混合浮床對南海湖濕地富營養化水體修復的作用

王志超, 王智超, 繆晨霄, 楊文煥, 于玲紅, 張明鈺， 宋嘉樂, 李衛平

(1.內蒙古科技大學 能源與環境學院, 內蒙古 包頭 014010; 2.包頭南海子濕地保護區管理處, 內蒙古 包頭 014010)

N，P營養鹽作為植物所需的基本元素，對植株的長勢起著決定性作用。但隨著其在地表水中濃度的不斷增加，由此帶來的水體富營養化問題也越發嚴重，這不僅會破水環境中生物的多樣性，還可能導致生態完整性的喪失，引起如藻類水華頻發、沉水植物消失、潛在毒素滋生等現象的發生[1]。因此對于富營養化水體的改善，根本途徑在于對水體N，P營養鹽的去除[2]。傳統的理化方法往往治標不治本，不僅成本高且易出現反復，而生態浮床不僅具有原位修復的特點，且造價低廉結構靈活，不產生二次污染。同時還具有污染擴散防治、修剪護岸、棲息地保護、水質凈化及景觀綠化等多種功能[3]。浮床對水質的凈化主要由浮床植物實現，而浮床植物則通過吸收水體中營養物質實現自身增長，其中一些植物在過量吸收氮養的同時，甚至可以降解水體中的有毒化學物質[4]。且隨植株生長，水下繁密的根系所分泌的生物粘附介質對水中污染物也可起到一定吸附作用，實現污染物與植物的結合并有效利用。同時這種粘附介質還可起到除水中懸浮顆粒(SS)的作用，提升水質并改善透明度[5]。對于依賴光合作用的藻類而言，漂浮于水面的生態浮床可形成一定的遮光效應，間接減少了藻類對于光源的獲取，且由于植物與藻類間對營養鹽存在競爭關系及化感作用，也進一步使藻類的生長得到抑制。目前，利用生態浮床技術防治水體富營養化在我國已取得了一定的成果。Chang Yuanhsiou等[6]研究了一種以太陽能板為曝氣能源的生態浮床對校園廢水的凈化效果；郭一鳴等[7]建立了一種新型生態浮床用于恢復沉水植物的生長并對水中營養鹽進行吸收；Wang Wenhuai等[8]以高密聚乙烯浮板為載體，研究了強化生態浮床對城市景觀水體的凈化效果。然而，但在目前眾多研究中，側重點更多偏向于新型組合浮床對小型封閉靜態水體污染物的去除效果，有關植株在自然開放水域的生長特性、植物交互作用對植株分蘗繁殖的影響及植株N，P累積量與生物量關系方面的研究仍少為報道。為此，本試驗從以上3個方面入手，在南海湖生態修復試驗工程中，通過單植物與混合植物兩種浮床體系的搭建，研究其對富營養化水體的凈化效能及水域環境改善能力，分析植物交互作用與水質凈化的關系，為后期南海湖規模化建設提供理論依據和經驗基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

南海湖(40°30′8″—40°33′32″N，109°59′2″—110°2′26″E)位于內蒙古包頭市東河區南側，屬半干旱中溫帶大陸性季風氣候。年平均降雨量不足400 mm，年蒸發量約2 300 mm，最冷1月平均氣溫-11.8 ℃，最熱7月平均氣溫22.9 ℃。整個湖體的形成源自于黃河改道，以黃河水、地下水及大氣降水作為主要補水來源，全年光照充足，光能與漁業資源豐富。同時由于保護區地處全球候鳥遷徙的重要途徑路線，也使其成為鳥類棲息的重要場所之一[9]。研究水域主要指標詳見表1。

表1 試驗水域水體指標

1.2 供試植物

浮床植物作為生態浮床中最為重要的組成部分，其選擇的合理性直接影響著浮床整體的凈化效果。目前可用于生態浮床的植物可大致分花卉類、蔬菜類、飼料類及水生植物類。而為作為浮床核心技術，植株本身也應具有無害化、易馴服、可水生、易維護等特點。考慮到試驗場地處于高原寒旱區，從每年11月份起進入為期長達5個月的冰封期，植物在自然環境下最佳生長日期多集中于6—9月間，且整體土壤環境及水質pH值均呈弱堿性。因此植物的易馴服性和本土性應作為植株選擇的首要因素[10]。通過文獻查閱[1-2]以及與當地多年從事植物種植和研究的相關人士進行溝通調研后，最終選取水蔥(Scirpusvalidus)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、風車草(Cyperusalternifolius)作為本試驗浮床植物供以研究。

