漂浮植物與底棲動物重建對采煤塌陷水域修復效果的研究

許國晶，田功太，李 壯，鞏俊霞，杜興華，張金路，朱永安

山東濟寧、棗莊兩市采煤地因受微山湖的影響，地下潛水位較高，采煤塌陷后形成了獨特的帶狀或塊狀的沉陷區域，并受地下較高水位影響，采煤塌陷區由單一的陸生環境演變成水、陸復合型生態系統，改變了原有的生態關系。到目前為止，前人對采煤塌陷區的生態修復提出了很多方法，但多數以農業復墾為主，傾向于對采煤塌陷區的利用［1－6］，如利用采煤廢棄物進行充填復墾、根據塌陷區域水位深淺進行淺水種植或者修建魚塘發展網圍、網箱養殖業［7－9］，而這些復墾方式對采煤塌陷區的生態環境修復不夠重視。如何對采煤塌陷水域進行生態修復，充分發揮塌陷水域的生態功能以及塌陷水域的生態價值，實現采煤塌陷區的長期可持續發展是當前迫切需要解決的問題。

目前國內外在采用水生植物進行生態系統修復方面開展了大量的研究，尤其在湖泊濕地方面［10－13］：通過移植沉水植物苦草（Vallisneria natans）、黑藻（Hydrilla verticillata）對江灘濕地進行修復；利用沉水植物伊樂藻（Elodea nuttallii）生態重建對月湖進行修復；重建浮葉植物荇菜（Limnanthemun nymphoides）對太湖進行生態修復，這些研究均表明水生植物在去除水質營養鹽、改善水質、恢復水體水生生態系統等方面效果良好。研究表明底棲動物螺螄（Margarya melanioides）可緩解養殖池塘水質的污染狀況［14］，與沉水植物組合取得了良好的水質凈化效果［15－16］。而針對采煤塌陷水域，目前只有張玉云在淮南市潘集區采煤沉陷水域通過重建以沉水植物苦草為主的水生植物群落進行生態修復［17］。筆者選擇在采煤塌陷水域比較常見的漂浮植物水鱉Hydrocharis dubia與底棲動物組合對采煤塌陷水域進行了生態修復研究，以期為重建采煤塌陷水域生態系統提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選用采煤塌陷水域常見的漂浮植物水鱉為實驗材料，實驗植株從濟寧市魚臺鹿洼塌陷水域移植。水生動物田螺（Cipangopaludina chinensis）為市售，在買回后暫放水箱中培養2周，然后用于后續實驗。

1.2 實驗設計

實驗在水箱中開展，水箱長×寬×高為90 cm×75 cm×60 cm，實際用水體積為280 L。共設置4個實驗組：在第Ⅰ、Ⅱ實驗組分別移植覆蓋面積為10%、20%的水鱉（質量分別為0.1、0.2 kg）；在第Ⅲ組即底棲動物對照組僅放等量的田螺，不放置水鱉；第Ⅳ組為空白對照組。每個實驗組水箱內均放置相同量的底泥（約10 cm厚）。除空白對照組外，其余3個實驗組水箱內均放置140 g田螺（即投放量250 g／m2）。4個實驗組的其他實驗條件均相同。在實驗過程中不再加水。實驗從2017年6月6日開始，至6月29日結束。

1.3 檢測項目和方法

水箱準備完畢在放置漂浮植物和底棲動物前，采集水樣和泥樣進行檢測并作為初始數據。每次取水樣的時間均為上午8：00，每4～5 d取一次水樣。先在靠近塑料周轉箱底層處使用5 L采水器采取水樣，再用離心管從中取部分水樣用于檢測。總氮（TN）、總磷（TP）、氨態氮（NH＋4－N）、硝態氮（NO－3－N）、亞硝態氮（NO－2－N）的濃度等用 SpectroquantPharo 100（德國MERCK）分光光度計測定，具體檢測方法見許國晶等［18］的報道。

采集實驗泥樣后立即送至實驗室以4200 r／min離心，上清液經0.45μm濾膜過濾后即為間隙水樣；每10 d取一次泥樣進行檢測。間隙水樣檢測方法同上文水樣檢測。

1.4 去除率的計算

為了準確評價漂浮植物與底棲動物對采煤塌陷水域水質的凈化效果，本文營養鹽去除率計算扣除了空白對照組的去除效果［19］，其具體計算公式為：營養鹽去除率＝（空白對照組營養鹽濃度－實驗組營養鹽濃度）／空白對照組營養鹽的濃度×100%。

