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不同栽植密度下金鱼藻对富营养化水体净化效果研究

杨澜 牛健植 伦小秀 朱思宇 敖家坤

杨澜, 牛健植, 伦小秀, 朱思宇, 敖家坤. 不同栽植密度下金鱼藻对富营养化水体净化效果研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190447
引用本文: 杨澜, 牛健植, 伦小秀, 朱思宇, 敖家坤. 不同栽植密度下金鱼藻对富营养化水体净化效果研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190447
Yang Lan, Niu Jianzhi, Lun Xiaoxiu, Zhu Siyu, Ao Jiakun. Purification efficiency of Ceratophyllum demersum under different planting densities in eutrophic water[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190447
Citation: Yang Lan, Niu Jianzhi, Lun Xiaoxiu, Zhu Siyu, Ao Jiakun. Purification efficiency of Ceratophyllum demersum under different planting densities in eutrophic water[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190447

不同栽植密度下金鱼藻对富营养化水体净化效果研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190447
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07602-004),北京市科技计划项目(NO.Z181100005318003)
详细信息
    作者简介:

    杨澜。主要研究方向:水生态修复与保护。Email:Yanglan_y_l@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者:

    牛健植,博士,教授,主要研究方向:水土保持生态修复与保护。Email:nexk@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: PX524

Purification efficiency of Ceratophyllum demersum under different planting densities in eutrophic water

  • 摘要:   目的  沉水植物金鱼藻是水体生态修复工程中常用的植物之一,其栽植密度直接影响富营养化水体的水质净化效果。因此,探究金鱼藻栽植密度对进行富营养化水体修复、加快水下森林发展具有重要意义。  方法  本研究通过模拟栽植不同密度的金鱼藻对富营养化水体水质变化影响过程,分析6种栽植密度梯度(36、50、75、100、110、120 株/m2)金鱼藻对富营养化水体中氮、磷、有机污染物等污染物质的净化效果;并结合经济效益分析,筛选出最佳栽植密度,确定金鱼藻疏伐、收割时间。  结果  结果表明,100 株/m2密度配置对应的植株成活率最高(95.65%),总氮去除率可达62.86%、总磷去除率可达74.32%,对氮磷等污染物吸收效果最佳,是金鱼藻在水生态修复工程中最佳种植密度。另外,金鱼藻在栽植后15 d内,其栽植密度越大,对富营养化水体中氮、磷、有机污染物等的去除效果越好,且溶解氧浓度越高;栽种50 d后,水体中各污染物含量均有回升,此时栽植密度越大,随植物衰败而释放到水体的氮、磷、有机物含量越高,溶解氧含量下降越迅速。  结论  因此,利用金鱼藻开展水体修复时需要考虑最佳净化时效,及时收割。
  • 图  1  不同栽植密度下金鱼藻的成活数量

    M0、M36、M50、M75、M100、M110、M120分别表示 0、36、50、75、100、110、120 株/m2。下同。M0, M36, M50, M75, M100, M110, M120 respresent 0, 36, 50, 75, 100, 110, 120 plant/m2, respectvely. The same below.

    Figure  1.  Survival number of Ceratophyllum demersum under different planting densities

    图  2  不同栽植密度下金鱼藻的成活率

    Figure  2.  Survival rates of C. demersum under different planting densities

    图  3  不同密度下水中TN质量浓度变化

    Figure  3.  Changes of TN mass concentration in water under different C. demersum densities

    图  4  不同密度下水中NH3-N质量浓度变化

    Figure  4.  Changes of NH3-N mass concentration in water under different C. demersum densities

    图  5  不同密度下水中TP质量浓度变化

    Figure  5.  Changes of TP concentration in water under different C. demersum densities

    图  6  不同密度下水中COD浓度变化

    Figure  6.  Changes of COD concentration in water under different C. demersum densities

    图  7  不同密度下水中DO质量浓度变化

    Figure  7.  Changes of DO mass concentration in water under different C. demersum densities

