苦草立體種植對(duì)湖泊水體的影響

高子昕，劉興國 (1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命技術(shù)學(xué)院，上海 201306)

苦草()是常見的沉水植物之一，廣泛分布于我國南北各省區(qū)，在淡水湖泊、溝渠、池塘、內(nèi)河航道的靜水或流動(dòng)水體中均能很好的生長?？嗖萆鷳B(tài)適應(yīng)性廣，能進(jìn)行克隆生長，再生能力強(qiáng)，群落破壞后恢復(fù)時(shí)間短，吸附污染物能力強(qiáng)，是減少水體污染，緩解水體富營養(yǎng)化程度的重要沉水植物之一。德國曾采用苦草進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，發(fā)現(xiàn)湖泊水體在春季和夏季均能保持良好的水質(zhì)，不會(huì)出現(xiàn)富營養(yǎng)化。我國的武漢東湖、杭州西湖、云南異龍湖、河北白洋淀等水體也曾選用苦草作為生態(tài)修復(fù)沉水植物使水體氮磷減少，水質(zhì)得到改善。

光照是影響沉水植物生長的主要影響因子之一，但由于沉水植物在湖泊底層生長的生存特性，導(dǎo)致許多水域較深，光照無法透底的湖泊無法通過沉水植物治理湖泊。李啟升等在水深對(duì)沉水植物苦草生長的影響試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，苦草在水深1.5 m時(shí)，其相對(duì)生長率和生物量最高；Xiao等在梁子湖進(jìn)行的水深(60～260 cm)模擬試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，水深在100～160 cm時(shí)，苦草最適宜生長。趙文婧等在浮床模式下對(duì)沉水植物凈化水質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn)，苦草的除氮率為49.4%，除磷率為15.0%。因此該研究通過搭建立體定植裝置定植苦草，其可以根據(jù)光照和透明度人工調(diào)節(jié)苦草離水面的高度，避免苦草受弱光或者黑暗脅迫，較浮床模式更便捷可控。該研究擬通過分析苦草立體種植水域苦草對(duì)水質(zhì)的影響及試驗(yàn)后浮游生物組成，探索通過該裝置控制水下固定的苦草對(duì)湖泊水質(zhì)及生態(tài)的實(shí)際影響，為沉水植物修復(fù)湖泊水質(zhì)提供一定參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)所在的鰣?chǎng)\淀位于白洋淀中南部，東西長約1.2 km，南北寬約1.1 km，水深較淺(1～3 m)，水量約為262萬m，其水域相對(duì)穩(wěn)定。

在網(wǎng)圍區(qū)域靠近預(yù)留航道一側(cè)與內(nèi)部圍隔試驗(yàn)區(qū)選取鰣?chǎng)\淀水流較平緩區(qū)域，架設(shè)如圖1所示的立體種植裝置，每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)試驗(yàn)組，一組含有4排立體種植裝置，每排相間10 m，分別設(shè)試驗(yàn)組A(開放型)和試驗(yàn)組B(封閉型)，并在試驗(yàn)區(qū)外設(shè)置采樣點(diǎn)作為對(duì)照組。立體種植裝置主體由鋼管和種草繩構(gòu)成，配有重塊、浮子、調(diào)節(jié)桿等輔助裝置。其中，種草繩是運(yùn)用網(wǎng)眼較小的漁網(wǎng)或攔網(wǎng)繞成直徑30～40 mm的粗繩，通過固定苦草根部使苦草可以固定在水下水草的最佳生長深度1.5 m處。

采樣點(diǎn)如圖2所示，分別均勻分布在2個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的6個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)采樣點(diǎn)均位于兩排立體定植裝置中間。用10 L的采水器取水下0.5 m處水樣，用25號(hào)浮游生物網(wǎng)采集浮游生物，并通過魯格試劑和甲醛溶液固定保存。通過YSI水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定采樣點(diǎn)物理指標(biāo)。

試驗(yàn)開始后，于2019年7—11月對(duì)鰣?chǎng)\淀進(jìn)行采樣調(diào)查。水質(zhì)指標(biāo)總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH-N)、化學(xué)需氧量(COD)、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)，具體如表1所示。物理指標(biāo)溫度、溶解氧(DO)、鹽度、pH通過YSI水質(zhì)分析儀測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

