3種沉水植物凈化引黃灌區退水的應用潛力

韓 冰，陳融旭，梁 帥，田世民

（1.黃河水利科學研究院，鄭州450003；2.河南省農村水環境治理工程技術研究中心，鄭州450003；3.河南省黃河流域生態環境保護與修復重點實驗室，鄭州450003）

0 引言

黃河流域是我國重要的現代農業生產基地，黃河流域及下游引黃灌區目前有大型灌區84 處，中型灌區663 處，灌溉面積達840 萬hm2，糧食產量約占全國總產量的1/3［1］。伴隨著現代農業的快速發展，化肥、農藥的大量使用使得引黃灌區農業面源污染負荷居高不下，河湖水質受到嚴重影響。據報道，在黃河流域三大糧食主產區，河套灌區總排干［2］、汾渭平原汾河和渭河［3］、黃淮海平原大汶河［4］等河流水體農業面源污染均呈逐年加劇趨勢，并在未來一段時間內仍將保持較高負荷［5］。農業面源污染主要通過雨水沖刷、灌溉退水、水產養殖等途徑向受納水體輸移，具有間歇性、突發性、復雜性等特點，因而成為黃河流域水污染防治面臨的重點和難點［6］。

實踐證明，濕地系統是黃河流域農業面源污染治理的有效途徑。在河套灌區，烏梁素海作為排水系統的重要一環，其濕地植物系統對于降低農田退水的污染負荷起到了重要的作用，極大地緩解了農業面源污染對黃河干流水質的影響［7］。近兩年來，水系連通及農村水系綜合整治建設、水系連通及水美鄉村建設試點等工作陸續開展，為基于輸移過程攔截和原位治理的農業面源污染分布式濕地系統的構建提供了機遇。為此，本文通過現場調查、室內試驗和文獻綜述等手段，對黃河流域3種優勢沉水植物的生境特征、氮磷去除能力、環境適應能力進行了分析，綜合評價了其在引黃灌區退水凈化方面的推廣應用潛力，以期為黃河流域農業面源污染治理提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 野外調查

調查區域為烏梁素海的明水區，調查時間為2020年9月份，主要調查內容有水體理化指標和主要污染物指標、底泥主要污染物指標、沉水植物分布和多度等。

（1）調查點位設置。參考自然資源部發布的2020 版30 米全球地表覆蓋數據，沿總排干溝口至烏梁素海南部退水渠之間的明水區布設調查點位，點位分布見圖1。

圖1 野外調查點位分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites

（2）樣品采集和處理。利用采水器采集各點位水面以下50 cm 處水樣，盛入500 mL 的聚乙烯瓶中，加入硫酸調節pH 值至1～2，用于水體總氮、總磷、氨氮和葉綠素a 的測定；利用彼得遜采泥器采集各點位表層底泥，將50 g 底泥樣品置于自封袋中保存，用于全氮、全磷和有機質的測定。

（3）指標的測定。利用便攜式水質分析儀（YSI，美國）現場測定調查點位水溫、pH值、溶解氧、氧化還原電位和電導率等水體理化指標；利用測深桿現場測量水深，利用塞氏盤測定水體透明度；水體總氮、總磷、氨氮和葉綠素a 的測定分別參照《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ636-2012）、《水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》（GB 11893-89）、《水質氨氮的測定納氏試劑分光光度法》（HJ 535-2009）和《水質葉綠素a的測定分光光度法》（HJ897-2017）；底泥全氮、全磷和有機質的測定分別參照《土壤全氮的測定凱氏法HJ 717-2014》、《土壤總磷的測定堿熔－鉬銻抗分光光度法HJ 632-2011》和《土壤環境監測分析方法》生態環境部（2019年）3.1.9重鉻酸鉀容量法。

1.2 室內試驗設計

（1）試驗材料選取。根據文獻整理和現場調研結果，篦齒眼子菜、金魚藻、穗花狐尾藻不僅是烏梁素海主要沉水植物，也是黃河流域的優勢沉水植物，因此，選取這3種沉水植物作為研究對象開展室內試驗。

