鄧?guó)櫁?，傅斌，韋杰，何洪任，陽(yáng)林

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 401331； 2.中國(guó)科學(xué)院/水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041； 3.重慶源澤水生植物有限公司，重慶 400038)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是三峽庫(kù)區(qū)當(dāng)下最突出的水環(huán)境問(wèn)題之一。2016年，三峽庫(kù)區(qū)長(zhǎng)江主要支流監(jiān)測(cè)的24個(gè)地表水基本項(xiàng)目中，總氮(total nitrogen, TN)、總磷(total phosphorus,TP)超標(biāo)率分別為89.5%和79.1%[1]。富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)通常有物理、化學(xué)等方法，但傳統(tǒng)方法存在凈水成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、易造成二次污染等缺陷[2]。水生植物在水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量循環(huán)中具有重要作用。當(dāng)前，在農(nóng)業(yè)面源污染、城市污水處理，以及富營(yíng)養(yǎng)水體治理中普遍采用水生植物修復(fù)技術(shù)[3]。該方法具有投資省、見(jiàn)效快、極少再次污染、管理維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)，并可以同時(shí)兼顧生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)利益[4-6]。

目前，大多數(shù)研究是配置試驗(yàn)水池，選擇黑藻、金錢(qián)草、美人蕉等水生植物[7-8]進(jìn)行去除氮、磷和重金屬的人工模擬試驗(yàn)[9-13]。這些研究主要集中在單種植物對(duì)氮磷和重金屬的去除上，關(guān)于水生植物組合去除氮、磷效果的研究較少。然而，自然界中極少存在孤立的單植物生態(tài)環(huán)境，單一的凈化環(huán)境在現(xiàn)實(shí)中難以存在，多植物系統(tǒng)更貼近自然生態(tài)環(huán)境。本研究選取三峽庫(kù)區(qū)常見(jiàn)且具有一定觀賞或經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物，在室外自然光溫條件下進(jìn)行更貼近自然環(huán)境的水生植物組合凈水試驗(yàn)，研究不同水生植物組合對(duì)水體氮磷的去除效果，為三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程提供植物材料與參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于三峽庫(kù)區(qū)腹地萬(wàn)州區(qū)長(zhǎng)嶺鎮(zhèn)(30°46′04″N，108°29′39″E)，屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，雨量豐富，年均降水量1 293.3 mm，降水季節(jié)差異大，集中于5—10月。年平均氣溫17.7 ℃，無(wú)霜期183～260 d。地層分布為中生代侏羅系沙溪廟組(J2s)和自流井組巖層(J1z)。紫色成土母質(zhì)占優(yōu)勢(shì)，土壤為中性紫色土和水稻土。自然植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，山地多針闊混交林。主要種植作物有玉米(Zeamays)、小麥(Triticumaestivum)和水稻(Oryzasative)等。試驗(yàn)區(qū)人口眾多，水環(huán)境極易受生產(chǎn)生活影響而富營(yíng)養(yǎng)化。

1.2 處理設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2017年3月27日—8月16日在中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所萬(wàn)州典型區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)站進(jìn)行。3月27—31日選取同坡向現(xiàn)成水池共14個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)，水池采用磚混結(jié)構(gòu)砌成，尺寸為1 m×1 m×1 m，采集同地底泥混合后平鋪于池底至15 cm，加自來(lái)水沒(méi)過(guò)底泥2 cm，底土充分浸透后鋪平，再各加50 L自來(lái)水浸泡10 d。根據(jù)水生植物分類，選擇茭白(Zizanialatifolia, ZL)、黃花鳶尾(Iriswilsonii, IW)2種挺水植物，以及浮葉植物睡蓮(Nymphaeatetragona, NT)、漂浮植物浮萍(Lemnaminor, LM)和沉水植物金魚(yú)藻(Ceratophyllumdemersum, CD)。根據(jù)不同水生植物生長(zhǎng)空間特點(diǎn)，確定浮萍+茭白(LM+ZL)、金魚(yú)藻+黃花鳶尾(CD+IW)、睡蓮+黃花鳶尾(NT+IW)3種組合。于4月10日在萬(wàn)州花鳥(niǎo)市場(chǎng)挑選健壯幼苗，將洗凈的根部浸入盛有自來(lái)水的培養(yǎng)容器中，24 h后移植至觀測(cè)池并扶正，結(jié)合“四角+中點(diǎn)”和“四邊+中點(diǎn)”兩種方式布局各觀測(cè)池種植點(diǎn)，緩慢注入自來(lái)水至觀測(cè)池壁40 cm處。使用分析天平(0.01 g)稱取每株植物質(zhì)量，合理配置，使各觀測(cè)池同植物的生物量一致。試驗(yàn)設(shè)置高(H)、中(M)、低(N)3種氮磷濃度：20 mg·L-1(TN)/10 mg·L-1(TP)、11.5 mg·L-1(TN)/6 mg·L-1(TP)、2 mg·L-1(TN)/0.5 mg·L-1(TP)，每種濃度下每種植物組合用1個(gè)觀測(cè)池，另設(shè)中濃度鳶尾池、浮萍池、金魚(yú)藻池、茭白池、睡蓮池各一個(gè)，合計(jì)14個(gè)觀測(cè)池。

