污染水体生态治理工程中凤眼莲对水质变化的生长响应

徐寸发 ，闻学政，宋伟，张迎颖，刘海琴，王岩，秦红杰，张志勇*

1. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014；2. 江苏省农业科学院中心实验室，江苏 南京，210014

水生植物作为初级生产者，在水生生态系统中扮演着重要角色，在净化水质、改善水生环境、维持水生生态系统稳定等方面发挥着不可替代的作用（Dhote et al.，2009；Moore et al.，2010）。同时水生植物属于一种构件生物，当生长环境发生变化时，常在构件的形态、生理和数量变化上表现出极高的可塑性（顾燕飞等，2017；Leicht et al.，2006）。

凤眼莲（Eichhornia crassipes），雨久花科凤眼莲属，多年生漂浮植物，因具有繁殖速率快、生物产量大、吸收氮磷能力强等特点，被广泛应用于湖泊、河流、工业废水等水体的治理（Wang et al.，2012；Nesterenko et al.，2012；Jayaweera et al.，2004；Zhang et al.，2016）。据相关文献报道，凤眼莲在生长发育过程中受多种环境因子控制，如营养盐浓度（张志勇等，2010）、光照（蔡树美等，2011），温度（王子臣等，2011）、酸碱度（林瑞余等，2007；张迎颖等，2013）等，适宜的环境条件更有利于凤眼莲的生长。氮、磷元素又是植物生长需要的营养元素，也是构成植株体内有机结构的组成成分，参与酶促反应或能量代谢及生理调节（Wang et al.，2013；Miao et al.，2000）。因此，水环境中的氮磷浓度是植物正常生长过程中尤为关键的环境控制因子。李卫国等（2007）研究表明，凤眼莲的生长繁殖速率与水体营养水平关系密切且植株呈现出极强的形态可塑性，在一定范围内，水体中氮素水平越高，凤眼莲累积生物量越大。在缺磷、缺氮的水环境中，凤眼莲株高变矮、侧根系变长、叶片变薄变小等可塑性反应使得其能正常生长（陈兴，2011）。赵月琴等（2006）通过盆栽实验研究不同营养水平条件下凤眼莲的生长特征，结果表明，富营养条件增强凤眼莲生长繁殖能力，使其平均分蘖数、平均株高及总生物量极大地增加。

漂浮植物凤眼莲作为一种常见的水体生态修复的优势物种，因野外环境变化不易控制导致目前针对环境因子对凤眼莲生长影响的研究多集中在室内的模拟实验，缺乏在野外流动性水体条件下，特别是污染水体生态治理工程中凤眼莲受环境变化的生长响应报道。因此，探明有关环境因子变化对凤眼莲相关生物生态学特征的改变对凤眼莲修复受污染水体尤为关键。本研究在利用凤眼莲深度净化污水处理厂尾水的生态治理工程基础上，通过分析凤眼莲生物量、株高、根长、植株组织氮磷含量等生长指标，揭示环境中不同水质条件下凤眼莲的生长特征，以期达到通过观测凤眼莲的生长特征变化诊断水质的目的，及为后续凤眼莲应用于生态治理工程时其规模配置及工程运行提供技术参数。

1 材料与方法

1.1 研究地点

试验地点位于南京市高淳区东坝镇污水处理厂北侧人工构建的净化塘。净化塘采用三级串联方式组成，各级之间采用土夯方式隔开，底部和岸堤均铺设防水布防止渗漏，出水口设置溢流堰使水深维持1 m，同时净化塘进、出水口均安装流量计监测污水处理厂尾水进出流量。各级净化塘长均为105 m、深1.2 m，其中一级净化塘宽为25 m，二级和三级净化塘宽均为27.5 m，3个净化塘占地面积共8400 m2，总有效容积为7500 m3，如图1所示。

