滇池位于云南省昆明市区,又叫昆明湖,面积311.34 km²,湖体形状略呈弓形,海埂长堤将滇池分隔为南北两片区,北部片区即称草海,面积为10.67 km²,南部片区即称外海,是我国西南地区最大的高原湖泊。多年来滇池草海污染严重:流入滇池的4条主要生活污水河(分别是新运粮河、老运粮河、大观河、西坝河)及2个主要生活污水处理厂出水口(分别是第一、第三污水处理厂出水口)进入草海,并且草海又处于滇池的上源,一年的纳污水量是其容积的5.42倍^[1]。故滇池草海的污染程度尤为严重。通过水质监测数据显示,目前滇池草海水体处于重度富营养化污染状态。随着水污染的日益加剧,高效低耗的水污染处理技术逐渐受到人们的重视,漂浮性水生植物可直接漂浮于水面生长及易于人工操纵等特点在净化水体污染、防治富营养化方面发挥了重要的作用^[2]。

凤眼莲和水浮莲为水生植物生态修复富营养化水体的2种经典植物。凤眼莲(Eichhornia crassipes)又名水葫芦,属雨久花科,是一种快速生长的大型漂浮性水生植物。张志勇等^[3]研究发现凤眼莲对氮、磷等有较强的富集作用,袁蓉等^[4]、夏会龙等^[5]发现凤眼莲对无机物质和部分有机污染物也有着很强的吸收和促进降解能力。鉴于其生长快速、富集能力强的特点被认为是一种高效、廉价的污水净化植物^{[6, 7]}。水浮莲(Pistia stratiotes)又名大薸、肥猪草,天南星科大薸属,性喜高温高湿,不耐严寒。由于水浮莲富集水体氮磷非常强,国内外对此很早就已经开始了相关研究^{[8, 9, 10, 11]},并且水浮莲已成功地应用于城市污水和工厂排放废水^{[12, 13]}。

本文以滇池草海污染最严重的大观河入湖口附近原位水,采用室内模拟的方法,分析和比较2种漂浮水生植物——凤眼莲、水浮莲对滇池草海富营养化水体氮富集和去除能力,旨在为利用这2种漂浮水生植物净化富营养化湖泊水体提供参考依据。 1 材料与方法 1.1 试验材料与地点 1.1.1 水生植物来源

在滇池草海湖体上游(25°1′11.76″N,102°39′50.58″E)选择生长健壮大小一致的凤眼莲及水浮莲幼苗,试验开始前,先用自来水清洗,然后用蒸馏水清洗幼苗。 1.1.2 供试水体与试验容器

由于草海湖体的富营养化程度自北向南逐渐降低,故供试水体取自草海北部,即草海上游大观河入湖口附近(25°1′23.01″N,102°39′52.82″E)。试验容器为400 L白色塑料水箱,水箱长×宽×高为97 cm×66 cm×76 cm。每个塑料水箱加入380 L供试水体,其初始水质见表 1。

表 1 试验水体的初始水质 Table 1Initial water quality of the experiments

表选项

试验场地位于滇池草海西北岸的一个通风透光的挡雨棚内(24°58′11.4″N,102°38′04.5″E),四周通风,光照温度与室外温度基本一致。在试验期间,试验水体水温为17.0~23.1℃范围波动。 1.2 试验设计

试验于2012年6月9日开始至9月19日结束。试验设置3个处理(凤眼莲试验组、水浮莲试验组、对照试验组),每种处理设置3个平行,实验周期30 d,设3个重复。选择生长健壮、长势一致凤眼莲和水浮莲幼苗1 kg放置于盛有供试水体的塑料水箱中。试验开始及以后每隔5 d取1次水样,测定水体溶氧(DO)、水温、pH值、总氮(TN)、NH₄⁺-N (铵态氮)、NO₃^--N (硝态氮)和DTN (溶解态总氮)。试验开始及结束测定植物体内氮含量,并称取植物的生物量。由于在试验过程中,试验容器内会产生一些沉积物,因此每个重复周期试验结束收集试验容器内的沉积物,烘干称重,测定沉积物的氮含量。 1.3 分析方法 1.3.1 水体指标测定

