石佛寺人工濕地不同水生植物對水質凈化效應分析

樊海川

(遼寧省石佛寺水庫管理局有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

遼河作為我國的七大河流之一，對遼寧省內的生態產業和生態資源體系構建都具有著無法替代的戰略地位及作用。近年來，遼河已經成為了我國污染最為嚴重的河流之一，水體富營養化問題日益嚴重，水體中營養物質含量逐年上升[1]。根據2019年7月生態環境部公布的全國地表水環境質量狀況資料顯示，目前我國重點監測的109個湖泊(水庫)中，水質優良(Ⅰ-Ⅲ)的湖庫個數占比達到68.8%，相比去年同期上升2.7%。其中遼河流域中劣Ⅴ類水質斷面比例達15%以上，受污染情況較為嚴重。受遼河水質影響，沈陽市斷面水環境質量排名為全國倒數第20位。目前遼河流域主要污染指標為化學需氧量(CODCr)、總磷(TP)、總氮(TN)和高錳酸鹽指數(CODMn)，大部分水體處于富營養化狀態[2]。以為我國目前的科技手段，還無法完全解決水體富營養化問題，但可以通過控制流域外源污染輸入和內源營養鹽的減消，與科學的預防和治理手段相結合，盡可能將危害降到最小。在湖泊內種植水生植物是國內較常見的預防和治理水體富營養化的方法之一，水生植物在其生長過程中為滿足自身發育的需求，會不斷從水體吸收各類營養物質，并促進氮、磷等營養物質向淤積物中沉積，從而在一定程度上實現對水體的凈化。

石佛寺水庫位于沈陽市新城子區、法庫縣依牛堡鄉和鐵嶺市鐵法縣境內，是遼河干流上唯一一座控制性水利樞紐工程。為改善區域內生態環境，于2009年在原有基礎上建立人工濕地。據2018年野外調查表面，目前水庫人工濕地總面積25.05 km2，其中荷花區域面積167.1 hm2，蘆葦區域面積173.3 hm2，水燭區域面積367.3 hm2。本文通過在不同時期對不同水生植物區域內水質進行檢測，研究不同水生植物對水體中營養物質吸收能力的差異，探究水生植物在濕地生態系統內發揮的作用，旨在為遼河流域斷面生態修復工程提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點的確定

通過對石佛寺人工濕地進行野外調查后發現，目前濕地內優勢物種為荷花、蘆葦和水燭等挺水植物，其他三種生活型的水生植物(沉水植物、根生浮葉植物和自由漂浮植物)生長區域較為集中，彼此之間形成群落，單獨取樣較為困難，故將它們所形成的區域作為一個整體，稱為混合植物區域。將荷花區域、蘆葦區域、水燭區域和混合植物區域分別作為研究對象，通過遙感圖像監測后選取幾個合適的植物群落，再經過實地考察后，根據各群落間植物生物量和生長茂盛情況的差異確定具體的采樣點，并在無水生植物種植湖心島附近設立空白區域作為對照，在5個不同區域內各取5個采樣點。由于遼河與濕地水體連通且明沈公路東側水面較少且生長的植物多為喬木、灌木，故不在此區域布設采樣點。具體的采樣點布設見圖1。

圖1 石佛寺人工濕地水質采樣點分布圖

1.2 數據采集與處理

分別于2019年4月～9月月初分別對采樣點內水樣進行采集，測定其CODCr、TP、TN和CODMn含量。水樣中CODCr含量通過快速密閉催化消毒—滴定法測定，TP和TN通過Skalar流動水質分析儀來檢測，CODMn含量通過酸性高錳酸鉀法測定。所有采集的數據利用Microsoft Excel 2007軟件進行整理與分析，用Photoshop CS6軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同水生植物對CODCr的去除效果

CODCr作為水體有機污染的一項重要指標，可以反映出水體的污染程度。CODCr含量過高意味著水體中含有大量還原性的有機污染物，如不及時處理，這些污染物會逐漸被湖底淤積物吸附，在之后多年間持續向水體釋放，從而造成水體二次污染[3～4]。

5個區域內水體中CODCr平均含量變化趨勢見圖2。5個區域內水體中CODCr含量均隨著時間出現了明顯變化，總體來看濕地內水體CODCr含量均在4月～5月和7月～8月呈下降趨勢，5月～6月和8月～9月呈上升趨勢，總體趨勢趨近于“W”型。6個月內各區域水體中CODCr含量均值分別為：荷花區域17.21 mg/L；蘆葦區域16.97 mg/L；水燭區域17.16 mg/L；混合植物區域17.71 mg/L；空白區域18.67 mg/L，有水生植物種植的區域內水體中CODCr含量明顯少于空白區域，這說明水生植物對于水體中CODCr的凈化效果是較為明顯的，同時不同水生植物區域對于CODCr的凈化能力有所差異，3種挺水植物對CODCr的凈化效果較為接近且強于由沉水植物、浮葉植物和漂浮植物組成的混合植物區域。總體的凈化效果為：蘆葦區域>水燭區域>荷花區域>混合植物區域。

圖2 不同區域水體中CODCr平均含量變化

2.2 不同水生植物對TP和TN的去除效果

氮、磷元素含量過多是水體富營養化形成的重要原因之一，水體中氮、磷元素含量較高會導致浮游生物和部分藻類的過量繁殖，并伴隨出現赤潮、水華等現象，嚴重影響湖泊的生態平衡[5]。