1.3 生態浮床構建

試驗場地位于南海湖鳥類博物館西側，該區域游客稀少，人為干擾因素較低，同時為減少水體交換作用對凈化效果的干擾，提前采用防水布沿岸邊進行水體隔離，形成約600 m2的獨立水域。試驗采用0.3 m×0.3 m的正方形高密度聚乙烯空心塑料基盤作為浮床材料，各基盤用螺絲鏈接，每個基盤1個植物種植孔，種植密度為9株/m2，浮床總面積設計為64 m2，共分4組，每組16 m2，長、寬皆為4 m，平均覆蓋率11%。為研究植物交互作用對水質凈化效果的影響，試驗采用單植物種植與交叉混合種植兩種方式進行浮床搭建。前3組為單植物浮床，分別種植水蔥、千屈菜、風車草，第4組為混合植物浮床，按照3種植物1∶1∶1的方式進行種植，具體如圖1所示。

1.4 試驗方法

1.4.1 試驗植物 于7月初栽種，并于9月末進行收割，植物生長期間，每隔15 d對其生長狀況及浮床周邊水域TN，TP濃度變化進行采樣監測。在浮床四周距水面30 cm深處分別設置4各采樣點，各浮床整體數據以4組數據平均值為準。采樣時間設置為10：00—12：00。具體時間安排詳見表2。

注：A為水蔥； B為千屈菜； C為風車草。圖1 混合浮床每1 hm2面積的種植方式

表2 2019年7-9月植物及水質樣本采集時間

1.4.2 統計植物成活率，定期采集植物樣本進行分析測量 現場隨機抽取3株植物(包括莖葉與根部)洗凈后帶回實驗室，主要測試指標包括株高、分蘗數、鮮重、干重、植物體內氮磷含量等。首先用吸水紙將植物表面水分吸干測量鮮重，后將植物置于烘箱內在105 ℃下殺菌3 h，并于80 ℃烘至恒重，記錄植株干重。最后將烘干的植物粉碎過60目篩，經濃H2SO4-H2O2法消煮，定容檢測。具體方法詳見表3。

表3 浮床水域水質指標及植物體氮磷含量檢測方法

2 結果與分析

2.1 兩種浮床體系植物的生長特性

兩種體系浮床中3種植物單株分蘗數的變化如圖2所示。隨時間變化，植株的分蘗繁殖呈不同變化趨勢，由于植物對試驗區水體存在適應過程，3種植物分蘗情況整體呈前期緩慢中后期增快的現象。其中風車草、水蔥的分蘗過程比千屈菜更明顯，單株分蘗數相比千屈菜每整株多2～4株。從移栽前到8月初，各浮床體系植物長勢基本接近，但由于植物交互作用對內源激素分泌的影響，使得后期同種植物在不同浮床中的分蘗發育有所差異[11]。其中水蔥在8月間的分蘗最為迅速，至8月末單植物浮床整株分蘗數達18株，混合浮床分蘗數達20株。而至此之后到試驗結束前風車草則體現出了較強的繁殖能力，單植物浮床平均分蘗數26株，混合浮床達30株。

圖3顯示了各植物移栽前與收割后的生物量變化。從圖3可以看出，兩浮床體系植株生物量(鮮重)變化明顯，單植物浮床中水蔥、千屈菜、風車草整株生物量分別為移栽前的113，195和205倍，而混合浮床可分別達到127，221和233倍，直至收割后，混合浮床中水蔥和風車草整株生物量(鮮重)達1.43和1.98 kg/株，相比單植物浮床增量12.32%～15.16%。結果表明，混合浮床中同種植物的長勢要優于單植物浮床。因為4組浮床處于同一水域，影響植株分蘗繁殖的諸多因素中，如光照、溫度、種植密度及養分，其來源皆具有同源性，這種情況下植物內部激素的變化對分蘗的調控就占據了主導地位[12]。在植物生長過程中，細胞分裂素作為內部激素的主要成分，其分泌情況直接影響植株的生長態勢。又因為混合浮床中植物交互作用只能通過植株根細在水下進行，而細胞分裂素的主要合成場所又集中于植株根部，說明植物交互作用對細胞分裂素等植物激素的合成起到了一定的促進作用。同時細胞分裂素又可以增強植物對氮素的利用率[13-14]，間接增強了混合浮床植株的分蘗繁殖，因此相比之下混合浮床的植株生物量要高于單植物浮床。

