3種種植方式對(duì)生態(tài)介質(zhì)箱中苦草的生長生理和水體修復(fù)效果的影響*

田 嘯 王趁義# 楊 娜 郭煒超 王鳳玲

(1.浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315100；2.寧波晟乾環(huán)境技術(shù)開發(fā)有限公司，浙江 寧波 315100)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快，水體富營養(yǎng)化及黑臭現(xiàn)象加劇，水環(huán)境生態(tài)平衡遭到嚴(yán)重破壞，不但影響城市河湖景觀，還會(huì)危害人類身體健康[1]。同時(shí)，治理水體占用大量的公共資源，阻礙國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。沉水植物是維護(hù)水體生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要組成部分[2]?？嗖?Vallisnerianatans)是沉水植物中的典型代表，耐污耐寒，能在缺氧環(huán)境中正常生長，具有較強(qiáng)的氮、磷吸收能力，且能增加水體透明度，提升水中溶解氧水平，被廣泛用于河湖庫水體的生態(tài)修復(fù)中[3]。但水體深于100 cm將嚴(yán)重影響苦草植株的生長，同時(shí)由于植物凋零腐爛后會(huì)引起水體二次污染，而一般的栽培方式只能保證植物的種植面積和數(shù)量，并不能保證后續(xù)植物的養(yǎng)護(hù)、植物死亡和凋零后的處理處置，因此選擇種植方式和種植基質(zhì)是影響水生植物生長與生理狀況、水體生態(tài)修復(fù)效果的重要影響因素。

潛水式生態(tài)介質(zhì)箱是本課題組研發(fā)的一種集成化綜合治理技術(shù)裝置，該裝置可根據(jù)受污染水體的水質(zhì)特點(diǎn)和深度來靈活調(diào)節(jié)潛浮深度，解決污染水體深度大、透明度低、不適應(yīng)于沉水植物生長的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類污染物及營養(yǎng)鹽等多層次、多梯度的吸附利用和有效去除。為更好發(fā)揮沉水植物和生態(tài)介質(zhì)箱的協(xié)同修復(fù)作用，本研究以苦草為受試植物，利用靜態(tài)水培試驗(yàn)，探究3種種植方式對(duì)苦草生長生理形態(tài)特征和水體修復(fù)效果的影響，為河湖庫黑臭水體治理提供有效的新技術(shù)和試驗(yàn)依據(jù)，并為構(gòu)建新型集約化修復(fù)方式提供實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

苦草植株的初始平均株高和質(zhì)量分別為(36.4±0.26) cm、(10.41±0.24) g，試驗(yàn)前用蒸餾水洗去泥土和枯葉，再植入暴曬一周后的河道污水中馴化1周?？嗖莺秃幽嗑蓪幉汕h(huán)境技術(shù)開發(fā)有限公司提供。

試驗(yàn)水樣采自寧波市鄞州區(qū)某生活區(qū)旁的黑臭河道，水質(zhì)如下：總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、Ca2+、Mg2+分別為5、15、10、80、2.6、0.92 mg/L，各微量元素均小于0.15 mg/L，pH為6.5～7.5。

試驗(yàn)所用的構(gòu)筑材料為亞克力板；基質(zhì)為外購的沸石、陶粒、活性炭，粒徑分別為15～20、10～15、5～8 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置

潛水式生態(tài)介質(zhì)箱裝置見圖1，長×寬×高為350 mm×350 mm×250 mm。箱體分為4層，上3層分層放置基質(zhì)，從上到下依次填充厚度均為50 mm的沸石、陶粒、活性炭；箱體四周、隔離板及管壁中均布有孔徑小于所用基質(zhì)粒徑的滲水孔；將苦草植入100 mm厚的河泥放入第4層箱底，通過塑料管延伸出箱體；箱體頂部用帶孔塑料板封閉，箱體底部懸掛竹球。

1—箱體；2—浮體；3—隔離板；4—基質(zhì)；5—河泥；6—沉水植物；7—竹球；8—塑料管圖1 潛水式生態(tài)介質(zhì)箱示意圖Fig.1 Schematic diagram of submersible ecological medium box