    图  8  不同密度下水中pH变化

    Figure  8.  Changes of pH value in water under different C. demersum densities

    图  9  不同栽植密度下TNs质量浓度的变化图

    Figure  9.  Changes of TN mass concentration in sediment under different planting densities for C. demersum

    图  10  不同栽植密度下TPs质量浓度的变化图

    Figure  10.  Changes of TP mass concentration in sediment under different planting densities for C. demersum

    表  1  实验中水质测定指标及方法

    Table  1.   Water quality measurement indexes and methods in the experiment

    测定指标
    Measurement index
    单位
    Unit
    测定方法
    Measurement method
    TN mg/L 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 Ultraviolet spectrophotometry with potassium persulfate digestion
    TP mg/L 过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法 Potassium persulfate digestion-molybdenum antimony spectrophotometry
    NH3-N mg/L 纳氏试剂分光光度法 Na’s reagent spectrophotometry
    COD mg/L 快速消解分光光度法 Fast digestion spectrophotometric method
    DO mg/L 便携式溶解氧测定仪 Portable dissolved oxygen meter
    pH 玻璃电极法 Glass electrode analysis
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    表  2  实验中底泥测定指标及方法

    Table  2.   Measurement index and method of sediment in experiment

    测定指标
    Measurement index
    单位
    Unit
    测定方法
    Measurement method
    TNsg/kg凯氏定氮法
    Kjeldahl method
    TPsg/kg钼锑抗比色法
    Molybdenum antimony pectrophotometry
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-03
  • 修回日期:  2002-03-20
  • 网络出版日期:  2020-09-12

不同栽植密度下金鱼藻对富营养化水体净化效果研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190447
    基金项目:  国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07602-004),北京市科技计划项目(NO.Z181100005318003)
    作者简介:

    杨澜。主要研究方向:水生态修复与保护。Email:Yanglan_y_l@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者: 牛健植,博士,教授,主要研究方向:水土保持生态修复与保护。Email:nexk@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: PX524

摘要:   目的  沉水植物金鱼藻是水体生态修复工程中常用的植物之一,其栽植密度直接影响富营养化水体的水质净化效果。因此,探究金鱼藻栽植密度对进行富营养化水体修复、加快水下森林发展具有重要意义。  方法  本研究通过模拟栽植不同密度的金鱼藻对富营养化水体水质变化影响过程,分析6种栽植密度梯度(36、50、75、100、110、120 株/m2)金鱼藻对富营养化水体中氮、磷、有机污染物等污染物质的净化效果;并结合经济效益分析,筛选出最佳栽植密度,确定金鱼藻疏伐、收割时间。  结果  结果表明,100 株/m2密度配置对应的植株成活率最高(95.65%),总氮去除率可达62.86%、总磷去除率可达74.32%,对氮磷等污染物吸收效果最佳,是金鱼藻在水生态修复工程中最佳种植密度。另外,金鱼藻在栽植后15 d内,其栽植密度越大,对富营养化水体中氮、磷、有机污染物等的去除效果越好,且溶解氧浓度越高;栽种50 d后,水体中各污染物含量均有回升,此时栽植密度越大,随植物衰败而释放到水体的氮、磷、有机物含量越高,溶解氧含量下降越迅速。  结论  因此,利用金鱼藻开展水体修复时需要考虑最佳净化时效,及时收割。

