(biāo)。而帶介質(zhì)植物能更好地適應(yīng)該環(huán)境，說明在植物生長過程中，介質(zhì)對植物起到了一定的保護(hù)作用。小礫石是一種“生態(tài)礫石”，是人工濕地的一種天然填料，有一定的空隙率，放置在水中對水體一些成分有一定吸附作用和去除作用，所以該介質(zhì)能緩解高鹽度對植物的脅迫作用，降低因鹽度過高而造成的植物滲透作用。該介質(zhì)因有一定的孔隙率，在其表面附著微生物形成生物膜，可分解有機(jī)物、去除氨氮等。此外，在植物生長過程中，介質(zhì)與植物根系相作用形成微生態(tài)小環(huán)境，有益微生物促進(jìn)植物營養(yǎng)吸收與水質(zhì)營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化。所以帶介質(zhì)的小水體試驗(yàn)箱里的植物能更好地適應(yīng)水體而生長。劉曉靜等(2021)在水生植物耐鹽性及其在濱海濕地生態(tài)修復(fù)應(yīng)用中也表明水生植物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其生存分布受到水體鹽堿度的限制。滲透調(diào)節(jié)是水生植物獲得耐鹽性的重要方式，介質(zhì)對鹽脅迫有一定滲透調(diào)節(jié)作用，使得植物對水體有一定的耐鹽性。且隨著時間的延長，介質(zhì)周圍形成微生態(tài)小環(huán)境，微生物同樣對污染物有一定的降解作用。尤其在去氮方面，雖然水生植物可直接吸收，但是硝化與反硝化作用依然為主要去除機(jī)制，其占比最高可達(dá)90%。

四、小結(jié)

本研究表明，帶介質(zhì)的植物在硫酸鹽型鹽堿水環(huán)境下均能生長，但是不帶介質(zhì)的植物在同樣的水環(huán)境下生長率低(長勢差)，有的植物甚至出現(xiàn)死亡，凈化效率也相對偏低。介質(zhì)及其形成的微生態(tài)小環(huán)境對植物的鹽脅迫起到了一定的保護(hù)作用。在硫酸鹽型鹽堿水環(huán)境下的魚菜共生、生物浮島等生態(tài)修復(fù)中，水生植物的種植可以適當(dāng)帶上介質(zhì)。