1.2 试验方法

2015年5月始，持续引入污水处理厂尾水至净化塘，工程运行期间进水水质及其他相关指标见表1，5月按0.60 kg·m-2投放凤眼莲种苗于各级净化塘。试验运行期从6月初开始，11月底结束，各级净化塘均设置3个采样点，共9个采样点（P1～P9），如图1所示。每月利用容量为5 L的有机玻璃采水器采集各级净化塘水样与凤眼莲植株样，带回实验室及时测定水体TN和TP质量浓度，并随机抽取10株凤眼莲测定叶片叶绿素含量（SPAD值）、株高、根长、茎叶和根系的生物量、茎叶和根系的氮磷含量。同时，现场称量各级净化塘凤眼莲单位面积生物量。

图1 采样点分布图Fig. 1 Distribution diagram of sampling point sites P1～P9是采样点Sampling sites P1 to P9

1.3 分析方法与数据处理

水体总氮（TN）、总磷（TP）质量浓度采用德国 SEAL AA3连续流动分析仪测定（夏倩等，2012）。凤眼莲单位面积生物量（鲜重）测定：将1 m2内的植株从水中捞起放在筛网上，直至无滴水时称重而得；茎叶和根系生物量测定：将清洗干净的10株凤眼莲茎叶和根系分离后，直接用电子秤称量，计算单株茎叶和根系生物量；植株叶片叶绿素含量（SPAD值）使用Spad-502Plus叶绿素仪测定；根长和株高使用米尺测定；植物样于105 ℃下杀青30 min后，在65 ℃恒温烘至恒重，然后进行粉碎，采用H2SO4-H2O2消解法测定植物样氮、磷含量，测定方法详见《土壤农化分析》（鲍士旦，2000）。

各采样点所需测定指标均重复3次测定，最后试验数据结果用平均值±标准偏差表示，生长速率计算公式为

表1 工程运行期进水水质及相关指标Table 1 Water quality and other related parameters of influent water during ecological engineering working on

式中，R 为生长速率，单位 g·m-2·d-1；Wn和 Wn+1分别为第n和n+1次监测时单位面积的累积生物量（鲜重），单位g·m-2；t为第n和n+1次监测的时间间隔，单位d。

统计分析运用 SPSS 20.0软件处理，采用Duncan多重比较检验有关生长指标在各级净化塘中的显著性差异，Pearson相关系数分别考察水体TN和 TP质量浓度与植株相关生长指标间的相关性，显著性水平设置为0.05。图表制作运用Origin 8.0和Excel软件。

2 结果与分析

2.1 净化塘水体TN和TP浓度变化

工程运行期间，尽管进水TN和TP质量浓度变化较大，但各级凤眼莲净化塘后水体 TN和 TP质量浓度较进水均有较大幅度下降，其中，与进水口相连的一级净化塘水体TN和TP质量浓度最高，三级净化塘最低（图2），这说明经凤眼莲净化塘逐级净化后，尾水水质改善效果更佳。一级、二级和三级净化塘水体 TN质量浓度分别在3.17～12.70、1.51～8.11 和 1.13～5.97 mg·L-1之间变化，均值依次为7.94、4.03和2.79 mg·L-1；水体TP质量浓度分别在 0.10～0.30、0.06～0.26 和 0.05～0.25 mg·L-1之间变化，均值依次为0.22、0.15和0.12 mg·L-1。各级净化塘间，一级净化塘水体TN质量浓度与二级、三级净化塘均存在显著性差异（P＜0.05）；一级净化塘水体TP质量浓度与三级净化塘也存在显著性差异（P＜0.05）。

2.2 凤眼莲生物量及其分配格局变化

凤眼莲种苗按0.6 kg·m-2投放至各级净化塘后，一级和二级净化塘凤眼莲单位面积生物量表现为先升后降的趋势，而三级净化塘呈现逐渐上升的变化规律，且一级净化塘凤眼莲单位面积生物量依次高于二级和三级净化塘（图 3a）。其中，一级、二级和三级净化塘凤眼莲生物量分别在 8.80～30.30、8.15～21.57 和 7.54～15.22 kg·m-2之间，均值分别为23.09、16.73和12.87 kg·m-2。然而，各级净化塘凤眼莲生长速率均表现为逐渐下降趋势（图 3b）。由于凤眼莲在净化塘里受生长空间限制同时气温降低等因素致使其生长速率逐渐降低，6月，一级、二级和三级净化塘凤眼莲生长最快，其生长速率依次为(273.38±9.38)、(251.75±2.85)、(231.47±13.89)g·m-2·d-1。此外，各级净化塘间，仅有一级净化塘凤眼莲生物量及生长速率均显著高于三级净化塘（P＜0.05）。

