基于水体光学特性的水生植物水质净化调控技术

黄 晖，童春富，陈蓓蓓

(1. 上海城投原水有限公司，上海 200125；2. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200241)

1 研究背景

水体富营养化是当前国内面临的主要环境问题之一。在治理富营养化水体的多种措施中，水生植物由于净化效果好、经济环保、低能耗、操作简单以及利于恢复和重建水生态系统自净能力等优势，已成为广受关注的重要举措。郑足红等[1]选择芦苇、狐尾藻、菖蒲3种水生植物净化富营养化水体，结果表明，菖蒲对氮、磷的去除效果明显优于芦苇和狐尾藻，狐尾藻在COD的去除上表现出一定的优势，而芦苇对BOD5的去除效果最佳；在植物组合处理中，菖蒲+狐尾藻组合对氮、BOD5去除效果最佳，芦苇+菖蒲组合对TP、COD去除效果优于其他组合。杨贤鑫等[2]选择了10种水生植物对水质净化效果进行研究，结果表明，水芹、纸莎草、蓼对TP、TN的吸收效果最佳，去除率均达到65%以上；选取3组水生植物进行镶嵌组合，其对TP和TN的去除率比单一植物的平均去除率分别提高了11.98%和18.09%。杨洪云等[3]选取黄菖蒲和千屈菜2种植物构建人工浮床，结果显示，2种植物体内的氮、磷分布均呈叶>根的分布形式，可以通过收割植物有效去除水体中的氮、磷；千屈菜对COD和TP的去除率较高，分别为19.8%和86.8%；黄菖蒲对TN的去除率较高，为73.4%；2种植物对氨氮的去除率均达到95%以上。

水生植物的营建是其发挥水质净化作用的前提，而光强是植物生长的必要条件，不同种类、不同生长阶段的水生植物，其对光照条件的要求有所不同。在湖库进行水生植物营建时，光强往往不是单独起作用，它是与水体透明度、淹水深度等多种因素综合起作用。因此，需基于湖库光学特性，综合考虑多种生境因子，有效开展水生植物营建，进而净化水质。

2 研究内容

2.1 挺水植物生长变化特征

由图1可知，金泽水库边滩种植的挺水植物主要分为5个区域，A区为强制净化区，主要种植旱伞草、美人蕉、千屈菜、水葱、再力花和鸳尾，以斑块状镶嵌种植；B～E区为生态净化区，主要种植芦苇和香蒲。

图1 金泽水库植被分区Fig.1 Vegetation Area in Jinze Reservoir

由图2可知，A区植被生长状况良好，生物量呈逐年上升趋势，大多数植物生物量在秋冬季达到高值。2019年初春，对水生植物进行了收割，收割后6种植物生物量均有显著升高。2019年底对水生植物再次进行了收割，2020年6月多数植物生物量高于2019年6月，说明收割有利于促进植物生长。

图2 A区植被生物量变化特征Fig.2 Characteristics of Vegetation Biomass Change in Area A

B区为水库南堤区域，如图3所示，工程施工阶段种植的芦苇和香蒲均生长不佳。2018年7月补种了芦苇，但由于盛夏光照太强，温度太高，导致补种芦苇未能存活。2019年3月，通过填土抬高基底、改良底质，新补种了芦苇，同时在植物萌发期，适当控制运行水位，保证充足出露时间，使植物能够获得有效光照；至5月时，补种芦苇生长情况良好，生物量较稳定；但6月以后，该区域植被被大面积长芒稗替代，可能是填土时由土壤带入。2019年底，将区域内长芒稗收割清除后，于2020年春季参照2019年的方式再次补种芦苇和香蒲；到2020年6月，该区域芦苇和香蒲生长良好，生物量显著增加。需注意的是，2020年6月长芒稗又有一定的生物量，其后期对芦苇的竞争特征，还需继续观测。

图3 B区植被生物量变化特征Fig.3 Characteristics of Vegetation Biomass Change in Area B

总体来看，选择早春种植、填土抬高基底、改良底质，并在3月—5月生长初期适当降低运行水位，保证充足出露时间，使幼苗获得有效光照，有利于植物成活。

由图4可知，C区初期种植的芦苇生长情况不良，2018年后此区域基本无芦苇生长；局部区域生长有香蒲，2019年12月其生物量有显著升高。2020年初春按照B区方式补种香蒲，生长情况良好，2020年6月生物量有明显提升。

图4 C区植被生物量变化特征Fig.4 Characteristics of Vegetation Biomass Change in Area C

D区植被以芦苇为主，部分区域生长有香蒲。由图5可知，此区域植物生长茂盛，生物量较高，呈上升趋势。经2019年底收割后，2020年6月生物量较往年同期有显著增加。

图5 D区植被生物量变化特征Fig.5 Characteristics of Vegetation Biomass Change in Area D

E区生长有芦苇、香蒲，植物生长旺盛，由图6可知，2019年9月前芦苇和香蒲生物量在各季度无显著差异，2019年9月—12月均有显著升高，总体生物量呈上升趋势。经2019年底收割后，2020年6月芦苇生物量较往年同期显著增加。