English Abstract

杨澜, 牛健植, 伦小秀, 朱思宇, 敖家坤. 不同栽植密度下金鱼藻对富营养化水体净化效果研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190447
引用本文: 杨澜, 牛健植, 伦小秀, 朱思宇, 敖家坤. 不同栽植密度下金鱼藻对富营养化水体净化效果研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190447
Yang Lan, Niu Jianzhi, Lun Xiaoxiu, Zhu Siyu, Ao Jiakun. Purification efficiency of Ceratophyllum demersum under different planting densities in eutrophic water[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190447
Citation: Yang Lan, Niu Jianzhi, Lun Xiaoxiu, Zhu Siyu, Ao Jiakun. Purification efficiency of Ceratophyllum demersum under different planting densities in eutrophic water[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190447
  • 随着经济发展和人口增长,大量污染物质被排入地表水体,导致水体自净能力下降,其中富营养化问题尤为突出,且不断恶化[1-2]。2018年中国生态环境状况公报显示,在监测的107个湖泊(水库)中,富营养化湖泊(水库)占监测总数的29%。经多年努力,水体富营养化现象正在缓解但形势仍不容乐观。近年来,沉水植物因其低成本、具有一定的景观效益和环境治理能力,被广泛应用于河流湖泊等地表水域面源污染治理工程中,以达到改善水质效果,调节水生态失衡的作用[3]。当前大多学者围绕着沉水植物的功能作用展开研究,包先明[4]在淮北东湖污染水体开展生态培养实验,发现随着黑藻(Hydrilla verticillata)生物量的增加,沉积物间隙水中总氮、总磷含量会明显降低。胡俊等[5]通过分析狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)对磷赋存形态的影响,发现狐尾藻能够有效降低沉积物中的磷含量。吴玉树等[6]发现菹草(Potamogeton crispus)不仅对水体及底泥中氮磷的去除效果明显,还可以富集Cu、Pb、Zn、As等重金属离子。上述工作较系统地研究了常见沉水植物的水质净化效果,但对栽植密度的影响并没有广泛深入的研究。

    目前种植沉水植物主要采用插栽法、抛栽法和播种法。有学者[7-8]分别比较了上述3种栽植方法对狐尾藻、苦草(Vallisneria natans)、黑藻和菹草4种沉水植物种植成活率和生长情况的影响,发现采用插栽法种植沉水植物的成活率和植株生长状况最佳。然而插栽法需要技术人员下水作业,劳动强度大、操作难度高,人工费用会因栽植密度变化而产生较大波动。调查发现,植物材料生产基地内的水生工程苗在栽植至水体时,一般栽植株数可达到数万乃至数十万,其植物成本就可达到上万元。不合理的栽植密度不仅会增加施工成本,工人成本,造成资源浪费,还可能会造成植物种内竞争,影响植物的生长繁殖,导致无法发挥其应有的功能作用,最终达不到预期效果[9]。因此,考虑栽植密度等实际经济种植问题对于水生态修复工程具有十分重要的意义。

    在河湖水域中,直观确定植物栽植密度与植物生长及净化能力之间的关系较为复杂,因此需模拟静态富营养化水生态系统。沉水植物金鱼藻(Ceratophyllum demersum)是多年生草本植物,耐污性强,环境适应性强,可将污染水体中大量氮磷等污染物吸收、储存并同化为自身生长所需营养物质,对氮、磷的去除效果优于其他几种常见的沉水植物,能有效降低水体污染指标浓度[10];在植物生长周期内,温度条件适宜时可进行大量繁殖[11]。京津冀地区,金鱼藻在调查水域中分布频度可达到65%以上,属于易获得植物;且金鱼藻在吸收污染物、净化水质同时,可向水中释放抑藻物质,通过化感作用对鱼腥藻(Anabaena sp.)、铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidesa)、斜生栅藻(Scenedesmus obliquus[12-13]生长产生明显抑制,尤其对水华藻类[14]的生长抑制率超过80%。本研究选择金鱼藻作为研究对象,通过配置不同栽植密度实验,观察在富营养化水体中不同栽植密度的金鱼藻成活情况和生长变化,测定不同密度配置的金鱼藻在富营养化水体中总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(COD)、溶解氧(DO)及水体酸碱度(pH值)6项水质指标的含量变化及底泥中全氮(TNs)、全磷(TPs)指标的含量变化,探究栽植密度与金鱼藻净化水质能力之间的关系;同时,从经济适用角度分析得出金鱼藻净化富营养化水体,使其达到水体生态修复最佳效果的密度范围;预测植物吸收污染物的饱和时间,确定进行二次收割的时间范围,为水体修复工作提供技术支撑。