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)使用9個(gè)160 L水箱，每個(gè)水箱均注入100 L河道污水，為排除溶解氧對(duì)試驗(yàn)的影響，對(duì)每個(gè)試驗(yàn)組進(jìn)行不間斷曝氣處理，曝氣量為3 L/min。共設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)：河泥組(苦草植入河泥中)、基質(zhì)組(苦草植入基質(zhì)中)、混合組(苦草植入混合河泥(河泥和基質(zhì))中)，每組種植10株苦草，做3個(gè)重復(fù)取平均值。

試驗(yàn)于2020年3月28日至4月28日進(jìn)行，將事前馴化過的苦草植入裝置，試驗(yàn)水體溫度為16～26 ℃，適應(yīng)3 d后采樣，每隔7 d采樣一次，共采樣5次，于采集日的10：00采集植物樣本和水面下5～10 cm處的水樣，每次采集100 mL，并用接近水樣水質(zhì)的人工污水進(jìn)行補(bǔ)充，維持總體積不變，每次采集的植物樣本為同一株苦草的葉片。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)定苦草株高、根系長度、單株干質(zhì)量、單株鮮質(zhì)量與植株含水率。

1.4 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理

利用分析天平稱量單株質(zhì)量和干質(zhì)量；皮尺測(cè)定株高和根系長度；乙醇提取法測(cè)定植物的葉綠素a+b含量，ɑ-萘胺比色法測(cè)定植物的根系活力[4]；電導(dǎo)率法測(cè)定植物的質(zhì)膜透性[5]；硫代巴比妥酸法測(cè)定植物的丙二醛[6]122。水體中TP、TN、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和pH分別采用《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)、《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(GB 11894—89)、《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 水楊酸分光光度法》(HJ 536—2009)、《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定》(GB 11892—89)及便攜式pH計(jì)(MIK-pH5050)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 種植方式對(duì)植物生長生理的影響

2.1.1 苦草生長狀況

沉水植物通過根莖葉從種植基質(zhì)和水體中吸收營養(yǎng)物質(zhì)來供自身生長，河泥中含有氮、磷、鐵和錳等營養(yǎng)元素，基質(zhì)中營養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)于河泥較貧瘠，且基質(zhì)會(huì)吸附水體中的氮、磷元素，因此基質(zhì)與植物之間存在著競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，不利于苦草的生長。由表1可見，種植方式對(duì)苦草的單株干質(zhì)量與含水率無顯著影響；不同試驗(yàn)組中苦草的株高和單株鮮質(zhì)量均依次為河泥組>混合組>基質(zhì)組，且差異顯著；混合組的苦草根系長度最長，基質(zhì)組最短。可見，混合組和河泥組環(huán)境更適合苦草扎根，促進(jìn)植株株高和生物量的增長。

表1 苦草的生長狀況比較1)Table 1 Comparison of growth status of Vallisneria natans

2.1.2 根系活力

根系是植物吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的重要器官，根系活力反映了植物吸收氮、磷的能力及生長發(fā)育狀況[7]。經(jīng)過28 d的培養(yǎng)，各試驗(yàn)組苦草的根系活力依次為河泥組(2.39 mg/(g·h))>混合組(1.83 mg/(g·h))>基質(zhì)組(1.42 mg/(g·h))，且差異顯著(P<0.05)。河泥組和混合組中含有利于苦草生長所需的營養(yǎng)元素和細(xì)菌、真菌分泌的次生代謝產(chǎn)物，可促進(jìn)植物的根系活力；基質(zhì)中的營養(yǎng)物質(zhì)貧瘠，微生物缺乏，不利于植物的扎根生長。

2.1.3 葉綠素a+b

由圖2(a)可知，試驗(yàn)前14天，苦草對(duì)新環(huán)境存在適應(yīng)階段，各試驗(yàn)組的葉綠素a+b呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)。之后，各試驗(yàn)組苦草的葉綠素a+b均呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榭嗖荼砻婢奂⒏街宋⑸铮绊懼参锏墓夂献饔眉叭~綠素含量[8]。經(jīng)過28 d的培養(yǎng)，各試驗(yàn)組的葉綠素a+b依次為河泥組(0.725 mg/g)>混合組(0.632 mg/g)>基質(zhì)組(0.439 mg/g)，且差異顯著(P<0.05)。原因是混合組和基質(zhì)組中基質(zhì)對(duì)光照進(jìn)行阻隔，苦草接收到的光照強(qiáng)度降低，直接植入河泥中更利于苦草生長。隨著苦草的生長，植物密度會(huì)進(jìn)一步變大，在試驗(yàn)中后期，各試驗(yàn)組苦草的葉綠素a+b均呈下降趨勢(shì)。