圖1 定植裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of fixed plant device

圖2 鰣?chǎng)\淀采樣點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of sampling points in Shihoudian Lake

表1 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法Table 1 Determination method of water quality index

浮游生物測(cè)定分為定量、定性2種，樣品采集、濃縮、計(jì)數(shù)方法參見文獻(xiàn)[15]。試驗(yàn)測(cè)定并計(jì)算浮游生物的優(yōu)勢(shì)種、優(yōu)勢(shì)度()、Shannon-Weaver多樣性指數(shù)(＇)、Pielou均勻度指數(shù)()和Margalef豐富度指數(shù)()。

采用Excel軟件計(jì)算其平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，并通過Origin 2018作圖。采用SPSS軟件，通過單因素方差分析法(one-way ANOVA)進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)開始后，采樣點(diǎn)的水溫、溶解氧、pH、鹽度等水域水體物理指標(biāo)變化情況如圖3所示。由圖3可知，2個(gè)試驗(yàn)組水溫變化趨勢(shì)一致，沒有明顯差異，8月份水溫達(dá)到最高值。試驗(yàn)組的DO含量均在8月份開始有所下降，總體趨勢(shì)線試驗(yàn)組B普遍大于試驗(yàn)組A。鹽度變化穩(wěn)定，2個(gè)試驗(yàn)組采樣點(diǎn)之間差異較小，鹽度均在8月份最低，隨后呈逐月平穩(wěn)上升趨勢(shì)。pH在8.03～9.03波動(dòng)，除了10月份外，試驗(yàn)組B的pH普遍大于試驗(yàn)組A；2個(gè)試驗(yàn)組的pH總體趨勢(shì)是呈下降的，試驗(yàn)組A的pH最高在10月份，試驗(yàn)組B的pH最高在9月份。

TN。立體種植試驗(yàn)區(qū)周邊水體TN變化如圖4所示，試驗(yàn)開始時(shí)，試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B和對(duì)照組水體TN的濃度分別為2.03、2.23和1.77 mg/L，30 d后，由于苦草的生長，試驗(yàn)區(qū)水體中的TN迅速下降，試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B水體TN比初始值分別下降了49.26%和35.87%，隨著時(shí)間的變化，試驗(yàn)組水體TN均有所上升，但在10月份到達(dá)一個(gè)峰值后有所下降，總體11月份試驗(yàn)組水體TN水平未超過7月份，試驗(yàn)組A在11月份的TN濃度比7月份下降了11.33%。

TP。從圖5可以看出，試驗(yàn)開始時(shí)，試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B和對(duì)照組水體TP的濃度分別為0.014、0.028和0.090 mg/L。試驗(yàn)開始30 d后，對(duì)照組水體TP變化相對(duì)穩(wěn)定，試驗(yàn)組A和試驗(yàn)組B水域的TP含量分別是對(duì)照組的25.29%和14.98%，試驗(yàn)組水體TP在試驗(yàn)后的第二個(gè)月(9月份)均快速上升，并在10月份基本回歸原水平，而后又于11月份極顯著上升。其中，試驗(yàn)組A水體TP濃度11月為7月的109.47倍，試驗(yàn)組B水體TP濃度11月為7月的54.58倍。

圖3 鰣?chǎng)\淀水質(zhì)物理變化Fig.3 Physical changes of water quality in Shihoudian Lake

圖4 水體TN月變化Fig.4 Monthly variation of TN in water

圖5 水體TP月變化Fig.5 Monthly variation of TP in water

硝態(tài)氮。從圖6可以看出，試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B和對(duì)照組硝態(tài)氮初始值分別為0.20、0.21和0.14 mg/L。試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B硝態(tài)氮10月份與7月份相比分別增加了583.69%和955.47%；在11月均有顯著下降，與7月份相比分別增加了66.65%和244.29%。而對(duì)照組硝態(tài)氮相對(duì)平穩(wěn)，均在0.26 mg/L以下。