    • 实验所需金鱼藻为多年生成熟植株,购买于河北省白洋淀地区水生植物种植基地,带回实验室在自来水环境中驯化一周后使用。由于目标水体为V类水体,因此供试水体依据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)[15],模拟富营养化水体条件,配置为V类水体。配置后水体初始水质指标分别为CTN = 3.5 mg/L、CTP = 0.45 mg/L、CNH3-N = 1.6 mg/L、CCOD = 53.05 mg/L、CDO = 5.66 mg/L、pH = 8.03,底泥中全氮与全磷含量分别为CTNs = 2.9 g/kg、CTPs = 0.655 g/kg。

    • 将金鱼藻成苗驯化培育后,选择生长状态良好,性状基本一致的成熟植株,剪至相同高度(15 cm),经自来水、去离子水淋洗2 ~ 3次后,吸干表面水分,得到栽植材料。实验设置6个栽植密度梯度,分别为0、36、50、75、100、110、120 株/m2(分别用M0、M36、M50、M75、M100、M110、M120表示),每个密度设置3个重复。

      栽植容器为80 cm × 57 cm × 50 cm的塑料水箱,栽种所需的底泥取自白洋淀,经过筛滤杂质后均匀铺设于水箱底部,每个水箱中的底泥厚约10 cm。将金鱼藻插种在各水箱底泥中,加入已配置好的模拟水,水深50 cm。实验在自然光照温度条件下的温室棚中进行,实验过程中棚内温度不进行设定,随室外气温影响自然变化,期间因蒸发和植物蒸腾所消耗的水分用蒸馏水进行补充,使水位保持不变。如发现幼螺及时清除,避免实验结果产生较大误差。

      各处理的植物株数及对水体水质的作用监测频率为:前25天5 d一测,测定5次,之后10 d一测,测定3次。在实验开始和结束时,对各密度组底泥指标进行测定。

      实验各项指标的测定方法见表12

      表 1  实验中水质测定指标及方法

      Table 1.  Water quality measurement indexes and methods in the experiment

      测定指标
      Measurement index
      单位
      Unit
      测定方法
      Measurement method
      TN mg/L 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 Ultraviolet spectrophotometry with potassium persulfate digestion
      TP mg/L 过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法 Potassium persulfate digestion-molybdenum antimony spectrophotometry
      NH3-N mg/L 纳氏试剂分光光度法 Na’s reagent spectrophotometry
      COD mg/L 快速消解分光光度法 Fast digestion spectrophotometric method
      DO mg/L 便携式溶解氧测定仪 Portable dissolved oxygen meter
      pH 玻璃电极法 Glass electrode analysis

      表 2  实验中底泥测定指标及方法

      Table 2.  Measurement index and method of sediment in experiment

      测定指标
      Measurement index
      单位
      Unit
      测定方法
      Measurement method
      TNsg/kg凯氏定氮法
      Kjeldahl method
      TPsg/kg钼锑抗比色法
      Molybdenum antimony pectrophotometry
    • 植物株数、溶解氧浓度在实验现场进行测量、记录,水体TN、TP、NH3-N、COD、pH值和底泥TNs、TPs分别取样带回实验室进行测定。

      金鱼藻成活率的计算公式为:

      $$ {\text{植物成活率}} = \frac{{\text{成活株数}}}{{\text{栽植株数}}} \times 100\% $$

      污染物去除率计算公式为[16]

      $$ {\text{去除率}} = \frac{{{{{C}}_0}\cdot{{{V}}_0} - {{{C}}_{{i}}}\cdot{{{V}}_{{i}}}}}{{{{{C}}_0}\cdot{{{V}}_0}}} \times 100{{\% }} $$