2.1.4 質(zhì)膜透性

質(zhì)膜透性是植物抗逆性生理指標(biāo)之一，是觀察膜系統(tǒng)受到損壞的重要標(biāo)志[9]，質(zhì)膜的損害程度可用相對(duì)電導(dǎo)率表示[10]。由圖2(b)可知，試驗(yàn)前7天，由于苦草初期的移栽與前期的環(huán)境適應(yīng)導(dǎo)致相對(duì)電導(dǎo)率均呈快速上升趨勢(shì)；7 d后，各試驗(yàn)組的相對(duì)電導(dǎo)率緩慢變化趨于穩(wěn)定。經(jīng)過28 d的培養(yǎng)后，各試驗(yàn)組的相對(duì)電導(dǎo)率依次為基質(zhì)組(13.82%)>混合組(11.15%)>河泥組(10.00%)，且差異顯著(P<0.05)。河泥組對(duì)苦草的損害程度最小，說明基質(zhì)的脅迫進(jìn)一步損害了苦草的質(zhì)膜。

圖2 種植方式對(duì)植物生理生化指標(biāo)的影響Fig.2 Effects of planting method on physiological and biochemical indexes of plants

2.1.5 丙二醛

丙二醛是植物細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量高低可反映膜脂過氧化作用強(qiáng)弱及質(zhì)膜損壞程度[6]124。植物通過增加丙二醛分泌量來保護(hù)質(zhì)膜免受損害。由圖2(c)可知，最初因移植受到基質(zhì)和外界環(huán)境的脅迫，使苦草細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲量上升，隨著逐漸適應(yīng)環(huán)境，各試驗(yàn)組苦草中丙二醛含量減小，第7天丙二醛含量出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折：河泥組的苦草得到來自河泥的營養(yǎng)，丙二醛含量持續(xù)下降，而基質(zhì)組和混合組的苦草因基質(zhì)營養(yǎng)貧瘠，且堿性侵害不利植物的扎根生長，致使其丙二醛含量不斷升高，這進(jìn)一步證實(shí)基質(zhì)的脅迫對(duì)苦草有一定的損害。經(jīng)過28 d的培養(yǎng)，各試驗(yàn)組苦草中丙二醛依次為基質(zhì)組(14.15 nmol/g)>混合組(12.07 nmol/g)>河泥組(3.41 nmol/g)，且差異顯著(P<0.05)，河泥組更適合苦草生長。

2.2 種植方式對(duì)水體修復(fù)效果的影響

2.2.1 TP去除率

多孔基質(zhì)不僅有吸附作用，還能為微生物的生長提供附著載體，促進(jìn)其代謝作用。由圖3(a)可見，各試驗(yàn)組水體中TP去除率都呈上升趨勢(shì)。試驗(yàn)前7天，基質(zhì)組和混合組的TP去除率上升迅速，是因?yàn)樗w中可溶性磷酸鹽與基質(zhì)中的Ca2+、Al3+、Mg2+等離子反應(yīng)，產(chǎn)生了固相沉淀[11]。試驗(yàn)進(jìn)行到28 d時(shí)，各試驗(yàn)組TP去除率依次為混合組(46.0%)>基質(zhì)組(45.1%)>河泥組(11.1%)。河泥組對(duì)TP的去除率遠(yuǎn)低于另外兩組，說明單一的水生植物除磷作用較弱，除磷主要靠生態(tài)介質(zhì)箱中的基質(zhì)吸附或絮凝沉淀實(shí)現(xiàn)[12]。

2.2.2 TN去除率

水體中氮元素主要依靠苦草的吸收與同化[13]、基質(zhì)吸附[14]、根際微生物代謝[15]等作用去除。由圖3(b)可見，各試驗(yàn)組水體中的TN去除率隨時(shí)間延長而不斷升高。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到28 d時(shí)，TN去除率依次為混合組(54.5%)>基質(zhì)組(36.1%)>河泥組(21.0%)?；旌辖M在第14～21天有一段明顯的上升趨勢(shì)，這是由于混合組中各種基質(zhì)孔隙中滋生了微生物，形成沉水植物-生物膜系統(tǒng)，同時(shí)苦草逐漸適應(yīng)基質(zhì)的環(huán)境，開始與基質(zhì)一起發(fā)揮協(xié)同凈化作用。