圖3為5個區域內水體內水體TP和TN平均含量變化趨勢。4個水生植物區域內水體中TN和TP含量在各月均低于空白區域。6個月內各區域水體中TP和TN含量均值分別為：荷花區域0.15 mg/L、3.53 mg/L；蘆葦區域0.13 mg/L、3.24 mg/L；水燭區域0.13 mg/L、3.29 mg/L；混合植物區域0.16 mg/L、3.65 mg/L；空白區域0.18 mg/L、3.93 mg/L，水生植物對于氮、磷元素的凈化效果較為明顯。各區域內水體中TN和TP含量均隨時間出現了較明顯的變化，且不同植物之間的凈化效果也有所不同。蘆葦和水燭對TP和TN的凈化效果均較為接近，且明顯優于于其他水生植物，荷花的凈化略強于混合植物。綜合來看，不同水生植物對于TP的凈化效果為：蘆葦區域≈水燭區域>荷花區域>混合植物區域；對于TN的凈化效果為：蘆葦區域>水燭區域>荷花區域>混合植物區域。

圖3 不同區域內水體中TP和TN平均含量變化

2.3 不同水生植物對CODMn的去除效果

水體中高錳酸鹽指數和化學需氧量同為反映水體可氧化物質污染的常見指標，水體CODMn含量過高通常意味著水體中含有較多的亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物和有機物，污染情況較為嚴重[6]。以水生植物為核心的污水處理技術是目前較為常見的富營養化水體治理方式，林春風[7]的研究表明，水生植物對于富營養化水體中的CODMn含量有較好的處理效果。

5個區域內水體中CODMn平均含量變化趨勢見圖4。相較于無水生植物種植的空白區域，4個水生植物區域內CODMn含量均得到了有效的抑制，其中水燭和蘆葦的處理效果相對較好，挺水植物對CODMn的處理效果較強于其他種類的水生植物。總體來看濕地內水體CODMn含量均在4月～5月和7月～8月呈下降趨勢，5月～7月和8月～9月呈上升趨勢，整體趨勢趨近“W”型。6個月內各區域水體中CODMn含量均值分別為：荷花區域5.30 mg/L；蘆葦區域5.11 mg/L；水燭區域5.06 mg/L；混合植物區域5.63 mg/L；空白區域6.43 mg/L。綜合來看，不同水生植物對于CODMn的凈化效果為：水燭區域>蘆葦區域>荷花區域>混合植物區域。

圖4 不同區域內水體中CODMn平均含量變化

2.4 綜合分析

不同區域內各營養物質含量的隨時間的變化趨勢不同與植物本身在生長發育過程中對各類營養元素吸收能力差異有關[8～9]。在4月～5月期間，水生植物逐漸開始生長發育，此階段受水生植物光合作用的影響，4個水生植物區域內CODCr和CODMn含量均逐漸降低；水生植物的發育過程中需要不斷從水體吸收營養物質元素[10～11]，4個水生植物區域內水體中TP和TN含量明顯下降。5月～6月，受外源徑流和部分降雨影響，各區域內CODCr和CODMn含量呈上升趨勢；4個水生植物區域內的水生植物通過根、頸部位吸收水體的營養物質，并通過促氮、磷沉積的效應使水體中的營養物質轉移到湖底沉積物中[12]，區域內TP和TN含量均呈降低趨勢。6月～7月，隨著溫度升高，水生植物光合作用速率和部分根系微生物活性增高，水生植物可以通過根際效應，讓其附著的根系微生物可以作用于周圍環境，促進磷營養鹽和其他養分的循環，水體中有機物受自然氧化的速率也有所增加[13～14]，此階段蘆葦、水燭和混合植物區域內CODCr含量均略有下降，但荷花區域內CODCr含量仍呈上升趨勢，其原因可能為荷花區域內植株根系微生物較多，隨著微生物活性增強，水體中溶解氧逐漸減少，氧化還原電位降低；除混合植物區域外，3個挺水植物區域內CODMn含量的增長趨勢均有所減緩；荷花、水燭和混合植物區域內TP含量有所減少，蘆葦區域內TP含量略微上升；各區域內TN含量均呈明顯的上升趨勢，其原因可能為外源污染流入河道。7月～8月，各區域內水體中CODCr和CODMn含量均呈下降趨勢，其中荷花區域內CODCr含量下降趨勢最大，荷花區域內CODMn含量下降趨勢最小；各區域內TP含量均呈上升趨勢，TN含量呈下降趨勢，物種之間差異不明顯。8月～9月，受臺風“利奇馬”影響，區域降雨和上游洪峰流量達到近幾年之最，各區域內CODCr、TP、TN和CODMn含量均明顯升高。

3 結論

總體來看，水生植物均對富營養化水體起到良好的凈化作用，且水體中各營養物質含量變化會受水生植物的成長過程的影響。相較于無水生植物種植的空白區域，4個水生植物區域內CODCr、TP、TN和CODMn含量均明顯降低，水生植物的種植使濕地內水質得到了改善。不同水生植物間的凈化效果存在一定差異，3種挺水植物對CODCr的凈化效果較為接近且均強于混合植物區域，其中蘆葦對CODCr的凈化效果最好。蘆葦和水燭對TP和TN的凈化效果均較為接近，且明顯優于于其他水生植物，荷花的凈化略強于混合植物。對于CODMn的凈化效果，水燭最強，蘆葦和荷花次之，混合植物區域最弱。建議進一步加強對濕地內水生植物的優化改造和利用，增加蘆葦和水燭的生物量和區域面積。