      式中:C0为实验开始时营养盐质量浓度(mg/L);V0为实验开始时水体体积(L);Ci为实验第i天时污染物质量浓度(mg/L);Vi为实验第i天时水体体积(L)。

      实验数据利用Excel 2003和origin 2018进行输入及绘图;利用SPSS 25.0单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)进行比较分析,选取置信水平为0.05。

    • 图1可知,金鱼藻栽种后5 d内,M50 ~ M120均出现植株死亡现象,各密度死亡植株在3 ~ 5株范围内,M120死亡植株数最多。栽植15 d后,各组均已稳定,开始进行生长繁殖,植株数量增多,株高增加,逐渐向水面延伸;金鱼藻叶片生长逐渐密集,颜色由翠绿色向深绿色发展。40 ~ 50 d时,M36 ~ M120的金鱼藻生长状况出现不同响应。6组植物均发生不同程度死亡,植株数均呈减少趋势,部分植株茎段变红,叶片呈黄色至褐色,极易从植株掉落,少数植株已开始腐烂。其中M120死亡植株数最多,为12株。该变化与植物本身、栽种密度、气温变化都有一定关联。由图2可知,M100成活率为6组最高,实验结束时仍可达到95.65%;M75成活率最低(73.52%),在最后两次测量间植物死亡7株。其余各组成活率分别为M36(76.47%)、M50(82.61%)、M110(84.31%)、M120(78.57%)。

      图  1  不同栽植密度下金鱼藻的成活数量

      Figure 1.  Survival number of Ceratophyllum demersum under different planting densities

      图  2  不同栽植密度下金鱼藻的成活率

      Figure 2.  Survival rates of C. demersum under different planting densities

    • 在水体中,氮元素以氨氮、硝氮、亚硝氮等多种形式存在,总氮(TN)是水体中所有氮的总和,在水质监测中通常是一种衡量水质好坏和对河湖水体富营养化状态评价的指标。由图3可知,与M0相比,栽种金鱼藻的水中TN含量显著降低;M36 ~ M120中TN含量均呈先下降后保持稳定的趋势。前15 d,M36 ~ M120中TN质量浓度分别下降了0.97、1.27、1.40、1.57、1.66、1.70 mg/L,其中M120去除TN的能力明显优于其他各组(去除率达50.05%)。15 ~ 40 d各组去除速率均逐渐减缓,相较其他密度组,M100仍能发挥较好的去除作用。实验结束时,M36 ~ M120去除率较M0分别提高了18.51%、19.46%、22.32%、25.71%、22.17%、22.70%,M100去除效果最佳,水中TN质量浓度达到1.3 mg/L。

      图  3  不同密度下水中TN质量浓度变化

      Figure 3.  Changes of TN mass concentration in water under different C. demersum densities

    • 本实验中NH3-N占TN的45.71%,水体中NH3-N和硝态氮是氮的主要存在形式,NH3-N质量浓度过高会严重损害水生植物的生长,造成植物体内叶绿素及蛋白含量降低,同时使脯氨酸和抗氧化酶的活性升高,对植物产生胁迫作用[17]。不同栽植密度的金鱼藻对富营养化水中NH3-N去除效果明显(图4)。实验结束时M36 ~ M120中NH3-N质量浓度较M0明显降低,比M0减少了0.451、0.457、0.469、0.488、0.483、0.489 mg/L。25 ~ 40 d,M36 ~ M120对NH3-N去除能力均下降,去除速率减缓。实验末期,M75 ~ M120中NH3-N质量浓度出现小幅回升,较40天时测量值增加了0.163、0.012、0.042、0.016、0.019、0.021 mg/L,至实验结束NH3-N的去除率M100(67.67%) > M110(66.84%) > M120(66.79%) > M74(65.63%) > M50(64.38%) > M36(64.37%) > M0(19.05%)。

      图  4  不同密度下水中NH3-N质量浓度变化

      Figure 4.  Changes of NH3-N mass concentration in water under different C. demersum densities