（2）試驗裝置與條件。試驗采用容積約100 L 的PP 材質水箱（600 mm×450 mm×350 mm），底部鋪設厚7 cm的種植土，上覆水25 cm，暴曬3天后用于測定水體總氮、總磷和氨氮的本底值。參照以往研究中烏梁素海9-10月份水質數據范圍，設置低污染（2）和高污染（8）兩組處理組，每組設空白（CK）、篦齒眼子菜（PP）、金魚藻（CD）和穗花狐尾藻（MS）各3 個平行處理。其中，低污染組總氮2 mg/L、氨氮1.6 mg/L、總磷0.1 mg/L；高污染組總氮8 mg/L、氨氮6.4 mg/L、總磷0.4 mg/L。根據測定的本底值分別添加硝酸鉀（KNO3）、氯化銨（NH4Cl）和磷酸二氫鉀（KH2PO4）至設置濃度水平。放置3 天后，重復3 個指標的測定與營養鹽添加過程。將購置的篦齒眼子菜、穗花狐尾藻、金魚藻（產地：江蘇沭陽）清洗、整理后，選擇株高、生物量一致的健壯植株（篦齒眼子菜長約120 cm，穗花狐尾藻長約45 cm，金魚藻長約30 cm）按照60 株/箱的密度種植在水箱中。試驗時間為2020年10-11月份，周期為4周。

（3）樣品采集與處理。每次加藥7 d 后采集水樣200 mL 用于總氮、總磷和氨氮的測定；采集試驗初始、2 周和4 周后的沉水植物各10株用于植物生物量、全氮和全磷的測定。

（4）指標的測定。利用便攜式水質分析儀（YSI，美國）每天測定水箱中心點水下10 cm 處的水溫、pH、溶解氧和電導率；水體總氮、總磷和氨氮的測定方法同1.1節。

2 結果與討論

2.1 烏梁素海沉水植物分布特征

沉水植物是烏梁素海濕地的主要初級生產者之一，占據了80%以上的明水面區域［8］，在烏梁素海水體凈化方面發揮了重要的作用［9］。本次調查對9 個點位周邊的沉水植物物種進行了識別，并對其多度進行了分級，詳見表1。據報道，烏梁素海優勢沉水植物由1997年的篦齒眼子菜和穗花狐尾藻［10］演變為2009年左右的篦齒眼子菜、穗花狐尾藻、金魚藻和輪藻［9，11］，表現出沉水植物群落穩定性的提升。而本次調查發現篦齒眼子菜為絕對優勢種，表明近年來烏梁素海沉水植物群落結構呈現出單一化趨勢，群落穩定性降低。調查發現篦齒眼子菜、穗花狐尾藻、輪藻、金魚藻等4 種沉水植物。其中，篦齒眼子菜遍布各個采樣點，在靠近總排干溝口的一處明水區（4 號點位）有大量穗花狐尾藻與篦齒眼子菜相間分布，在該明水區及其南側的幾處明水區發現輪藻和金魚藻少量分布（3、6 和7 號點位），表明幾種沉水植物的分布呈現出一定的差異性，這往往與水深、透明度、水質、底泥污染等環境因素有關。

表1 烏梁素海沉水植物分布特征Tab.1 The distribution feature of submerged macrophytes in Wuliangsuhai Lake

2.2 烏梁素海沉水植物生境特征及關鍵影響因子

烏梁素海是典型的草型淺水湖泊，湖區水深大多不足1 m，最大水深2.5 m［8］。本次調查水深范圍0.5～1.8 m，其中，1、2、5和7號4個點位水深超過1 m，最高為1.8 m（2號點位），其余5個點位水深在0.45～0.8 m 之間。水體總氮、氨氮、總磷和葉綠素a含量分別為0.6～1.56、0.18～0.34、0.01～0.03 mg/L 和0.3～0.49 mg/m3，其中，總氮、氨氮和葉綠素a分布規律一致，呈現出由總排干溝口向外擴散降低的趨勢。以往研究表明，2006年和2016年的9-10月份總氮濃度范圍分別為1.5～7.9 和2.17～6.35 mg/L，總磷濃度范圍分別為0.19～0.21 和0.03～0.16 mg/L，濃度均呈由總排干溝口向南遞減趨勢。本次調查中氮磷污染分布規律與以往研究相一致，但水體總氮、總磷濃度明顯較低，表明調查期間烏梁素海水質較好。雖然有研究表明近些年烏梁素海水質總體上呈改善趨勢［12］，但季節性水質惡化仍是烏梁素海生態環境恢復面臨的主要挑戰［13］。