圖6 水體硝態(tài)氮月變化 Fig.6 Monthly variation of nitrate nitrogen in water

NH-N。從圖7可以看出，試驗(yàn)區(qū)周圍水中的NH-N濃度在試驗(yàn)開始后比對(duì)照組低，試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B和對(duì)照組水體NH-N初始值分別為0.01、0和0.34 mg/L；試驗(yàn)組NH-N濃度均在試驗(yàn)開始后上升且在8月份后又下降，于9月份達(dá)到試驗(yàn)區(qū)NH-N濃度的最低值，試驗(yàn)組B于10月份達(dá)到NH-N濃度的最高值，比8月份增長了53.71%；對(duì)照組水體中NH-N先上升后下降，9月份達(dá)到最高(0.59 mg/L)，11月份最低(0.03 mg/L)。

圖7 水體NH4+-N月變化 Fig.7 Monthly variation of NH4+-N in water

亞硝態(tài)氮。從圖8可以看出，試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B和對(duì)照組水體亞硝態(tài)氮分別為0.007、0.003和0.003 mg/L，30 d后，試驗(yàn)組水體亞硝態(tài)氮濃度均降至近乎不存在。隨著時(shí)間的變化，試驗(yàn)組水體亞硝態(tài)氮有所上升并在10月份達(dá)到最大值，11月試驗(yàn)組A的亞硝態(tài)氮濃度比7月份下降了40.30%，試驗(yàn)組B的亞硝態(tài)氮濃度在11月份也在顯著降低。

圖8 水體亞硝態(tài)氮月變化 Fig.8 Monthly variation of nitrite nitrogenin water

COD。從圖9可以看出，試驗(yàn)組的水體中COD總體變化平穩(wěn)，COD含量均在60 mg/L以下，符合農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)組的COD變化趨于一致，9月、10月增長，11月下降；而對(duì)照組變化與試驗(yàn)組相反，呈9月、10月下降，11月增長。

苦草對(duì)浮游植物組成的影響。在8月、9月和10月對(duì)2個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了浮游植物的測(cè)定，通過室內(nèi)鏡檢，共鑒定出藻類76種，隸屬7門52屬，以綠藻門、硅藻門和藍(lán)藻門為主。試驗(yàn)組A的浮游植物平均密度在4.24×10～5.64×10cells/L，試驗(yàn)組B的浮游植物平均密度在2.19×10～4.47×10cells/L。根據(jù)表2所示，經(jīng)過90 d試驗(yàn)，試驗(yàn)組A、試驗(yàn)組B的藍(lán)藻密度均有下降，綠藻密度則在9月顯著增長后于10月下降，但仍大于8月的綠藻密度。硅藻密度有所上升，且試驗(yàn)組A的增長率達(dá)到20.51倍，是試驗(yàn)組B增長率的6.31倍。

圖9 水體COD月變化 Fig.9 Monthly variation of COD in water

表2 鰣?chǎng)\淀浮游植物密度

從表3可以看出，試驗(yàn)組A藻類的′指數(shù)8月與9月、10月差異顯著，9月與10月差異不顯著；指數(shù)8月、9月、10月之間差異均不顯著；指數(shù)10月與8月、9月差異顯著，8月與9月差異不顯著；說明該試驗(yàn)在這90 d內(nèi)對(duì)試驗(yàn)組A藻類的群落多樣性和物種豐富度有影響。試驗(yàn)組B藻類的指數(shù)10月與8月、9月差異顯著，8月與9月差異不顯著；′指數(shù)和指數(shù)8月、9月、10月之間差異均極顯著，說明該試驗(yàn)在這90 d內(nèi)對(duì)試驗(yàn)組B藻類的物種均勻度有影響。

表3 鰣?chǎng)\淀浮游植物物種多樣性變化Table 3 Variation of phytoplankton species diversity in Shihoudian Lake

苦草對(duì)輪蟲的影響。浮游生物的群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定對(duì)水生態(tài)環(huán)境有重要影響，而優(yōu)勢(shì)種種類數(shù)及其豐度對(duì)群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要作用，鰣?chǎng)\淀浮游動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種最多的是輪蟲，故該研究以輪蟲作為鰣?chǎng)\淀試驗(yàn)區(qū)浮游動(dòng)物的主要分析對(duì)象。

