伊乐藻—螺蛳组合对模拟湖滨湿地水体净化效果的研究

李 壮， 张 红， 王 妹， 杜兴华， 王久新， 蔡新华， 靳 坤， 张明磊

(1 山东省淡水渔业研究院，山东 济南 250013；2 济南市淡水养殖科学研究所，山东 济南 250117；3 山东省济宁市任城区水产局，山东 济宁 272000；4 山东省新泰市小协镇人民政府，山东 新泰 271200)

南四湖、东平湖水域作为山东省内陆淡水生态系统，承担了调蓄水、改善生态环境、旅游观光、供应水产品等生态和社会功能。多年来，由于沿湖工农业生产，造成湖泊面积日益缩减，湖滨水质及生态系统功能也遭到了破坏。为修复已受损的生态环境，开发湖泊水域环境的治理和保护技术刻不容缓。国内外研究表明，利用生态学原理，通过移植适宜的水生动植物对受污染水体进行原位修复是生态治理的有效手段[1-7]，且有着成本低、效果好、环境价值生态效益兼备等诸多优点[8]。

伊乐藻(Elodeanuttallii)是水鳖科多年生沉水植物，具有极强的断枝无性繁殖能力[9]，且能耐受高浓度的氮(N)、磷(P)[10]，常被选作湖泊水生植物净水修复的先锋种[11]；此外，伊乐藻还是河蟹的优良饵料。螺蛳(Bellamyaaeruginosa)作为一种底栖动物，通过摄食水中藻类、有机碎屑等，可有效降低水中的N、P、叶绿素a等污染物[12-15]。目前，国内有若干关于水生植物和底栖动物协同净化水质的研究，取得了不错的效果[16-17]。然而，关于伊乐藻和螺蛳的协同净化效果鲜有报道。

本试验通过对伊乐藻和螺蛳的不同密度组合，对模拟湖滨湿地水体净化效果进行研究，探讨两者合适的种植、放养密度，旨在为湖滨湿地的生态修复提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在地点山东济宁任城区路口渔业专业合作社。试验用螺蛳采捕于当地池塘，挑选规格均匀、无伤残、活力好的个体。试验用伊乐藻为移植至当地水体并预培养15 d后挑选长势良好、均匀的植株。试验用底泥采挖自当地湖滨养殖池塘，经彻底风干并测定含水量，敲碎过筛后使用。试验用水取自养殖池塘，为防止外来杂质干扰，试验期间蒸发及植物生长等损耗水用纯净水补充。

1.2 试验设计

试验在水箱中进行。水箱规格为长665 mm×宽485 mm×高380 mm。参考文献[12,15,18]的研究并结合本试验实际，设置试验梯度。螺蛳设置3个梯度：120 g/m2、240 g/m2和360 g/m2，伊乐藻设置3个梯度：100 g/m2、200 g/m2和300 g/m2。根据水箱规格，3个梯度螺蛳实际投放量分别为每箱38 g、76 g和114 g；3个梯度伊乐藻实际投放量分别为每箱31.5 g、63 g和94.5 g。采用螺蛳和伊乐藻两因素三水平L9(32)的方法设置A、B、C、D、E、F、G、H、I共9个试验组，另设1个空白对照组(表1)。

表1 试验设计

每组3个重复，共30个试验水箱，每个水箱内加入风干泥样5 kg，加池塘水至离水箱上沿5 cm。加水后，用洁净木棒将底泥彻底粉碎并轻轻搅拌，使底泥相对均匀地平铺于水箱底部(底泥厚约4 cm)。静置1 d后，测定泥样和水样数据为第0天数据。然后按照试验设置，将螺蛳均匀地撒到水槽中，采用扦插移栽的方法将伊乐藻移植入试验水体。每隔10 d采泥样(采用5点取样法，即四角和中间各取一点)和水样各1次，连续检测4次。泥样离心得到测定所用间隙水后，剩余间隙水及泥样全部倒回原采样水箱。试验结束时测定伊乐藻、螺蛳的最终质量。

1.3 检测项目和方法

采集泥样立即送实验室离心获得间隙水，测间隙水的TN、TP、COD方法和测水样的相同。

1.4 去除率计算

E=100%×(C0-Ci)/C0

(1)

式中：E—去除率；C0—初始质量浓度，mg/L；Ci—第i天质量浓度，mg/L。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel2007软件进行统计分析。应用SPSS19.0软件进行方差分析，比较各组差异性。

2 结果与分析

2.1 伊乐藻生长情况

伊乐藻生长情况见表2。整个试验过程中，伊乐藻长势良好，各试验组藻的质量都有显著增加。

表2 试验前后伊乐藻质量变化

观察发现，试验前期生长速度较快，后期减缓。试验结束时，各组间伊乐藻质量差异不显著。比较伊乐藻增量和初始投放量的比值，因初始投放量的不同而差异显著，且随初始投放量的增加，该比值减小。表明初始投放量越大，增量倍数越小，反之，初始投放量越小，增量倍数越大，最终都是趋于一个相对较一致的生物量(554.31±29.60)g。分析认为，试验水体的环境容纳量有限，该生物量可能接近于伊乐藻在本试验水体下的最大环境容纳量。

2.2 螺蛳生长情况

螺蛳生长情况见表3。试验过程中一些试验组螺蛳有死亡，从死亡率来看，初始投放量越大，死亡率越高。从存活的螺蛳质量来看，螺蛳投放量较低的两梯度试验组(120 g/m2、240 g/m2)均重都有所增加；螺蛳投放量360 g/m2组均重减小，可能与该组死亡率高、死亡个体规格较大有关。表明该组的螺丝投放密度可能过大，而较低的两个投放量则是合适的。