图6 E区植被生物量变化特征Fig.6 Characteristics of Vegetation Biomass Change in Area E

综合来看，水生植物经过收割后，植被生长状况相较之前有所改善，多数植物生物量有显著升高，植物收割有利于促进植物生长。

2.2 沉水植物生长变化特征

金泽水库沉水植物种植区主要在导流潜堤区域，监测到的植物主要为苦草和狐尾藻。2017年12月以后，苦草基本从库区消失；2018年9月以后，狐尾藻也基本消失。2019年8月在导流潜堤近岸区域进行了以水生植物为主的引种试验，外围建有围网，种植的植物种类有轮叶黑藻、苦草、水盾草、眼子菜、睡莲，到2019年11月已基本消失。

根据区域生态现状，可能导致沉水植物消失的原因包括风浪、光强和动物取食等方面。根据东太湖区域的原位控制试验，水深1.0 m左右较为适合苦草生长，但需借助防浪措施，防止风浪的影响[4]。2017年12月水库正常运营以后，拆除了潜堤周边的围网，可能是导致库区苦草消失的重要原因。另外，从库区真光层深度来看，金泽水库导流潜堤区域真光层深度在1.09～1.36 m(表1)，而导流潜堤区域常水位运行时的水深在1.5 m，水深相对较深，不利于沉水植物生长，这也是导致苦草、狐尾藻等沉水植物消失的重要原因。而2019年8月开始在导流潜堤浅水区开展的引种试验，尽管也设置了围网而且水深较浅，但是由于存在取食沉水植物的动物，基本也没有长起来。

表1 导流潜堤处光衰减系数和真光层深度Tab.1 Optical Attenuation Coefficient and Euphotic Depth at Diversion Dike

综合来看，风浪、光照条件(水深)和动物摄食是影响沉水植物生长的重要因素，导流潜堤区域沉水植物生长不佳，后续需根据水库实际运行情况，选取适宜地点和方式补种沉水植物。

2.3 挺水植物氮磷吸收赋存特征

如图7～图14所示，旱伞草氮的吸收赋存最大值主要出现在12月，约为25 000 mg/m2，而磷吸收赋存的最大值主要出现在3月，约为1 500 mg/m2；水葱氮、磷吸收赋存的最大值分别为1 200 mg/m2和80 mg/m2；再力花氮、磷吸收赋存的最大值主要出现在6月，分别为1 550 mg/m2和140 mg/m2；美人蕉氮的吸收赋存量主要出现在12月，约为12 000 mg/m2，磷的最大吸收赋存量主要出现在10月，约为800 mg/m2；鸢尾氮、磷吸收赋存的最大值出现在6月，分别为2 500 mg/m2和350 mg/m2；芦苇氮、磷吸收赋存的最大值主要出现在10月，分别为11 000 mg/m2和450 mg/m2；千屈菜氮、磷吸收赋存的最大值主要出现在10月，分别为12 000 mg/m2和2 200 mg/m2；香蒲氮、磷吸收的最大值主要出现在6月，分别为5 000 mg/m2和600 mg/m2。

图7 旱伞草赋存特征 (a)磷; (b)氮Fig.7 Occurrence Characteristic of Cyperus Alternifolius (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

图8 水葱赋存特征 (a)磷; (b)氮Fig.8 Occurrence Characteristic of Scirpus Validus (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

图9 再力花赋存特征 (a)磷; (b)氮Fig.9 Occurrence Characteristic of Thalia Dealbata (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

图10 美人蕉赋存特征 (a)磷; (b)氮Fig.10 Occurrence Characteristic of Canna Indica (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

图11 鸢尾赋存特征 (a)磷; (b)氮Fig.11 Occurrence Characteristic of Iris Tectorum (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

图12 芦苇赋存特征 (a)磷; (b)氮Fig.12 Occurrence Characteristic of Phragmites Australis (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

图13 千屈菜赋存特征 (a)磷; (b)氮Fig.13 Occurrence Characteristic of Lythrum Salicaria (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

图14 香蒲赋存特征 (a)磷; (b)氮Fig.14 Occurrence Characteristic of Typha Domingensis (a) Phosphorus; (b) Nitrogen

2.4 植物凋落分解氮磷释放特征

从2019年1月开始，选择代表性植物芦苇、美人蕉、旱伞草和香蒲，开展凋落物袋试验，分析调落物分解特征。由植物凋落物生物量变化情况(图15)可知，淹水状态下凋落物生物量下降速率明显高于在空气生境中(立枯)，除芦苇茎外，旱伞草、美人蕉、香蒲茎叶和芦苇叶子在淹水情况下的生物量都在5月后显著下降。

