一種新型的復(fù)合生態(tài)浮床及其對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響

李艷楓，劉 凌，陳 寧，夏 倩，邢西剛，燕文明，張 喜，王浠浠

(河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098)

生態(tài)浮床(ecological floating bed system)是按照自然界自身規(guī)律，以混凝土、高分子材料等作為載體和基質(zhì)，種植水生植物而建立的去除水體中污染物的人工生態(tài)系統(tǒng)，其通過(guò)植物根部的吸收，吸附作用和微生物等作用，消減富集于水體中的N、P及有害物質(zhì)，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果［1-2］。目前，生態(tài)浮床作為一種水體生態(tài)修復(fù)手段，越來(lái)越多的人不僅關(guān)注其水質(zhì)凈化效率，而且更多的結(jié)合其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)浮游植物群落的影響［3］來(lái)分析其可行性和適用性。

浮游植物(phytoplankton)作為水生態(tài)系統(tǒng)的主要初級(jí)生產(chǎn)者，其生長(zhǎng)繁殖除受到自身生物學(xué)特性的影響外，還受外界環(huán)境因素的影響，如營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度、酸堿度及其他生物和人為活動(dòng)的影響。其種類(lèi)組成、群落結(jié)構(gòu)、數(shù)量分布和多樣性的生態(tài)學(xué)特征是水生態(tài)系統(tǒng)的重要研究?jī)?nèi)容，也是評(píng)價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)健康和水環(huán)境質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)［4］。童琰等［5-7］研究了不同生態(tài)浮床內(nèi)浮游植物群落的變化，結(jié)果表明這些浮床的抑藻和水質(zhì)改善效果明顯。

筆者以漿砌河道、湖庫(kù)以及景觀水體的原位凈化處理及水體生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)為目的，設(shè)計(jì)了一種“可以提供生境的復(fù)合生態(tài)浮床”，并參考空白對(duì)照試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)復(fù)合生態(tài)浮床和普通生態(tài)浮床內(nèi)浮游植物群落演替及其與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，分析各浮床內(nèi)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的健康、穩(wěn)定性，探究復(fù)合浮床在水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)方面的效果，為生態(tài)浮床在河道、湖庫(kù)等水體的原位水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)施

由水泥砌成3個(gè)實(shí)驗(yàn)池，規(guī)格均為2 m×1 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高)。其中2個(gè)實(shí)驗(yàn)池內(nèi)分別放置復(fù)合生態(tài)浮床和普通生態(tài)浮床，浮床規(guī)模均為1 m×0.5 m×0.5 m，浮床面積覆蓋率為25%，第3個(gè)實(shí)驗(yàn)池為空白對(duì)照，不放任何種類(lèi)浮床。

1.2 供試植物

選用美人蕉和水雍菜作為浮床植物，其中美人蕉適合在富營(yíng)養(yǎng)化水體的浮床上種植，其生物量大［2］，N、P 累積量也較大［8］，水雍菜在不同富營(yíng)養(yǎng)化水平下處理效果相對(duì)最好［9］。

1.3 生態(tài)浮床

普通生態(tài)浮床由浮床框架、植物、填充基質(zhì)3部分構(gòu)成。復(fù)合生態(tài)浮床由頂部植物吸收利用、鳥(niǎo)類(lèi)生存區(qū)(由帶有透光孔的竹排、天然纖維墊、水生植物構(gòu)成)，基質(zhì)吸附處理、魚(yú)類(lèi)生存區(qū)(包括框架、沸石、生物陶粒等填料基質(zhì)，中間設(shè)有空的通道)，微生物掛膜強(qiáng)化處理、小型水生動(dòng)物生存區(qū)(由帶有孔洞的懸掛基質(zhì)包組成)和沉水植物吸收區(qū)(包括沉水植物和裝有載體基質(zhì)的網(wǎng)袋)4部分構(gòu)成。

復(fù)合生態(tài)浮床融合了高效吸附材料，為微生物的附著提供了巨大的表面積，有利于高效發(fā)揮微生物的作用，并且能顯著降低水體流速，在促進(jìn)水體中懸浮物沉淀的同時(shí)，也降低了底泥再懸浮的風(fēng)險(xiǎn)，既能自富氧又能自己創(chuàng)造合適的好氧－厭氧環(huán)境，既能凈化水體又能形成簡(jiǎn)單的“微生物－浮游生物－植物－魚(yú)類(lèi)－鳥(niǎo)類(lèi)”食物鏈，進(jìn)而形成良好的生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)。系統(tǒng)具有N、P去除效果好、安裝管理方便、抗水流沖擊能力強(qiáng)、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，可極大提高生態(tài)浮床裝置對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中污染物的去除能力，適合于自然河道、湖庫(kù)以及景觀水體的原位凈化處理及水體生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)。

