伊樂藻—螺螄組合對模擬湖濱濕地水體凈化效果的研究

李 壯， 張 紅， 王 妹， 杜興華， 王久新， 蔡新華， 靳 坤， 張明磊

(1 山東省淡水漁業(yè)研究院，山東 濟南 250013；2 濟南市淡水養(yǎng)殖科學研究所，山東 濟南 250117；3 山東省濟寧市任城區(qū)水產(chǎn)局，山東 濟寧 272000；4 山東省新泰市小協(xié)鎮(zhèn)人民政府，山東 新泰 271200)

南四湖、東平湖水域作為山東省內(nèi)陸淡水生態(tài)系統(tǒng)，承擔了調(diào)蓄水、改善生態(tài)環(huán)境、旅游觀光、供應水產(chǎn)品等生態(tài)和社會功能。多年來，由于沿湖工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成湖泊面積日益縮減，湖濱水質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)功能也遭到了破壞。為修復已受損的生態(tài)環(huán)境，開發(fā)湖泊水域環(huán)境的治理和保護技術(shù)刻不容緩。國內(nèi)外研究表明，利用生態(tài)學原理，通過移植適宜的水生動植物對受污染水體進行原位修復是生態(tài)治理的有效手段[1-7]，且有著成本低、效果好、環(huán)境價值生態(tài)效益兼?zhèn)涞戎T多優(yōu)點[8]。

伊樂藻(Elodeanuttallii)是水鱉科多年生沉水植物，具有極強的斷枝無性繁殖能力[9]，且能耐受高濃度的氮(N)、磷(P)[10]，常被選作湖泊水生植物凈水修復的先鋒種[11]；此外，伊樂藻還是河蟹的優(yōu)良餌料。螺螄(Bellamyaaeruginosa)作為一種底棲動物，通過攝食水中藻類、有機碎屑等，可有效降低水中的N、P、葉綠素a等污染物[12-15]。目前，國內(nèi)有若干關(guān)于水生植物和底棲動物協(xié)同凈化水質(zhì)的研究，取得了不錯的效果[16-17]。然而，關(guān)于伊樂藻和螺螄的協(xié)同凈化效果鮮有報道。

本試驗通過對伊樂藻和螺螄的不同密度組合，對模擬湖濱濕地水體凈化效果進行研究，探討兩者合適的種植、放養(yǎng)密度，旨在為湖濱濕地的生態(tài)修復提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在地點山東濟寧任城區(qū)路口漁業(yè)專業(yè)合作社。試驗用螺螄采捕于當?shù)爻靥粒暨x規(guī)格均勻、無傷殘、活力好的個體。試驗用伊樂藻為移植至當?shù)厮w并預培養(yǎng)15 d后挑選長勢良好、均勻的植株。試驗用底泥采挖自當?shù)睾I養(yǎng)殖池塘，經(jīng)徹底風干并測定含水量，敲碎過篩后使用。試驗用水取自養(yǎng)殖池塘，為防止外來雜質(zhì)干擾，試驗期間蒸發(fā)及植物生長等損耗水用純凈水補充。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在水箱中進行。水箱規(guī)格為長665 mm×寬485 mm×高380 mm。參考文獻[12,15,18]的研究并結(jié)合本試驗實際，設(shè)置試驗梯度。螺螄設(shè)置3個梯度：120 g/m2、240 g/m2和360 g/m2，伊樂藻設(shè)置3個梯度：100 g/m2、200 g/m2和300 g/m2。根據(jù)水箱規(guī)格，3個梯度螺螄實際投放量分別為每箱38 g、76 g和114 g；3個梯度伊樂藻實際投放量分別為每箱31.5 g、63 g和94.5 g。采用螺螄和伊樂藻兩因素三水平L9(32)的方法設(shè)置A、B、C、D、E、F、G、H、I共9個試驗組，另設(shè)1個空白對照組(表1)。

表1 試驗設(shè)計

每組3個重復，共30個試驗水箱，每個水箱內(nèi)加入風干泥樣5 kg，加池塘水至離水箱上沿5 cm。加水后，用潔凈木棒將底泥徹底粉碎并輕輕攪拌，使底泥相對均勻地平鋪于水箱底部(底泥厚約4 cm)。靜置1 d后，測定泥樣和水樣數(shù)據(jù)為第0天數(shù)據(jù)。然后按照試驗設(shè)置，將螺螄均勻地撒到水槽中，采用扦插移栽的方法將伊樂藻移植入試驗水體。每隔10 d采泥樣(采用5點取樣法，即四角和中間各取一點)和水樣各1次，連續(xù)檢測4次。泥樣離心得到測定所用間隙水后，剩余間隙水及泥樣全部倒回原采樣水箱。試驗結(jié)束時測定伊樂藻、螺螄的最終質(zhì)量。