表3 试验前后螺蛳(活体)质量变化及死亡率

2.3 试验水质的变化情况

2.3.1 TN质量浓度变化

由图1可以看出，试验水体中的总氮含量整体呈现先迅速下降后趋于稳定的过程。

第30天后，各组TN质量浓度不再显著下降。试验结束时，各试验组去除率达到61.54%～80.00%，去除率最低为E组，最高为D组，低于张卫等[19]的伊乐藻对高浓度胁迫水的95.3%TN去除率的结果，但优于其对河水和Ⅴ类水的净化效果。推测认为，一方面，TN去除率与试验初始的TN质量浓度有一定关系，初始TN质量浓度越大，TN去除率越高，这个推测与吴晓霞等[12]的研究结果相符；另一方面，螺蛳的活动可能对TN的去除有一定的影响。与张卫等[19]的结果类似，对照组的TN质量浓度也有一定下降，但不同的是，本试验试验组TN质量浓度显著低于对照组，表明伊乐藻—螺蛳组合对水体TN有很好的净化效果。对照组TN下降，推测是因为水体悬浮物质的沉降及反硝化作用。

图1 试验水体TN质量浓度和去除率变化

2.3.2 TP质量浓度变化

TP变化如图2所示。从试验开始到第20天，试验组TP质量浓度随时间推移缓慢下降，从第30天开始又有一个上升过程。这个趋势同张卫等[19]的研究结果一致。一方面，可能因为试验后期随着伊乐藻生长减缓，对水体中磷酸盐的吸收作用减弱，加上底泥中磷酸盐溶解散逸到水中，导致水中总磷升高；另一方面，螺蛳的摄食、排泄、蠕动等生命活动可能对水体TP的回升有一定的影响。对照组TP质量浓度则先升高后缓慢下降。第20天时，各试验组TP去除率最高，而对照组为-3.85 %，表示TP质量浓度有所上升。试验结束时，A组去除率最高(47.06 %)，其次为D组(30 %)。该结果低于吴小霞等[11]47.55 %～79.23 %的试验结果，可能与本试验初始质量浓度较低有关。另外，螺蛳的活动可能也有一定的影响。该结果表明，伊乐藻—螺蛳组合对水体TP也有显著的净化效果，但随着伊乐藻生长的减缓，加上螺蛳活动，TP可能会有一定程度的回升。

图2 试验水体TP质量浓度和去除率变化

2.3.3 COD质量浓度变化

试验水体COD变化情况如图3所示。随时间推移先平缓上升后显著下降。试验第10天时，对照组COD显著高于B、E、H组，此3组初始伊乐藻密度均为200 g/m2，表明该密度下伊乐藻对COD去除速率最快。

图3 试验水体COD质量浓度和去除率变化

试验结束时，各试验组COD质量浓度均显著低于对照组(P<0.05)，表明伊乐藻—螺蛳对水体中的COD去除作用明显，去除率19.17 %～35.71 %。该结果跟谭雪梅等[20]的34.37 %～35.39 %的试验结果相近，但远低于王阳阳等[21]在东泾河河道围格的77.08 %的试验结果。这可能与试验初始质量浓度、试验季节以及种植密度等不同有关。对照组中COD质量浓度也有所下降，推测与水体中悬浮物的自然沉降以及微生物降解有关[22-23]。

图4 试验水体质量浓度和去除率变化

图5 试验水体和质量浓度变化

2.4 底泥间隙水的变化情况

2.4.1 TN质量浓度变化

底泥中TN随时间逐渐下降，第10天检测时，A、E、F、G组显著低于对照组，表明伊乐藻—螺蛳组合对底泥中TN有明显的去除作用。试验结束时，H组底泥TN质量浓度显著高于I组，表明螺蛳对底泥中TN去除有较为明显的效果。各试验组去除率分别为70.86 %、82.55 %、85.51 %、74.30 %、70.09 %、77.17 %、79.90 %、69.05 %、75.74 %。该结果远高于孟顺龙等[12]的10.25 %～30.14 %，原因可能是本试验中没有养殖鱼类，且种植的伊乐藻吸收了大量的氮。

图6 底泥TN质量浓度和去除率变化

2.4.2 TP质量浓度变化

底泥中TP变化如图7所示。各组间变化较大，多数组的质量浓度有所下降，个别组有所上升。可能是由于伊乐藻未能及时梳理造成腐烂沉积底泥表层以及螺蛳死亡等原因对TP的测量结果影响较大。

图7 底泥TP质量浓度变化

2.4.3 COD质量浓度变化

底泥中COD变化如图8所示，整体呈下降趋势。第20天时，C组(螺蛳最少)显著高于G组(螺蛳最多)，C组由初始质量浓度226.21 mg/L降为220.33 mg/L，去除率为2.6%，G组由356.00 mg/L降为107.15 mg/L，去除率达到69.9%，表明螺蛳密度高可能对底泥中的COD有更显著的去除效果。

图8 底泥COD质量浓度变化

3 结论

试验结果显示，当螺蛳—伊乐藻组合投放密度分别在240 g/m2和200 g/m2时，对水体和底质净化效果最优。伊乐藻初始投放量为200 g/m2时，初期的净化速率最快，可能是最优生长密度。在实际生产中应注意伊乐藻的收割，过高的藻密度可能导致遮光效应，造成大量死亡而污染水质，还可能使pH过高对其他水生物造成不利影响。螺蛳密度高对底质COD去除效果更加显著，推测是由于螺蛳对底泥的摄食作用。但螺蛳密度过大可能引起无机氮升高，也易造成缺氧死亡。本试验中，240 g/m2是最优密度。

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