種植床模式下苦草修復富營養水體的種植密度優化研究

趙文婧,賈曉楠,王 繁,2

(1杭州師范大學生命與環境科學學院,杭州 311121;2杭州師范大學生態系統保護與恢復杭州市重點試驗室,杭州 311121)

水體富營養化是當前世界面臨的主要環境問題之一,全球范圍內30%以上的湖泊和水庫都存在不同程度的富營養化現象[1]。植物修復技術與物理、化學等修復方法相比,具有投資少、處理效果好、操作簡便等優點,被廣泛應用于各類富營養化水體的修復[2-3]。用于修復水體的植物主要包括挺水植物、浮水植物和沉水植物,其中沉水植物的生態修復技術已經在國內外的治理工程中取得了很好的生態修復效果。張飲江等[4]研究表明,沉水植物穩定生態系統是凈化水質的重要因素。雷澤湘等[5]研究表明,苦草、眼子菜、輪葉黑藻等沉水植物對太湖梅梁灣富營養化湖水中的總磷和總氮都有較好的去除效果。姚瑤等[6]也研究證實了不同的沉水植物對富營養化水體的凈化效果?？梢?沉水植物生態修復可以顯著改善富營養化水體的質量。

沉水植物在生長過程中易受到周圍環境的影響,水體富營養化后水體透明度下降,或者在水深較深、濁度較高以及黑臭水體中,太陽光無法穿透水層到達底部,沉底種植的沉水植物因光照條件不佳,光合作用效率降低而難以生長,直接或間接造成了水中植被的衰退,嚴重影響實際修復工程的應用效果[7-8]。為解決沉水植物底部種植光照不足的問題,程南寧等[9]提出漸沉式沉水植物新型快速移栽技術,通過控制先鋒植物在水體的生存區間解決沉水植物恢復中面臨的低透明度、水深、重污染條件等不利的環境條件。林燦陽等[10]采取可調式種植床方式,研究了沉水植物對富營養化水體的凈化效果,表明種植床模式可有效削減水體中氨氮和有機物的負荷。另外,在沉水植物生態修復應用中,合理的種植密度對植物長勢、水體修復效果以及投入產出效率方面均具有顯著影響。Xie等[11]通過苦草種植密度對根系形態、根系分布和生物量分配影響的試驗,得出單一植物種植密度與其生物量的積累成反比的結論。張萌等[12]研究了在沉底種植模式下典型沉水植物修復富營養化水體的最優種植密度,確定了兩種沉水植物金魚藻和狐尾藻的單一種植最優密度為3.0 kg∕m3。付旭生等[13]認為,沉底種植時苦草種植密度的最佳值為50株∕m2。但是,種植床模式下沉水植物凈化水體的適宜種植密度等問題仍需要深入研究。

本研究選用苦草作為沉水植物,通過微系統模擬凈化試驗,分析在種植床模式下不同種植密度苦草對不同程度富營養化水體氮磷營養鹽的去除能力,以及沉水植物生物量的變化情況,確定兼顧凈化效果和經濟效益的最優初始種植密度,為沉水植物種植床工程化應用以及深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 苦草種植床的設計

如圖1所示,種植床主要由床框架、頂層網片和底層網片構成。床框架采用管徑為50 mm的PVC管連接組成,并在框架上分散打孔,注水可以減少種植床在水中的浮力。頂層網片為網孔邊長為1.5 cm的涂塑鐵絲硬網,底層網片為網孔邊長為0.5 cm的軟網,將上下網片包裹床框架并用扎帶將四周縫合。沉水植物通過頂層網片的網孔植入種植床,底部網片可以固定其根部,防止植物漂浮。

圖1 沉水植物種植床示意圖Fig.1 Schematic diagram of submerged plant planting bed

1.2 苦草種植床模擬凈化試驗

1.2.1 苦草類型

試驗選取的沉水植物為常綠耐寒矮型苦草,購自上海某沉水植物種植基地,經過篩選,保留長勢一致的苦草備用。試驗苦草的平均葉重約1.5 g,平均葉數約6.5片,平均葉長約26.3 cm,平均根長約3.1 cm。

1.2.2 模擬富營養化水體

試驗水體設置了自然水體和模擬水體兩種富營養化程度。自然水體采用西溪濕地池塘原水,其總氮(TN)質量濃度約為0.8 mg∕L,總磷(TP)質量濃度約為0.05 mg∕L。在池塘原水中加入氯化銨與磷酸二氫鉀溶液,模擬富營養化水體,其總氮質量濃度約為5 mg∕L,總磷質量濃度約為2 mg∕L。