1.4 供試水體

以位于南京市的某校區(qū)西湖湖水為原水，實(shí)驗(yàn)用水為人工配置的高水平富營(yíng)養(yǎng)化水體，向抽取的西湖自然水體中加入定量的復(fù)合化肥，增加水體中N、P質(zhì)量濃度(ρ(TN)＞0.3 mg/L，ρ(TP)＞0.02 mg/L，達(dá)到了富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)［10］)。

1.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)3種處理，分別為復(fù)合生態(tài)浮床、普通生態(tài)浮床和空白對(duì)照，每種處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)間從2012年6月5日—7月4日，平均氣溫為27℃。

1.6 水質(zhì)和浮游植物測(cè)試

1.6.1 水質(zhì)

水樣采集固定后，立即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。理化指標(biāo)包括TN、NO3－-N、NH4+-N、TP、DTP、和溫度。各指標(biāo)的測(cè)定參照文獻(xiàn)［11］。

1.6.2 浮游植物采樣及鑒定

用于浮游植物計(jì)數(shù)的水樣，取該樣點(diǎn)表層至底層的混合水樣1 L，加入15 mL的魯哥試劑固定，帶回實(shí)驗(yàn)室。搖勻后轉(zhuǎn)入1L量筒中靜置24 h以上，棄去上清液，濃縮液收集定容到30 mL。在顯微鏡(10×40倍)(Olympus，BX51)下進(jìn)行鏡檢計(jì)數(shù)，對(duì)優(yōu)勢(shì)種屬再進(jìn)行(10×100倍)高倍鏡檢精確定種。每個(gè)樣品計(jì)數(shù)2次，2次計(jì)數(shù)誤差在15%以上時(shí)，重復(fù)計(jì)數(shù)標(biāo)本。浮游植物的鑒定主要參照文獻(xiàn)［12］進(jìn)行。

1.7 分析方法

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS17.0軟件進(jìn)行方差分析(ANOVA)和Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)

表1為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)3個(gè)不同處理的水質(zhì)指標(biāo)及其去除率。實(shí)驗(yàn)期間各形態(tài)的營(yíng)養(yǎng)鹽水平在各處理組中均呈下降趨勢(shì)，兩種浮床對(duì)各種形態(tài)的N、P均有比較好的去除作用。復(fù)合浮床對(duì) TN、的去除效果高于普通浮床。采用SPSS軟件對(duì)理化數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA分析，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，復(fù)合浮床與普通浮床的TP與空白對(duì)照組之間的差異均達(dá)到了極顯著水平，顯著性P分別為0.004、0.008(P ＜0.01)。

2.2 浮游植物

2.2.1 種類(lèi)組成和優(yōu)勢(shì)種的變化

對(duì)3組實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了8次采樣工作，共鑒定出浮游植物8門(mén)41屬77種。其中綠藻門(mén)種類(lèi)最多，總計(jì)53種，占種類(lèi)總數(shù)的68.81%;藍(lán)藻門(mén)次之，為10種，占種類(lèi)總數(shù)的12.99%;硅藻門(mén)和隱藻門(mén)均為4種，均占種類(lèi)總數(shù)的5.20%;裸藻門(mén)3種，占種類(lèi)總數(shù)的3.90%;甲藻門(mén)、金藻門(mén)和黃藻門(mén)較少，均為1種，各僅占種類(lèi)總數(shù)的1.30%。

表1 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)不同處理的水質(zhì)指標(biāo)及其去除率

