江蘇省湖泊水生植物優勢種對氮、磷去除效果比較研究

胡曉東，王 俊，吳蘇舒，徐繼雄，郭劉超，吳沛沛

(江蘇省水利科學研究院， 南京 210017)

水生植物作為湖泊水體修復的重要技術，因對湖泊水體的富營養化修復具有較好的改善作用而廣泛應用于湖泊保護之中。水生植物對水體的凈化效果主要基于2點：首先，氮、磷作為水生植物的營養物質，水生植物本身對其有一定的吸收；其次，微生物的附著也可以促進水生植物對氮、磷的吸收[1-3]。通常水體中TN的主要去除途徑源于植物組織及其根際微生物吸收、根系滯留、根際周圍硝化反硝化等作用[4,5]，同樣，水生植物種類 、流域氣候、水體溫度及水力停留時間等因素均會影響到水體中水生植物對TN的去除效果[6-8]。研究表明，水生植物對不同形態氮的吸收具有一定的選擇性，通常相對于無機氮，有機氮最先被吸收，而在無機氮中植物優先吸收氨氮和其他還原態氮, 因而對氨氮的去除率較高, 去除速率較快[9,10]。在水體中常見的磷類型有磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷酸鹽等，其中只有1價磷酸根離子和2價磷酸根離子能依靠植物的呼吸作用被吸收，水體中的磷元素被植物根系吸收后，經同化作用可變成植物的ATP、DNA以及RNA等有機成分，并通過植物的收割而去除[11]。

現如今人們多基于水生植物的理論凈化能力來選取凈化種，并未考慮天然濕地生境的復雜性，缺乏地域性和針對性。本文以江蘇省部分典型湖泊(白馬湖、寶應湖、高郵湖、長蕩湖、滆湖、邵伯湖)為研究對象，通過前期調查篩選出江蘇省各個湖泊水生植物優勢種，并探究其對湖泊富營養化污染的修復潛能。

1 江蘇省典型湖泊水生植物優勢種的篩選

1.1 研究區域及采樣點布置

本次研究于2017年5-9月選取江蘇省6個具有代表性的淡水湖泊進行調查，每個湖泊在春季和夏季各調查一次。6個湖泊包括蘇南區域的長蕩湖、滆湖，蘇北區域的白馬湖、寶應湖、高郵湖及邵伯湖(見圖1)。選取的依據綜合考慮到湖泊的地理位置、水化性質及面積等多重因素。其中調查湖泊的位置、營養狀況及樣點數設置見表1。

圖1 江蘇省調查湖泊的分布情況Fig.1 Distribution of investigated lakes

1.2 水生植物優勢種的篩選方法

本研究水生植物優勢種的篩選采用計算并比較不同水生植物的優勢度的方法。優勢度要根據采樣及后期處理得到的生物量、蓋度、頻度等數據結果，再結合優勢度[12]的計算公式得出。優勢度的計算公式如下：

表1 調查湖泊位置、營養狀況及樣點數設置Tab.1 Geographical position, nutritional status of investigated lakes and number of sample points

式中：DV為相對優勢度；RF為相對頻度(相對頻度=該種的頻度/所有物種頻度之和)；RB為相對生物量(相對生物量=該種的生物量/群落中所有種生物量之和)。

根據相對優勢度的計算結果，認定DV≥0.02的植物種類為湖泊優勢種。

1.3 水生植物優勢種的篩選結果

根據前期調查得到江蘇省湖泊共有植物22種，隸屬于19科，根據水生植物調查中的生物量、蓋度、頻度等數據，采用水生植物優勢度的計算公式，分別得到6個調查湖泊的優勢水生植物類型，見表2。

從表2中可以看出：蘆葦、茭草是作為挺水植物修復富營養化水體的江蘇省水生植物優勢種；穗狀狐尾藻、黑藻是作為沉水植物修復富營養化水體的江蘇省水生植物優勢種；而野菱、荇菜則是作為浮葉植物進行生態修復的江蘇省水生植物優勢種。

