不同覆蓋度水葫蘆對藻類水華的抑制效應研究

洪昌紅，曾燁翀，邱 靜，周銘浩，張之琳

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東 廣州 510635)

水葫蘆又稱鳳眼蓮，是久雨花科鳳眼蓮屬多年生漂浮草本植物。由于水葫蘆繁殖能力強和適應性強，其大量繁殖會給航運、漁業、水利等帶來嚴重危害，尤其是在南方豐水地區引起了一系列的生態環境和經濟社會問題，被列為全世界危害最大的十種雜草之一[1-3]。水葫蘆對于水生態系統是一把雙刃劍，控制得當則可以營造一個良好的生態環境，控制不當則會對當地生態產生負面影響。目前，國內外關于水葫蘆的利弊評價研究，主要集中在富營養化水體治理和水動力條件影響等方面[4-7]，關于水葫蘆對藻類水華聚集的抑制作用研究處于起步階段，主要集中于水葫蘆不同部位分泌的化感物質對不同藻類抑制機理方面的研究[8-11]。隨著近年來河長制實行“五清”行動，水葫蘆大面積漂浮的問題得到有效控制，但不科學的水葫蘆清理易于造成湖庫藻類水華的爆發，產生了清漂后的次生生態風險，而關于不同覆蓋度的水葫蘆對富營養化水體藻類控制的研究較少，且具有較強的現實需求。本研究從水葫蘆對藻類的氮磷營養鹽競爭效應出發，研究水葫蘆不同覆蓋度下的藻類控制效果，為河湖水葫蘆科學清理及水資源保護提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水葫蘆采自飛來峽庫區，采集質量和體積相似的幼苗，帶回實驗室培養。銅綠微囊藻選購自中國科學院淡水藻種庫，用BG-11培養基，先在距40 W燈2 m條件下弱光培養，待藻類繁殖變快時再加1盞燈提升光強進行培養。

1.2 實驗設計

1.2.1不同水葫蘆覆蓋度的氮磷營養鹽吸收實驗

氮和磷是生物所需的營養物質，其過量的存在會使水體富營養化，引起藻類及其他浮游植物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水體惡化，魚類及其他生物大量死亡等現象。水葫蘆作為高等水生植物，其生長過程中對氮、磷營養鹽有富集并吸收的作用，是生物修復技術中凈化水質的理想植物。為了考察不同覆蓋度水葫蘆對富營養化水體中的氮磷吸收效果，在廣東省水利試驗基地砌筑4個3 m(長)×3 m(寬)×1.5 m(高)的蓄水池，4個水池中注入相同氮、磷營養鹽含量的禽畜養殖池塘原水(總氮12 mg/L，氨氮2.5 mg/L，總磷2.4 mg/L)。1#水池未種植水葫蘆，為空白對照池；2#～4#水池分別種植覆蓋面積為25%、50%和75%的成長期水葫蘆，觀察無競爭關系富營養水質條件下水葫蘆的生長情況。

1.2.2水葫蘆腐爛浸泡氮磷營養鹽釋放實驗

為了考察水葫蘆生長末期枯葉腐爛或其自身代謝對水體水質的影響，在室外設置2個空桶，每個桶中分別僅放入相同質量成熟期的水葫蘆，并以清水培養，每天用蒸餾水將桶內水補至固定水位，隔1 d測1次水中總氮和總磷的含量以及稱量1次水葫蘆的鮮重。

1.2.3不同水葫蘆覆蓋度的藻類抑制實驗

銅綠微囊藻是一種典型的藍藻，廣泛分布于中國的河流與湖泊中，繁殖與營養豐富的水體中，有強烈的肝毒性，是實驗藻類的理想品種。將實驗室培養的銅綠微囊藻均勻的投入4個培養池中，適量地調整營養鹽比例，促進藻類生長發育。在藻類繁殖到200 cell/mL后，分別放入水葫蘆使其覆蓋度分別達到0、10%、20%、30%(池體標號分別為1′#～4′#)，每日測量其680 nm處吸光度(OD680)，估算藻密度以及測量其溶解氧含量。

