人工打撈浮萍削減京杭運(yùn)河徐州主城區(qū)段氮磷

李 朝，吳 濤，王甜甜，曹恩偉，楊 靖，曹 楊，徐肖遙

（1.江蘇省徐州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 江蘇 徐州 221018； 2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 江蘇 南京 210019）

0 引言

浮萍是浮萍科植物的統(tǒng)稱，為水生漂浮植物，包含紫萍屬（Spirodela）、少根紫萍屬（Landoltia）、青萍屬 （Lemna）、扁無(wú)根萍屬 （Wolffiella）、 蕪萍屬（Wolffia），共5 個(gè)屬，36 種[1]。

關(guān)于浮萍對(duì)水中污染物去除的研究多集中于N，P 這2 種能夠引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的元素[2-3]；從實(shí)驗(yàn)采用的方式來(lái)看，主要集中于實(shí)驗(yàn)室小型可控容器內(nèi)[4-5]，部分在室外局部水體進(jìn)行[6-7]，缺乏較大尺度利用浮萍治理富營(yíng)養(yǎng)化水體的實(shí)例。

京杭運(yùn)河段徐州主城區(qū)段，經(jīng)常出現(xiàn)浮萍爆發(fā)現(xiàn)象。 哨兵衛(wèi)星能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)大范圍水環(huán)境變化情況[8-9]，利用其遙感影像對(duì)京杭運(yùn)河徐州主城區(qū)段浮萍爆發(fā)現(xiàn)象回溯及持續(xù)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，找出浮萍爆發(fā)生長(zhǎng)的影響因子。 2020年12月，地方相關(guān)部門組織人工打撈浮萍后，持續(xù)監(jiān)測(cè)水質(zhì)，證實(shí)浮萍能夠消減富營(yíng)養(yǎng)化河流水體中的N，P，為以后的富營(yíng)養(yǎng)化河流治理提供案例支撐。

1 材料與方法

1.1 衛(wèi)星影像獲取及浮萍面積提取

研究區(qū)西起洞山西村，東至解臺(tái)閘，該段河流流經(jīng)徐州市主城區(qū)，沿線基本為建設(shè)用地，并且有多條城市內(nèi)河匯入，水質(zhì)經(jīng)常會(huì)超過(guò)Ⅲ類。2019年10月～2020年12月，逐月從歐空局哥白尼數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站下載sentinel-2 遙感影像，應(yīng)用SNAP Desktop 8.0軟件，目視解譯這一段河流水體中浮萍的生長(zhǎng)面積。

1.2 水環(huán)境因子監(jiān)測(cè)

在京杭運(yùn)河徐州主城區(qū)段洞山西、 紅旗新村和解臺(tái)閘各布設(shè)1 個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，具體位置見(jiàn)圖1。按照HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[10]逐月采集水樣，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫、pH 值、DO 等參數(shù)，帶回實(shí)驗(yàn)室分析氨氮，TN 和TP[11-13]。

圖1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)斷面

2 研究結(jié)果

2.1 浮萍生長(zhǎng)規(guī)律

浮萍生長(zhǎng)情況見(jiàn)表1。

表1 京杭運(yùn)河徐州主城區(qū)段浮萍生長(zhǎng)面積

結(jié)合遙感影像和現(xiàn)場(chǎng)核查綜合分析，京杭運(yùn)河徐州主城區(qū)段水體中浮萍生長(zhǎng)規(guī)律為：每年6 ～8月開(kāi)始在岸邊零星生長(zhǎng)，到9月份開(kāi)始爆發(fā)生長(zhǎng)，10月浮萍覆蓋水面比例最大，11月浮萍面積開(kāi)始減少，冬季浮萍開(kāi)始腐敗消亡。事實(shí)上，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，5月份浮萍就開(kāi)始在水體上生長(zhǎng)，但是由于哨兵影像的分辨率最多到10 m，在影像上無(wú)法分辨。 可以將每年的5 ～8月定義為京杭運(yùn)河徐州段浮萍生長(zhǎng)期，9 ～11月為浮萍爆發(fā)期，12 ～次年3月為浮萍腐敗期。

2.2 水質(zhì)變化規(guī)律及與浮萍生長(zhǎng)相關(guān)分析

將2019年4月至2020年3月定義為浮萍的自然腐敗周期，該周期內(nèi)未采取任何人工措施控制浮萍生長(zhǎng)狀況。2020年12月采取打撈浮萍措施，2020年4月～2021年3月定義為人工打撈周期。 對(duì)比2個(gè)周期內(nèi)研究區(qū)域內(nèi)水環(huán)境因子變化情況，與浮萍生長(zhǎng)相關(guān)性較強(qiáng)的氨氮，TN，TP 和水溫每月監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 水環(huán)境因子在2 個(gè)周期的變化情況