圖2 單植物浮床與混合浮床中各植物分蘗數變化

圖3 栽植前后單植物與混合植物浮床各植物生物量對比

2.2 兩種浮床體系中植物體對N，P的吸收

兩種浮床系統中，植物N，P的吸收能力如圖4所示。通過顯著性檢驗分析，3種植物對于N，P的吸收能力均存在差異性，就N吸收能力而言，千屈菜與水蔥、風車草存在顯著關系(p<0.05)，而對P吸收能力而言，3種植物差異則更為明顯(p<0.05)，千屈菜的平均N，P吸收能力可達10.08和3.40 g/kg，分別為水蔥和風車草的1.54和2.26倍。而相比之下同種植物在兩種浮床系統中的單株N，P吸收能力則表現出相同水平(p>0.05)。結果表明，由混合栽種方式產生的交互作用無法干擾植物自身對N，P的吸收。原因是植物的生長狀況主要由遺傳因素、環境(外源)因素以及內源因素決定[15]，植物的形態及木質素合成皆由遺傳物質主導，并直接決定植物體營養鹽吸收飽和度，而植物間交互作用僅僅作為一種外源刺激因素，雖然可以間接影響植物內部激素分泌，但從根本上講卻無法改變3種植物自身的遺傳特性[16]，改變N，P吸收能力。結合圖5可知，盡管3種植物各自N，P吸收能力存在差異，但整株累積量卻呈現相反趨勢。不難看出，千屈菜由于物種優勢，對N，P營養鹽具有較高的吸收能力，但整株N，P累積量卻稍顯乏力，受分蘗數及自身條件限制，收割后千屈菜整株生物量僅為水蔥和風車草的67%和49%，表明各植物體N，P累積量差異仍主要來自于生物量的差異[17]。同時，混合浮床中各植株N，P累積量均高于單植物浮床，更加說明生物量對于植物體N，P累積的重要性。

表4數據顯示了各浮床體系N，P累積的具體情況。各浮床單位面積N，P吸收能力，可由植物收割后與栽植前體內N，P含量的差值，再結合種植密度及植物成活率求得。根據計算結果，單位面積N吸收均風車草浮床最高，達12.169 g/m2，混合植物浮床次之，為11.257 g/m2。單位面積P吸收量混合浮床最高達2.602 g/m2，千屈菜其次為2.473 g/m2。盡管風車草N吸收能力較強，但P吸收量僅2.063 g/m2，為各浮床最低。綜合考慮，混合浮床更適合作為南海湖富營養化水體修復的浮床形式推廣使用。

圖4 單植物浮床與混合植物浮床各植物N，P吸收能力對比

圖5 單植物浮床與混合植物浮床各植株N，P累積量對比表4 浮床植物收割后N，P累積量

植物名稱干重/(g/株)栽前栽后(單)栽后(混)N含量/(g/株)栽前栽后(單)栽后(混)N吸收量/(g/株)單一混合成活率/%N吸收量/(g·m-2)單一混合水蔥0.77150.72170.370.0271.2161.2921.1891.26592.79.919千屈菜1.21137.90155.130.0310.8900.9920.8590.96194.17.27411.257風車草1.15236.15272.480.0171.4041.6101.3771.59389.212.169植物名稱干重/(g/株)栽前栽后(單)栽后(混)P含量/(g/株)栽前栽后(單)栽后(混)P吸收/(g/株)單一混合成活率/%P吸收量/(g·m-2)單一混合水蔥0.77150.72170.370.0020.2810.3170.2790.31592.72.327千屈菜1.21137.90155.130.0030.2950.3300.2920.32794.12.4732.602風車草1.15236.15272.480.0020.2590.2300.2570.29889.22.063

2.3 兩種浮床體系對水體TN，TP的凈化效果

2.3.1 兩浮床體系對水體TN的凈化效果分析 試驗各浮床水體TN含量隨試驗天數的變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，初始階段，由于植株處于對試驗水域的適應期，故分蘗較為緩慢，各組浮床水體TN濃度變化不明顯。試驗15 d后，正直七月中旬，植物進入迅猛生長期，生物量變化顯著，水質凈化效率隨之提升，試驗15～60 d千屈菜分蘗繁殖表現出相對優勢，TN去除效率較高，但由此之后呈減緩態勢。相比而言，其他3組浮床TN濃度變化趨勢相近，其中風車草處理效果最好，而一開始除N較強的千屈菜則表現較差。試驗30～45 d，各個浮床水體TN去效率有所減緩，在這之后整體又呈升高趨勢，原因是浮床在水面上所形成的陰影區，長時間削減了藻類對于光源的獲取，不但使其生長得到限制，也使得部分藻類因體循環失效而死亡分解，原本被藻類吸收的氮素又被釋放回水體中[18]，此時又正值植株營養鹽最佳攝取階段。因此，雖然TN去除效率相對降低，但整體去除效果仍呈升高趨勢。到九月中旬即試驗持續75 d后進入秋季，各植株對氮素的吸收相繼進入飽和階段，植物根系對營養物質的黏附作用有所削減，此時水體中TN的去除已由植物吸收逐漸向微生物吸附降解轉化[19]，加之受溫度影響，植物生長速率、微生物數量及活躍程度均有所下降，因此各浮床水體TN濃度變化速率逐漸變緩[20]。

