不同水生植物配置模式對景觀水體水質(zhì)的影響

何貝娜

(上海市園林工程有限公司，上海 200083)

在城市公園景觀水體凈化過程中，水生植物扮演著重要角色，除了起到觀賞、加強(qiáng)水體的美感[1]作用外，還具有重要的生態(tài)功能。水生植物具有富集重金屬[2]、產(chǎn)氧、氮循環(huán)、吸附沉積物、抑制浮游藻類繁殖、減輕水體富營養(yǎng)化、提高水體自凈能力的功能，同時(shí)還能為水生動物、微生物提供棲息地和食物源，維持物種多樣性[3]。以水生植物為核心的水體凈化是當(dāng)下景觀水體凈化效果較好的一種修復(fù)手段，國內(nèi)外學(xué)者也開展了水生植物凈化水質(zhì)的研究[4-7]，而對于水體特征、氣候條件要求不一的水生植物來說，對其凈化效果的研究也要因地制宜。本研究考察了上海市奉賢區(qū)星火公園中水生植物配置對水質(zhì)的影響，提出幾點(diǎn)建議，以期為上海市公園內(nèi)富營養(yǎng)化水體水生植物景觀設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 星火公園水文概況

星火公園新建于2018年初，總占地13 hm2，公園通過開挖、引入場地北端的中心河水體形成人工湖泊。項(xiàng)目內(nèi)現(xiàn)有自然水域約16 600 m2，根據(jù)現(xiàn)行的GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，現(xiàn)水域水質(zhì)為IV～V類水，主要的污染源有農(nóng)業(yè)污水排放、生活污水排放及雨水。星火公園內(nèi)水體基本不流動，水體透明度差異較大。秋冬季荷花池內(nèi)水體可見底，部分區(qū)域浮游藻類或浮萍覆蓋水面，水體有富營養(yǎng)化跡象。

1.2 采樣點(diǎn)分布及植物配置

采樣點(diǎn)位于星火公園人工湖泊的5個(gè)分散位置，編號分為1號、2號、3號、4號、5號。5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)共有11種水生植物，包括睡蓮(Nymphaeatetragona)、旱傘草(Cyperusalternifolius)、黃菖蒲(IrispseudacorusL.)、香蒲(TyphaorientalisPresl)、金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)、茭草(Zizanialatifolia)、萍蓬(Nupharpumilum)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、蘆葦(Phragmitescommunis)、荷花(Nelumbonucifera)、水生美人蕉(CannaindicaL.)。各點(diǎn)位水生植物的配置如下：1號點(diǎn)位配有睡蓮、旱傘草、黃菖蒲、香蒲、金魚藻和茭草；2號點(diǎn)位配有睡蓮、旱傘草、黃菖蒲、金魚藻、千屈菜、蘆葦和荷花；3號點(diǎn)位配有黃菖蒲、金魚藻、萍蓬、千屈菜、蘆葦和荷花；4號點(diǎn)位配有黃菖蒲、香蒲、金魚藻、萍蓬、蘆葦和荷花；5號點(diǎn)位配有睡蓮、旱傘草、香蒲、金魚藻、萍蓬和荷花。在星火公園水生植物景觀中大量運(yùn)用了沉水植物和浮水植物，水域內(nèi)點(diǎn)綴少量其他水生植物，主要以保持水質(zhì)良好、水體透明為主。因此，在星火公園景觀湖內(nèi)種植了大量金魚藻和荷花、睡蓮等，并點(diǎn)綴其他水生植物，如蘆葦、香蒲、黃菖蒲等。

在2018年1月25日(冬季)、2019年8月9日(夏季)和2019年10月10日(秋季)分別對5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的水體進(jìn)行采樣分析。

1.3 方法

分析水體中的pH(GB/T 6920—1986《玻璃電極法》)、溶解氧(DO，HJ 506—2009《電化學(xué)探頭法》)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn，GB/T 11892—1989《滴定法》)、氨氮(NH3-N，HJ 535—2009《納氏試劑分光光度法》)、總磷(TP，GB/T 11893—1989《鉬酸銨分光光度法》)、總氮(TN，HJ 636—2012《堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》)、五日生化需氧量(BOD5，HJ 505—2009《稀釋與接種法》)、化學(xué)需氧量(COD，HJ 828—2017《重鉻酸鹽法》)等8項(xiàng)主要水質(zhì)指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體DO的變化

水中溶解氧是評價(jià)水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，它能反映生物生長狀況和水體污染程度。圖1顯示了5個(gè)采樣點(diǎn)DO濃度隨季節(jié)的變化情況。