實(shí)驗(yàn)初始，各處理組的優(yōu)勢(shì)種群主要為藍(lán)藻門(mén)的兩棲席藻(Phormidium.amphibia)和硅藻門(mén)的尖針桿藻(Synedra.acus)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始一周后，各處理組的優(yōu)勢(shì)種群主要為藍(lán)藻門(mén)的中華小尖頭藻(Raphidiopsis.sinensia)、銅綠微囊藻(Microcystis.aeruginosa)，綠藻門(mén)的 小 球 藻 (Chlorella.vulgaris)、小 空 星 藻(Coelastrum.microporum)、網(wǎng)球藻(Dictyosphaerium.ehrenbergianum)、四足十字藻(Crucigenia.tetrapedia)、雙 對(duì) 柵 藻 (Scenedesmus.bijuga)、四 尾 柵 藻(Scenedesmus.quadricauda)、豐富柵藻(Scenedesmus.abundans)、斜生柵藻(Scenedesmus.obliquus)、二形柵藻(Scenedesmus.dimorphus)和角錐膠網(wǎng)球藻(Pectodictyon.pyramidale)。其中藍(lán)藻門(mén)的銅綠微囊藻主要在空白對(duì)照組中出現(xiàn)，復(fù)合浮床和普通浮床僅在6月26日成為優(yōu)勢(shì)種;藍(lán)藻門(mén)的細(xì)小隱球藻(Aphanocapsa.elachista)僅在空白對(duì)照組中出現(xiàn);硅藻門(mén)的尖針桿藻在6月22日之后不再是優(yōu)勢(shì)種屬;隱藻門(mén)的嚙蝕隱藻(Cryptomonas.erosa)在復(fù)合浮床中形成階段性優(yōu)勢(shì)(表2)。

2.2.2 細(xì)胞密度和生物量

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，湖泊水體進(jìn)入水泥池，由于底質(zhì)、流動(dòng)性、生物等環(huán)境的劇變，浮游植物總密度和總生物量在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后的一周內(nèi)處于較低水平(見(jiàn)圖1和圖2)。到實(shí)驗(yàn)的第10天各實(shí)驗(yàn)組中浮游植物密度有一個(gè)單峰回升，其密度峰值分別為227.7×106個(gè)/L、455.5×106個(gè)/L、910.9 ×106個(gè)/L。空白對(duì)照組的總生物量有一個(gè)單峰回升，峰值為25.65 mg/L，主要為綠藻門(mén)(23.21 mg/L)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，各處理組的浮游植物總密度均在30日達(dá)到最大值，之后均有所下降。兩種浮床處理組中浮游植物總生物量在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間總體呈上升趨勢(shì)，這與之前N、P等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度下降的趨勢(shì)不一致，原因主要是實(shí)驗(yàn)時(shí)間持續(xù)較短，總生物量的變化存在時(shí)間的延遲，滯后于環(huán)境因子的變化。由圖2可知，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，復(fù)合浮床的浮游植物種類(lèi)顯著多于空白對(duì)照組和普通浮床組。

圖1 實(shí)驗(yàn)期間浮游植物細(xì)胞密度的變化

圖2 實(shí)驗(yàn)期間浮游植物總生物量

表2 實(shí)驗(yàn)期間各處理組浮游植物優(yōu)勢(shì)種變化

2.2.3 群落演替

隨著密度和生物量的變化，浮游植物的群落結(jié)構(gòu)也在不斷變化。實(shí)驗(yàn)初始時(shí)期，浮游植物群落結(jié)構(gòu)主要以藍(lán)藻門(mén)、綠藻門(mén)和硅藻門(mén)為主，占總數(shù)量的95%。隨后，硅藻門(mén)優(yōu)勢(shì)降低，6月18日之后出現(xiàn)很少或者為零;空白對(duì)照組藍(lán)藻門(mén)優(yōu)勢(shì)上升，到實(shí)驗(yàn)后期藍(lán)藻門(mén)的銅綠微囊藻和細(xì)小隱球藻取代綠藻門(mén)成為主要優(yōu)勢(shì)種;兩浮床系統(tǒng)藍(lán)藻門(mén)優(yōu)勢(shì)總體下降，綠藻門(mén)優(yōu)勢(shì)總體升高(表3)。至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，3個(gè)實(shí)驗(yàn)組中浮游植物呈現(xiàn)不同的群落結(jié)構(gòu)特征，空白對(duì)照組中浮游植物由藍(lán)藻門(mén)、綠藻門(mén)、硅藻門(mén)和甲藻門(mén)構(gòu)成，復(fù)合浮床組由藍(lán)藻門(mén)、綠藻門(mén)、硅藻門(mén)、隱藻門(mén)、裸藻門(mén)和黃藻門(mén)構(gòu)成，普通浮床組僅由藍(lán)藻門(mén)、綠藻門(mén)和硅藻門(mén)構(gòu)成，復(fù)合浮床組的群落結(jié)構(gòu)多樣性明顯高于空白對(duì)照組和普通浮床組。

表3 浮游植物各門(mén)密度百分比%

2.2.4 生物多樣性指數(shù)

