浮叶植物与底栖动物协同修复采煤塌陷水域的效果

2018-07-06许国晶田功太李壮张金路杜兴华巩俊霞张明磊陈秀丽

水产学杂志 2018年3期

许国晶，田功太，李壮，张金路，杜兴华，巩俊霞，张明磊，陈秀丽

（山东省淡水渔业研究院，山东省淡水水产遗传育种重点实验室，山东济南 250117）

山东省济宁、枣庄地处微山湖附近，采煤地面下沉和微山湖地下水位的影响，在采煤沉陷区形成了积水区域。目前人们根据采煤塌陷水域水位的深浅采取了不同方式的复垦[1-6]，如在浅水区域开挖池塘，面积较大水域发展大水面养殖及网围、网箱养殖业。但水产养殖的尾水排放对周边生态环境造成了不同程度的影响[7,8]。有效去除采煤塌陷水域水质和底泥间隙水中的营养盐，对保护塌陷区水域生态环境，实现塌陷区水域可持续发展有重要意义。

荇菜Nymphoides peltatum生长时能吸收水体中的营养盐，常被用来修复富营养化水环境。包先明等[9]研究了荇菜重建对湖泊氮磷营养水平的影响，结果表明荇菜能有效降低水体及间隙水中氮磷营养盐含量。崔丽娟等[10]、黄余春等[11]也研究了荇菜及荇菜与其他植物群落组合净化水体效果，结果均表明荇菜能明显去除水体中的N、P营养盐。孟顺龙等[12]研究了螺蛳Margarya melanioides对池塘底泥及水质的净化效果，结果表明螺蛳可净化水体及底泥营养盐，但不能彻底净化，应和其他水质净化技术联合使用。迄今为止，关于荇菜与底栖动物螺蛳组合协同修复体系净化采煤塌陷区养殖水体的研究还未见报道。本研究通过构建不同覆盖率（10%及20%）的荇菜与螺蛳组合的协同修复体系，研究其对采煤塌陷区养殖水域水质以及底泥间隙水净化效果，为调控采煤塌陷区养殖池塘水环境的水质提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

等量抽取3个采煤塌陷水域改造成的台湾泥鳅Paramisgurnus dabryanus养殖池塘的水，充分混合后作为试验用水，水质指标见表1。取上述3个池塘底部的底泥，充分混合后用于试验。底泥中总氮（TN）含量为 6.20～6.27mg·L-1，总磷（TP）为 0.18mg·L-1。

试验采用济宁采煤塌陷水域常见的浮叶植物荇菜，底栖动物螺蛳购自山东浩洋生态科技有限公司。荇菜和螺蛳在试验水体中预培养2周再用于后续试验。

表1 试验用水的水质指标Tab.1 Water quality（mg·L-1）in the test tanks

1.2 方法

试验用长90cm×宽75cm×高60cm的PE材质水箱，水体积为280L，放置约10cm厚的底泥。试验共分成4组，第I、II组放置140g螺蛳（250g·m-2），移植荇菜0.1kg和0.2kg，用竹竿固定在水箱中，覆盖10%和20%的水面。第III组放置等量的螺蛳而不放置荇菜，为底栖动物对照组，第IV组螺蛳和荇菜都不放，为空白对照组。试验过程中不加水。试验自2017年7月6日至7月29日。

水箱准备完毕后，当日上午8:00，采集水样和泥样，每4～5d取一次水样。采水样时先用5L采水器在箱底取水，再用50mL离心管从中进行采集。TN、TP、氨氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、亚硝氮（NO2--N）等含量采用许国晶等[13]的方法检测，采用Spectroquant Pharo 100（德国MERCK）分光光度计测定。

泥样检测周期为10d，泥样4 200r·min-1离心，取上清液，用0.45μm滤膜过滤上清液，即得底泥间隙水[14]。检测方法同上面的水样检测。

为准确评价浮叶植物与底栖动物对水质营养盐的去除效果，在计算营养盐去除率时扣除了空白对照组的数值[15]，计算方法如下：

营养盐去除率=[（空白对照组营养盐浓度-各试验组营养盐浓度）/空白对照组营养盐浓度]×100%

实验数据采用平均值表示，用方差分析软件SPSS16.0进行方差分析，P＜0.05时表示差异显著。采用Microsoft Excel 2007进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 各处理组水体中TN含量的变化