圖1 不同點(diǎn)位DO濃度隨季節(jié)的變化

由圖1可知，相比水生植物生長旺盛的夏季，沒有水生植物的冬季DO濃度較高，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，DO水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)維持在Ⅱ類水平。夏季水生植物旺盛，植物周圍的微生物數(shù)量增多，消耗了水中的DO，導(dǎo)致水質(zhì)狀況變差，而夏季高溫導(dǎo)致水中DO濃度降低。夏季采樣時(shí)間也會影響水中DO濃度。研究發(fā)現(xiàn)，在種植水生植物的水體中，因植物在夜間呼吸消耗O2，故DO濃度在每日的4：00達(dá)到最低值，而后光合作用下回升，16：00達(dá)最高值，然后降低，依此循環(huán)，1 d為1個(gè)周期[8]。1號采樣點(diǎn)夏季的DO濃度最低，只達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)；3號采樣點(diǎn)此時(shí)的DO濃度相對較高，達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說明該點(diǎn)的水生植物配置對于DO濃度具有很好的提升效果。秋季(10月)大部分植物進(jìn)入結(jié)實(shí)衰亡期，生物量減少，微生物量也減少，DO消耗少，溫度降低，使水中DO升高。由圖可知，1號、2號和5號采樣點(diǎn)DO濃度在夏季相對較低，而這三處都配置了大量的浮葉植物睡蓮，夏季浮葉植物生物量大[9]，消耗水中DO較多。

2.2 BOD5的變化

BOD5反映了植物生長過程中周圍微生物分解水體有機(jī)物消耗DO的量。BOD5濃度越高，說明該水體有機(jī)物含量越高，微生物活性越強(qiáng)。圖2顯示了5個(gè)采樣點(diǎn)BOD5濃度隨季節(jié)的變化情況。

由圖2可知，4號采樣點(diǎn)夏季BOD5濃度略微低于冬季，其余采樣點(diǎn)的BOD5都是夏季高于冬季，說明夏季水體有機(jī)物含量比冬季高，而4號采樣點(diǎn)的水生植物配置可有效降低水體中有機(jī)物的含量。相較于其他采樣點(diǎn)，4號采樣點(diǎn)沒有配置睡蓮等浮葉植物，而浮葉植物生物量較大，生長較快，通過光合作用或自身腐爛向水體釋放的有機(jī)物較多，導(dǎo)致水體中微生物活性增強(qiáng)，微生物耗氧增加。

2.3 COD和CODMn的變化

水生植物的根系利于COD的吸收和分解[10-11]，水生植物對水體懸浮物也有一定的吸附作用[12]。表1列出了5個(gè)采樣點(diǎn)COD濃度和CODMn隨季節(jié)而變化及所屬水質(zhì)的類別。

由表1可知，5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的COD濃度基本上都是夏季高于冬季，到秋季又有所回落，即種植水生植物后，水中的COD升高，植物逐漸減少，COD濃度下降。1號采樣點(diǎn)的COD濃度增幅最大，該點(diǎn)位配置了大量的睡蓮，COD大幅升高可能是由于水生植物腐敗分解后釋放有機(jī)物造成[13]；4號采樣點(diǎn)COD濃度有小幅下降，是因?yàn)樵擖c(diǎn)位沒有配置睡蓮，睡蓮會對中下層植物產(chǎn)生遮擋，影響水生植物的光合作用，進(jìn)而導(dǎo)致葉綠素濃度降低，植物腐敗致使COD濃度上升[14]。因此，應(yīng)定期維護(hù)，防止植物腐爛造成水體COD濃度上升[15]。同樣，CODMn變化趨勢與COD的變化趨勢保持一致，夏季有所提升，使水質(zhì)狀況變差，秋季回落。

表1 不同點(diǎn)位的COD濃度和CODMn隨季節(jié)的變化

2.4 水體NH3-N、TN及TP的變化

水生植物生長過程中，為了維持自身的生長發(fā)育，需要吸收水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，水生植物的根部是微生物降解污染物的主要場所[16]。在水生生態(tài)系統(tǒng)中，TN部分來源于水體中的有機(jī)物，還有一些來源于系統(tǒng)內(nèi)部生長的大量微生物及其釋放產(chǎn)物[17]。水體中NH3-N的去除大部分是通過微生物的硝化和反硝化作用完成的[18]。表2顯示了5個(gè)采樣點(diǎn)氨氮和總氮的濃度隨季節(jié)的變化及所屬水質(zhì)類別。