图15 凋落物生物量变化Fig.15 Variation of Biomass in Litter

凋落物分解释放试验的结果显示(图16、图17)，旱伞草叶和芦苇叶以及美人蕉茎的淹水部分在5月后TN赋存削减量(即释放量)显著升高，且淹水部分显著高于地上部分，随气温及水温升高，5月以后凋落物TN释放量显著升高，而TP释放量则整体较小，茎与叶部分TP的释放量相差不明显，淹水条件下的释放量整体大于空气生境中(立枯)。

图16 凋落物TN释放量变化Fig.16 Variation of Total Nitrogen Release in Litter

图17 凋落物TP释放量变化Fig.17 Variation of Total Phosphorus Release in Litter

综合分析植物氮磷赋存特征与氮磷释放特征，为减少凋落物氮磷释放对水质的影响，同时尽可能保证植物对氮、磷的最佳吸收效率，要在植物地上部分枯萎前进行收割。综合考虑植物花期等因素，建议对植物在10月进行收割，并对进入水体的植物凋落物及时打捞。

2.5 人工浮床植物与边滩植物对比

水库中目前设有约2 000 m2的人工浮床，主要种植旱伞草、美人蕉和鸢尾。与边滩挺水植物相比，浮床种植的旱伞草和美人蕉生物量较高，且均显著大于边滩区域；鸢尾在2种生境下生物量差别不显著；浮床种植的旱伞草和美人蕉的TN赋存量显著高于边滩，而鸢尾在2种生境下TN赋存量差异不显著；浮床种植的美人蕉TP赋存量显著高于边滩，而旱伞草、鸢尾的TP赋存量在2种生境下差异不显著。总体而言，由于浮床种植的挺水植物其光照条件不受淹水影响，在浮床种植条件下植物的生物量、氮磷赋存量要高于边滩区域。由于浮床种植的植物，其吸收的氮、磷基本来自水体，植物根系也会起到生物填料、挂膜的作用，其水质净化效果更加突出。因此，建议可适当扩大金泽水库库区浮床种植面积。

3 关键技术

3.1 滨岸及浅水区挺水植物的营建

(1)挺水植物营建一般在以3月—5月进行，可以采用种子、种苗、根茎等不同的种植体进行种植。种苗、根茎等采挖、储运过程应尽量避免影响其活性，以保证种植成活率。

(2)在植株生长初期，应降低湖库运行水位，保证幼苗在白天能够充分出露，接受充足的光照；在无法降低水位或水深相对较深的滨岸区域，可以通过填土的方式，增加基底高程，保证幼苗能充分出露。

(3)植株种植以后，要进行跟踪监测，评估种植成效。植株未成活区域，可在秋冬，或第2年春季补种，避免在光照强、温度高的盛夏补种。

(4)在水深较深、滨岸以直立驳岸为主的湖库区域，可以人工浮床方式进行挺水植物营建，优先选择旱伞草、美人蕉等植株高大、根系发达的植物种类进行浮床种植。从鸟类等生物对水域的利用情况来看，浮床种植面积宜控制在区域面积的30%以下。

(5)在秋冬季需对植物地上部分进行收割，以利于植物第2年的生长，同时避免植物体内氮磷大量释放至水体中。从金泽水库现有植物氮磷赋存释放特征来看，可在10月进行收割，并对进入水体的植物凋落物及时打捞。

3.2 开敞水域沉水植物营建

(1)测定沉水植物生长季湖库水域水下光强，计算光衰减系数和真光层深度，根据真光层深度选择种植水域和种植方式，水深小于真光层深度有利于沉水植物生长。

(2)在种植区域周边布设围网，减缓水流，并预先清除围网区域内植食性动物，防止其牧食沉水植物。

(3)水体的水位变化及风浪影响对沉水植物生长有较大影响，沉水植物种植以后，需定期进行监测，评估其生长状况；对生长不良或未成活区域，要适时进行补种。

4 总结与展望

金泽水库种有水生植物4万m2以上，大部分区域挺水植物生长良好，小部分生长不良区域已通过填土抬高基底、改良底质，并在3月—5月生长初期适当降低运行水位的方式进行补种，目前长势良好。研究表明，人工浮床挺水植物生物量和氮磷赋存量均优于边滩挺水植物，因此水库计划增加5 200 m2人工浮床，进一步提升水质净化效果。导流潜堤处沉水植物由于光照不足、风浪影响、动物摄食等，存活量低，现有研究表明，导流潜堤处并不适宜于种植沉水植物，后续将根据水库实际运行情况，选取适宜地点补种沉水植物。