    • 水体中TP是指水体中各种形态的磷元素总量,在污染水体中磷元素一般以有机磷和无机磷两种形式的化合物状态存在[18]。水中含磷量增加超过一定限制会导致水质下降,促使水中浮游生物和藻类大量繁殖而消耗水中溶解氧,从而加速水体富营养化进程[19]。由图5可知,0 ~ 20 d M0中TP质量浓度下降至0.411 mg/L,仍明显高于M36 ~ M120(0.189 ~ 0.248 mg/L),在50 d后也下降到较低水平,这表明底泥对水体中的磷具有一定的吸附作用。总体上,M36 ~ M120中TP质量浓度随金鱼藻生长期呈下降趋势。0 ~ 20 d,M120去除效果优于其他各组,在20 d时去除率达57.2%。20 d后,M120去除速率逐渐减缓,M100表现出更好地去除能力,实验结束时水体TP质量浓度M36(0.15 mg/L) > M50(0.14 mg/L)= M75(0.14 mg/L) > M120(0.13 mg/L) > M110(0.12 mg/L) > M100(0.11 mg/L),去除率范围在66.68% ~ 74.32%,较M0(0.33 mg/L,26.59%)显著降低。

      图  5  不同密度下水中TP质量浓度变化

      Figure 5.  Changes of TP concentration in water under different C. demersum densities

    • 不同密度配置的金鱼藻对富营养化水体中COD的影响不同,处理15 d后,M36 ~ M120中COD质量浓度较M0显著降低(图6),为M0质量浓度(44.58 mg/L)的17.67% ~ 40.41%。20 d内,金鱼藻对COD的去除效果随配置密度增大而提高。实验中后期,总体上各密度组COD质量浓度降低趋于平缓,至实验结束,M36 ~ M120中COD质量浓度分别为22.90、20.94、20.78、19.29、21.52、22.52 mg/L,均显著低于M0(30.79 mg/L)。40 d时,M75 ~ M120中COD含量均已达到最低,但到50 d,COD质量浓度有小幅回升,较40 d时增长了0.22、0.74、1.11、2.51、2.51 mg/L,可能由于棚内温度降低导致部分金鱼藻植株衰亡,植株分解产生了新的有机物释放到水体,这表明低温条件(5 ~ 10 ℃)对金鱼藻去除COD有一定的限制。

      图  6  不同密度下水中COD浓度变化

      Figure 6.  Changes of COD concentration in water under different C. demersum densities

    • 在水中,DO质量浓度的高低主要取决于植物的生长活动。由图7可知,实验期间M36 ~ M120 DO质量浓度及其增长速度均高于对照组M0。40 d时,M36 ~ M120中DO质量浓度均达到最大,分别为8.60、8.76、8.94、9.11、8.97、8.85 mg/L,M0仅为7.26 mg/L。50 d时,由于气温降低水中植株死亡,M36 ~ M100中DO质量浓度的增长速率降低并趋于平缓,而M110和M120中DO质量浓度发生骤降,质量浓度达8.64和8.58 mg/L。

      图  7  不同密度下水中DO质量浓度变化

      Figure 7.  Changes of DO mass concentration in water under different C. demersum densities

    • 图8为不同栽植密度下金鱼藻水中pH的变化情况。由图8可知,M36 ~ M120水中pH值显著大于M0,且M36 ~ M120水中pH值可以稳定保持在7.5左右。不同密度组对水体pH值的影响效果随时间变化差异不大。

      图  8  不同密度下水中pH变化

      Figure 8.  Changes of pH value in water under different C. demersum densities

    • 水生植物不仅可以快速吸收水中的营养盐,也可以从沉积物中吸收营养盐。M0 ~ M120的TNs含量在实验结束时均有减少(图9)。M0的TNs含量与栽植金鱼藻的处理组差异显著,这是由于植物在生长发育期间吸收了底泥中部分N元素。M100与M36 ~ M75存在显著差异,实验结束时,M100的TNs含量最小,为2.32 g/kg。各密度组TNs含量的去除效果排序为:M100(2.320 g/kg) > M110(2.390 g/kg) > M75(2.393 g/kg) > M50(2.436 g/kg) > M120(2.443 g/kg) > M36(2.473 g/kg)。

