挺水植物與沉水植物組配對(duì)北大港水庫(kù)水質(zhì)的影響

常素云，趙靜靜，劉小川，羅 莎，劉 波

(1.天津市水利科學(xué)研究院，天津300061;2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)

植物修復(fù)是利用綠色植物將受污水體中的污染物移除、分解或利用的原位修復(fù)技術(shù)，相比傳統(tǒng)的水質(zhì)處理技術(shù)，植物修復(fù)操作簡(jiǎn)便、投資和維護(hù)成本低，而且還可以通過(guò)資源化利用取得一定的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。水生植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，可以吸收水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，分解和利用水體有機(jī)物，富集重金屬，抑制藻類的生長(zhǎng)等[3]，而且在冬季保留一定量的水生植物還可以避免水體水質(zhì)惡化[4]，所以在水庫(kù)、大型湖泊等水體的修復(fù)實(shí)踐工程中，利用水生植物改善水體水質(zhì)具有較廣闊的應(yīng)用前景[5]。

水生植物在水生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的地位，但是如何選擇和配置水生植物是研究重點(diǎn)[6]。挺水植物與其他植物類型的組合種植對(duì)水質(zhì)的凈化效果好于單種挺水植物的配置，特別是對(duì)NH3-N和TN有較強(qiáng)的去除，并能長(zhǎng)期維持此凈化效果，說(shuō)明水生植物的協(xié)同凈化對(duì)營(yíng)養(yǎng)物有較好的去除效果[7-10]。北大港水庫(kù)由于連年干涸、水庫(kù)咸化等原因，水生植物種類較少:①挺水植物主要有香蒲和蘆葦，是鹽堿池塘的優(yōu)勢(shì)種，可以在含鹽量和堿度較大的水體中正常生長(zhǎng)[11]，其生長(zhǎng)和繁殖受到水位的顯著影響，當(dāng)高水位持續(xù)時(shí)間超過(guò)30 d時(shí)，物種存活率會(huì)顯著降低[12-13]。香蒲的適應(yīng)水位范圍較廣[14]，對(duì)受污水體中的COD、NH3-N及TP均具有一定的去除效果，但對(duì)TN的去除能力較低[15-17]。②沉水植物指金魚(yú)藻和狐尾藻、篦齒眼子菜。在北大港水庫(kù)，香蒲的生長(zhǎng)水深為0.8～1.2 m之間，此水深同時(shí)也較適宜沉水植物的生長(zhǎng)。因此，筆者探討了在北大港水庫(kù)當(dāng)?shù)卦型λ参锏幕A(chǔ)上引入沉水植物，研究其對(duì)水質(zhì)凈化效果的影響，最終優(yōu)選出水質(zhì)凈化效果的水生植物配置。

1 材料與方法

試驗(yàn)中使用的挺水植物香蒲，沉水植物篦齒眼子菜、金魚(yú)藻和狐尾藻均采自天津?yàn)I海新區(qū)。將采集到的沉水植物用潔凈自來(lái)水沖洗干凈，去除雜質(zhì)，用濾紙吸干，稱重。

試驗(yàn)用水采自北大港水庫(kù)(原水水質(zhì)見(jiàn)表1)。試驗(yàn)裝置采用5個(gè)玻璃水槽(600 mm×300 mm×360 mm，容積約60L)，分別編組為A、B、C、D、E 組。玻璃水槽底部鋪設(shè)約5 cm的細(xì)砂，以固定水生植物，并為水生植物提供扎根的基質(zhì)。

表1 原水水質(zhì)指標(biāo) mg/L

每個(gè)玻璃水槽中蓄水52 L，栽種總質(zhì)量為260 g的水生植物，試驗(yàn)設(shè)計(jì)組配如下:A組(香蒲+篦齒眼子菜)，B組(香蒲+金魚(yú)藻)，C組(香蒲+狐尾藻)，D組(單種香蒲)，E組(空白對(duì)照組)，見(jiàn)圖1所示。

試驗(yàn)開(kāi)始后，每隔一定時(shí)間取1次水樣進(jìn)行分析，分別監(jiān)測(cè) TN、TP、NH3-N、COD 和 DO 的質(zhì)量濃度，以及監(jiān)測(cè)挺水植物與不同的沉水植物組配對(duì)水體水質(zhì)的影響。水中pH 值、NH3-N、TN、TP、COD按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中提供的方法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