DO、pH值、水温采用美国YSI professional plus测定仪现场测定,TN (总氮)、NO₃^--N (硝态氮)、NH₄⁺-N (铵态氮)、DTN (溶解态总氮)采用德国SEAL AA3连续流动分析仪测定^{[14, 15]}。 1.3.2 水生植物指标测定

水生植物生物量测定:采用重量法,将水生植物从水中捞起放在筛网上,直至无滴水时称重而得。

水生植物体内总氮的测定:75℃恒温烘干至恒重植物样后,粉碎,采用浓H₂SO₄-H₂O₂消解法测定,测定方法详见参考文献^[16]。 1.4 数据处理

所有数据均由均值±标准差表示,所有统计处理采用统计软件SPSS 16.0,采用单因素方差比较不同试验组之间差异(LSD)检验,显著性水平设置为P＜ 0.05。 2 结果与分析 2.1 水生植物富集氮能力比较

凤眼莲吸收作用带走的氮是水浮莲的1.13倍(表 2)。在试验开始,水生植物试验组初始投苗量(鲜重)均为1 kg,至采收时(第30 d),凤眼莲生物量(鲜重)平均达到3.07 kg,平均增长了2.07 kg,平均增长了207%,水浮莲生物量(鲜重)平均达到2.49 kg,平均增长了1.49 kg,平均增长了149%。凤眼莲和水浮莲平均生物量增长率分别为0.069、0.050 kg·d^-1·L^-1。

表 2 水生植物富集氮能力比较 Table 2Ability of nitrogen enrichment of two aquatic plants (Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes)

表选项

溶解氧不仅是衡量水体自净能力的重要参数,而且还是判断水生生物能否生存的一个标准。试验期间初始DO为7.9~12.6 mg·L^-1之间,平均为10.2 mg·L^-1。从图 1可以看出,在试验周期中的第5 d,种养水生植物的试验组DO较初始下降明显,后呈现缓慢波动,凤眼莲组DO最低出现在试验结束时(即30 d时),为3.2 mg·L^-1。水浮莲组DO最低出现在第25 d,为2.6 mg·L^-1。对照组5 d后却较初始下降不大,后呈现略上升再下降的趋势,在30 d时为最低为5.7 mg·L^-1。在试验的过程中,统计分析在15 d以后凤眼莲组DO显著高于水浮莲组(P＜0.05),对照组DO均显著高于凤眼莲组和水浮莲组(P＜0.05)。

图 1 试验过程中水体溶解氧的变化 Figure 1 Changes of dissolved oxygen (DO) in the water during the experimentsy

图选项

试验期间初始pH值为9.1~9.9之间,平均为9.4。种养水生植物的试验组pH值均较初始下降明显(图 2),后趋于稳定,均在8.6~8.8之间波动。对照组pH值在5 d时开始下降,后缓慢上升。统计分析凤眼莲组和水浮莲组pH值显著低于对照组(P＜0.05),凤眼莲组和水浮莲组之间pH值差异均不显著(P＞0.05)。

图 2试验过程中水体pH值的变化 Figure 2Changes of pH in the water during the experiments

图选项

凤眼莲和水浮莲对重度富营养水体中的TN具有良好的去除效果(图 3)。试验期间初始TN浓度为7.67~9.71 mg·L^-1之间,平均为8.70 mg·L^-1。在试验的过程中,对照试验组水体TN浓度变化表现为先快速下降,后下降速度放缓,最后趋于平稳,具体表现为由试验初始的8.70 mg·L^-1下降到最后的3.59 mg·L^-1。凤眼莲试验组TN变化均表现为几乎均速下降,具体表现为由试验初始的8.70 mg·L^-1下降到最后的2.25 mg·L^-1。水浮莲试验组TN变化表现与对照试验组的类似,具体表现为由试验初始的8.70 mg·L^-1下降到最后的2.62 mg·L^-1。凤眼莲与水浮莲水体TN 30 d去除率平均分别为74.24%和70.10%。凤眼莲试验组与水浮莲试验组对水体TN去除能力差异不大(P＞0.05)。

图 3试验过程中水体总氮的变化 Figure 3Changes of total nitrogen (TN) in the water during the experiments