底泥是河流湖泊中沉水植物的附著基質，為植物的生長提供氮磷等營養物質，也往往是植物殘體腐敗后營養物質的歸趨。以往研究表明，底泥中氮磷濃度分布總體呈由北向南、由西向東遞減趨勢［14］，且烏梁素海底泥有機質與水生植物和藻類生長有很強的相關性［15］。本次調查中，表層底泥全氮、全磷和有機質含量范圍分別為0.4～9.47、0.4～1.04 和6.4～216 g/kg，其中，沉水植物分布較多的區域（5、6、7 和9 號點位）底泥全氮、全磷和有機質含量均較高，但與總排干入湖污染物的擴散方向無顯著的相關性，表明近幾年烏梁素海底泥污染物的主要來源可能由入湖污染向湖泊內源污染轉變。有研究表明，烏梁素海冬季植物大量沉降分解，冰封期底泥中氮的主要形式為殘渣態氮［16］，說明沉水植物殘體是底泥中氮和有機質的主要來源。而退水渠（1 號點位）和航道附近（3 和8 號點位）的底泥全氮和有機質含量較低，可能與這些區域實施的人工清淤工程將表層底泥清除有關［17］。另外，底泥全磷與水體總磷之間有較高的相關性。有研究表明，烏梁素海底泥中磷以無機磷的形態存在，空間分布主要受水動力條件和沉積環境的影響［18］。

為探究烏梁素海沉水植物分布的關鍵影響因子，利用典型相關分析（圖2）對沉水植物多度與環境因子間相關關系進行了分析。結果顯示，篦齒眼子菜的多度與水深、底泥全氮和有機質含量成正比，表明篦齒眼子菜對深水區的適應性較強，且其根系發達，底泥中較高的氮含量可以更好地促進其生長。金魚藻的多度與水體總磷濃度成正比，這是由于金魚藻無根，一般僅從水體吸收氮磷等營養物質。有研究表明，烏梁素海水體具有較高的氮磷比，磷是沉水植物和藻類生長的限制因子［19］。穗花狐尾藻的多度與底泥全磷含量相關性較高，表明其與金魚藻生長均受到磷的限制，不同的是穗花狐尾藻可通過根系從底泥吸收磷。輪藻的多度則與水體總氮、氨氮和總磷有較高相關性，表明輪藻主要從水中吸收營養。以上結果表明，影響烏梁素海幾種沉水植物分布的關鍵因子有所差異。其中，篦齒眼子菜受水深和底泥全氮影響較大，金魚藻和穗花狐尾藻分別受水體總磷和底泥全磷影響較大，而輪藻的關鍵影響因子是水體氮磷濃度。

圖2 基于沉水植物多度與環境因子的典型相關分析Fig.2 CCA based on the abundance of submerged macrophytes and environmental parameters

2.3 3種沉水植物的氮磷去除能力及其影響因素

近些年，國內外對于沉水植物的水體凈化效果研究很多，篦齒眼子菜、金魚藻、穗花狐尾藻等在水體污染物的去除方面各有其特點［20］。本研究分別將烏梁素海秋季氮磷污染水平的上限和下限作為引黃灌區典型農業面源污染水平考察3種沉水植物同期的氮磷去除能力，以獲取更廣泛溫度條件下的試驗結果。