圖1 挺水植物與沉水植物組配試驗(yàn)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，單獨(dú)種植香蒲有利于水體中COD、TP、TN、NH3-N濃度的降低，并增加水體 DO濃度。而香蒲與沉水植物組配時(shí)，由于沉水植物全部生長(zhǎng)在水體中，形成生物膜的比表面積較大，因此有利于水體中有機(jī)物降解和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收轉(zhuǎn)化。特別是香蒲與狐尾藻、香蒲與金魚(yú)藻組配，可以大幅度提高COD去除率。然而，由于不同沉水植物形態(tài)及利用N、P的能力不同，香蒲與不同沉水植物組配時(shí)對(duì)COD、N、P的去除效果不同。

2.1 對(duì)水體COD的去除效果

COD濃度是表征水體有機(jī)物多少的指標(biāo)，其濃度值越大，說(shuō)明水體被有機(jī)污染物污染的程度越深，不同水生植物組配對(duì)水體COD濃度的影響結(jié)果如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，空白組COD濃度高于初始值;相比于空白組，D組中的COD濃度有所降低，說(shuō)明單一種植香蒲對(duì)COD具有一定的去除能力，但去除率僅為2.84%;而香蒲與沉水植物組配時(shí)，水體中的COD濃度值大幅度降低。A組、B組、C組的去除率分別為5.68%、30.4%、24.1%，比D組分別提高了2.84%、27.6%、21.3%，由此看出沉水植物的加入對(duì)水體有機(jī)物有明顯的去除作用，香蒲與沉水植物組配可以提高對(duì)水體凈化的能力，在增加水生態(tài)環(huán)境多樣性的同時(shí)改善水體的水質(zhì)狀況。由于狐尾藻、金魚(yú)藻和篦齒眼子菜的生長(zhǎng)特征和形態(tài)不一樣，對(duì)有機(jī)物的降解能力也不一樣，所以對(duì)水體有機(jī)物的去除效果不同，與香蒲組配時(shí)，對(duì)水體COD值有不同程度的影響，其中B組是去除COD的最佳組配方式。

圖2 挺水植物與沉水植物各種組配對(duì)水體COD的影響

2.2 對(duì)水體TP、TN、NH3-N的去除效果

試驗(yàn)水體中TP、TN、NH3-N的質(zhì)量濃度變化如圖3所示，除了空白組N、P濃度變化幅度較小外，其他4組水體中N、P質(zhì)量濃度均明顯降低。

圖3 挺水植物與沉水植物組配對(duì)水體TN、TP以及NH3-N質(zhì)量濃度的影響

a.對(duì)TP的影響如圖3(a)所示。有水生植物反應(yīng)器中的TP濃度明顯低于空白組，且去除率均在60%以上。說(shuō)明各組配所選對(duì)水體TP的影響很大，能夠有效吸收、利用或轉(zhuǎn)化TP，降低濃度。有水生植物存在的反應(yīng)器中，TP的去除率分別為:A組(83.9%)＞B組(65.7%)＞D組(63.4%)＞C組(62.1%)，即香蒲和篦齒眼子菜組配對(duì)TP的去除效果最好，相對(duì)于香蒲單獨(dú)作用于水體時(shí)，去除率提高了20%，A組是提高水體TP去除能力的最佳組配方式。

b.對(duì)TN的影響如圖3(b)所示。有水生植物的反應(yīng)器中的TN濃度均低于空白組，TN的去除率分別為:B組(93.3%)＞A組(87.9%)＞D組(72.5%)＞C組(64.4%)。試驗(yàn)結(jié)果表明，香蒲與篦齒眼子菜或金魚(yú)藻組配時(shí)，對(duì)水體中TN的去除效果有不同程度的提高，尤其是香蒲與金魚(yú)藻組配，相比于香蒲單獨(dú)作用與水體時(shí)，水體中TN去除率提高了近21%。

c.對(duì)NH3-N的影響如圖3(c)所示。各組配水體中的NH3-N濃度均比空白組的濃度低。A組、C組對(duì)NH3-N的去除效果相對(duì)較好，去除率分別為62.1%、61.9%，比空白組(32.5%)、B 組(46.3%)、D組(57.5%)的去除率都要高。

從各組配對(duì)水體中TN、NH3-N的影響分析可以看出，香蒲分別與狐尾藻、金魚(yú)藻、篦齒眼子菜組配時(shí)對(duì)水體TN的去除效果更好。由于水生植物對(duì)氮元素的吸收利用情況與氮存在的形態(tài)有關(guān)，所以同一試驗(yàn)組配對(duì)TN和NH3-N的影響程度不一定呈正相關(guān)，如香蒲與金魚(yú)藻組配(B組)對(duì)TN的去除效果是最好的，但對(duì)NH3-N的去除率遠(yuǎn)低于其他組配。

