衡水湖水生植物水质净化效应研究

尹俊岭　张学知　张家兴

摘要:衡水湖是位于河北省东部平原的一个人工湖泊,水源供给主要靠外流域调水。水体相对静止,水量交替缓慢,来水量水质复杂多变,对湖水水质影响较大。为净化水质,衡水湖采用以水生植物进行水质净化的措施,取得了良好的效果。通过对来水量水质、湖水水质监测,分析水生植物对氮、磷物质的净化作用;在不同水生植物区进行取样分析,采用综合污染指数对比的方法,分析不同水生植物的净化作用和效果;分析结果表明:水质净化效果最好的是沉水植物区,依次分别为荷花区、蒲草区、芦苇区。水生植物在净化水质的同时,也美化了环境。

关键词:湖泊生态系统;水生植物;净化水质作用;衡水湖

中图分类号:X171;X703文献标识码:A文章编号:1672-1683(2009)05-0128-03

Study of Hydrophyte and the Effect of Water Purification of Hengshui Lake

YIN Jun-ling,ZHANG Xue-zhi,ZHANG Jia-xing

(Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hengshui City,Hengshui 053000,China)

Abstract: Hengshui Lake is one of the artificial lakes in the eastern plain of Hebei Province.Its water supply mainly depends on water diversion from outside basin.Water body is relatively static,quantity of water alternates slowly,and water quality is complex and changeable,which have great effects on the water quality of the lake.Aquatic plants are used to purify the lake and good results are achieved.By monitoring water quantity and quality,purifying effect of aquatic plants to nitrogen,phosphorus materials is analyzed;samplings are taken at different aquatic plants areas by the methods of integrated pollution index to analyze the different purifying effect of aquatic plants;The results showed that: the best effect of water quality purification is submerged macrophyte zone as lotus area,leaf of cattail areas,reed areas.Aquatic plants can not only purify the water,but also beautify the environment.

Key words: lake ecosystems;aquatic plants;effect of the water purification;Hengshui Lake

衡水湖自然保护区成立于2000年7月,面积18 787 hm²,由草甸、水域、林地、滩涂等多种生态环境组成的天然湿地生态系统,是多种候鸟南北迁徙的路线汇集地和众多珍惜鸟类在华北地区最理想的栖息地,是华北内陆具有典型代表性的湿地环境。由于衡水湖供水水源的复杂性和地理位置的特殊性,分析衡水湖水环境变化规律与水质影响因素,评价水生植物对水质净化作用的机理和效果,加强对衡水湖水环境影响因素的研究,为保证衡水湖湿地水环境良性循提供科学依据。

1 衡水湖水生植物类型与分布

水生植物指生理上依附于水环境、至少部分生殖周期发生在水中或水表面的植物类群。水生植物大致可区分为4类:挺水植物、沉水植物、浮叶植物与漂浮植物。而大型水生植物是除小型藻类以外所有水生植物类群。水生植物是水生态系统的重要组成部分和主要的初级生产者,对生态系统物质和能量的循环和传递起调控作用。它还可固定水中的悬浮物,并可起到潜在的去毒作用。

为保护水质,衡水湖从2000年开始,在湖内大量种植水生植物,利用水生植物的净化作用,为保护衡水湖水质发挥了重要作用。

根据北方特点以及当地气候状况以及地理位置等情况,在衡水湖内主要种植的水生植物有芦苇、香蒲和荷花。沉水植物区主要种植的水生植物有轮藻、眼子菜等[1]。各水生植物种植面积见表1。

大型水生植物是湖泊生态系统的重要组成部分,它们共同构成湖泊水生植被,具有显著的初级生产能力和环境功能。尤其是在浅水湖泊中,大型水生植物可占据较大面积比例,不仅是初级生产力的主体,而且能在一定程度上改善湖泊环境和其它生物的生存环境。

2 水生植物净化水质作用机理分析

水生植物能够不同程度地清除被污染水体的氮、磷、重金属及有机污染物,并在净化水质中得到了广泛的应用。通过分析水生植物对水中氮、磷等营养元素和污染物的吸收及分解作用,可选择不同的水生植物及其组合来适应不同的受污染水体。还可通过控制水生植物的数量来调控净化能力的大小,以修复受污染水体并保持水质。水生植物净化水质的作用机理可分为以下几个方面[2]。

①植物提取:指应用可累积污染物的植物将水体中的重金属或有机污染物转运、富集于植物体易于收集的部分。

②植物转化:指植物从土、水体等污染环境中吸收集富营养化污染物或有机污染物,并通过植物体的代谢过程来降解污染物,将污染物部分或完全降解或结合进植物组织内,从而使污染物变得无毒或毒性较以前减小。