于4月11日分別稱取氮肥(N≥46.4%)10.36、5.96、1.04 g，磷肥(P2O5≥12%)41.67、25.00、2.08 g，對(duì)應(yīng)配置后隨流水緩慢注入觀測(cè)池，5 d后取初始水樣，循環(huán)水真空泵濾除雜質(zhì)后，使用德國(guó)產(chǎn)全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3)測(cè)定TN、TP[14]。經(jīng)測(cè)試(5月1日)，各處理池中TN、TP的實(shí)測(cè)濃度分別為：L-LM+ZL，1.995和0.657 mg·L-1；M-LM+ZL，12.390和5.166 mg·L-1；H-LM+ZL，20.805和10.438 mg·L-1；L-CD+IW，1.770和0.471 mg·L-1；M-CD+IW，10.930和5.303 mg·L-1；H-CD+IW，20.260和9.794 mg·L-1；L-NT+IW，1.883和0.570 mg·L-1；M-NT+IW，10.185和5.574 mg·L-1；H-NT+IW，20.520和9.525 mg·L-1；M-LM，10.501和5.232 mg·L-1；M-CD，11.430和5.670 mg·L-1；M-NT，9.615和5.120 mg·L-1；M-ZL，10.930和5.500 mg·L-1；M-IW，10.323和5.479 mg·L-1。

水樣采集頻次為每月1日、16日，觀測(cè)時(shí)間從4月15日至8月16日，歷時(shí)4個(gè)月，共9組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)場(chǎng)地露天，為保持水深統(tǒng)一，每日使用水位尺測(cè)量水位，增補(bǔ)去離子水保持水深。同時(shí)，為避免降水對(duì)試驗(yàn)的影響，降雨時(shí)使用聚氯乙烯膜遮擋并保持通風(fēng)，每日巡查拾出雜物。

2 結(jié)果與分析

2.1 水生植物生長(zhǎng)情況

經(jīng)過(guò)4個(gè)月的自然生長(zhǎng)，各組合池內(nèi)生物量相差較大。中濃度條件下各植物組合的總生物量相應(yīng)高于其他濃度條件下。各濃度條件下，金魚(yú)藻+黃花鳶尾組合的黃花鳶尾均生長(zhǎng)較好，生物量超過(guò)450 g，而睡蓮+黃花鳶尾組合中黃花鳶尾因生長(zhǎng)空間受睡蓮影響生長(zhǎng)較差，僅高濃度條件下生物量超500 g，其余均不超200 g。試驗(yàn)過(guò)程中，人工培育的金魚(yú)藻全部死亡，5月下旬中、低濃度條件下自然生長(zhǎng)的野生金魚(yú)藻可替代原金魚(yú)藻，以保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。睡蓮生長(zhǎng)較好，根系與茭白根系類似，但長(zhǎng)度與數(shù)量均不如茭白根系。3個(gè)組合中，浮萍+茭白的生物量最大，其中，中濃度條件下生物量總計(jì)達(dá)27 426 g。睡蓮與浮萍在中低濃度生長(zhǎng)較好，茭白與黃花鳶尾在中高濃度下生物量更大。整體來(lái)看，茭白生長(zhǎng)旺盛，植株挺拔，收割時(shí)地下莖粗壯，根系發(fā)達(dá)。浮萍5—6月生長(zhǎng)極快，3～5 d鋪滿水面后即收割一半，7—8月因高溫生長(zhǎng)停滯，變小或沉底。

單種植物池中，浮萍累積生物量最大，為11 190 g，人工培育的金魚(yú)藻全部死亡，不計(jì)生物量，其他植物生物量從高到低依次為茭白(2 515 g)>睡蓮(1 482 g)>黃花鳶尾(379 g)。

表1 不同植物組合下各水生植物的生物量

注：浮萍生物量為累積生物量。表中金魚(yú)藻數(shù)據(jù)來(lái)自池中的野生金魚(yú)藻。

2.2 不同植物組合去除氮磷的效果

圖1是整個(gè)試驗(yàn)周期水樣TN、TP含量變化情況，總體上兩指標(biāo)變化規(guī)律較一致。試驗(yàn)從4月15日開(kāi)始至8月16日結(jié)束，各處理?xiàng)l件下，水體TN、TP濃度總體呈不同程度的下降趨勢(shì)。從試驗(yàn)開(kāi)始至5月初，各池TN、TP含量變化極小，原因可能是水生植物均為剛種入幼苗，吸收氮磷的能力較弱。自5月起，各植物池TN、TP下降幅度增加，原因可能是隨著氣溫持續(xù)升高，植物進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)期，對(duì)氮、磷的吸收能力增強(qiáng)。3種植物組合對(duì)水體氮、磷的去除能力差異明顯，去除效果最好的是浮萍+茭白，高、中、低濃度下TN和TP的去除量分別為1.781和0.538 mg·L-1、3.628和0.879 mg·L-1、1.914和0.585 mg·L-1。金魚(yú)藻+黃花鳶尾組合總體上強(qiáng)于睡蓮+黃花鳶尾。高濃度下，金魚(yú)藻+黃花鳶尾組合里金魚(yú)藻死亡后黃花鳶尾生長(zhǎng)較好，但葉面下半部分略發(fā)黑。