2.3 對(duì)水體DO的影響

挺水植物和沉水植物對(duì)水體DO濃度的影響是通過(guò)新陳代謝完成的。植物通過(guò)光合作用和呼吸作用共同完成對(duì)水體理化性質(zhì)的影響。香蒲與狐尾藻、金魚(yú)藻、篦齒眼子菜的組配種植通過(guò)光合作用對(duì)水體產(chǎn)氧，另外植物的呼吸作用和殘?bào)w的分解又消耗水體中的DO。在適宜植物生長(zhǎng)的水體中，產(chǎn)氧量大于耗氧量。試驗(yàn)期間，有水生植物種植的反應(yīng)器中DO濃度均高于空白組(圖4)。由于挺水植物和沉水植物的光合作用受到光照強(qiáng)度的影響，呼吸作用受到植物體新陳代謝和外界環(huán)境因子如溫度等的影響，當(dāng)光照充足時(shí)，光合作用大于呼吸作用，即水體富氧，當(dāng)光照較弱時(shí)，耗氧量大于產(chǎn)氧量，水體虧氧，所以水體中的DO濃度并不持續(xù)增加。另外，不同溫度下水體中DO濃度的飽和值不同，當(dāng)DO濃度達(dá)到當(dāng)時(shí)溫度的飽和值后會(huì)降低，所以水體中的DO濃度并不處于一個(gè)穩(wěn)定值，而只是一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

圖4 挺水植物和沉水植物組配對(duì)水體DO質(zhì)量濃度的影響

表征水體DO的恢復(fù)能力可以通過(guò)DO濃度的增加量來(lái)分析。從圖4中可以看出，水體中DO濃度呈周期變化現(xiàn)象，初期逐漸上升，之后略有下降，然后再次呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與前面的分析相一致。試驗(yàn)期間各實(shí)驗(yàn)組的平均DO值依次為:B組(10.6mg/L)＞D組(10.4mg/L)＞A組(9.0 mg/L)＞C組(9.6 mg/L)＞E組(8.4 mg/L)，說(shuō)明香蒲與金魚(yú)藻組配的DO恢復(fù)能力最強(qiáng)。由于水體DO濃度存在一定的周期性，所以可以用試驗(yàn)期間所測(cè)DO值的平均值來(lái)表征各組配對(duì)水體DO的影響狀況。由于植物的光合作用，增加沉水植物水體中的DO將會(huì)增加，但是由于沉水植物表面會(huì)附著大量的微生物，這些微生物可以較好地提高水體凈化效果，但與此同時(shí)也會(huì)消耗一部分DO，因此，本試驗(yàn)中香蒲與其他沉水植物組配時(shí)，DO并無(wú)明顯提高。

2.4 對(duì)水體pH值的影響

水生植物改變水體pH值主要是由植物的生命活動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。香蒲和狐尾藻、金魚(yú)藻、篦齒眼子菜組配種植，通過(guò)光合作用促進(jìn)水體碳循環(huán)，使水體pH值增大。由圖5可知，短時(shí)間內(nèi)空白組水體pH值基本穩(wěn)定，A組、B組、C組在短時(shí)間內(nèi)使水體pH值上升，而只有D組其pH值下降，說(shuō)明單一種植香蒲的光合作用較弱，而沉水植物篦齒眼子菜、金魚(yú)藻、狐尾藻等植株體全部沒(méi)在水中，恢復(fù)較快，光合作用強(qiáng)于呼吸作用，對(duì)水體pH值影響較大。但在試驗(yàn)后期，各試驗(yàn)組水體的pH值均有一定幅度的上升，仍是空白組最低，可以發(fā)現(xiàn)，水體pH值可能還受到其他外界條件的影響。pH值的變化規(guī)律與DO值的變化趨勢(shì)具有一定的相關(guān)性，均與植物的生命活動(dòng)息息相關(guān)。

有研究表明，水體pH值上升可以促進(jìn)沉水植物對(duì) TN、NH3-N 的去除效果[18]，與圖3(b)(c)結(jié)合，可以驗(yàn)證這一結(jié)論。由此看出，水體的水質(zhì)狀況并不是與各影響因子之間的簡(jiǎn)單線性復(fù)合關(guān)系，各影響因子之間還存在著相互關(guān)聯(lián)和耦合，所以需要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.5 對(duì)水質(zhì)綜合影響的評(píng)價(jià)