6 ～9月是京杭運(yùn)河徐州段水溫最高的月份，自然腐敗和人工打撈2 個(gè)周期的水溫變化趨勢(shì)基本相同，相同月份間差別不大。結(jié)合徐州市氣象局提供的氣象報(bào)告，2020年7 ～9月徐州市主城區(qū)降雨量為457.8 mm，同比增加了37.1%，降雨量增加使更多的面源污染物通過(guò)地表徑流進(jìn)入到水體中，造成人工打撈周期中，氨氮和TN 在7，8月，TP 在7 ～9月同比顯著升高。高溫加上充足的營(yíng)養(yǎng)鹽離子，為浮萍的生長(zhǎng)和爆發(fā)提供了有利條件[14]。 對(duì)比表1 浮萍生長(zhǎng)狀況，可知浮萍生長(zhǎng)面積最大值出現(xiàn)在10月，相比營(yíng)養(yǎng)元素最大值出現(xiàn)月份，有一定的滯后性。如果不采用人工干預(yù)措施，次年的1 ～3月，浮萍腐爛后體內(nèi)聚集的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)又會(huì)釋放到水體中，造成水體二次污染。采用人工打撈措施后，水中的TN、氨氮、TP比自然腐敗周期相同月份均出現(xiàn)下降，說(shuō)明打撈后水體環(huán)境明顯改善。

2.3 水環(huán)境因子相關(guān)性分析

利用SPSS Statistics 20 軟件對(duì)水環(huán)境因子間的相關(guān)性進(jìn)行分析，見(jiàn)表2。DO 同水溫顯著負(fù)相關(guān)，氨氮和TN 顯著相關(guān)，TP 同pH 值負(fù)相關(guān)，其余因子相關(guān)性不明顯，環(huán)境因子在浮萍生長(zhǎng)爆發(fā)中協(xié)同作用原理需要進(jìn)一步研究。

表2 水環(huán)境因子相關(guān)性分析

3 結(jié)論與應(yīng)用展望

3.1 結(jié)論

未采用人工打撈措施的年份，9 ～11月為京杭運(yùn)河徐州段浮萍爆發(fā)期，2020年10月浮萍覆蓋水面比例為當(dāng)年最大，達(dá)到65.3%。 2020年11月中下旬有關(guān)部門對(duì)浮萍進(jìn)行打撈，共打撈了9 000 t 浮萍，按照浮萍體內(nèi)元素含量[15]計(jì)算，打撈共計(jì)從水體中消減N 22.41 ～24.03 t，P 5.58 ～6.84 t。 采用人工打撈措施后，2021年1～3月，水中的TN、氨氮、TP比去年同期下降了45.3%，28.4%和21.4%。 此案例證明，在合適的季節(jié)采取人工打撈浮萍措施，確實(shí)可以作為大規(guī)模水體富營(yíng)養(yǎng)化治理的一種手段。

3.2 展望

江蘇省夏季浮萍的主要品種為紫萍（Spirodela polyrrhiza） 、 青萍 （Lemma minor） 、 蕪萍（Wolffia arrhiza）和少根紫萍（Spirodela oligorrhiza），其中紫萍和青萍最常見(jiàn)[16]。 這些種類浮萍常在一定區(qū)域內(nèi)共生存在，利用浮萍治理富營(yíng)養(yǎng)化水體時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)種，以達(dá)到消除N，P 時(shí)效率最大。

在N，P 含量差異不大的情況下，N，P 吸收能力取決于葉狀體個(gè)數(shù)[17]，因此未來(lái)育種應(yīng)以培養(yǎng)更多葉狀體個(gè)數(shù)的浮萍作為目標(biāo)。 紫萍全基因組測(cè)序工作的完成，有利于進(jìn)一步挖掘參與紫萍吸收N，P 的通路、基因[18-19]，未來(lái)在育種中應(yīng)該更多的借用基因工程技術(shù)。 冬季低溫，浮萍生長(zhǎng)明顯受到限制，如果能夠篩選出在江蘇冬季低溫情況下仍能有一定生長(zhǎng)效率的浮萍品種，對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化的治理將發(fā)揮更大的作用。

浮萍自然生長(zhǎng)需要一定的時(shí)間，因此，浮萍大規(guī)模生長(zhǎng)滯后于N，P 在水體中的最高峰出現(xiàn)時(shí)間，未來(lái)如果采用工程化措施人工培育一定數(shù)量的浮萍，在N，P 高峰期投入水體，將會(huì)起到更好的效果。

雖然其他水生植物也被用作富營(yíng)養(yǎng)化治理[20-21]，但是浮萍特有的本身生長(zhǎng)速度快、 富含生物質(zhì)蛋白和淀粉、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、易管理的特點(diǎn)，具有作為飼用、能源開(kāi)發(fā)利用、藥用的潛在利用價(jià)值[22-23]。