图选项

凤眼莲试验组与水浮莲试验组水体TN浓度显著低于对照试验组(P＜0.05)。凤眼莲试验组、水浮莲试验组和对照试验组之间水体的DTN浓度无显著差异(图 4,P＞0.05)。试验期间初始DTN浓度为6.75~7.67 mg·L^-1之间,平均为7.20 mg·L^-1。在试验的过程中,不同试验组DTN均表现为快速下降,几乎为一条直线下降,凤眼莲试验组、水浮莲试验组具体表现为由初始的7.20 mg·L^-1分别下降到最后的1.67、1.52 mg·L^-1。凤眼莲与水浮莲水体DTN 30 d去除率平均分别为76.81%和78.89%。

图 4试验过程中水体溶解态总氮的变化 Figure 4Changes of dissolved total nitrogen (DTN) in the water during the experiments

图选项

试验期间初始NO₃^--N浓度为3.04~5.21 mg·L^-1之间,平均为4.12 mg·L^-1。从图 5可以看出,在试验过程中,凤眼莲试验组水体NO₃^--N浓度变化表现为在第5 d时水体NO₃^--N浓度有所上升,达到4.91 mg·L^-1,后呈直线下降,30 d时水体NO₃^--N浓度为0.51 mg·L^-1。水浮莲试验组水体NO₃^--N浓度变化表现为前5 d缓慢下降,然后第5~15 d时为水体NO₃^--N浓度快速下降期,最后缓慢平稳下降,30 d时水体NO₃^--N浓度为0.24 mg·L^-1。凤眼莲、水浮莲对水体NO₃^--N 30 d降解率分别为87.62%、94.77%。水浮莲试验组后15 d水体NO₃^--N浓度显著低于对照试验组(P＜0.05),但是凤眼莲试验组与对照试验组水体NO₃^--N浓度无显著差异(P＞0.05)。

图 5试验过程中水体硝态氮的变化 Figure 5Changes of nitrate (NO3--N) in the water during the experiments

图选项

试验过程中各试验组之间水体NH₄⁺-N浓度没有明显的差异(图 6,P＞0.05)。试验期间初始NH₄⁺-N浓度为1.31~3.87 mg·L^-1之间,平均为2.59 mg·L^-1。图 6表示2种不同漂浮植物对NH₄⁺-N的吸收情况。凤眼莲试验组、水浮莲试验组水体NH₄⁺-N浓度变化趋势几乎一致,前5 d水体NH₄⁺-N浓度分别达到了0.51、0.32 mg·L^-1,NH₄⁺-N 30 d去除率分别为80.30%、87.64%,5 d之后,不同试验组呈波动变化。

图 6试验过程中水体铵态氮的变化 Figure 6Changes of ammonium (NH4+-N) in the water during the experiments

图选项

凤眼莲与水浮莲去除水体中氮的效果无明显差异(表 3,P＞0.05),水体总氮30 d去除率平均分别为74.24%和70.10%。凤眼莲试验组吸收作用带走的总氮略高于水浮莲试验组。凤眼莲试验组和水浮莲试验组吸收作用带走的总氮占水体中氮损失量比率平均分别为89.39%和82.33%,凤眼莲吸收作用能力略高于水浮莲。水生植物试验组水体的主要除氮途径为吸收作用。

表 3凤眼莲、水浮莲和对照试验组氮平衡计算 Table 3Nitrogen balance calculation in Eichhornia crassipes,Pistia stratiotes test and control group

表选项

凤眼莲试验组及水浮莲试验组沉积物中氮含量相对较小,平均为0.17、0.27 g,而对照组沉积物氮总量相对较高,平均为1.62 g,表明凤眼莲和水浮莲可以有效降低水体沉积物的形成。

各试验组氮差值主要是水体的硝化、反硝化、成对硝化-反硝化反应产生N₂O气体造成的。 3 讨论

凤眼莲与水浮莲在本研究中水体总氮、硝态氮、铵态氮表现出相似的变化趋势,水体总氮30 d去除率平均分别为74.24%和70.10%。现有模拟试验中凤眼莲对水体中总氮去除率的报道主要在84.95%~90.90%之间^{[2, 17]},而水浮莲对水体中总氮去除率的报道主要在53.26%~60.70%之间^{[18, 19]}。表明凤眼莲和水浮莲总氮去除率很大程度上受水体中总氮浓度^[20]、初始投苗量^[17]、氮元素形态^[2]、水力停留时间^[18]和水体温度^[19]的影响。