图2 各级净化塘水体TN和TP质量浓度变化Fig. 2 Changes of TN and TP concentration in different purification ponds

图3 各级净化塘凤眼莲生物量的变化Fig. 3 Changes of E. crassipes biomass in different purification ponds

图4 各级净化塘凤眼莲不同部位生物量的变化Fig. 4 Biomass changes of the stem leaves and roots biomass in different purification ponds

从图4可知，凤眼莲茎叶生物量与根系生物量表现出截然相反的变化规律，且茎叶生物量高于根系，尤其一级净化塘茎叶生物量是根系的 4.5～9.8倍。其中，一级、二级和三级净化塘中平均单株茎叶生物量分别为216.28、108.43和85.80 g，平均单株根系生物量依次为35.82、48.21和55.29 g。全株生物量分配比例中茎叶比例高于根系比例，且一级净化塘的仍依次高于二、三级净化塘，但各级净化塘生物量中茎叶比例整体逐渐降低，而根系比例逐渐增加。各级净化塘间，一级净化塘凤眼莲茎叶生物量及其比例和根系比例均显著高于二级、三级净化塘（P＜0.05）。因此，可以得出不同的氮磷浓度影响了凤眼莲生物量的分配格局（图5）。

2.3 凤眼莲形态特征变化

各级净化塘凤眼莲根长与根冠比的变化趋势基本一致，且与根系生物量变化趋势及其相似，株高变化则与茎叶生物量变化规律相似，而叶片的SPAD则均呈整体下降的趋势（图6）。一级净化塘凤眼莲株高、SPAD依次高于二级和三级净化塘，而根长和根冠比则反之。其中，一级净化塘凤眼莲平均株高为46.31 cm，分别是二级和三级净化塘的1.6倍和1.9倍，而平均根长和根冠比仅是二级净化塘的0.86倍和0.56倍，三级净化塘的0.69倍和0.38倍，这说明一级净化塘的水环境较其他净化塘更适宜凤眼莲生长。各级净化塘之间，一级净化塘凤眼莲株高、根长、根冠比和SPAD均显著高于三级净化塘（P＜0.05）且凤眼莲株高也显著高于二级净化塘（P＜0.05）。

图5 各级净化塘凤眼莲生物量分配格局的变化Fig. 5 Distribution patterns of E. crassipes biomass in different purification ponds

2.4 凤眼莲氮磷含量变化

通过分析各级净化塘凤眼莲茎叶和根系中的氮、磷含量发现（图 7），整体上茎叶氮含量高于根系，且茎叶和根系氮、磷含量大小基本上表现为一级净化塘>二级净化塘>三级净化塘。其中，一级、二级和三级净化塘茎叶平均氮质量分数分别为24.61、22.62和 19.68 mg·g-1，平均磷质量分数分别为2.30、1.96和1.65 mg·g-1；而根系平均氮含量依次为20.95、20.49和17.76 mg·g-1，平均磷含量依次为2.05、1.79和1.55 mg·g-1。结合凤眼莲平均单位面积生物量（图 3），生态工程运行期间，一级、二级和三级净化塘凤眼莲单位面积生物量平均累积吸收氮量分别为27.44、17.59和11.04 g·m-2，磷量为2.57、1.53和0.93 g·m-2。此外，各级净化塘间，凤眼莲茎叶氮含量均存在显著性差异（P＜0.05），且一级净化塘茎叶和根系磷含量及根系氮含量显著高于三级净化塘（P＜0.05）。由此可见，凤眼莲在一级净化塘吸收水体的氮、磷较多。