在8月、9月和10月對(duì)2個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行輪蟲的測(cè)定，通過室內(nèi)鏡檢，共檢出輪蟲29種，隸屬7科15屬，以臂尾輪科、鼠輪科為主。從表4和表5可以看出，2個(gè)試驗(yàn)地區(qū)的輪蟲密度在9月份顯著下降，并在10月份有極顯著的上升。試驗(yàn)組A的增長率約是8月份的4.91倍，試驗(yàn)組B的增長率約是8月份的28.36倍；而′指數(shù)和指數(shù)與密度相反，在9月份最高，8月份最低。試驗(yàn)組A的輪蟲密度在8、9月份大于試驗(yàn)組B，在10月份試驗(yàn)組B的密度大于試驗(yàn)組A且是試驗(yàn)組A的2.23倍；′指數(shù)的變化與密度完全相反，在8、9月份試驗(yàn)組A小于試驗(yàn)組B，在10月份試驗(yàn)組B小于試驗(yàn)組A。

表4 鰣?chǎng)\淀常見輪蟲密度和總密度Table 4 The density and total density of common rotifers in Shihoudian Lake 個(gè)/L

從表5可以看出，試驗(yàn)組A的輪蟲′指數(shù)和指數(shù)，8月與9月、10月差異顯著，9月與10月差異不顯著；指數(shù)差異不顯著，說明該試驗(yàn)在這90 d內(nèi)對(duì)試驗(yàn)組A輪蟲的群落多樣性和物種均勻度有影響。試驗(yàn)組B的指數(shù)差異極顯著(<0.01)，′指數(shù)和指數(shù)差異均不顯著，說明該試驗(yàn)在這90 d內(nèi)對(duì)試驗(yàn)組B輪蟲的物種均勻度有影響。

表5 鰣?chǎng)\淀輪蟲物種多樣性Table 5 Species diversity of rotifers in Shihoudian Lake

3 討論

苦草作為富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)的先鋒物種之一，具有吸收水體中氮磷的功能，對(duì)惡劣環(huán)境有較好的耐受能力，是常見的生態(tài)修復(fù)湖泊沉水植物。有研究表明，在水深不超過2 m時(shí)，沉水植物的生物量、植株長度與水深呈線性關(guān)系，苦草在水深1.2～1.5 m時(shí)具有良好的凈水能力，該研究所用的立體定植裝置，其通過將苦草等用于修復(fù)湖泊的沉水植物固定在適宜的水深，避免了水深因素對(duì)選用生態(tài)修復(fù)沉水植物的限制。

立體定植裝置固定后的苦草對(duì)周圍水環(huán)境具有較強(qiáng)影響力，在試驗(yàn)開始后水體總氮迅速下降并隨著時(shí)間的變化，在30 d后有所上升。水體總磷在7月、8月普遍小于對(duì)照組，這可能是由于苦草在6—9月生長速度快，分葉期需要大量營養(yǎng)元素造成的，這是苦草治理湖泊富營養(yǎng)化最好的時(shí)期，其中對(duì)氮的吸收率可達(dá)到49.26%，與趙文婧等在苦草浮床模式下研究的氮吸收率相近。試驗(yàn)開始后，水體中的氨氮含量普遍小于對(duì)照組，而硝態(tài)氮含量則相反，可能是由于苦草更偏好對(duì)氨氮的吸收，且氨氮和硝態(tài)氮對(duì)于苦草的吸收會(huì)互相影響。在9月開始，試驗(yàn)苦草周邊水體的氮磷濃度開始大于對(duì)照水體，這是由于苦草進(jìn)入衰敗期，開始釋放氮磷?？傮w開放組的氮磷含量均低于封閉組，這說明苦草對(duì)水體的影響還與水體流動(dòng)有關(guān)。

立體定植裝置區(qū)域的輪蟲密度在9月份顯著下降，并在10月份極顯著上升，總體浮游植物密度下降，輪蟲密度增加，這一調(diào)查結(jié)果與劉存歧等對(duì)白洋淀輪蟲群落結(jié)構(gòu)的調(diào)查一致，說明該研究的立體定植苦草對(duì)該水域的浮游生物影響不顯著，無不良影響，且浮游植物硅藻的優(yōu)勢(shì)度增加，藍(lán)藻密度下降，對(duì)水體富營養(yǎng)化有良好的改善。