水体中DO水平取决于水体系统中其来源与去向^[21],DO主要有以下几个来源:(1)通过大气自然复氧进入系统的DO;(2)水体中浮游植物光合作用产生的DO;(3)通过植物根系泌氧得到的DO。而系统中DO的消耗途径主要有:(1)好氧微生物分解水体中污染物质耗氧;(2)氨氮硝化作用耗氧;(3)植物根系呼吸作用耗氧;(4)浮游生物呼吸作用耗氧^[21]。现有漂浮植物对水体DO影响的报道多数认为凤眼莲能显著降低水体DO及pH值^{[22, 23, 24]},但也有部分报道认为种养漂浮植物可以明显增加水体DO^{[11, 25]}。而本研究发现,凤眼莲、水浮莲均显著降低了水体DO及pH值(图 1、图 2)。水体DO及pH值的降低一方面威胁到水体中鱼类、浮游动物的生存,从而破坏原有的生态系统^[26],另一方面水体DO及pH值的降低,也会促进了水体沉积物中氮磷的释放、藻类数量增加和水体富营养化的加剧^[27]。但是本课题组的研究发现^[28]在大水面开放性水体的试验中,凤眼莲种养区水体DO、pH值虽然较近水葫芦区和远水葫芦区显著降低,但水葫芦区溶解氧仍维持在较高水平。

水体中铵态氮(NH₄⁺-N)与硝态氮(NO₃^--N)在一定情况下可以相互转化^[29],种养漂浮水生植物可以促进富营养化水体的硝化、反硝化、成对硝化-反硝化反应过程^[30],水体的硝化反应最先是将水体中NH₄⁺-N转化为NO₃^--N。正是由于水体的硝化作用,本研究中,前5 d水体NH₄⁺-N浓度急剧下降,凤眼莲、水浮莲和对照前5 d NH₄⁺-N去除率达80.12%、87.68%和76.30%,而凤眼莲前5 d NO₃^--N浓度升幅达19.17%,5 d以后由于水生植物的吸收作用NH₄⁺-N浓度、NO₃^--N浓度不断下降。水体中氨氮硝化反应如下:

NH₄⁺+2O₂→NO₃^-+H₂O+2H⁺——ΔF^[26]

漂浮水生植物能降低水体中固体悬浮物浓度、提高透明度已经被广泛证实^{[31, 32]}。在本试验中,凤眼莲试验组与水浮莲试验组水体总氮(TN)显著低于对照试验组(P＜0.05),但是溶解态总氮(DTN)不同试验组之间无明显差异,说明对照试验组水体中固体悬浮物浓度高于凤眼莲试验组和水浮莲试验组,证明种养漂浮植物能有效降低固体悬浮物浓度。

通过凤眼莲试验组、水浮莲试验组和对照试验组氮平衡计算,凤眼莲试验组、水浮莲试验组和对照组沉积物中氮含量占水体中氮损失量比率平均分别为6.94%、11.64%和83.51%,说明凤眼莲和水浮莲能有效抑制水体沉积物的形成。其原因可能是:(1)种养漂浮植物能有效降低固体悬浮物浓度,从而减少沉积物的形成;(2)由于种养漂浮植物吸收作用,压缩了浮游生物的活力空间,降低了浮游生物的代谢强度,导致浮游生物的代谢产物的减少。 4 结论

本研究采用室内模拟的方法,分析和比较了2种漂浮水生植物——凤眼莲、水浮莲对滇池草海富营养化水体氮富集和去除能力,结论如下:

(1)凤眼莲、水浮莲均能显著降低水体DO及pH值。

(2)凤眼莲、水浮莲均能有效降低固体悬浮物浓度,能有效抑制水体沉积物的形成。

(3)凤眼莲与水浮莲对水体总氮30 d去除率平均分别为74.24%、70.10%。凤眼莲、水浮莲均能显著降低水体的总氮浓度。在同等条件下,凤眼莲、水浮莲富集水体氮的基本能力一致。考虑到如果大规模种养,而水浮莲植株相对凤眼莲植物叶片及根较脆,采收过程及大风浪条件下易破损,故认为大规模控制性种养凤眼莲是一种治理富营养化湖泊的可行途径。