2.5.1 不同組配下的水質(zhì)演化模擬

圖5 挺水植物和沉水植物組配對(duì)水體pH值的影響

水體是一個(gè)多元的復(fù)雜系統(tǒng)，影響水質(zhì)評(píng)價(jià)的因素具有很多不確定性，水質(zhì)與評(píng)價(jià)因子及各評(píng)價(jià)因子之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系，所以筆者以最大流原理[19-20]為基礎(chǔ)，借鑒已有的水質(zhì)評(píng)價(jià)動(dòng)力學(xué)模型[21]，并借助Matlab平臺(tái)利用SOM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模擬，揭示水質(zhì)在各影響因子干擾下的自組織變化規(guī)律。

選取COD、DO、pH、TP、TN、NH3-N 這6個(gè)指標(biāo)為水質(zhì)評(píng)價(jià)因子，即共6個(gè)組元，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并歸一化，得到如表2所示結(jié)果。

表2 水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化數(shù)據(jù)

借助Matlab平臺(tái)，將歸一化數(shù)據(jù)代入SOM網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分析，采取3×2競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)格數(shù)，400步人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，可得到不同組配植物水體的水質(zhì)特征ξ值，水質(zhì)演化模擬結(jié)果如圖6。

圖6 不同植物組配下水體水質(zhì)演化模擬

2.5.2 模擬演化分析

圖6是水體系統(tǒng)內(nèi)部各組元之間不斷地進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)、協(xié)作和自組織的模擬演化過(guò)程，是各組元(指標(biāo))相互作用的結(jié)果。演化前期ξ值波動(dòng)較大，說(shuō)明水體可呈現(xiàn)出來(lái)的水質(zhì)模式有多種，隨著步數(shù)的增加，ξ值基本穩(wěn)定，系統(tǒng)呈現(xiàn)的模式逐漸穩(wěn)定，最終在內(nèi)外環(huán)境約束下保持了客觀反映水質(zhì)狀況的主導(dǎo)模式，這表明水體的各組元相互作用中遵循最大流原理達(dá)到了基本穩(wěn)定的狀態(tài)。所以，穩(wěn)定后的ξ值是水體水質(zhì)在各組元相互耦合的作用和關(guān)聯(lián)下最終呈現(xiàn)出來(lái)的水質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)值，可以代表試驗(yàn)水體的水質(zhì)情況，ξ1～ξ5依次表征 A、B、C、D、E 組配組水體的水質(zhì)表現(xiàn)值，案例中ξ值越大，說(shuō)明水質(zhì)情況越好。

表征挺水植物香蒲與不同沉水植物組配的試驗(yàn)水體水質(zhì)情況的ξ值分別如下:ξ1=9.145，ξ2=10.109，ξ3=5.457，ξ4=5.197，ξ5=3.171。

可以看出，ξ1、ξ2值較大，說(shuō)明 A 組、B 組組配時(shí)，對(duì)水體的水質(zhì)影響較大，水質(zhì)改善效果較好。ξ2值最大，說(shuō)明香蒲和金魚(yú)藻組配的水質(zhì)綜合情況最好。從單因子分析的結(jié)果來(lái)看，A組對(duì)NH3-N、TP的去除效果最明顯，B組對(duì)TN、COD的去除更有效，所以選擇適合北大港水庫(kù)水體環(huán)境生長(zhǎng)和繁殖，并能提高北大港水庫(kù)水質(zhì)的沉水植物，還要根據(jù)水體污染情況而定。若區(qū)域內(nèi)磷含量較高，可引進(jìn)篦齒眼子菜與香蒲組配，若有機(jī)物污染嚴(yán)重，則可引進(jìn)金魚(yú)藻與香蒲組配。

3 結(jié)論

挺水植物和沉水植物組配可以不同程度上改善水體的水質(zhì)狀況，增強(qiáng)水體的自我凈化能力，改善水生態(tài)環(huán)境。其中，香蒲與篦齒眼子菜組配對(duì)NH3-N、TP的去除效果最為明顯，香蒲與金魚(yú)藻組配對(duì)TN、COD的去除最有效，兩種組配方式對(duì)水體水質(zhì)的影響較為明顯，能一定程度上改善水體的水質(zhì)情況。香蒲是北大港水庫(kù)當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢(shì)種，在正常生長(zhǎng)的水位范圍內(nèi)比蘆葦種植相對(duì)較廣泛，沉水植物篦齒眼子菜和金魚(yú)藻是耐鹽性植物，所以在北大港水庫(kù)香蒲生長(zhǎng)區(qū)域，可以考慮人為恢復(fù)篦齒眼子菜或金魚(yú)藻，以提高水庫(kù)的自我凈化能力，改善水庫(kù)的水生態(tài)環(huán)境。

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