Shannon-Weiner指數(shù)在浮游植物群落生物多樣性和結(jié)構(gòu)健康穩(wěn)定性的分析上被廣泛應(yīng)用［13］。由圖3可以看出，水體進(jìn)入水泥池后，兩浮床系統(tǒng)Shannon-Weiner指數(shù)均有所下降，表明水體生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定性有所下降。在6月18日之前，空白對(duì)照組的Shannon-Weiner指數(shù)明顯高于復(fù)合浮床和普通浮床，但到6月18日之后卻低于其他兩種浮床，說(shuō)明復(fù)合浮床和普通生態(tài)浮床有助于提高水體浮游植物的生物多樣性和水生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定性;6月26日之后復(fù)合生態(tài)浮床的Shannon-Weiner指數(shù)明顯高于普通浮床和空白組，因此，在利用生態(tài)浮床技術(shù)凈化河流、湖泊等富營(yíng)養(yǎng)化水體時(shí)，復(fù)合生態(tài)浮床的凈化效果明顯、修復(fù)作用比較強(qiáng)。

圖3 不同處理組之間浮游植物種類(lèi)多樣性的變化(Shannon-Weiner指數(shù))

2.3 浮游植物生物量與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

浮游植物對(duì)水環(huán)境的化學(xué)變化比較敏感［14］。許多研究結(jié)果表明，環(huán)境條件的改變可以直接影響藻類(lèi)植物的生長(zhǎng)、繁殖，如溫度的變化可以刺激細(xì)胞分裂的速度，而pH值、營(yíng)養(yǎng)鹽的變化也同樣對(duì)浮游植物生物量起到重要作用，因此，浮游植物生物量會(huì)受到環(huán)境因素的綜合影響［14－15］。通過(guò)Pearson相關(guān)性分析得出:實(shí)驗(yàn)期間浮游植物生物總量與環(huán)境因子TP、PO3－4-P、DTP、TN、NO－3-N、NH4+-N、CODMn、pH、溫度的相關(guān)系數(shù)分別為 0.653、0.305、0.483、0.463、0.22、0.35、0.546、0.234、0.07，其中與 DTP、TN的相關(guān)性顯著(P＜0.05)，與 TP、CODMn的相關(guān)性極顯著(P＜0.01)。浮游植物總生物量與TP含量的相關(guān)系數(shù)最大，表明TP是藻類(lèi)總生物量的主要限制因子，這與Dokulil等［16-17］的研究成果相一致。

綠藻門(mén)的柵藻(Scenedesmus)屬為耐有機(jī)污染屬，3個(gè)實(shí)驗(yàn)組中柵藻屬均為優(yōu)勢(shì)種屬之一(表2)，這與浮游植物總生物量與CODMn極顯著正相關(guān)相一致;嚙蝕隱藻、細(xì)小隱球藻、銅綠微囊藻、兩棲席藻為3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的部分優(yōu)勢(shì)種屬(表2)，對(duì)pH較為敏感，這可能與浮游植物總生物量與pH值呈正相關(guān)有一定聯(lián)系。

3 結(jié)論

a.水質(zhì)凈化效果分析顯示對(duì)各種形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除率均由大到小為復(fù)合浮床、普通浮床、空白對(duì)照，因此，復(fù)合浮床在水質(zhì)凈化效果上優(yōu)于普通浮床。

b.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各實(shí)驗(yàn)組的浮游植物密度和總生物量由大到小為:普通浮床、復(fù)合浮床、空白對(duì)照;復(fù)合浮床群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和Shannon-Weiner指數(shù)高于普通浮床和空白對(duì)照。因此，復(fù)合浮床在提高浮游植物健康穩(wěn)定性上優(yōu)于普通浮床。

c.浮游植物生物量與各種理化指標(biāo)相關(guān)分析顯示，實(shí)驗(yàn)期間浮游植物總生物量與TP的相關(guān)系數(shù)最大，因此在浮床系統(tǒng)中磷是浮游植物主要的限制性因素。

d.本實(shí)驗(yàn)中，浮游植物對(duì)不同的生態(tài)浮床產(chǎn)生積極的響應(yīng)，且復(fù)合生態(tài)浮床表現(xiàn)出了比普通生態(tài)浮床對(duì)浮游植物更強(qiáng)的抑制能力，有更好的水體凈化修復(fù)效果。這表明在河道、湖庫(kù)等水體的原位水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)的應(yīng)用上，復(fù)合生態(tài)浮床這一設(shè)施是可行的。

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