2.5 水体氮磷浓度与凤眼莲生长指标的相关性

从表2可知，各级净化塘水体TN和TP质量浓度与凤眼莲生物量、茎叶生物量、叶片 SPAD、株高、茎叶和根系的氮磷含量均有正相关性，相关系数均在0.54以上，而与凤眼莲根系生物量、根长和根冠比均呈负相关性，尤其与根系生物量有极强的负相关性，相关系数均在0.84以上。同时，各级净化塘凤眼莲部分生长指标与水体TN和TP质量浓度具有显著或极显著的相关性，比如，6月水体TN质量浓度与凤眼莲生物量和茎叶磷含量分别存在显著（P＜0.05）和极显著正相关性（P＜0.01），而水体TP质量浓度与茎叶生物量、根系生物量分别有显著正相关性（P＜0.05）、极显著负相关性（P＜0.01）。可见，水体氮磷浓度与凤眼莲生长情况密切相关。

3 讨论

水环境中的营养盐对水生植物的生长繁殖有明显的影响，在一定范围内，水体中营养盐水平越高，植物生长越快，生物量越大，反之生长缓慢（Clarke et al.，2002）。本试验结果也表明，在净化塘水流沿程方向上，水体TN、TP质量浓度逐渐降低，凤眼莲为了应对生长环境中TN和TP质量浓度的变化，其生长特征也发生了明显变化。由于一级净化塘水体TN、TP质量浓度依次高于二级、三级净化塘，一级净化塘凤眼莲生物量、生长速率也依次大于二级和三级净化塘。不过各级净化塘凤眼莲的生长速率仍低于太湖敞水区域和苏州葑门塘河道夏季放养试验中凤眼莲的生长速率（0.50 kg·m-2·d-1和 0.50～0.70 kg·m-2·d-1）（窦鸿身等，1995），就每天处理1000 t尾水量的处理能力而言，三级串联的生态净化塘工程的配置规模较大，后端水质较好，氮磷浓度较低的原因。同时，据相关文献报道，水生植物在生长期内茎叶和根系生长相互促进、相互制约（耿浩林等，2008）。然而，不同生长环境条件下，水生植物在不同器官中的生物量分配也是变化的，会因为营养盐等环境条件因素的变化而存在差异（Poorter et al.，2012）。杨鹏鸣等（2010）研究也发现，水体营养盐水平易导致水生植物生物量分配格局的差异。本研究结果显示，凤眼莲茎叶生物量显著高于根系生物量，这与黄成成等（2018）研究发现空心莲子草（Herba Alternantherae）地上生物量高于地下生物量的结果类似。此外，由于水体TN、TP质量浓度随着一级、二级和三级净化塘依次下降，凤眼莲茎叶生物量比例也逐渐降低。

表2 各级净化塘凤眼莲生长指标与氮磷浓度相关性变化Table 2 Correlations between growth indicators of E. crassipes and nitrogen and phosphorus concentration among purification ponds

图6 各级净化塘凤眼莲的形态特征变化Fig. 6 Morphological characteristics of E. crassipes in different purification ponds

当生长环境发生变化时，漂浮植物凤眼莲在个体形态上的表现最为直观，比如出现植株茎秆矮小、叶片瘦小发黄甚至枯萎等现象（陈兴，2011）。刘旻慧等（2017）研究发现，漂浮植物水浮莲叶片随水质改善由绿色变成了微黄色。本研究结果表明，净化塘里的凤眼莲为了适应环境中 TN和 TP质量浓度逐渐降低的变化，其个体形态也发生相关性变化。因一级净化塘水体TN和TP质量浓度较高而导致凤眼莲株高显著高于其他两个净化塘，而凤眼莲为了在水体TN和TP质量浓度较低的二、三级净化塘中提高对氮、磷的吸收能力则表现出根长和根冠比不断增加的变化，这与Xie et al.（2003）的研究结果相似。同时，研究结果也显示一级净化塘里凤眼莲叶片较二、三级净化塘宽大且叶绿素含量（SPAD值）多，这说明生境中高的氮磷浓度促进了凤眼莲的生长发育，这与张迎颖等（2011）研究得出的在水体氮磷浓度高的环境中凤眼莲长势好，叶片宽大呈绿色的结论基本一致。

图7 各级净化塘凤眼莲植株茎叶和根系氮、磷含量变化Fig. 7 Changes of nitrogen and phosphorus contents of stem leaves and roots among purification ponds