1.3 樣品采集與檢測

每天取水樣測定總磷、總氮、氨氮、溶解氧和藻類濃度，取樣每個實驗水池按照四分法取4個水樣，每個點取200 mL后進行均勻混合。水葫蘆鮮重稱量使用電子天平，將水葫蘆拎起瀝去表面水分后再放到天平上測定。總氮測量使用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，總磷測量使用鉬銻抗分光光度法，氨氮測量采用納氏試劑光度法，溶解氧的測量使用哈希便攜式溶解氧測定儀，藻類濃度采用顯微鏡血球計數板計數法和OD680法結合取值。

經檢測，本次實驗藻類濃度用與680 nm處吸光度具有良好的線性關系(見圖1)；用下式表示為：

圖1 藻濃度與680nm處吸光度的線性相關性示意

y=15.059x+0.017

(1)

其中y為680 nm吸光度；x為藻類濃度(106cell/mL)。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋度的水葫蘆對水體氮磷的影響

不同覆蓋度條件下水葫蘆對水體氨氮和磷酸鹽的吸收凈化能力見圖2和圖3所示。由氨氮與磷酸鹽的變化趨勢可知，4個水葫蘆覆蓋度不同的實驗池中，水體的氨氮和磷酸鹽在實驗周期內均有不同程度的下降。其中，氨氮濃度下降的最為明顯，隨著水葫蘆覆蓋面積的提升，氨氮含量下降的速度會明顯增加。無水葫蘆的對照池中氨氮自然氧化降解所需時間為17 d，水葫蘆覆蓋度為25%、50%和75%的實驗池中氨氮基本完全降解的時間分別縮短為15 d、13 d和11 d，即水葫蘆的覆蓋面積和氨氮的消耗速度呈良好的正相關性。在實驗第11 d，1#～4#水池中氨氮的去除率分別為58%、76%、94%、100%，扣除氨氮的自然降解率以外，25%、50%和75%水葫蘆覆蓋度的水體中氨氮降解率分別增加18%、36%和42%。此外，水葫蘆在50%和75%的覆蓋度下處理氨氮效果接近而前者單株水葫蘆處理效率更佳。

圖2 不同水葫蘆覆蓋度的水體氨氮變化趨勢示意

圖3 不同水葫蘆覆蓋度的水體總磷變化趨勢示意

1#～4#水池中磷酸鹽14 d后的去除率分別為21%、24%、32%、29%。水葫蘆覆蓋度為50%的池子中磷酸鹽處理效果最好，其次為水葫蘆覆蓋度為75%的池子。

雖然水葫蘆對富營養化水體具有較強的凈化作用，但成熟期至衰敗期的水葫蘆凋謝物在水體中浸泡腐爛會影響水體水質。成熟期葫蘆清水浸泡后，水體中總氮與磷酸鹽的變化趨勢見圖4。通過對水質進行為期1個月的監測可知，隨著時間的推移，清水中的總氮和磷酸鹽含量會緩慢地上升，且總氮含量的上升幅度要明顯高于磷酸鹽。至實驗1個月后，水葫蘆釋放的總氮濃度接近3 mg/L，磷酸鹽濃度接近1 mg/L。營養鹽濃度上升的主要原因是水葫蘆開始腐敗，其過程會釋放一定的營養鹽所致。此外，隨著成熟期水葫蘆覆蓋度的增加，水葫蘆腐敗浸泡釋放的營養鹽會過度消耗水體溶解氧，會造成水體氮磷濃度快速上升，導致水體水質惡化。因此，水葫蘆的清理需要根據成長周期制定計劃，優先打撈衰敗期的水葫蘆，避免對水質產生不良影響。