注：風+水+千表示水蔥、千屈菜、風車草這3種植物的混合植物浮床；去風表示風車草植物浮床的TN去除率，去混表示混合植物浮床的TN去除率，去水表示水蔥植物浮床的TN去除率，去千表示千屈菜植物浮床的TN去除率。下同。

圖6 兩種浮床體系水體TN含量變化

由于表5數據可知，至試驗第90 d，4組浮床對水體中的氮素均具有較好的消減作用。去除效果最好的風車草浮床，水體TN濃度從2.78 mg/L下降到1.81 mg/L，去除率達到34.9%。其次是混合浮床和水蔥，質量度分別下降至1.94和1.98 mg/L，去除率分別為33.1%和28.0%。

表5 各浮床對水體TN的去除效果

2.3.2 兩種浮床對水體TP的凈化效果 兩種浮床體系對水體中TP去除效果如圖7所示。各浮床對水體TP去除速率隨時間變化均呈現慢→快→慢的變化趨勢，試驗35～75 d，由于物種自身優勢，千屈菜在TP去除效率上明顯優于其他植物。受其影響，混合浮床TP去除速率也隨之加快。在此期間，伴隨各植株的迅猛生長，植物根細越發繁密，依附于根系的微生物得以大量繁殖，這也為聚磷菌的生長創造了良好環境[21-22]，同時植株光合作用產生的部分氧氣也借助植物根系釋放到水中，形成了一定的氧化太微環境，促進了聚磷菌對水體中P的超量吸收[23]。加之溫度和光照強度等因素的協同作用，使得此階段各浮床TP濃度明顯降低。而此后雖然生物量仍在增長，但隨溫度的降低，微生物活性的減弱，且各植株對N，P的吸收近乎處于飽和狀態，因此TP去除率變化趨勢也相對平緩。到試驗結束時，由于各植株生長規律不同，對營養鹽需求量、自身飽和程度，根部聚磷菌數量及活性均存在差異，使得浮床整體TP去除總量各有不同。

圖7 兩種浮床體系水體TP含量變化

由表6可知，4組浮床中混合浮床對水體TP的去除能力最強，質量濃度由0.149 ml/L下降到0.084 ml/L，去除率達43.3%。水蔥、千屈菜、風車草浮床水體TP質量濃度分別下降到0.096，0.092和0.102 mg/L，去除率按順序依次為：千屈菜(38.2%)>水蔥(35.5%)>風車草(33.4%)。

表6 各浮床對水體TP的去除效果

2.4 不同植物分蘗數與TN，TP去除率相關性

本研究對不同植物不同時期的分蘗數和TN，TP去除率進行相關性分析。結果表明，對于N的去除而言，同一時期植物分蘗數與浮床對水體TN的去除率在0.99置信度下的相關系數可達到0.950，說明兩者相關性顯著，其曲線擬合結果如圖8所示；對于P的去除而言，分蘗數與浮床對水體TP去除率在0.99置信度下的相關性為0.918，表明植物分蘗數與TP的去除率同樣呈現顯著相關關系，兩者曲線擬合結果如圖8所示。由相關性分析結果可知，植物分蘗數與其所對應的浮床對水體TN，TP去除效果存在必然聯系，即在交互作用影響下，植物分蘗繁殖得以間接增強，同等條件下整株植物生物量隨之增高，盡管各植物對N，P的吸收能力存在差異，但植物體本身對N，P營養鹽的累積量仍由其自身生物量決定[24]，在同一水域環境前提下，由于植物對N，P吸收的增加，使得水體TN，TP濃度隨之下降。相關性分析結果與植物體內氮磷累積量差異主要來自于生物量差異的結論是相吻合的。其相互關系可簡單表示為：

交互作用→分蘗繁殖增加→生物量升高→植物體N,P累積增加→水體TN，TP濃度降低→富營養化程度減輕。

圖8 植物分蘗數與水體TN，TP去除率曲線擬合關系

3 結 論

(1)試驗所選3種植物對南海湖水體均具有一定耐受性，皆可作為南海湖生態工程備選植物。

(2) 試驗結束時，混合浮床中水蔥、千屈菜及風車草的分蘗數分別為26，18和30株，相比單植物浮床每整株多2～4株；3種植物生物量(鮮重)分別達1.43，0.96和1.98 kg/株，相比單植物浮床增量12.32%～15.16%。

(3) N吸收方面風車草浮床最佳，達12.169 g/m2，P吸收方面則混合浮床最好，為2.602 g/m2，從整體上看混合浮床對N，P的吸收仍相對全面，分別為11.257和2.602 g/m2。

(4) 各植物浮床對水體N，P去除率依次為TN：風車草(34.9%)>混合浮床(33.1%)>水蔥(28.0%)>千屈菜(25.6%)；TP：混合浮床(43.3%)>千屈菜(38.2%)>水蔥(35.5%)>風車草(33.4%)。