在總氮、總磷和氨氮等3種污染物的去除上，篦齒眼子菜的最大去除率分別達到31%、11%和64%，金魚藻的最大去除率分別達到22%、5%和47%，穗花狐尾藻的最大去除率分別達到21%、7%和53%（圖3）。張帆等［21］的研究發現，篦齒眼子菜對水體總氮、總磷的21 d 去除率分別可達到35.77%（初始濃度10 mg/L）和92.62%（初始濃度0.136 mg/L）；潘保原等［22］的研究發現，金魚藻對總氮、總磷的20 d 去除率分別為23%和20%，穗花狐尾藻對總氮、總磷的20 d 去除率分別為25%和38%（總氮、總磷初始濃度分別為8 mg/L 和0.4 mg/L）。與以往研究相比，按照試驗周期折算后本研究總氮去除率仍較高，可能是由于總氮中80%是更易于降解的氨氮；折算后本研究總磷去除率仍較低，可能與植物的生長階段有關。有研究表明，生長晚期的金魚藻對氮素有明顯的去除效果，尤其對氨氮的去除能力仍較強，但去總磷的去除能力較差［23］。

圖3 水體總氮、總磷和氨氮去除率變化Fig.3 Change in removal rates of total nitrogen，total phosphorus and ammonia nitrogen in water column

本研究中，各處理間溶解氧、電導率、pH值等水體理化指標無顯著差異且隨時間無顯著變化。試驗期間，水溫由24 ℃波動下降至13 ℃左右，其中，各周平均水溫分別為17.9、15.8、12.3和13.1 ℃，前3 周呈顯著下降趨勢（p＜0.05）。污染物去除趨勢顯示，水溫和營養鹽濃度對系統中氮磷去除效率均有顯著影響。

水溫是影響濕地系統凈污能力的重要指標，低溫往往抑制水生植物和微生物的活性，降低其對污染物的吸收和轉化能力［24］。相關研究表明，沉水植物的生長對氮磷的直接吸收是水體氮磷去除的主要途徑之一［25］。本研究利用處于生長晚期的沉水植物進行試驗，當水溫由24 ℃降至13 ℃時，沉水植物生長狀況開始變差，有的處理開始出現氮磷的釋放現象，表明溫度降低引起的沉水植物衰敗是本研究中氮磷去除能力降低的主要原因之一。另有研究表明，狐尾藻等沉水植物對氮磷的直接吸收作用遠低于其增效作用的貢獻率，沉水植物附著微生物對氮磷有較強的吸收吸附作用［26，27］。隨著溫度的降低，微生物活性受到抑制，與總氮去除相關的氨氧化、硝化和反硝化作用均有所減弱，這可能是本研究中總氮和氨氮去除率大幅降低的重要原因。另外，沉水植物的生長狀況影響其附著微生物的生物量與群落結構，從而可能影響微生物對污染物的吸附和降解過程［28］。

營養鹽水平往往是影響沉水植物對水體中氮磷的去除能力的重要原因，這在諸多試驗中被證實［22］。營養鹽濃度較高的水體氮磷去除率往往較低，但從氮磷去除量上又比低營養水平的水體高。另外，本研究中高污染水平下篦齒眼子菜和穗花狐尾藻更早出現氮磷釋放現象，表明高污染水平會加速這兩種沉水植物生長晚期的衰敗過程，顯示出3種沉水植物對水溫和營養鹽等環境因素的不同適應能力。

2.4 3種沉水植物的環境適應能力分析

沉水植物全株生長在水面以下的特性使其對水深、透明度、水溫、流速、營養鹽水平等水環境因子的響應較為敏感，本研究結合這幾個方面對3種沉水植物的環境適應能力進行分析。

（1）水深和透明度。水深是影響沉水植物生長和分布的主要因素之一，水深變化往往能引起一系列水體理化條件的改變，如光照、溶解氧和懸浮物等［29］。由于不同沉水植物的光補償點不同，水深帶來的光照強度變化是影響沉水植物光合能力的關鍵因素［30］。侯德等［31］在北京開展了試驗研究，發現篦齒眼子菜的光補償深度大致為透明度下60 cm。高海龍［32］對太湖沉水植物恢復所需水深條件進行了模型分析，發現穗花狐尾藻在透明度至少為107 cm 時可其保障2 m 水深條件下成活，即其光補償深度為透明度下93 cm。藍于倩等［33］發現金魚藻在透明度70～100 cm 水體中適應深度達2.5 m，即光補償深度為透明度下1.5～1.8 m。在云南撫仙湖的相關調查中，平均透明度2.96 m，平均水深4.27 m 的水體中分布有篦齒眼子菜、穗花狐尾藻、金魚藻等沉水植物［34］。以上研究表明，在水體透明度1 m左右時，金魚藻的適應水深大于穗花狐尾藻和篦齒眼子菜，當透明度較高時3種沉水植物的光補償深度隨之增大。