③植物固定:利用植物降低污染物质在环境中的不稳定性和可利用性,防止污染物进入地下水或食物链,降低污染物对生物的毒性。

④根际生物修复:植物根系及其根际微生物释放酶、有机酸等物质,对污染物进行溶解、蟞合、吸收或降解。

⑤植物挥发:应用植物将挥发性污染物或其代谢产物吸收并释放到大气中,从而清除水中的污染。

⑥根际过滤:利用植物根部从水中吸收、富集和沉淀重金属、有机物等污染物,从而达到消除环境污染的目的。

通过种植水生植物净化水质,是利用许多水生植物特别是水生维管束植物能够大量吸收营养物质,或降解转化有毒有害物质为无毒物质的性质。在废水或受到污染的天然水体中种植大量耐污染净化较强的水生高等植物,使其通过自身的生命活动将水中的污染物质分解转化或富集到体内,然后除去,恢复水域中的养分平衡;同时通过水生植物的光合作用放出氧气,增加水中溶解氧含量,从而改善水质。

3 衡水湖水生植物的生态功能

水生植物和其它水生生物生活在同一个水体环境中,当拥有一定的群体数量时,它们不仅可以改善环境,还能通过各种方式直接或间接影响其它生物,这就是大型水生植物的环境生态功能。

3.1 促淤防蚀澄清水质功能

当湖泊中的水生植物比较密集、组成具有一定覆盖度的水生植物时,可以改变湖水与底泥之间的物质交换平衡,促使悬浮或溶解在湖水中的污染物质向底泥的转移,澄清净化水质,其作用机制可以归纳以下几个方面。

抑制风浪和水流,促进湖水中悬浮物质的沉降;固持底泥,减少底泥中污染物的再悬浮和溶解释放;分泌助凝物质,促进湖水中小颗粒物质、溶解态有机物质和胶体的絮凝沉降;水生植物与湖水之间有庞大的接触面积,能吸附水中的污染物质并通过周丛生物进行分解转化,剩余部分通过剥落-沉降进入底泥;通过吸收同化-死亡凋落过程将溶解态污染物输送到底泥。

芦苇生长在水中,根和下端的基部附生着一层厚厚的呈深灰色的微生物,这些微生物依靠吸收水中的有机物质生存,起着净化水质的独特作用。芦苇的根部较浅,主要是横向生长在泥土中盘根错节。这样的根系生长结构,对滩涂和沟河的坡岸水土起着极好的保护作用。

3.2 抑制藻类功能

水生植物与浮游藻类有相互克制的特性,在水草发育比较好的水质中不易发生藻类水华,其相克机制主要有生物克制和物理效应。

生化克制:水生植物在旺盛生长时能向湖水中分泌某些生化物质,杀死藻类或者抑制其生长繁殖。沉水植物与浮游藻类在资源方面竞争势均力敌,生化克制效应在二者之间的生存竞争中起着决定性作用。

物理效应:湖泊中浮游藻类大部分没有运动能力或者运动能力很差,它们主要借助于紊动来维持其悬浮生活。在水生植物比较密集的湖区,湖水的紊动强度减弱,可影响某些浮游藻类的生长。有些藻类的自然群体具备较小颗粒的某些性质,同样可以被水生植物的表面所吸附。比如在有蓝藻水华的湖泊中,水生植物分区常常成为漂浮性蓝藻的陷阱,挺水植物带和浮叶植物带对蓝藻的捕获作用最为有效。

3.3 衡水湖不同水生植物净化作用效果分析

2004年-2005年,衡水水环境监测中心开展了对衡水湖不同水生植物分布区水质监测试验,先后在2004年10月,2005年4月、6月、7月、8月分别对荷花区、芦苇区、蒲草区、沉水植物区和深水区进行水质监测,监测项目有pH值、氯化物、硫酸盐、溶解氧、氨氮、硝酸盐氮、高锰酸盐指数、氰化物砷化物、挥发酚、六价铬、总汞、隔、铅、铜、溶解性铁、硫化物、氟化物、总磷等20个项目。对监测结果采用综合污染指数法进行评价,评价结果见表2。

为便于比较,对不同区域5次评价的综合污染指数,计算其算数平均值,用算数平均值进行对照,沉水植物区的综合污染指数平均值为0.47,属微污染;荷花区、蒲草区和芦苇区综合污染指数依次为0.57、0.62、0.66,属轻污染。

不同的水生植物,对不同性质的污染物去除效果不一样,如芦苇对总磷、总氮的去除效果明显;水葱,能净化水中的酚类;野慈菇对水体中氮的去除率达75%;荷花可以削减水体中总磷、总氮、BOD₅、COD_Cr的含量;菹草对水体和底泥中的N、P、Pb、Zn、Cu、As等有较强的吸收、富集作用。不同的物种或同一物种在不同湿地环境中的净化效果都会有较大的差异性。

通过对衡水湖不同水生植物区水质评价,对水质净化作用最好的是沉水植物区,依次分别为荷花区、蒲草区、芦苇区。该结果是该水生植物区内对评价项目综合作用的结果,生物净化水质是一个涉及物理、化学、生物反应的综合过程,单独进行某一种生物对某一项污染物的净化作用,需要建立专门的试验设施进行研究。