1.5 數據、圖表處理

本文實驗數據均為3個重復的平均值。方差分析采用 SPSS 16.0，當 P＜0.05時差異顯著。用Microsoft Excel 2007進行圖表處理。

2 結果與分析

2.1 各處理組水體中TN濃度的變化

從圖1A中可以看出：各處理組水體的TN濃度隨時間推進呈現下降的趨勢；從實驗開始到實驗結束，各處理組水體的TN濃度均顯著降低，覆蓋面積10%水鱉＋底棲動物組水體的TN濃度從2.43 mg／L降低至1.07 mg／L，20%水鱉＋底棲動物組和底棲動物對照組的 TN濃度分別從2.33、2.47 mg／L降低至1.40、1.90 mg／L，并且覆蓋面積 10%水鱉＋底棲動物組與底棲動物對照組之間TN濃度差異顯著（P＜0.05）。由圖1B可以看出：10%水鱉＋底棲動物組、20%水鱉＋底棲動物組及底棲動物對照組的TN去除率分別為1.82%～55.56%、4.11%～41.67%、－1.37%～20.83%，TN最大去除率表現為10%水鱉＋底棲動物組（55.56%）＞20%水鱉＋底棲動物組（41.67%）＞底棲動物對照組（20.83%）。說明水鱉與底棲動物協同作用優于底棲動物單獨作用，推測是底棲動物可以將懸浮態的氮磷轉化為溶解態的氮磷［20］，促進了水生植物根系的凈化作用。但覆蓋面積20%水鱉對水體中TN的去除效果沒有覆蓋面積10%水鱉組好。本實驗水鱉＋底棲動物處理對TN的去除率高于蘭策介等［21］研究的金魚藻（Ceratophyllum demersum）與環棱螺（Bellamya purificata）組合對 TN的去除率（20.48%），也高于陳倩等［20］研究的空心菜（Ipomoea aquatica Forsk）與中華圓田螺（Cipangopaludina chinensis）組合對 TN的去除率（37.12%），但與其研究的西伯利亞鳶尾（Iris sibirica）與中華圓田螺組合對TN的去除率50.92%相近。本實驗中底棲動物對照組的TN濃度呈現先上升后下降的趨勢，推測是田螺自身代謝的原因，隨著田螺對環境的適應，其通過濾食作用使TN濃度逐漸下降。底棲動物對照組對TN的去除率達20.83%，這與孟順龍等［14］在鯽魚養殖池塘螺螄投放量225 g／m2對TN的去除率17.8%、投放量450 g／m2對TN的去除率22.2%相近。

2.2 各處理組水體中TP濃度的變化

由圖2A可以看出10%水鱉＋底棲動物組、20%水鱉＋底棲動物組水體的TP濃度從實驗開始至實驗結束變化趨勢基本一致，呈下降趨勢；而底棲動物對照組水體的TP濃度變化趨勢與TN濃度一致，呈先上升后下降的趨勢；10%水鱉＋底棲動物組、20%水鱉＋底棲動物組和底棲動物對照組水體的TP濃度分別從 0.27、0.25、0.25 mg／L 降低至 0.05、0.06、0.13 mg／L；10%水鱉＋底棲動物組、20%水鱉＋底棲動物組TP的降低量顯著高于底棲動物對照組的（P＜0.05），而覆蓋面積10%水鱉＋底棲動物組與覆蓋面積20%水鱉＋底棲動物組之間TP濃度差異不顯著（P＞0.05）。TP去除率隨實驗時間的變化情況如圖2B所示，至實驗結束時，10%水鱉＋底棲動物組、20%水鱉＋底棲動物組和底棲動物對照組的TP去除率分別達到了77.5%、72.5%、35.0%，10%水鱉＋底棲動物組與20%水鱉＋底棲動物組間TP去除率差異不顯著（P＞0.05），但這兩組與底棲動物對照組間TP去除率差異顯著（P＜0.05）。由此可以看出水鱉＋田螺組對TP的去除效果優于底棲動物對照組的，說明水鱉與底棲動物協同作用優于底棲動物單獨作用，這與劉飛等［15］的研究結果一致。本實驗中TP去除率高于金魚藻與環棱螺組合［21］對TP的去除率41.97%，高于空心菜與中華圓田螺組合對TP的去除率53.49%，以及西伯利亞鳶尾與中華圓田螺組合對TP的去除率32.2%［20］，且與儲昭升等［22］研究的海菜花－螺螄組合對TP的去除率75.5% ±3.9%相近，說明植物種類及覆蓋面積等因素導致TP去除性能出現差異。本實驗底棲動物對照組對TP的去除率為35%，略低于孟順龍等［14］在鯽魚養殖池塘螺螄投放量225 g／m2和投放量 450 g／m2對 TP的去除率（分別為 38.9%和44.4%），可能與投放螺螄的量有關。

圖1 各組水體中TN濃度及TN去除率隨實驗時間的變化

圖2 各組水體中TP濃度及TP去除率隨實驗時間的變化

2.3 各處理組水體NH＋4－N、NO－3－N 及 NO－2－N 濃度的變化

由圖3A可以看出：各組水體中NH＋4－N 濃度隨時間推移均有所降低，除空白對照組略微增加外。在實驗期間，空白對照組水體的NH＋4－N濃度由 0.83 mg／L 增加至 0.86 mg／L，10%水鱉＋底棲動物組、20%水鱉＋底棲動物組和底棲動物對照組水體的NH＋4－N濃度分別由 0.86、0.83、0.85 mg／L 降至 0.30、0.40、0.54 mg／L，分別降低了 0.56、0.43、0.31 mg／L。 表明10%水鱉＋底棲動物組的NH＋4－N降低量顯著高于覆蓋面積20%水鱉＋底棲動物組以及底棲動物對照組的（P＜0.05）。由圖3B可知：至實驗結束，10%水鱉＋底棲動物組、20%水鱉＋底棲動物組和底棲動物對照組對 NH＋4－N的去除率分別為 65.12%、53.48%、37.79%，10%水鱉＋底棲動物組對NH＋4－N 的去除率顯著高于20%水鱉＋底棲動物組和底棲動物對照組的（P＜0.05）；但水生植物＋底棲動物組對NH＋4－N的去除效果優于底棲動物對照組的，這與劉飛等［15］的研究結果一致。