（2）水溫。沉水植物的生長與水溫有著密切關系，水溫通過影響沉水植物的萌發、生長和繁殖來調節其生長過程，不同的沉水植物對溫度的適應范圍不同。例如，金魚藻最適生長溫度是30 ℃［35］，而竹葉眼子菜和狐尾藻的最適生長溫度為20 ℃［36］；夏季較高的水溫對淺水湖泊中生長的篦齒眼子菜生長有明顯的抑制甚至傷害作用，而對穗花狐尾藻和金魚藻無顯著影響［30，37］。劉萌萌等［38］通過野外栽培試驗發現，穗花狐尾藻可在杭州灣水體中水溫3.85～33.37 ℃條件下存活。據記載，金魚藻則在水溫低至4 ℃時也能生長良好。本研究通過室內試驗發現，金魚藻在生長晚期具有較強的生長活性，延緩了其衰敗過程。在侯雪薇［39］的研究中，相同環境條件下，穗花狐尾藻殘體的分解比金魚藻殘體快，而20 ℃時篦齒眼子菜殘體的分解速率與30 ℃時金魚藻殘體相當。由于溫度的升高會加速植物殘體的前期分解，在相同環境條件下穗花狐尾藻和篦齒眼子菜的分解速率將大于金魚藻。這解釋了本研究中穗花狐尾藻和篦齒眼子菜氮磷釋放大于金魚藻的現象，也表明金魚藻在溫度適應性方面更有優勢。

（3）流速。在河道中，水流產生物理作用力極大地決定了水生植物的空間和時間分布［40］，往往使得沉水植物產生適應性的流線型分布［41］。Chambers 等［42］對加拿大西部兩條低流速河流中的水生植物進行了調查，發現在0.01～1 m/s的流速范圍內，水生植物的生物量隨流速的增大而減少，當流速大于1 m/s 時，水生植物稀少。Choudhury 等［43］研究不同水體流速對穗花狐尾藻的形態影響時發現，流速對沉水植物形態學特征有顯著影響。在淺水湖泊中，風浪引起的水流對沉水植物的形態學特征和空間分布同樣有決定性作用。Zhu 等［44］通過調查，發現洱海苦草主要分布在防風的濱岸區域，且不同風浪區域間的苦草形態特征差異較大，這說明苦草對水流的影響具有一定的適應能力，但水流的脅迫作用終將影響苦草的分布。Van Zuidam 等［45］研究了波浪動力對沉水植物的影響，發現當湖泊中沉水植物暴露在強力波浪動力下時將阻礙其幼苗的定植。

在沉水植物耐受范圍內，流速則對沉水植物生理和生長產生一定的影響，并影響著其生態功能的發揮。在低流速段（0～0.01 m/s）內，流速的增大可以促進沉水植物的光合速率，適宜的流速可以促進沉水植物葉片對營養物質、無機碳源和氧氣的吸收［46］。較大的流速對沉水植物的生長產生脅迫，降低沉水植物的生長率，并促進沉水植物腐敗部分的脫落［47］。流速的增大會降低沉水植物對懸浮顆粒物的吸附，而流速的減小則會引起沉水植物覆蓋率的增大，并有利于對懸浮顆粒物的吸附，從而增加水體透明度［48］。在本研究選取的3 種典型沉水植物中，篦齒眼子菜根系最為發達，穗花狐尾藻根系較為發達，對水流的耐受性較好；而金魚藻無根，時有根狀莖固著在底泥中，受流速限制較大。有研究表明，流速小于0.09 m/s時，金魚藻具有較好的氮磷去除能力。因此，在生態修復實踐中要充分考慮流速對沉水植物生長的影響，在沉水植物優化配置基礎上為其構建適宜的生境。