表2 不同點(diǎn)位NH3-N和TN濃度隨季節(jié)的變化

由表2可知，各季節(jié)NH3-N的濃度不高，約在Ⅰ～Ⅲ類，水質(zhì)情況良好，從季節(jié)變化看，只有3號采樣點(diǎn)NH3-N濃度減少，說明3號采樣點(diǎn)的植物配置有利于NH3-N的去除。冬季5個(gè)采樣點(diǎn)的TN濃度都比夏季要高，水質(zhì)情況較差，屬于劣V類水。這是由于冬季水生植物的生物量較小，在水體中的營養(yǎng)鹽利用率較低[9]。夏季種植水生植物后，TN濃度有大幅下降。一是因?yàn)橄募局参锷L，消耗大量的營養(yǎng)鹽；二是因?yàn)橹参锏纳L有利于根系微生物的活動，促進(jìn)了水體微生物的硝化和反硝化作用[19]；三是因?yàn)橄募靖邷乩谥参飳的吸收[20]。3號點(diǎn)位NH3-N降幅最大，說明3號采樣點(diǎn)的植物配置有利于NH3-N的去除，對比3號和4號采樣點(diǎn)，植物配置基本一致，區(qū)別是3號點(diǎn)采用挺水植物千屈菜，4號點(diǎn)采用挺水植物香蒲。有研究表明，千屈菜和菖蒲組合能提高NH3-N的凈化效果[21]。

一般認(rèn)為，TP的去除途徑包括藻類細(xì)菌的合成代謝、化學(xué)沉淀、水生植物的吸收等[13]。研究發(fā)現(xiàn)，除了水中的物理作用、化學(xué)吸附和沉淀作用外，微生物同化作用對總磷的去除率高達(dá)50%～60%，而植物吸收僅為1%～3%[22-23]。雖然植物對于總磷去除的直接貢獻(xiàn)很小，但植物表面附著很多微生物，間接促進(jìn)了P的去除[24]。圖3顯示了5個(gè)采樣點(diǎn)總磷濃度隨季節(jié)的變化及所屬水質(zhì)類別。

圖3 不同點(diǎn)位TP濃度隨季節(jié)的變化

溫度對植物吸收TP的影響不如TN明顯，這是因?yàn)橹参锷L過程中對N的需求大于P[20]。由圖3可知，夏季水體中的TP含量普遍低于冬季，秋季有回升現(xiàn)象，且水質(zhì)狀況都在Ⅱ～Ⅲ類。5個(gè)采樣點(diǎn)中，3號取樣點(diǎn)的TP下降最多，但1號采樣點(diǎn)TP濃度有上升，說明1號采樣點(diǎn)的水生植物配置不能吸收水體中TP；相反，2號和3號采樣點(diǎn)的總磷去除相對較好。3號點(diǎn)位配置有挺水植物荷花，且生物量大；1號點(diǎn)位配置的主要是浮葉植物睡蓮，2號點(diǎn)位同時(shí)配置了睡蓮和荷花，浮葉植物和挺水植物對N和P均有較好的去除效果，均能直接從污水中吸收過剩營養(yǎng)物質(zhì)，但挺水植物能在水面上下很大空間內(nèi)立體發(fā)展，生物量比睡蓮等浮葉植物更大，因而凈化效果更好。將兩種植物組合能提高凈化效率。所以，2號點(diǎn)夏、秋季TP濃度相對較低；1號點(diǎn)夏季的TP濃度回升，是因?yàn)樗徤L速度較快，沒有及時(shí)清理脫落的莖葉，其分解對水質(zhì)產(chǎn)生影響所致[25]。

3 小結(jié)

對星火公園不同季節(jié)的水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，公園夏季水體水質(zhì)劣于冬季；同季節(jié)不同水生植物配置模式對景觀水體凈化能力也存在差異。試驗(yàn)中不同配置的水生植物主要對NH3-N、TN、TP的去除能力較有效，但對COD和BOD的濃度降低效果不佳。星火公園內(nèi)植物配置品種較少，大多數(shù)為挺水植物，種植睡蓮等浮葉植物對水體中下層的植物光合作用有阻礙，且其生物量大，會增加水體BOD5和COD的濃度，影響水質(zhì)。金魚藻等沉水植物的光合作用可增加水體DO，對水質(zhì)有明顯的改善。此外，千屈菜和黃菖蒲的組合有利于水中NH3-N的去除。浮葉植物和挺水植物組合可有效去除水體中N、P。不同生態(tài)型的水生植物生物量差異較大，植物生物量的大小決定了植物吸收去除污水中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的多少。

根據(jù)以上結(jié)果分析，對星火公園水生植物配置提出以下三點(diǎn)建議：(1)隨著時(shí)間的演變，主導(dǎo)群叢與伴生群叢可能會發(fā)生轉(zhuǎn)變，因?yàn)樗彙⒑苫ǖ雀∪~植物生長快，繁殖能力強(qiáng)，后期可能轉(zhuǎn)變成主導(dǎo)群叢，除了減少其配置，也要加強(qiáng)管理，進(jìn)行定期修剪、防治病蟲害，防止水生植物過度生長、枯萎，從而影響水質(zhì)；(2)增加金魚藻、菹草、苦草等沉水植物的配置，改善水體的DO等指標(biāo)；(3)在美觀層面，應(yīng)注意配置植物的花期、形態(tài)和色彩，形成錯落有致、此起彼伏的立體景觀。