不同覆盖度水葫芦对藻类水华的抑制效应研究

2020-11-30洪昌红曾烨翀周铭浩张之琳

广东水利水电 2020年11期

洪昌红，曾烨翀，邱静，周铭浩，张之琳

(1.广东省水利水电科学研究院，广东广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510635；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东广州 510635)

水葫芦又称凤眼莲，是久雨花科凤眼莲属多年生漂浮草本植物。由于水葫芦繁殖能力强和适应性强，其大量繁殖会给航运、渔业、水利等带来严重危害，尤其是在南方丰水地区引起了一系列的生态环境和经济社会问题，被列为全世界危害最大的十种杂草之一[1-3]。水葫芦对于水生态系统是一把双刃剑，控制得当则可以营造一个良好的生态环境，控制不当则会对当地生态产生负面影响。目前，国内外关于水葫芦的利弊评价研究，主要集中在富营养化水体治理和水动力条件影响等方面[4-7]，关于水葫芦对藻类水华聚集的抑制作用研究处于起步阶段，主要集中于水葫芦不同部位分泌的化感物质对不同藻类抑制机理方面的研究[8-11]。随着近年来河长制实行“五清”行动，水葫芦大面积漂浮的问题得到有效控制，但不科学的水葫芦清理易于造成湖库藻类水华的爆发，产生了清漂后的次生生态风险，而关于不同覆盖度的水葫芦对富营养化水体藻类控制的研究较少，且具有较强的现实需求。本研究从水葫芦对藻类的氮磷营养盐竞争效应出发，研究水葫芦不同覆盖度下的藻类控制效果，为河湖水葫芦科学清理及水资源保护提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水葫芦采自飞来峡库区，采集质量和体积相似的幼苗，带回实验室培养。铜绿微囊藻选购自中国科学院淡水藻种库，用BG-11培养基，先在距40 W灯2 m条件下弱光培养，待藻类繁殖变快时再加1盏灯提升光强进行培养。

1.2 实验设计

1.2.1不同水葫芦覆盖度的氮磷营养盐吸收实验

氮和磷是生物所需的营养物质，其过量的存在会使水体富营养化，引起藻类及其他浮游植物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水体恶化，鱼类及其他生物大量死亡等现象。水葫芦作为高等水生植物，其生长过程中对氮、磷营养盐有富集并吸收的作用，是生物修复技术中净化水质的理想植物。为了考察不同覆盖度水葫芦对富营养化水体中的氮磷吸收效果，在广东省水利试验基地砌筑4个3 m(长)×3 m(宽)×1.5 m(高)的蓄水池，4个水池中注入相同氮、磷营养盐含量的禽畜养殖池塘原水(总氮12 mg/L，氨氮2.5 mg/L，总磷2.4 mg/L)。1#水池未种植水葫芦，为空白对照池；2#～4#水池分别种植覆盖面积为25%、50%和75%的成长期水葫芦，观察无竞争关系富营养水质条件下水葫芦的生长情况。

1.2.2水葫芦腐烂浸泡氮磷营养盐释放实验

为了考察水葫芦生长末期枯叶腐烂或其自身代谢对水体水质的影响，在室外设置2个空桶，每个桶中分别仅放入相同质量成熟期的水葫芦，并以清水培养，每天用蒸馏水将桶内水补至固定水位，隔1 d测1次水中总氮和总磷的含量以及称量1次水葫芦的鲜重。

1.2.3不同水葫芦覆盖度的藻类抑制实验

铜绿微囊藻是一种典型的蓝藻，广泛分布于中国的河流与湖泊中，繁殖与营养丰富的水体中，有强烈的肝毒性，是实验藻类的理想品种。将实验室培养的铜绿微囊藻均匀的投入4个培养池中，适量地调整营养盐比例，促进藻类生长发育。在藻类繁殖到200 cell/mL后，分别放入水葫芦使其覆盖度分别达到0、10%、20%、30%(池体标号分别为1′#～4′#)，每日测量其680 nm处吸光度(OD680)，估算藻密度以及测量其溶解氧含量。

1.3 样品采集与检测

每天取水样测定总磷、总氮、氨氮、溶解氧和藻类浓度，取样每个实验水池按照四分法取4个水样，每个点取200 mL后进行均匀混合。水葫芦鲜重称量使用电子天平，将水葫芦拎起沥去表面水分后再放到天平上测定。总氮测量使用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，总磷测量使用钼锑抗分光光度法，氨氮测量采用纳氏试剂光度法，溶解氧的测量使用哈希便携式溶解氧测定仪，藻类浓度采用显微镜血球计数板计数法和OD680法结合取值。

经检测，本次实验藻类浓度用与680 nm处吸光度具有良好的线性关系(见图1)；用下式表示为：

图1 藻浓度与680nm处吸光度的线性相关性示意

y=15.059x+0.017

(1)

其中y为680 nm吸光度；x为藻类浓度(106cell/mL)。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖度的水葫芦对水体氮磷的影响

不同覆盖度条件下水葫芦对水体氨氮和磷酸盐的吸收净化能力见图2和图3所示。由氨氮与磷酸盐的变化趋势可知，4个水葫芦覆盖度不同的实验池中，水体的氨氮和磷酸盐在实验周期内均有不同程度的下降。其中，氨氮浓度下降的最为明显，随着水葫芦覆盖面积的提升，氨氮含量下降的速度会明显增加。无水葫芦的对照池中氨氮自然氧化降解所需时间为17 d，水葫芦覆盖度为25%、50%和75%的实验池中氨氮基本完全降解的时间分别缩短为15 d、13 d和11 d，即水葫芦的覆盖面积和氨氮的消耗速度呈良好的正相关性。在实验第11 d，1#～4#水池中氨氮的去除率分别为58%、76%、94%、100%，扣除氨氮的自然降解率以外，25%、50%和75%水葫芦覆盖度的水体中氨氮降解率分别增加18%、36%和42%。此外，水葫芦在50%和75%的覆盖度下处理氨氮效果接近而前者单株水葫芦处理效率更佳。