（4）營養鹽。水體營養鹽含量對沉水植物生長有顯著影響，不同沉水植物生長的最適宜水質存在差異，這是水體富營養化過程中群落演替的重要原因［49，50］。一般情況下，當水體營養水平較低時，營養鹽含量越高，越有利于沉水植物生長；當富營養化水平達到一定程度時，沉水植物生長受到抑制。例如，總氮10～30 mg/L、總磷1～3 mg/L 的較高營養條件對金魚藻的光合速率和生長速率有明顯影響［51］；穗花狐尾藻在總氮1.86 mg/L、總磷0.087 mg/L 條件下較總氮2.47 mg/L、總磷0.16 mg/L 條件下生長更好［52］；氨氮1.5～4 mg/L條件下適宜穗花狐尾藻生長，較高和較低的氨氮濃度對穗花狐尾藻的生長均產生影響［53］；篦齒眼子菜在總氮1.5～16.6 mg/L、總磷0.14～4.16 mg/L 營養鹽濃度范圍內，營養鹽水平越高生長速率越高［21］。以上研究表明，篦齒眼子菜和金魚藻對高營養條件的適應性較好。另外，不同營養條件下，沉水植物對氮磷的去除能力也有所差異。李歡等［54］對室溫27～36 ℃條件下3 個富營養化水平（低：總氮6 mg/L，總磷0.6 mg/L；中：總氮10 mg/L，總磷1 mg/L；高：總氮30 mg/L，總磷3 mg/L）水體中4 種沉水植物組合群落的營養鹽去除能力進行了比較，結果表明，由狐尾藻、黑藻、金魚藻和竹葉眼子菜組成的沉水植物群落對水體總氮和總磷的60 d 去除率隨水體中營養鹽濃度的增加而顯著增加。由此可見，沉水植物可耐受的營養鹽水平遠高于當前河湖水體營養鹽水平，在河湖沉水植物生態修復中，其生長和凈污能力不會受到水體營養鹽水平的限制。另外，有研究表明，篦齒眼子菜可在8‰的鹽脅迫條件下存活，金魚藻的最高耐受鹽度為6‰，而穗花狐尾藻的鹽度耐受能力為2‰［55］，這使得3種沉水植物在黃河流域微咸水體中可以正常生長。

3 結論與建議

3.1 結論

（1）總體上，3種沉水植物都是世界廣布種，環境適應能力較強，且對水體氮磷有較高的去除效率，適用于引黃灌區退水的生態處理應用實踐。

（2）在引黃灌區典型農業面源污染水平下，篦齒眼子菜對氮磷的去除能力大于穗花狐尾藻和金魚藻；水深和營養鹽水平是影響烏梁素海沉水植物分布的主要環境因素，水溫和營養鹽水平是影響室內試驗中沉水植物氮磷去除能力的主要環境因素。

（3）在環境適應能力方面，金魚藻對水深和水溫的適應范圍大于篦齒眼子菜和穗花狐尾藻，但在對流速的適應性方面較弱；而與穗花狐尾藻相比，篦齒眼子菜和金魚藻對高營養鹽水平和鹽度的耐受性較強。

3.2 建 議

（1）由于引黃灌區局部農田退水氮、磷污染負荷可能分別高達50 mg/L 和5 mg/L［3］，在濕地設計中要考慮設緩沖池，降低過高污染負荷對沉水植物系統的沖擊。

（2）篦齒眼子菜、穗花狐尾藻和金魚藻具有不同的適宜水深和營養鹽水平。沉水植物濕地設計時，篦齒眼子菜區宜設在前端且采用較大的設計水深，以充分發揮其株高和耐高營養鹽的優勢；金魚藻宜設在末端且采用較小的設計水深，充分發揮其水下懸浮特性和高植株密度優勢，并為其提供良好的光照條件?！?/p>