1.2.3 苦草種植密度模擬試驗

采用方形聚丙烯材質水槽和自制的種植床進行模擬種植試驗。水槽容積約300 L,深約60 cm,水槽使用前用池塘原水浸泡3 d。將種植床固定在水槽底部以上10 cm處,距水面50 cm,保證沉水植物完全沒入水中。在種植床上均勻栽種不同密度即鮮重分別為750 g∕m3、1 500 g∕m3、2 000 g∕m3長勢相近的苦草,每組種植床設置3個平行。種植試驗在室外溫室棚內進行,試驗周期約16 d。試驗期間用蒸餾水來補充蒸發所耗的水分,以保持水槽水位。

1.2.4 采樣測試分析方法

試驗過程每3 d采集一次水樣。水樣用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定總氮,流動分析儀測定法測定氨氮,紫外分光光度法測定硝態氮,過硫酸鉀消解-鉬藍對比法測定總磷。試驗開始時和結束時觀測沉水植物長勢指標變化情況,包括植株葉長、根長、葉重、葉片數量等。植物長勢指標采用觀察與稱量法進行測定。

2 結果與分析

2.1 不同密度苦草種植床對富營養化水體中總氮的凈化效果

氮素是導致水體富營養化和藻類爆發的主要因子之一,氨氮、硝酸鹽氮是無機態氮在水體中存在的主要形態[14]。由圖2可以看出,種植床模式下的苦草對自然水體和模擬水體中的TN均有較好的去除效果。TN含量在試驗初期表現出明顯的下降趨勢,在試驗中后期逐漸達到平穩狀態。但是,3種種植密度苦草在凈化效率上存在差異。在自然水體凈化試驗前期,苦草對水體中TN的凈化效果與種植密度直接相關;在試驗中后期,3種種植密度水體中的TN含量變化不大。對于不同程度的富營養化水體,苦草的種植密度越大,對TN的吸收效率越高,水體中TN的去除速度越快,均能夠實現早期快速凈化效果;隨著修復時間的延長,水體氮負荷降低,植物生長對營養物質的吸收趨于飽和,各處理在試驗后期對TN的去除效果逐漸達到一致。從表1可以看出,3種種植密度苦草對不同程度富營養化水體中TN的最終去除效果基本一致,自然水體中的TN去除率為75%以上,模擬水體中的TN去除率則達90%以上。

圖2 不同密度苦草種植床對自然水體和模擬水體中TN的去除效果Fig.2 TN removal effects in natural water and simulated water by planting bed with different densities of vallisneria

表1 不同密度苦草種植床對富營養化水體中氮磷營養物質的去除率Table 1 Removal rates of nitrogen and phosphorus nutrients in eutrophic water by planting bed with different densities of vallisneria

2.2 不同密度苦草種植床對富營養化水體中氨氮的凈化效果

水體中氨氮是可以被植物和微生物優先利用的氮形態[15]。由圖3可以看出,在自然富營養化水體凈化試驗前期,不同種植密度苦草對水體中的處理速率存在顯著差異;到試驗中后期,3種密度苦草種植床對水體中的凈化趨勢基本一致。在模擬富營養化水體凈化試驗前期和后期,3種密度苦草種植床對水體中的凈化趨勢大致相同;在試驗中期存在加速凈化的過程,此期間種植密度為2 000 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草種植床對的凈化速率高于密度為750 g∕m3的種植床,但是后期趨勢逐漸一致。由表1可以看出,3種密度苦草種植床對自然水體和模擬水體中的凈化效果均十分顯著,去除率均達到90%以上,其中種植密度為1 500 g∕m3的種植床效果最好。

圖3 不同密度苦草種植床對自然水體和模擬水體中氨氮的去除效果Fig.3 NH+4-N removal effects in natural water and simulated water by planting beds with different densities of vallisneria