圖1 不同植物組合對(duì)水體TN、TP的去除效果

對(duì)比各試驗(yàn)處理，中濃度條件下各組合生物量大(表1)，去除效果亦較單種植物池效果更好(圖1)。對(duì)比中濃度條件下，整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)不同植物組合以及單種植物對(duì)水體TN、TP的去除效果可見(jiàn)，總體上組合池效果優(yōu)于單種植物池，大生物量植物組合的去除速率快于小生物量植物組合。單植物池中去除速率最快的為浮萍池，其余植物TN去除量從高到低依次為茭白>黃花鳶尾>睡蓮>金魚(yú)藻，TP去除率從高到低依次為黃花鳶尾>睡蓮>茭白>金魚(yú)藻(金魚(yú)藻后期死亡)。相比其他水生植物，浮萍根系沒(méi)入水中，能直接從試驗(yàn)水體吸取養(yǎng)分，從而直接降低TN、TP含量，加上人為打撈為其創(chuàng)造了生長(zhǎng)空間，實(shí)現(xiàn)了TN、TP轉(zhuǎn)移，加速了其對(duì)水體TN、TP的去除。黃花鳶尾與茭白凈化各有特點(diǎn)，茭白去除TN的效果好于黃花鳶尾，但黃花鳶尾對(duì)TP的去除量高于茭白。

在本試驗(yàn)過(guò)程中，不同植物組合對(duì)水體TN、TP的去除表現(xiàn)出一定的季節(jié)性。浮萍+茭白組合在5—6月對(duì)水體TN、TP的去除效果更好，這是因?yàn)?—6月浮萍生長(zhǎng)旺盛，TN、TP去除較快，61 d總計(jì)去除率分別為9.08%和5.82%，7—8月受高溫影響，浮萍生長(zhǎng)緩慢，去除速率減緩。而金魚(yú)藻+黃花鳶尾和睡蓮+黃花鳶尾組合則是在7—8月去除能力更強(qiáng)，這是因?yàn)榻痿~(yú)藻、鳶尾、睡蓮喜暖喜光，夏季比春季生長(zhǎng)更旺盛，相比5—6月能消耗更多的N、P。

3 討論

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在TN、TP高、中、低3種濃度下，浮萍+茭白組合對(duì)水體TN、TP的去除效果均最好?？赡苁且?yàn)楦∑技捌涓禂?shù)量多，比表面積大，既可直接從水體中吸收氮磷，也可為氮的硝化與反硝化過(guò)程提供良好的發(fā)生空間。另外，浮萍滿池便打撈半池以便為其提供生長(zhǎng)空間，而這一過(guò)程中隨著生物量的轉(zhuǎn)移，也有利于該植物組合持續(xù)吸收水中氮磷并將其轉(zhuǎn)移。其他水生植物扎根于底泥中，難以大量吸收水體中氮磷。水生植物組合產(chǎn)生的凈化效果總體上好于單一植物，但中濃度下，雖然浮萍+茭白池組合的TN、TP去除量大于對(duì)應(yīng)兩單種池之和，但睡蓮+黃花鳶尾組合的TN、TP去除量則是大于對(duì)應(yīng)單個(gè)單種池，小于對(duì)應(yīng)單種池之和。氮磷濃度對(duì)植物凈化效果也有一定影響，總體上，浮萍+茭白和金魚(yú)藻+黃花鳶尾的去除效果表現(xiàn)為中濃度>低濃度>高濃度，而睡蓮+黃花鳶尾則表現(xiàn)為高濃度>中濃度>低濃度?？傮w來(lái)看，中濃度的試驗(yàn)條件更適合水生植物生長(zhǎng)，去除效果最好。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水生植物對(duì)水體TN、TP的去除效果具有較為明顯的季節(jié)性，以浮萍+茭白最為明顯，5—6月的效果明顯優(yōu)于7—8月，而另兩種植物組合的表現(xiàn)則剛好相反。這可能與植物生長(zhǎng)習(xí)性有關(guān)。萬(wàn)州7—8月平均溫度為25～34 ℃，浮萍在高溫下變小或沉底[15]，去除能力下降，而黃花鳶尾、睡蓮耐高溫，夏季生長(zhǎng)旺盛，對(duì)氮磷消耗量大，金魚(yú)藻雖不耐高溫，但因生活在水體內(nèi)，溫度相對(duì)較低，因此即使是在7—8月也能消耗較多的氮磷，茭白雖也喜高溫，但在本試驗(yàn)中去除效果不及浮萍，難以改變其所在組合的總體效果趨勢(shì)。

研究表明，生物量與水體中TN去除負(fù)荷存在顯著的正相關(guān)性[16]。這可能是因?yàn)?，生物量越大，植物?duì)氮磷的需求亦越大，吸收能力亦越強(qiáng)。本研究中浮萍+茭白對(duì)水體TN、TP的去除效果較好，可能與其生物量較大亦有關(guān)。