1.3 檢測項目和方法

采集泥樣立即送實驗室離心獲得間隙水，測間隙水的TN、TP、COD方法和測水樣的相同。

1.4 去除率計算

E=100%×(C0-Ci)/C0

(1)

式中：E—去除率；C0—初始質(zhì)量濃度，mg/L；Ci—第i天質(zhì)量濃度，mg/L。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel2007軟件進行統(tǒng)計分析。應用SPSS19.0軟件進行方差分析，比較各組差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 伊樂藻生長情況

伊樂藻生長情況見表2。整個試驗過程中，伊樂藻長勢良好，各試驗組藻的質(zhì)量都有顯著增加。

表2 試驗前后伊樂藻質(zhì)量變化

觀察發(fā)現(xiàn)，試驗前期生長速度較快，后期減緩。試驗結(jié)束時，各組間伊樂藻質(zhì)量差異不顯著。比較伊樂藻增量和初始投放量的比值，因初始投放量的不同而差異顯著，且隨初始投放量的增加，該比值減小。表明初始投放量越大，增量倍數(shù)越小，反之，初始投放量越小，增量倍數(shù)越大，最終都是趨于一個相對較一致的生物量(554.31±29.60)g。分析認為，試驗水體的環(huán)境容納量有限，該生物量可能接近于伊樂藻在本試驗水體下的最大環(huán)境容納量。

2.2 螺螄生長情況

螺螄生長情況見表3。試驗過程中一些試驗組螺螄有死亡，從死亡率來看，初始投放量越大，死亡率越高。從存活的螺螄質(zhì)量來看，螺螄投放量較低的兩梯度試驗組(120 g/m2、240 g/m2)均重都有所增加；螺螄投放量360 g/m2組均重減小，可能與該組死亡率高、死亡個體規(guī)格較大有關(guān)。表明該組的螺絲投放密度可能過大，而較低的兩個投放量則是合適的。

表3 試驗前后螺螄(活體)質(zhì)量變化及死亡率

2.3 試驗水質(zhì)的變化情況

2.3.1 TN質(zhì)量濃度變化

由圖1可以看出，試驗水體中的總氮含量整體呈現(xiàn)先迅速下降后趨于穩(wěn)定的過程。

第30天后，各組TN質(zhì)量濃度不再顯著下降。試驗結(jié)束時，各試驗組去除率達到61.54%～80.00%，去除率最低為E組，最高為D組，低于張衛(wèi)等[19]的伊樂藻對高濃度脅迫水的95.3%TN去除率的結(jié)果，但優(yōu)于其對河水和Ⅴ類水的凈化效果。推測認為，一方面，TN去除率與試驗初始的TN質(zhì)量濃度有一定關(guān)系，初始TN質(zhì)量濃度越大，TN去除率越高，這個推測與吳曉霞等[12]的研究結(jié)果相符；另一方面，螺螄的活動可能對TN的去除有一定的影響。與張衛(wèi)等[19]的結(jié)果類似，對照組的TN質(zhì)量濃度也有一定下降，但不同的是，本試驗試驗組TN質(zhì)量濃度顯著低于對照組，表明伊樂藻—螺螄組合對水體TN有很好的凈化效果。對照組TN下降，推測是因為水體懸浮物質(zhì)的沉降及反硝化作用。

圖1 試驗水體TN質(zhì)量濃度和去除率變化

2.3.2 TP質(zhì)量濃度變化

TP變化如圖2所示。從試驗開始到第20天，試驗組TP質(zhì)量濃度隨時間推移緩慢下降，從第30天開始又有一個上升過程。這個趨勢同張衛(wèi)等[19]的研究結(jié)果一致。一方面，可能因為試驗后期隨著伊樂藻生長減緩，對水體中磷酸鹽的吸收作用減弱，加上底泥中磷酸鹽溶解散逸到水中，導致水中總磷升高；另一方面，螺螄的攝食、排泄、蠕動等生命活動可能對水體TP的回升有一定的影響。對照組TP質(zhì)量濃度則先升高后緩慢下降。第20天時，各試驗組TP去除率最高，而對照組為-3.85 %，表示TP質(zhì)量濃度有所上升。試驗結(jié)束時，A組去除率最高(47.06 %)，其次為D組(30 %)。該結(jié)果低于吳小霞等[11]47.55 %～79.23 %的試驗結(jié)果，可能與本試驗初始質(zhì)量濃度較低有關(guān)。另外，螺螄的活動可能也有一定的影響。該結(jié)果表明，伊樂藻—螺螄組合對水體TP也有顯著的凈化效果，但隨著伊樂藻生長的減緩，加上螺螄活動，TP可能會有一定程度的回升。