2 江蘇省典型湖泊優勢種對水中氮磷吸收能力研究

2.1 水生植物材料的采集

試驗所用的水生植物均采自于江蘇省南京市高淳區的湖泊，本次試驗針對采回的植物樣進行挑選、預培養，選取生長狀況較好且形狀基本一致的成熟植株以待試驗。

2.2 供試水體的配置選擇

根據江蘇省湖泊的水質監測狀況分析發現，江蘇省6個湖泊中的水質綜合監測結果均為Ⅲ～劣Ⅴ類，綜合以上結果最終確定本次研究的供試水體為Ⅴ類水?？紤]到植物本身對營養元素的需求，對霍格蘭溶液進行相應的改進，具體配方如下：最終供試水體的初始指標為TN 2 mg/L，TP 0.2 mg/L，為Ⅴ類水。

2.3 試驗方法

選擇70 L的塑料箱體作為試驗容器，面積約為0.3 m2?？紤]到底泥的沉積釋放過程可能會影響試驗結果，故在試驗開始時，試驗水箱中未加入任何底泥基質。由于試驗是在靜態下進行的室內試驗，因此無法考慮野外環境中水流動力及水位變化。在試驗容器中加入40 L配制好供試水體，將經過預培養的長勢良好且大小一致的蘆葦、茭草、穗狀狐尾藻、黑藻、野菱及荇菜按照試驗方案移入試驗容器中，其中挺水植物配置6株，沉水植物及浮葉植物配置的生物量均為1 kg，保證各種植物生物量基本相當，挺水植物利用塑料籃及拉絲固定在整理箱邊緣位置，保證符合挺水植物靠岸邊淺水區生長的特性。

表2 調查湖泊中水生植物主要種類組成及優勢度Tab.2 Compositions and importance values of aquatic plant species in the research lakes

2.4 結果與分析

2.4.1 水中TN的濃度變化

圖2 不同水生植物優勢種對TN的去除效果Fig.2 Removal of TN by dominant species of different aquatic plants

通過對比發現，各植物對于水體中TN 的去除率大小排序為：茭草(87.50%)> 蘆葦(70.82%)> 野菱(54.34%)> 荇菜(47.06%)> 穗狀狐尾藻(39.75%)> 輪葉黑藻(35.48%)。基本符合挺水植物優于浮葉植物優于沉水植物的規律。

2.4.2 水中TP的濃度變化

由圖3可以發現， 6種水生植物處理后的水中TP濃度均比空白對照組中的濃度要低，這說明6種水生植物對TP均有一定程度的去除效果。其中浮葉植物野菱、沉水植物輪葉黑藻對TP的去除效果明顯不如其他幾種植物，試驗過程中，穗狀狐尾藻、荇菜、蘆葦以及茭草 TP的下降趨勢基本一致，試驗結束時去除效果達到最佳，去除率均達到70%～80%。

對比發現，各植物對于水體中TP 的去除率大小排序為：茭草(82.63%)> 蘆葦(78.23%)> 穗狀狐尾藻(77.21%)> 荇菜(73.84%)> 輪葉黑藻(46.76%)> 野菱(35.52%)。

圖3 不同水生植物優勢種對TP的去除效果Fig.3 Removal of TP by dominant species of different aquatic plants

圖4 不同水生植物優勢種對的去除效果Fig.4 Removal of by dominant species of different aquatic plants

3 結論與討論

(1)江蘇省湖泊中的主要優勢種有6種，其中蘆葦、茭草是作為挺水植物修復富營養化水體的江蘇省水生植物優勢種，穗狀狐尾藻、黑藻是作為沉水植物修復富營養化水體的江蘇省水生植物優勢種，而野菱、荇菜則是作為浮葉植物進行生態修復的江蘇省水生植物優勢種。主要優勢種的生活型以挺水植物為主。

(3)從植物的凈化能力出發，綜合考慮多方面因素，比較分析得出茭草和蘆葦的凈化效果相對其他幾種水生植物較好。