由图1可知，覆盖面积10%荇菜+螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组及螺蛳对照组中TN浓度随时间呈下降的趋势。覆盖面积10%荇菜+螺蛳组TN浓度从 2.43mg·L-1降至 1.73mg·L-1，降低了 0.7mg·L-1；20%荇菜+螺蛳组和螺蛳对照组TN浓度分别从2.37mg·L-1和 2.47mg·L-1降低至 1.23mg·L-1和1.90mg·L-1，分别降低了 1.14mg·L-1和 0.57mg·L-1，各处理组TN浓度均显著降低（P＜0.05）。10%荇菜+螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组及螺蛳对照组TN最大去除率分别27.78%、48.61%和20.83%，即10%荇菜+螺蛳组和20%荇菜+螺蛳组最大TN去除率高于螺蛳对照组，说明荇菜与螺蛳协同作用优于螺蛳单独作用，推测螺蛳可以将水体中悬浮态的N、P转化为溶解态的N、P[16]，促进了水生植物荇菜的净化作用。本实验中荇菜+螺蛳组对水体中TN最大去除率高于金鱼藻Ceratophyllum demersum与环棱螺Bellamya purificata组合对TN去除率（20.48%）[17]，20%荇菜+螺蛳组对TN最大去除率高于空心菜Ipomoea aquatica Forsk与中华圆田螺Cipangopaludina chinensis组合对TN去除率（37.12%），但略低于西伯利亚鸢尾Isibirica与中华圆田螺组合对TN去除率（50.92%）[16]。说明水体中TN去除与植物种类及不同的覆盖面积等因素有关。本实验中螺蛳对照组TN含量先上升后下降，推测是螺蛳自身代谢所致，随着螺蛳逐渐适应环境，通过自身滤食作用使水体中TN含量逐渐下降。

2.2 各处理组水体中NH4+-N含量的变化

由图2可知，空白对照组NH4+-N含量略微增加，由 0.83mg·L-1增加至 0.86mg·L-1，10%荇菜 + 螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组和螺蛳对照组分别由0.86mg·L-1、0.83mg·L-1和 0.85mg·L-1降至 0.62mg·L-1、0.44mg·L-1和 0.54mg·L-1，分别降低了 0.24mg·L-1、0.39mg·L-1和 0.31mg·L-1。20%荇菜 + 螺蛳组NH4+-N含量的降低量显著高于10%荇菜+螺蛳组（P＜0.05），螺蛳对照组NH4+-N含量降低量和10%荇菜+螺蛳组差异不显著（P＞0.05）。10%荇菜+螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组和螺蛳对照组对NH4+-N的最大去除率分别达到了28.49%、49.42%和37.79%，20%荇菜+螺蛳组对NH4+-N去除率显著高于10%荇菜+螺蛳组和螺蛳对照组（P＜0.05），20%荇菜+螺蛳组去除NH4+-N效果优于螺蛳对照组。这与刘飞等[18]的研究结果一致，说明水生植物与螺蛳组合协同作用对NH4+-N的去除效果优于螺蛳单独作用，但与水生植物的覆盖面积密切相关。

图1 各组水体中TN浓度及去除率随实验时间的变化Fig.1 The dynamics and removal rate of TN levels in different waters with the experiment elapse

图2 各组水体中NH4+-N浓度及去除率随实验时间的变化Fig.2 The dynamics and removal rate of NH4+-N in different waters with the experiment elapse

2.3 各处理组水体中NO3--N含量的变化

由图3可知，试验期间10%荇菜+螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组及螺蛳对照组NO3--N浓度较试验开始均有所降低，分别由0.93mg·L-1、0.93mg·L-1和 0.93mg·L-1降至 0.63mg·L-1、0.50mg·L-1和0.73mg·L-1，与试验开始相比分别降低了0.30mg·L-1、0.43mg·L-1和 0.2mg·L-1。试验结束时，10%荇菜+螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组及螺蛳对照组NO3--N最大去除率分别达到了30.36%、46.43%和21.43%，20%荇菜+螺蛳组对NO3--N去除率与螺蛳对照组差异显著（P＜0.05），与10%荇菜+螺蛳组差异不显著（P＞0.05）。本实验中，荇菜+螺蛳组对水体中NO3--N最大去除率高于金鱼藻与环棱螺组合[17]，低于海菜花-螺蛳组合对NO3--N去除率（92.4%）[19]，推测不同的水生植物去除NO3--N的效果不同。海菜花Ottelia acuminata茎叶肥壮且易折损，为微生物提供了充足的碳源，海菜花湿地对NO3--N的去除率相对较高[19]。

2.4 各处理组水体中NO2--N含量的变化

图3 各组水体中NO3--N浓度及去除率随实验时间的变化Fig.3 The dynamics and removal rate of NO3--N in different waters with the experiment elapse

图4 各组水体中NO2--N浓度及去除率随实验时间的变化Fig.4 The dynamics and removal rate of NO2--N in different waters with the experiment elapse

由图4可知，试验期间10%荇菜+螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组及螺蛳对照组NO2--N浓度较试验开始均有所降低，分别由0.45mg·L-1、0.44mg·L-1和 0.45mg·L-1降至 0.17mg·L-1、0.06mg·L-1和0.29mg·L-1，与试验开始相比分别降低了0.28mg·L-1、0.38mg·L-1和 0.16mg·L-1。至试验结束，10%荇菜+螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组及螺蛳对照组NO2--N最大去除率分别达到了62.22%、87.78%和35.56%，20%荇菜+螺蛳组对NO3--N去除率与10%荇菜+螺蛳组及螺蛳对照组差异显著（P＜0.05）。