圖4 清水浸泡實驗中水中氮、磷隨時間推移的變化示意

2.2 不同覆蓋度的水葫蘆對藻類的抑制作用

1′#～4′#池體中銅綠微囊藻的變化趨勢見圖5所示。實驗周期內，無水葫蘆的對照組(1′#水池)中適量的氮磷營養鹽為藻類生長提供了基礎條件，藻類濃度表現出明顯的生長趨勢，在實驗至第9天內濃度增加了23%。有水葫蘆的2′#～4′#水池中的藻類濃度快速下降，說明水葫蘆的存在對水體中銅綠微囊藻的生長產生了明顯的抑制作用，且水葫蘆的抑藻效果與覆蓋度成正相關性。2′#水池(10%覆蓋度)達到抑制平衡的時間約為11 d左右，藻類濃度下降了50%；3′#(20%覆蓋度)和4′#(30%水覆蓋度)水池中的藻類抑制達到基本平衡的時間約為5 d左右，藻類濃度分別下降了48%和52%。從不同覆蓋度的抑藻效果分析，水葫蘆覆蓋度為20%和30%的池子藻類數量及變化趨勢基本接近，但要優于10%覆蓋度水池的效果，說明20%的覆蓋度水葫蘆對于富營養化水體藻類抑制能起到較好的作用。

圖5 不同水葫蘆覆蓋度的藻類變化趨勢示意

3 討論

富營養化水體中藻類的生長受到營養鹽、水溫、光照、水動力多種環境因子以及競爭物種等的綜合作用影響，缺少必要的條件往往難以大面積爆發。水葫蘆對藻類的抑制回通過對營養鹽的競爭性吸收作用、其根系的吸附作用以及釋放分泌物的化感作用等達到抑制效果。生長期的水葫蘆投放能夠吸收水體中的氮磷營養鹽，加快水體富營養化修復進程，在此過程中水葫蘆與藻類形成了競爭效應，水葫蘆對營養鹽的競爭性吸收影響了藻類對營養鹽的需求關系，從而起到了抑制藻類過度生長的作用。本次實驗研究表明，水葫蘆在富營養化水體中，具有明顯吸收降解營養鹽的作用，對修復受損水體水質具有積極的作用[12]。而且在營養鹽充足的水體中，氮磷營養鹽的去除率與水面水葫蘆的覆蓋度成顯著的正相關性[13]，這與生長期水葫蘆的生物量大小有關。從不同覆蓋度的實驗對比結果可知，水葫蘆生物量的增加可以有效加速氮磷的降解速率，且富營養化水體保持50%左右覆蓋度的水葫蘆，即可以起到較好的水體修復作用。

其次，水葫蘆的根系發達、比表面積大，對水體中的浮游藻類具有較強的吸附能力[8]。此外，鳳眼蓮根系中存在的多種化感物質，如N-苯-基-2-萘胺、亞油酸、亞油酸甘油脂、壬酸和丙酰胺等，會對銅綠微囊藻的超歧化物氧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)的活性有著顯著影響[9-11]。因此，水葫蘆對藍藻生長的抑制效應是營養鹽競爭、根系吸附和分泌物化感等的綜合作用。

然而，衰敗期水葫蘆不可避免的會發生枝葉腐敗的現象，這一現象會向水中釋放出氮磷營養鹽，且釋放的量往往大于其在水體吸收處理的量，這也是水葫蘆在泛濫地區水質會惡化的原因之一[14-15]。因此，水葫蘆在自然水體中是一把“雙刃劍”，控制得當可以起到修復受損水體的作用，但無序的生長會造成水生態環境惡化的反作用。在藻類易于大面積爆發的季節，富營養化較為嚴重的小型水庫和湖泊，應慎重全面清理水葫蘆，保留20%左右覆蓋度的水葫蘆，有利于控制藻類大面積爆發。

4 結語

1) 水葫蘆在富營養化水體中，與藻類的營養鹽競爭、根系吸附和化感效應等綜合作用，可以抑制水體藻類的生長。在藻類易于爆發的季節和水域，控制一定覆蓋度的水葫蘆可以起到抑制藻類大面積爆發的效果。

2) 從水葫蘆覆蓋度的抑藻效果來看，20%左右覆蓋度的水葫蘆能夠較好地控制藻類生長，過高覆蓋度的水葫蘆不僅難以控制，而且枝葉的腐敗會引起水質的惡化，導致水體富營養化水平的上升。