2.3 不同密度苦草種植床對富營養化水體中硝態氮的凈化效果

水體中硝酸鹽氮是各種形態含氮化合物中最穩定的氮化合物,也是可以被植物和微生物利用的氮形態[15]。由圖4可以看出,在自然水體凈化試驗過程中,3種密度苦草種植床對水體中的凈化趨勢大致相同,NO3-N濃度平穩下降,其中種植密度為2 000 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草種植床對的凈化速率稍快。在模擬富營養化水體試驗過程中,3種密度苦草種植床對水體中的凈化趨勢總體趨勢一致,呈現出初期和中期快速吸收,后期逐漸平衡的狀態。其中,種植密度為2 000 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草種植床對的凈化效率基本一致,均優于種植密度為750 g∕m3的處理。由表1可以看出,3種密度苦草種植床對自然水體和模擬水體中都有凈化效果,對模擬水體的凈化效果優于自然水體,其中種植密度為1 500 g∕m3的苦草種植床去除率最佳,分別為86.18%和53.81%。

圖4 不同密度苦草種植床對自然水體和模擬水體中-N的去除效果Fig.4 -N removal effects in natural water and simulated water by planting bed with different densities of vallisneria

2.4 不同密度苦草種植床對富營養化水體中總磷的凈化效果

沉水植物可以有效去除水體中的磷酸鹽[16]。由圖5以看出,在自然水體凈化試驗過程中,水體中的TP含量顯著下降,其中種植密度為2 000 g∕m3與種植密度為1 500 g∕m3的苦草種植床凈化效果比較接近,均優于種植密度為750 g∕m3的苦草種植床;在模擬富營養化水體凈化試驗中,3種密度苦草種植床的凈化趨勢比較一致,水體中的TP含量在試驗初期和中期加速下降,后期逐漸穩定。由表1可以看出,3種密度苦草種植床對自然水體和模擬水體中的TP均有較好的凈化效果,對模擬水體中TP的去除率均達到90%以上,整體上高于對自然水體中TP的去除率。這可能是因為模擬水體中氨氮等其他營養物質含量較高,促使苦草長勢更加良好,導致模擬富營養化水體中苦草種植床的凈化能力和效率比自然水體中的苦草種植床顯著提高。

圖5 不同密度苦草種植床對自然水體和模擬水體中TP的去除效果Fig.5 TP removal effects in natural water and simulated water by planting bed with different densities of vallisneria

2.5 不同密度苦草在種植床上的生長情況

植物長勢指標能夠反映沉水植物在試驗期間的整體生長狀況,包括營養狀況和競爭狀況等[17]。由表2可以看出,在自然水體和模擬水體中,3種種植密度的苦草生長旺盛,表現為植株粗壯,葉色變深,葉片數量明顯增多,根系出現分枝等?？傮w上,種植密度為750 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草生長情況優于2 000 g∕m3的苦草。其中,在低富營養化自然水體中,種植密度為1 500 g∕m3的苦草平均葉長、平均葉數、平均葉重均優于750 g∕m3處理;在高富營養化模擬水體中,種植密度為1 500 g∕m3的苦草平均葉重和平均葉數接近750 g∕m3處理。另外,種植密度為750 g∕m3的苦草平均根長在自然水體和模擬水體中長勢均最好?？嗖萆L情況表明,種植床模式下,3種種植密度苦草在不同程度富營養化水體中均生長良好;苦草在種植密度為2 000 g∕m3時,植株生長存在空間上的競爭關系,對植物生長不利;而種植密度為750 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草生長空間充分,獲取營養充足,長勢較好。

表2 不同密度苦草種植床在自然水體和模擬水體中的生長情況Table 2 Growth of vallisneria with different densities on planting bed in natural water and simulated water

3 結論與討論

氮和磷是湖泊、水庫富營養化評價的重要指標,沉水植物通過生長吸收固定水體中的N、P等營養物質,有效降低富營養化水體中的營養成分,在生態修復工程中發揮著特殊的作用[18]。通過種植床調節沉水植物水下深度,能夠有效解決水體渾濁或水深等不利因素對沉水植物生長的影響。本研究表明:(1)從水體氮磷去除效果來看,3種密度苦草種植床對水體中的氮磷營養鹽均有明顯凈化效果,自然水體中TN的去除率為75%以上,模擬水體中TN的去除率達90%以上;種植密度為1 500 g∕m3和2 000 g∕m3的苦草凈化效率高于750 g∕m3處理。(2)從植物生長勢指標上來看,3種種植密度苦草在不同程度富營養化水體中均生長良好,平均葉數、葉重和根長均明顯增加;種植密度為750 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草生長趨勢優于種植密度為2 000 g∕m3的苦草?？梢?種植床模式下苦草的初始種植密度為1 500 g∕m3時可以適應不同程度富營養化水體,綜合凈化效益較好。