2.2.3 氨氮去除率

由圖3(c)可見，在試驗(yàn)前7天，各試驗(yàn)組氨氮去除率迅速上升。混合組和基質(zhì)組對(duì)氨氮的去除率遠(yuǎn)高于河泥組，這與混合組和基質(zhì)組中各種基質(zhì)對(duì)氨氮的初期吸附有關(guān)；試驗(yàn)進(jìn)行到28 d時(shí)，各試驗(yàn)組的氨氮去除率依次為混合組(72.7%)>基質(zhì)組(61.1%)>河泥組(39.6%)，此時(shí)水體中滋生了一些有利于氨氮去除的菌種，如硝化細(xì)菌。3個(gè)試驗(yàn)組對(duì)水體中氨氮的去除效果存在明顯差異，混合組和基質(zhì)組對(duì)TN和氨氮的去除效果較優(yōu)。

圖3 種植方式對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的影響Fig.3 Effect of planting method on water quality indicators

2.2.4 高錳酸鹽指數(shù)去除率

由圖3(d)可見，各試驗(yàn)組水體的高錳酸鹽指數(shù)去除率都呈先快速上升，再逐步穩(wěn)定的趨勢(shì)。試驗(yàn)前7天，由于高錳酸鹽指數(shù)的初期濃度較高，通過苦草根系的吸收、基質(zhì)的吸附以及根際土著微生物膜的代謝等協(xié)同作用[16]，使各試驗(yàn)組的高錳酸鹽指數(shù)濃度快速下降，試驗(yàn)21 d時(shí)達(dá)到穩(wěn)定；到28 d時(shí)，河泥組、基質(zhì)組和混合組中高錳酸鹽指數(shù)去除率基本相近，分別為89.0%、89.9%、91.2%。此時(shí)，基質(zhì)已吸附飽和，出現(xiàn)少量藻類和根系有機(jī)分泌物等，使3個(gè)試驗(yàn)組的高錳酸鹽指數(shù)去除率無明顯差異。

2.2.5 裝置生物膜的鏡檢

鏡檢發(fā)現(xiàn)，生物膜中不僅存在硝化菌，還生長了大量的原生動(dòng)物和藻類，如菌膠團(tuán)(Corynebacteriummicelles)、輪蟲(Rotifer)、草履蟲(Paramecium)、小球藻(Chlorellavulgaris)、線蟲(CaenorhabditisElegans)、曲型小環(huán)藻(Cyclotella)(見圖4)等，說明該裝置的微生物掛膜性能良好。上述微生物在去除污染物方面發(fā)揮著重大的作用，相對(duì)于外來投加的微生物，水體中的土著微生物群能更好地應(yīng)對(duì)水體污染，裝置所用掛膜材料能使土著微生物快速附著成膜，增加裝置對(duì)水中TN、TP、高錳酸鹽指數(shù)的處理性能。

圖4 顯微鏡檢查裝置內(nèi)生物膜中微生物(200倍)Fig.4 Microscopic examination of microorganisms in biofilm in the device (200 times)

3 結(jié) 語

(1) 從苦草生長和生理生化角度看，將沉水植物直接植入介質(zhì)箱底層河泥中對(duì)苦草的損害最小，最有利于苦草的生長發(fā)育，其次是混合組，而直接植入介質(zhì)箱基質(zhì)中的苦草雖然也能生長發(fā)育，但生長存在抑制和脅迫。從水體凈化效果來看，種植方式對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除無明顯影響，但混合組的水質(zhì)(TP、TN、氨氮)均優(yōu)于河泥組和基質(zhì)組，綜合比較，混合組對(duì)水體的凈化效果最佳。

(2) 將苦草種植在潛水式生態(tài)介質(zhì)箱的底層河泥中(傳統(tǒng)的生態(tài)浮床是將苦草種植在河道的河泥中)，雖有利于苦草的生長，但對(duì)水體修復(fù)效果并不明顯；同時(shí)存在河泥和基質(zhì)雖對(duì)苦草的生長有一定的損害，但在總體上卻有利于水體修復(fù)效果的提升。因此，生態(tài)介質(zhì)箱采用混合組“基質(zhì)+河泥”的方式種植苦草，能充分發(fā)揮苦草和基質(zhì)的協(xié)同修復(fù)和凈化能力。