各處理組水體中NO－3－N 及 NO－2－N濃度隨實驗進行呈下降趨勢（圖3C和圖3E），其中10%水鱉＋底棲動物組、20%水鱉＋底棲動物組及底棲動物對照組水體的NO－3－N濃度與實驗開始時相比分別降低了0.43、0.33、0.20 mg／L，而空白組增加了 0.02 mg／L。至實驗結束，10%水鱉＋底棲動物組、20%水鱉＋底棲動物組及底棲動物對照組對NO－3－N的去除率分別為46.43%、35.71%、21.43%，10%水鱉＋底棲動物組和20%水鱉＋底棲動物組對NO－3－N的去除率顯著高于底棲動物對照組的（P＜0.05）。10%水鱉＋底棲動物組、20%水鱉＋底棲動物組及底棲動物對照組水體的NO－2－N濃度與實驗開始時相比分別降低了0.30、0.23、0.16 mg／L，而空白組增加了 0.01 mg／L；10%水鱉＋底棲動物組和20%水鱉＋底棲動物組的NO－2－N降低量顯著高于底棲動物對照組的（P＜0.05）。至實驗結束，10%水鱉＋底棲動物組、20%水鱉＋底棲動物組及底棲動物對照組對NO－2－N的去除率分別為66.67%、53.33%、35.56%，且10%水鱉＋底棲動物組和20%水鱉＋底棲動物組對NO－2－N的去除率顯著高于底棲動物對照組的（P＜0.05）。

圖3 各組水體中NH 4＋－N、NO 3－－N及NO 2－－N濃度及其去除率隨實驗時間的變化

2.4 實驗過程中底泥間隙水中TN、TP濃度的變化

如圖4A和圖4B所示，10%水鱉＋底棲動物組底泥間隙水中TN濃度由實驗開始時的6.20 mg／L下降到實驗結束時的4.70 mg／L，20%水鱉＋底棲動物組由6.20 mg／L增加到7.50 mg／L，底棲動物對照組由6.23 mg／L 增加到 12.80 mg／L，空白對照組由 6.27 mg／L降至4.90 mg／L；底棲動物對照組的TN濃度增加量顯著高于20%水鱉＋底棲動物組的（P＜0.05）。10%水鱉＋底棲動物組間隙水中TP濃度由實驗開始時的0.18 mg／L下降至實驗結束時的0.12 mg／L，20%水鱉＋底棲動物組由0.18 mg／L降至0.15 mg／L，底棲動物對照組由0.18 mg／L增加至0.23 mg／L，空白對照組由0.18 mg／L降至 0.10 mg／L。在本實驗中，空白對照組底泥間隙水中TN、TP濃度隨時間降低，這與孟順龍等［14］的實驗結果不同，推測是因為底泥間隙水中氮磷釋放至水中，而又不存在魚類、底棲動物的外在代謝。在本實驗中，底棲動物對照組底泥間隙水中TN、TP濃度隨時間均增加，這與孟順龍等［14］的實驗結果一致；而10%水鱉＋底棲動物組底泥間隙水中TN、TP濃度隨時間有所降低，20%水鱉＋底棲動物組底泥間隙水中TN、TP濃度的增加量也低于底棲動物對照組的，這與劉飛等［15］的研究結果一致。可見水生植物與底棲動物協同作用使得底泥氮的含量降低，并且其效果優于底棲動物單獨作用的。

3 結論

漂浮植物水鱉和底棲動物田螺組合對采煤塌陷養殖水體及底泥氮磷等營養鹽的去除效果優于田螺單獨作用的，同時水鱉覆蓋面積對凈化效果也有影響，不同覆蓋面積的水鱉和田螺組合對采煤塌陷養殖水體以及底泥間隙水營養鹽的去除效果不同。

圖4 各組底泥間隙水中TN、TP濃度隨實驗時間的變化

覆蓋面積10%的漂浮植物水鱉和底棲動物田螺組合對采煤塌陷養殖水體中TN、TP、NH＋4－N、NO－3－N以及NO－2－N的去除效果較好，去除率分別達到了55.56%、77.50%、65.12%、46.43%、66.67%；同時該組合對底泥TN、TP也有一定的去除作用。恢復和重建以漂浮植物和底棲動物為主的水生生物生態系統是重建采煤塌陷水域生態系統的重要措施。

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