植物体内氮、磷含量水平可反映其生长环境的状况（Embaye et al.，2005）。同一植物不同组织内氮、磷含量也有所不同，大部分研究报道，氮和磷含量在植株组织中一般遵循地上部>地下部的分布规律，即植物对氮、磷的积累主要集中于地上部（李建娜等，2007；张志勇等，2008）。本研究也发现了同样的规律，各级净化塘凤眼莲茎叶氮、磷含量均高于根系，但随着水体TN和TP浓度逐渐降低，各级净化塘凤眼莲茎叶和根系氮、磷含量均随之下降，单位面积凤眼莲平均富集氮磷量均呈相关性减少，这说明水体中较低的TN和TP浓度不利于凤眼莲组织吸收氮、磷。结合凤眼莲茎叶生物量高于根系的结论，得知凤眼莲茎叶富集氮磷能力强于根系，这与罗固源等（2009）研究发现4种常见浮床植物（美人蕉Canna indica、风车草Cyperus flabelliformis、菖蒲Acorus calamus和香根草Chrysopogon zizanioides）富集氮、磷的能力均表现为地上部>地下部的结论相似。因此，可以得出凤眼莲更加适合净化氮磷浓度较高的污染水体，因在较高的氮磷负荷条件下，凤眼莲生长繁殖速度更快，生物量更大，单位面积植株富集水体的氮磷总量更多。

综上所述，由于各级净化塘水体氮磷等营养盐浓度存在差异，凤眼莲生物量、株高、根长等形态指标亦存在差异，水体氮磷等营养浓度较高的一级净化塘内凤眼莲长势较好。因而，可通过凤眼莲形态特征变化表观判断水质状况。与此同时，凤眼莲比较适合净化氮磷等营养盐浓度较高的水体，若营养盐浓度低于一定范围后继续利用凤眼莲处理，其效果并不显著。因此，在应用凤眼莲治理污染水体时，针对水体不同氮磷等营养盐浓度应配置适宜的凤眼莲净化塘面积。若处理水体氮磷浓度较低时，可减少凤眼莲净化塘面积或加大污水进水量而增加水体氮磷负荷等措施，以节约污水处理成本。在凤眼莲生态修复工程中，凤眼莲主要通过巨大的生物产量吸收水体污染物而达到净化水质的目的。然而，在实际工程应用中，凤眼莲的生长空间往往受到限制，且凤眼莲投放后短期内因生长空间大而扩繁速率最快。因此，在生态修复工程中建议在凤眼莲种群密度达到一定程度后定期打捞，其主要原因：一是防止水体缺氧、影响其他动植物生长；二是种群密度过大，不利于凤眼莲快速扩繁及最大幅度吸收水体氮磷等污染物；三是密度过大凤眼莲种群横向冲击力较大，容易破坏防逃设施而导致凤眼莲在其他水域肆意泛滥。

针对在凤眼莲生态修复污染水体工程中面对的如何安全种养、打捞、处置等系列技术问题，近10年来，本研究团队长期致力于凤眼莲等漂浮植物修复富营养化湖泊、污染河道等水体的生态修复工程技术研究，目前已形成了凤眼莲“安全控养-机械化收获、加工处置-资源化利用”成套工程技术体系，该套体系的应用可以有效解决凤眼莲后续的固液分离和资源化利用（能源化、饲料化、肥料化）等问题。

4 结论

各级净化塘水体氮磷等营养盐浓度的差异化，显著影响了凤眼莲生长，具体表现为凤眼莲在水体氮磷浓度较高的一级净化塘中表现出生物量大、叶片SPAD高，株高长、根系短等形态特征。可根据凤眼莲形态特征的变化表观判断净化塘水质状况。同时，凤眼莲累积富集的氮磷量沿着净化塘水流方向上逐渐降低，表明该净化塘仍可承载更高的尾水处理量和污染负荷量，或通过减少生态工程的规模配置也可确保出水水质。因此，建议在后续凤眼莲生态修复污水工程中，依据凤眼莲在不同氮磷浓度中富集氮磷能力的差异，选择适宜的生态工程规模配置，以取得最大效益。