不同动植物组合对衡水湖水体净化作用研究

时间：2024-05-22

白丽荣，郑博颖，芦站根 (衡水学院生命科学学院，河北衡水053000)

衡水湖湿地位于河北省衡水、冀州、枣强的交界地带，是华北平原单体水域面积最大的内陆淡水湖泊，是唯一保持完整湿地生态系统的自然保护区，主要以淡水湿地和国家Ⅰ、Ⅱ级鸟类为保护对象，是物种繁衍的基因库，生物多样性十分丰富。自保护区成立以来，为保护湿地生态环境，已将衡水湖附近工厂迁走，但由于多年环境污染，加之仍有个别附近居民将小型作坊及生活污水偷排入湖中，湖水中仍有污染物残留。另外，衡水湖的水源供给主要靠外流域调水，且调水过程中环境不一。同时，由于水体相对静止，水流交替缓慢，均会影响衡水湖的水质。此外，临近的106国道穿梭不息的机动车辆及越来越多的游人均加速了对衡水湖湿地的污染。水体的富营养化主要是由于人类活动等因素造成大量的氮、磷等营养物质进入水流交换缓慢的湖泊，引起水质恶化、藻类快速繁殖等［1］，部分水生动植物大量死亡，生物多样性下降，造成湿地生态系统自我调节、自我更新能力降低，使环境问题进一步加剧［2］。因此在控制污染源的同时，运用湿地生态系统的自我调节能力进行净化，在此基础之上发展特色产业，有效引导地区产业结构的调整，不仅能够改善湿地生态环境，而且还可建立稳定、和谐与良性循环的衡水湖生态系统。

近年来，国内外都在努力探索能够可持续、稳定地改善地表水质质量、增加湖泊生态系统多样性的方法。研究表明，单纯依靠动物或在水体中种植植物的方法，很难有效控制水体富营养化［3］。笔者拟通过利用水生植物和滤食性鱼类组合构建的小型生态系统，并设置单一植物组修复衡水湖富营养化水体，通过净化效果比较分析，选取净化效果好且具有较高经济价值的水生动植物组合，以期为富营养化水体的净化及发展特色农业提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器水生植物选择生长状态良好，根、茎、叶、嫩芽齐全且性状统一的木耳菜(Gynura cusimbua)和蕹菜(Ipomoea aquatica);动物选择滤食性鲫鱼(Carassius auratus)，为保证试验的可操作性，鱼身平均长度为5 cm左右，这种鱼类在室内模拟试验中有个体小、生活力强的优点。供试水体取自衡水湖污染较重区域。主要试验仪器包括MLS-3750高压蒸汽灭菌器、FA1204B电子天平、紫外分光光度计、蒸汽灭菌器、具玻璃磨口塞比色管。

1.2 试验方法该试验采用两种水生植物和鱼类进行搭配组合，共设置4个不同处理组合，同时设置1个空白对照组，每个处理重复3次。除对照外，各处理均放置长约15～25 cm的植物60株，动植物组合组放置身长约5 cm的鲫鱼8尾。具体设置如下:处理1，空心菜60株;处理2，空心菜60株+鲫鱼8尾;处理3，木耳菜60株;处理4，木耳菜60株+鲫鱼8尾;对照组为湖水(无植物、无鲫鱼)。试验采用自然光照，在温室进行，温度为20℃左右。试验中盛放植物的容器为50 cm×30 cm×40 cm的玻璃缸，其中水体体积为50 L，采用厚度约1.5 cm的聚乙烯塑料泡沫板为载体。水样在使用前，除去藻类和杂质，确保每个处理起始条件一致。

1.3 测定项目与方法采回试验水体后，首先测定总氮(TN)、总磷(TP)的起始浓度。试验开始后，每隔5 d取各组水样分别进行TN、TP含量测定，每次各重复3次，取平均值。取样时间安排在14:00～16:00，15 d共测3次。每次取水样时，记录当时的气温。水质总磷采用钼酸铵分光光度法(GB/T 11893-1989)测定;水质总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB118894-1989)测定［4］。TN、TP去除率R的计算公式为R=(C0－C1)/C0×100%，式中C0为初始浓度;C1为取样时的浓度。