      图  9  不同栽植密度下TNs质量浓度的变化图

      Figure 9.  Changes of TN mass concentration in sediment under different planting densities for C. demersum

    • 图10可看出,各组底泥中TPs质量浓度逐渐下降,50 d后均降到较低水平,与栽植密度呈负相关。M36 ~ M120与M0有显著差异,除M75与M100、M110与M120之间差异不显著外,其余两两之间均存在显著差异。实验结束时,各密度组TPs含量分别为0.582、0.565、0.558、0.545、0.542、0.536、0.535 g/kg,其中M120去除效果最优,去除率达到18.32%。

      图  10  不同栽植密度下TPs质量浓度的变化图

      Figure 10.  Changes of TP mass concentration in sediment under different planting densities for C. demersum

    • 本研究发现,金鱼藻在栽植后短期内会出现部分植株死亡现象,可能是由于栽植方式为人工插栽,导致部分植物扎根不稳,出现漂浮死亡现象;也不排除有植株对环境适应力弱,无法适应突变环境发生死亡。从植物生长发育角度,栽植密度属于重要影响指标。配置密度更大的处理死亡植株更多,可能是由于植株定植过大,单株植物的生存空间及光照减少,发生种内抑制现象。在实验进行40 ~ 50 d,金鱼藻会出现较多植株死亡情况,这可能由于实验棚内温度降低,细胞生长遭受破坏,活性降低,植物生长受到抑制,无法存活,也可能是后期水中N、P浓度较低,植物无法从水中获取足量生长元素出现死亡现象[20]

    • 本实验所选金鱼藻属于无根植物,实验温度受室外气温影响,由20 ℃逐渐下降至5 ℃,不属于金鱼藻生长旺盛的适宜温度范围,植物状态平缓;但实验结果显示,在此条件下,金鱼藻6种栽植密度均对实验水体中有较强的去除能力。由于金鱼藻不仅可以利用生长在水中的叶片及植株茎段吸收水体和底泥中的N元素,并通过自身作用转化为生长所需营养,还可以促进附着在植株周围的微生物加强硝化、反硝化作用,因此TN浓度可以呈较快速度下降[21]。也有研究显示,底泥吸附是水中N元素的去除途径之一,这可能是本实验对照组(M0)N水平下降的主要原因[22]。当TN含量一定,前期金鱼藻去除效率随栽植密度的增大而提高;当植物吸收达到饱和时,水中TN质量浓度趋于稳定。对比TN,NH3-N质量浓度变化随温度变化更为明显。实验初期,金鱼藻对NH3-N的去除速率较高,这可能与微生物的活跃性有关,初期微生物表现较活跃,硝化及反硝化作用较快,使NH3-N质量浓度显著降低[23]。25 ~ 40 d,实验棚内温度逐渐减低,硝化细菌和反硝化细菌活跃性降低,植物生长速率减缓,因此NH3-N的去除速率减慢,去除量呈平稳降低趋势;也可能是由于随着实验进行,植物体对NH3-N吸收达到饱和,使得吸收速率逐渐减缓。而与田琦等[24]的研究不同,M36 ~ M120对TP的去除率(66.68% ~ 74.69%)均比其对TN的去除率(55.66% ~ 62.86%)高,可能是由于水中可溶性磷比其他离子(如Fe3+、Al3+等)更容易生成难溶于水的沉淀物(FePO4、AlPO4等),在水中发生沉降后,聚积于底泥中。由于实验水体为静水水体,不会出现因水流变化使已沉降的磷再次扩散至上层水体的情况,因此本实验中金鱼藻对TP的去除效果优于TN。50 d时,M110和M120中DO质量浓度发生骤降,主要由于植物死亡较多,水中存活植株光合作用效率减缓,植物与微生物进行呼吸作用消耗氧气较多,导致水体氧气含量降低。