图2 不同水葫芦覆盖度的水体氨氮变化趋势示意

图3 不同水葫芦覆盖度的水体总磷变化趋势示意

1#～4#水池中磷酸盐14 d后的去除率分别为21%、24%、32%、29%。水葫芦覆盖度为50%的池子中磷酸盐处理效果最好，其次为水葫芦覆盖度为75%的池子。

虽然水葫芦对富营养化水体具有较强的净化作用，但成熟期至衰败期的水葫芦凋谢物在水体中浸泡腐烂会影响水体水质。成熟期葫芦清水浸泡后，水体中总氮与磷酸盐的变化趋势见图4。通过对水质进行为期1个月的监测可知，随着时间的推移，清水中的总氮和磷酸盐含量会缓慢地上升，且总氮含量的上升幅度要明显高于磷酸盐。至实验1个月后，水葫芦释放的总氮浓度接近3 mg/L，磷酸盐浓度接近1 mg/L。营养盐浓度上升的主要原因是水葫芦开始腐败，其过程会释放一定的营养盐所致。此外，随着成熟期水葫芦覆盖度的增加，水葫芦腐败浸泡释放的营养盐会过度消耗水体溶解氧，会造成水体氮磷浓度快速上升，导致水体水质恶化。因此，水葫芦的清理需要根据成长周期制定计划，优先打捞衰败期的水葫芦，避免对水质产生不良影响。

图4 清水浸泡实验中水中氮、磷随时间推移的变化示意

2.2 不同覆盖度的水葫芦对藻类的抑制作用

1′#～4′#池体中铜绿微囊藻的变化趋势见图5所示。实验周期内，无水葫芦的对照组(1′#水池)中适量的氮磷营养盐为藻类生长提供了基础条件，藻类浓度表现出明显的生长趋势，在实验至第9天内浓度增加了23%。有水葫芦的2′#～4′#水池中的藻类浓度快速下降，说明水葫芦的存在对水体中铜绿微囊藻的生长产生了明显的抑制作用，且水葫芦的抑藻效果与覆盖度成正相关性。2′#水池(10%覆盖度)达到抑制平衡的时间约为11 d左右，藻类浓度下降了50%；3′#(20%覆盖度)和4′#(30%水覆盖度)水池中的藻类抑制达到基本平衡的时间约为5 d左右，藻类浓度分别下降了48%和52%。从不同覆盖度的抑藻效果分析，水葫芦覆盖度为20%和30%的池子藻类数量及变化趋势基本接近，但要优于10%覆盖度水池的效果，说明20%的覆盖度水葫芦对于富营养化水体藻类抑制能起到较好的作用。

图5 不同水葫芦覆盖度的藻类变化趋势示意

3 讨论

富营养化水体中藻类的生长受到营养盐、水温、光照、水动力多种环境因子以及竞争物种等的综合作用影响，缺少必要的条件往往难以大面积爆发。水葫芦对藻类的抑制回通过对营养盐的竞争性吸收作用、其根系的吸附作用以及释放分泌物的化感作用等达到抑制效果。生长期的水葫芦投放能够吸收水体中的氮磷营养盐，加快水体富营养化修复进程，在此过程中水葫芦与藻类形成了竞争效应，水葫芦对营养盐的竞争性吸收影响了藻类对营养盐的需求关系，从而起到了抑制藻类过度生长的作用。本次实验研究表明，水葫芦在富营养化水体中，具有明显吸收降解营养盐的作用，对修复受损水体水质具有积极的作用[12]。而且在营养盐充足的水体中，氮磷营养盐的去除率与水面水葫芦的覆盖度成显著的正相关性[13]，这与生长期水葫芦的生物量大小有关。从不同覆盖度的实验对比结果可知，水葫芦生物量的增加可以有效加速氮磷的降解速率，且富营养化水体保持50%左右覆盖度的水葫芦，即可以起到较好的水体修复作用。

其次，水葫芦的根系发达、比表面积大，对水体中的浮游藻类具有较强的吸附能力[8]。此外，凤眼莲根系中存在的多种化感物质，如N-苯-基-2-萘胺、亚油酸、亚油酸甘油脂、壬酸和丙酰胺等，会对铜绿微囊藻的超歧化物氧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)的活性有着显著影响[9-11]。因此，水葫芦对蓝藻生长的抑制效应是营养盐竞争、根系吸附和分泌物化感等的综合作用。

然而，衰败期水葫芦不可避免的会发生枝叶腐败的现象，这一现象会向水中释放出氮磷营养盐，且释放的量往往大于其在水体吸收处理的量，这也是水葫芦在泛滥地区水质会恶化的原因之一[14-15]。因此，水葫芦在自然水体中是一把“双刃剑”，控制得当可以起到修复受损水体的作用，但无序的生长会造成水生态环境恶化的反作用。在藻类易于大面积爆发的季节，富营养化较为严重的小型水库和湖泊，应慎重全面清理水葫芦，保留20%左右覆盖度的水葫芦，有利于控制藻类大面积爆发。