1.4 数据处理与分析采用Microsoft Excel 2003软件对数据进行处理，并对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 水样中TN、TP初始浓度供试水体取自衡水湖污染较重区域，其主要污染来源有人为污染、雨水径流污染及底泥中内源性营养物的释放。依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)［5］中指标的标准限值，所采水样属于V类水(表1)。由表1可知，所取衡水湖水样中TN、TP含量均高于V类标准，说明衡水湖该区域湖水已呈富营养化状态。

表1 供试水体指标含量及地表水V类水质标准 mg/L

2.2 动植物的生长状况试验期间鲫鱼生存状况良好，存活率达100%。与木耳菜相比，空心菜的总体生长情况相对较好，空心菜植物组植物平均存活率都达95%以上，木耳菜植物组平均存活率为90%～95%。两种植物均长出了新的嫩芽，空心菜的部分老叶有发黄的现象，木耳菜接触水面的老叶有轻微的腐烂。经过分析，造成这些差异的原因可能是植物主要靠根系吸收营养进行生长，空心菜属直根系但须根较发达，可大量吸收营养元素，且茎叶较少接触水面，因此植物体死亡较少;木耳菜属直根系，须根不发达，且部分老叶片漂浮于水面，与水体接触面积较大，在水体流动基本静止的情况下这些叶片极易腐烂或导致植株死亡，从而直接影响植物的生长状况及存活率。

2.3 总氮的净化效果分析由表2可知，各处理试验水体中的TN含量均有所降低，试验前中期降低明显，试验后期降低不太明显。在试验进行10 d后，气温有所下降，平均气温为18℃左右，各试验组部分植物的老叶开始变黄，导致植物生长代谢减慢，对TN的吸收速率也降低。通过比较各处理组对试验水体TN的去除率，发现空心菜+鲫鱼的去除效果最好，试验结束时TN含量为3.87 mg/L，对TN的去除率为9.58%。各组对试验水体中TN的去除率依次为:空心菜+鲫鱼组＞木耳菜+鲫鱼组＞空心菜组＞木耳菜＞对照组。可见，水生植物和滤食性鱼类组合对TN的去除能力较好，即水生动植物组成的简单生态系统对TN的去除率较高，其中空心菜+鲫鱼组的去除效果最好，而只有单一植物的两个处理组对水体中TN的去除效果不明显。其原因可能是，空心菜虽属直根系，但其须根较发达，植物依靠发达的根系可以吸收大量的氮，使氮元素在营养级中自生产者向上传递，再加上鱼类的游动和选择性捕食，这都有利于去除水体中的氮。

表2 不同处理水体试验前后TN含量变化

2.4 总磷的净化效果分析由表3可知，随着试验的进行，各处理水体中TP含量逐渐降低，各组对试验水体TP的去除率依次为:空心菜+鲫鱼组合＞木耳菜+鲫鱼组合＞空心菜组＞木耳菜组＞对照组。试验结束时，比较各组去除率，其中空心菜+鱼和木耳菜+鱼的组合对TP的去除效果比两组单一植物组效果都好，TP的去除率分别为42.86%和37.14%。而只有单一植物的空心菜组、木耳菜组对试验水体中TP的去除率则稍低，分别为28.57%和20.00%。在两个水生动植物组合的处理中，空心菜+鲫鱼组合对TP的处理能力最好。对照组与其他试验组在同一温度、光照等外界条件下，水体中的微生物也可以吸收磷元素，因此TP的去除效果与各试验组去除趋势表现一致。水生植物大量吸收水体中的P元素，一方面水生植物通过植物根系吸收可溶性活性磷(SRP)，合成核酸、核苷酸、磷脂及糖磷酸酯等植物细胞的组成成分;另一方面，水生植物也为聚磷菌等微生物提供附着空间［6］。

表3 不同处理水体试验前后TP含量变化

2.5 动植物对总氮、总磷去除效果的差异试验表明，动植物组合对P元素的去除效果总体上比N元素好。众多研究表明，即使在含磷量较低的水体中，水生植物也能较好地吸收水中的总磷［7］。这可能是由于磷元素的降解方式较单一，主要是通过植物和微生物利用、吸附和自然沉降而降解。而相对于磷的去除方式，氮的转化途径复杂，除了植物吸收、吸附外，还可通过微生物的硝化和反硝化作用与外界进行交换［8－9］。因此，水体中的氮除了靠植物吸收外，还可依靠其他多种方式。