      本研究发现,M0中TNs含量也有所降低,表明TNs含量的减少是由于底泥中微生物的作用。总体上,金鱼藻对TPs去除能力随栽植密度增大显著提高。这主要与植物的生长状态有关。植物生长需要从底泥中汲取营养物质,对P元素的需求会随密度增大而提高,因此各组底泥TP质量浓度逐渐下降,此结果与翁磊[25]的研究结论一致。

      综上所述,在富营养化水体中,金鱼藻M100密度配置对各污染物均有较强的净化能力。要达到一定的水质净化要求,低于M100的配置所需净化时间更长,会导致管理费用增加;同时空间资源充裕,会增大杂草入侵的几率。而过高的栽植密度并不能显著提升净化效果,高于M100的配置虽短期净化效果较好,但植物数量过多,不仅会造成种植成本增加,还可能使植物个体间产生强烈的资源竞争,限制其生长发育并加速植株死亡。随着时间的推移死亡植株会对水体产生新的污染,加深水体的富营养化程度,此结果与宋超[26]、张萌[9]的研究结论基本一致。因此,在本研究范围下,经济适用的最佳密度为M100(100 株/m2)。

      在实验40 d内,各金鱼藻密度组对氮、磷等污染物吸收已基本达到饱和,其浓度基本可以达到转化平衡。为防止金鱼藻固定的污染物二次污染水体,应在种植后的40 ~ 50 d进行植物收割或疏伐,同时该方法也可以增加植物对氮、磷等污染物吸收的有效时间。当温度逐渐降低,在40 ~ 50 d内,受温度影响而衰亡的金鱼藻会向水体释放氮磷等污染物质,造成水体污染物浓度再次呈上升趋势。王立志等[27]还发现,由于冬季温度过低,微生物活跃性明显减弱,导致已死亡的金鱼藻分解缓慢,因此水体污染物含量小范围升高,直至来年春季回温后,微生物活动加剧,死亡植株开始大规模快速腐烂分解,使得水体氮磷含量显著增加。这表明在冬季来临前,应将水中的金鱼藻进行打捞,避免已死亡的植株对水体持续污染。

    • 沉水植物金鱼藻净化富营养化水体是一项既节省成本又行之有效的新措施,但不同密度配置的金鱼藻对水质净化效果有较大差异。本文就不同密度配置的金鱼藻对富营养化水体的净化效果进行了研究,结论如下:

      (1)金鱼藻对富营养化水体的净化效果,在栽种15 ~ 20 d内随密度的增大而提高,之后逐渐趋于稳定。

      (2)金鱼藻密度配置为100株/m2时,是经济适用最佳条件,能有效避免密度过高或过低造成的资源浪费和成本增加,对富营养化水体中氮磷的吸收效果(去除率为62.86%、74.32%)也优于其他密度配置;同时在该密度下,生长50 d的金鱼藻成活率最高,可达到95.65%。

      (3)金鱼藻栽种40 d左右时,植物生长状况良好,但吸收氮磷污染物的速率减缓,此时应当进行适当收割,以促进新植株生长和剩余污染物吸收。

      (4)在初冬或低温条件(5 ~ 10 ℃左右)下,部分金鱼藻植株可以正常生长,较好地吸收水中氮磷等污染物并降低其浓度。但仍存在因低温环境或生长状态不良而衰亡的植株或组织,导致水中的营养盐浓度增加,COD等污染物含量上升。

      因此,在开展沉水植物修复富营养化水体工程时,应当科学地制定植物栽植密度,种植后选取适当时间进行部分收割,合理调控,同时考虑植物因季节变化导致的功能差异,以便更好的促进沉水植物生长,发挥其稳定的功能作用。

参考文献 (27)

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