2.5 各处理组水体中TP含量的变化

由图5看出，10%荇菜+螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组TP浓度呈下降趋势，螺蛳对照组TP浓度呈先上升后下降的趋势。10%荇菜+螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组和螺蛳对照组TP浓度分别从0.26mg·L-1、0.27mg·L-1和 0.25mg·L-1下降至 0.05mg·L-1、0.04mg·L-1和 0.13mg·L-1，分别降低了 0.21mg·L-1、0.23mg·L-1和 0.12mg·L-1，荇菜 + 螺蛳组 TP 降低量显著高于底栖对照组（P＜0.05），而不同面积的荇菜+螺蛳组降低量差异不显著（P＞0.05）。至试验结束，10%荇菜+螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组和螺蛳对照组TP最大去除率分别达到了75%、82.5%和35%，两组荇菜+螺蛳组对TP的去除率与螺蛳对照组差异显著（P＜0.05），说明荇菜与螺蛳协同作用优于螺蛳单独净化效果。这与刘飞等[18]的研究结果一致。本试验中荇菜+螺蛳组对TP去除率高于金鱼藻+环棱螺组合[12]，也高于空心菜+中华圆田螺组合（53.49%）及西伯利亚鸢尾+中华圆田螺组合（32.2%）[16]，20%荇菜+螺蛳组对TP去除率略高于海菜花-螺蛳组合对TP的去除率（75.5±3.9）%，而10%荇菜+螺蛳组对TP去除率与海菜花-螺蛳组合对TP去除率相近[19]，说明水体中TP去除与其他营养盐的去除一样，不仅与水生植物种类有关，还与水生植物的覆盖面积密切相关。螺蛳对照组对TP去除率为35%，与孟顺龙等[12]投放螺蛳225g·m-2对TP去除率（38.9%）相近，低于其投放螺蛳450g·m-2对TP去除率（44.4%）。本实验投放螺蛳250g·m-2，说明螺蛳净化水质效果与螺蛳投放量密切相关。但在本研究中，浮叶植物荇菜和螺蛳对水体营养盐去除的贡献率还需要深入研究。

图5 各组水体中TP浓度及去除率随实验时间的变化Fig.5 The dynamics and removal rate of TP in different waters with the experiment elapse

图6 各处理组间隙水中TN、TP浓度随实验时间的变化Fig.6 The dynamics of TN and TP levels in interstitial water in different groups with the experiment elapse

2.6 试验过程中底泥间隙水氮、磷含量的变化

由图6可知，10%荇菜+螺蛳组底泥间隙水TN浓度由开始的 6.20 mg·L-1上升至 8.90 mg·L-1，20%荇菜 + 螺蛳组由 6.20 mg·L-1下降至 6.10 mg·L-1，螺蛳对照组则由 6.23 mg·L-1上升至 12.80 mg·L-1，空白对照组由 6.27 mg·L-1下降至 4.90 mg·L-1。螺蛳对照组TN含量增加量显著高于10%荇菜+螺蛳组（P＜0.05）。10%荇菜+螺蛳组底泥间隙水TP浓度由开始的 0.18 mg·L-1上升至 0.20 mg·L-1，20%荇菜 +螺蛳组由 0.18 mg·L-1上升至 0.19 mg·L-1，螺蛳对照组则由 0.18 mg·L-1上升至 0.23 mg·L-1，而空白对照组呈下降趋势，由0.18 mg·L-1下降至0.10 mg·L-1。本实验中，空白对照组TN、TP浓度降低，推测是底泥间隙水中氮磷释放至水中，而又不存在鱼类、底栖动物的外在代谢。螺蛳对照组中底泥间隙水中TN、TP含量均增加，与孟顺龙等[7]的试验结果一致。10%荇菜+螺蛳组、20%荇菜+螺蛳组TN、TP浓度增加量低于底栖对照组，推测是荇菜的根系与沉积物直接接触，从间隙水中吸收的原因。水生植物根系具有重要的吸收功能，所需要的N和P可以直接通过根从底泥间隙水中吸收[9]。因此，水生植物根系吸收底泥间隙水中N、P营养盐对控制采煤塌陷水域内源营养盐的负荷具有重要作用。

3 讨论

浮叶植物荇菜和底栖动物螺蛳组合的协同修复体系去除采煤塌陷水域水质和底泥间隙水中的营养盐优于的螺蛳单独作用；不同覆盖率的水生植物构建的协同修复体系对采煤塌陷区养殖水域水质以及底泥间隙水营养盐的去除效果不同。

覆盖率20%的荇菜+螺蛳组合的协同修复体系对采煤塌陷区养殖水体中 TN、TP、NH4+-N、NO3--N以及NO2--N的去除率高于10%的荇菜+螺蛳组合，分别为48.61%、82.5%、49.42%、46.43%和87.78%，10%的荇菜+螺蛳组合为27.78%、75%、28.49%、32.14%和62.22%。两者对底泥TN、TP均有一定的去除作用。

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