圖2 試驗水體TP質(zhì)量濃度和去除率變化

2.3.3 COD質(zhì)量濃度變化

試驗水體COD變化情況如圖3所示。隨時間推移先平緩上升后顯著下降。試驗第10天時，對照組COD顯著高于B、E、H組，此3組初始伊樂藻密度均為200 g/m2，表明該密度下伊樂藻對COD去除速率最快。

圖3 試驗水體COD質(zhì)量濃度和去除率變化

試驗結(jié)束時，各試驗組COD質(zhì)量濃度均顯著低于對照組(P<0.05)，表明伊樂藻—螺螄對水體中的COD去除作用明顯，去除率19.17 %～35.71 %。該結(jié)果跟譚雪梅等[20]的34.37 %～35.39 %的試驗結(jié)果相近，但遠低于王陽陽等[21]在東涇河河道圍格的77.08 %的試驗結(jié)果。這可能與試驗初始質(zhì)量濃度、試驗季節(jié)以及種植密度等不同有關(guān)。對照組中COD質(zhì)量濃度也有所下降，推測與水體中懸浮物的自然沉降以及微生物降解有關(guān)[22-23]。

圖4 試驗水體質(zhì)量濃度和去除率變化

圖5 試驗水體和質(zhì)量濃度變化

2.4 底泥間隙水的變化情況

2.4.1 TN質(zhì)量濃度變化

底泥中TN隨時間逐漸下降，第10天檢測時，A、E、F、G組顯著低于對照組，表明伊樂藻—螺螄組合對底泥中TN有明顯的去除作用。試驗結(jié)束時，H組底泥TN質(zhì)量濃度顯著高于I組，表明螺螄對底泥中TN去除有較為明顯的效果。各試驗組去除率分別為70.86 %、82.55 %、85.51 %、74.30 %、70.09 %、77.17 %、79.90 %、69.05 %、75.74 %。該結(jié)果遠高于孟順龍等[12]的10.25 %～30.14 %，原因可能是本試驗中沒有養(yǎng)殖魚類，且種植的伊樂藻吸收了大量的氮。

圖6 底泥TN質(zhì)量濃度和去除率變化

2.4.2 TP質(zhì)量濃度變化

底泥中TP變化如圖7所示。各組間變化較大，多數(shù)組的質(zhì)量濃度有所下降，個別組有所上升。可能是由于伊樂藻未能及時梳理造成腐爛沉積底泥表層以及螺螄死亡等原因?qū)P的測量結(jié)果影響較大。

圖7 底泥TP質(zhì)量濃度變化

2.4.3 COD質(zhì)量濃度變化

底泥中COD變化如圖8所示，整體呈下降趨勢。第20天時，C組(螺螄最少)顯著高于G組(螺螄最多)，C組由初始質(zhì)量濃度226.21 mg/L降為220.33 mg/L，去除率為2.6%，G組由356.00 mg/L降為107.15 mg/L，去除率達到69.9%，表明螺螄密度高可能對底泥中的COD有更顯著的去除效果。

圖8 底泥COD質(zhì)量濃度變化

3 結(jié)論

試驗結(jié)果顯示，當螺螄—伊樂藻組合投放密度分別在240 g/m2和200 g/m2時，對水體和底質(zhì)凈化效果最優(yōu)。伊樂藻初始投放量為200 g/m2時，初期的凈化速率最快，可能是最優(yōu)生長密度。在實際生產(chǎn)中應注意伊樂藻的收割，過高的藻密度可能導致遮光效應，造成大量死亡而污染水質(zhì)，還可能使pH過高對其他水生物造成不利影響。螺螄密度高對底質(zhì)COD去除效果更加顯著，推測是由于螺螄對底泥的攝食作用。但螺螄密度過大可能引起無機氮升高，也易造成缺氧死亡。本試驗中，240 g/m2是最優(yōu)密度。

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