4 衡水湖水生植物对氮磷物质净化作用分析

衡水湖供水水源主要靠外流域调水,一般在每年冬季从黄河调水,入湖水量时间短。利用来水量水质监测资料与湖内水质监测资料进行比较,分析衡水湖内水生植物的净化作用(该计算成果包括水体自净作用在内),本次仅对氮、磷营养物质进行分析计算。

4.1 引黄水源水质资料分析

衡水湖上游水源几乎都被水利工程控制,平时很少来水,只有汛期上游弃水时才有来水,而且没有保障,数量很少。目前,衡水湖主要水源是从黄河调水。在调水期间,水量平稳时每旬监测一次,水量变化大随时增加监测次数。本次分析项目为总磷、总氮两个监测项目,根据监测资料计算其平均值。如下表3为2003年-2007年衡水湖水源水质监测计算成果。

根据调水水质资料分析,水质监测成果每年变化幅度较大,主要受河道沿途污水和底泥影响。在调水前,河道大部分是存储和排放污水的,河道底部严重污染,在最开始的调水水质有时超过Ⅴ类水。随调水时间的延长,水质逐渐变好。因此,长距离调水时,沿途河道状况对水质影响较大。

4.2 湖区监测点布设及检测项目情况

监测点布设:在衡水湖内设施2个监测取样点,每年双月进行监测,全年监测6次,遇到水质和水量变化较大时,随时增加监测次数,按照算术平均法计算年平均浓度,计算结果见表4。

水质监测成果分析,衡水湖水质变化幅度较大,主要与来水量水质关系有关。也和周边流域产流直接入湖的水质有关。由于上游来水基本是污水,来水量一般是存入小库,然后直接进行灌溉,以防止污水污染衡水湖水体。遇到上游在汛期弃水,水质较好时,适当向衡水湖调水。因此,衡水湖水质受上游来水水质影响较大。

4.3 水生植物净化水质效果评价

4.3.1 氮的去除效果分析

湖水中的氮基本上以有机氮和氨态氮两种形式存在,氮在湖泊及湿地内的转化途径包括土壤吸附和离子交换、水生植物吸收、微生物的硝化、反硝化以及氨的挥发等[3]。根据衡水湖引水水质监测资料和湖水水质监测资料分析,采用2003年-2007年水质监测成果计算,衡水湖水体总氮的去除率为63.0%。植物是湿地净化水质的一个重要组成部分,衡水湖在湖中种植了不同的水生植物,为净化水质发挥了重要作用。就氮的去除情况分析,有关研究表明[3],在人工湿地中,氮的去除主要通过硝化和反硝化两步反应。微生物在湿地系统营养物氮的去除中起着主要作用,通过收割实验,分析表明湿地系统中,只有4%～11%的氮是通过植物吸收去除的,而大部分是通过硝化、反硝化作用去除的。

4.3.2 磷的去除效果分析

湿地对磷的去除主要通过底质吸附、植物摄取和微生物同化三条途径来进行,其中底质吸附是最主要的一个因素,而磷最终从系统中去除依赖于湿地植物的收割和饱和底质的更换(定期清除底泥是除磷和其它重金属的有效措施)。根据5年内衡水湖调水水质监测资料和湖水水质监测资料分析[5],按平均值计算,衡水湖水体对磷的去除率为21.1%。具体底质吸附、植物摄取和微生物同化对磷去除的比例,衡水湖没有这方面的监测和试验结果,有待于以后能开展这方面的试验研究。

5 结论

湿地可以提供生物繁育生长栖地、对于保护生物多样性、减少洪水危害等具有重要意义。衡水湖利用水生植物及人工湿地来净化水质的方法,由于无副作用、廉价和易操作,具有较强的应用和发展前景。在去除污染物的同时,具有美化环境的功能,因此有较高的生态效益。

湖泊中种植水生植物,利用微生物─植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用,通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物同化分解和植物吸收等途径去除水体中的悬浮物、有机物、氮、磷和重金属等,根据对衡水湖不同水生植物区水质监测结果分析,沉水植物区净化水质效果最好,依次分别为荷花区、蒲草区和芦苇区。利用调水和湖区水质资料对比分析,总氮的去除率为63.0%,总磷的去除率为21.1%。

衡水湖通过人工种植水生植物,如芦苇、香蒲、荷花等,野趣横生。在净化水质的同时,也增加了观赏价值。

参考文献:

[1] 衡水水文水资源勘测局.衡水湖湿地保护与环境功能研究[R].2006.

[2] 吴振斌,邱东茹,贺 锋,等.水生植物对富营养水体净化作用研究[J].武汉植物学研究,2001,19(4):299-303.

[3] 唐 峰,陈季华.人工湿地系统中氮磷去除机理的研究进展[A].第七届全国环境水力学学术研讨会论文集[C].北京:中国水利水电出版社,2006.

[4] 许航,陈焕仕.水生植物塘脱氮处磷的效能及机理研究[J].哈尔滨建筑大学学报,1999,32(4):69-73.

[5] 尹俊岭,乔光建,崔希东.水生植物对氮磷营养物质净化作用分析[A].中国水利学会第四届青年科技论坛论文集[C].北京:中国水利水电出版社,2008.