石佛寺人工湿地不同水生植物对水质净化效应分析

樊海川

(辽宁省石佛寺水库管理局有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

辽河作为我国的七大河流之一，对辽宁省内的生态产业和生态资源体系构建都具有着无法替代的战略地位及作用。近年来，辽河已经成为了我国污染最为严重的河流之一，水体富营养化问题日益严重，水体中营养物质含量逐年上升[1]。根据2019年7月生态环境部公布的全国地表水环境质量状况资料显示，目前我国重点监测的109个湖泊(水库)中，水质优良(Ⅰ-Ⅲ)的湖库个数占比达到68.8%，相比去年同期上升2.7%。其中辽河流域中劣Ⅴ类水质断面比例达15%以上，受污染情况较为严重。受辽河水质影响，沈阳市断面水环境质量排名为全国倒数第20位。目前辽河流域主要污染指标为化学需氧量(CODCr)、总磷(TP)、总氮(TN)和高锰酸盐指数(CODMn)，大部分水体处于富营养化状态[2]。以为我国目前的科技手段，还无法完全解决水体富营养化问题，但可以通过控制流域外源污染输入和内源营养盐的减消，与科学的预防和治理手段相结合，尽可能将危害降到最小。在湖泊内种植水生植物是国内较常见的预防和治理水体富营养化的方法之一，水生植物在其生长过程中为满足自身发育的需求，会不断从水体吸收各类营养物质，并促进氮、磷等营养物质向淤积物中沉积，从而在一定程度上实现对水体的净化。

石佛寺水库位于沈阳市新城子区、法库县依牛堡乡和铁岭市铁法县境内，是辽河干流上唯一一座控制性水利枢纽工程。为改善区域内生态环境，于2009年在原有基础上建立人工湿地。据2018年野外调查表面，目前水库人工湿地总面积25.05 km2，其中荷花区域面积167.1 hm2，芦苇区域面积173.3 hm2，水烛区域面积367.3 hm2。本文通过在不同时期对不同水生植物区域内水质进行检测，研究不同水生植物对水体中营养物质吸收能力的差异，探究水生植物在湿地生态系统内发挥的作用，旨在为辽河流域断面生态修复工程提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点的确定

通过对石佛寺人工湿地进行野外调查后发现，目前湿地内优势物种为荷花、芦苇和水烛等挺水植物，其他三种生活型的水生植物(沉水植物、根生浮叶植物和自由漂浮植物)生长区域较为集中，彼此之间形成群落，单独取样较为困难，故将它们所形成的区域作为一个整体，称为混合植物区域。将荷花区域、芦苇区域、水烛区域和混合植物区域分别作为研究对象，通过遥感图像监测后选取几个合适的植物群落，再经过实地考察后，根据各群落间植物生物量和生长茂盛情况的差异确定具体的采样点，并在无水生植物种植湖心岛附近设立空白区域作为对照，在5个不同区域内各取5个采样点。由于辽河与湿地水体连通且明沈公路东侧水面较少且生长的植物多为乔木、灌木，故不在此区域布设采样点。具体的采样点布设见图1。

图1 石佛寺人工湿地水质采样点分布图

1.2 数据采集与处理

分别于2019年4月～9月月初分别对采样点内水样进行采集，测定其CODCr、TP、TN和CODMn含量。水样中CODCr含量通过快速密闭催化消毒—滴定法测定，TP和TN通过Skalar流动水质分析仪来检测，CODMn含量通过酸性高锰酸钾法测定。所有采集的数据利用Microsoft Excel 2007软件进行整理与分析，用Photoshop CS6软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同水生植物对CODCr的去除效果

CODCr作为水体有机污染的一项重要指标，可以反映出水体的污染程度。CODCr含量过高意味着水体中含有大量还原性的有机污染物，如不及时处理，这些污染物会逐渐被湖底淤积物吸附，在之后多年间持续向水体释放，从而造成水体二次污染[3～4]。

5个区域内水体中CODCr平均含量变化趋势见图2。5个区域内水体中CODCr含量均随着时间出现了明显变化，总体来看湿地内水体CODCr含量均在4月～5月和7月～8月呈下降趋势，5月～6月和8月～9月呈上升趋势，总体趋势趋近于“W”型。6个月内各区域水体中CODCr含量均值分别为：荷花区域17.21 mg/L；芦苇区域16.97 mg/L；水烛区域17.16 mg/L；混合植物区域17.71 mg/L；空白区域18.67 mg/L，有水生植物种植的区域内水体中CODCr含量明显少于空白区域，这说明水生植物对于水体中CODCr的净化效果是较为明显的，同时不同水生植物区域对于CODCr的净化能力有所差异，3种挺水植物对CODCr的净化效果较为接近且强于由沉水植物、浮叶植物和漂浮植物组成的混合植物区域。总体的净化效果为：芦苇区域>水烛区域>荷花区域>混合植物区域。

图2 不同区域水体中CODCr平均含量变化

2.2 不同水生植物对TP和TN的去除效果

氮、磷元素含量过多是水体富营养化形成的重要原因之一，水体中氮、磷元素含量较高会导致浮游生物和部分藻类的过量繁殖，并伴随出现赤潮、水华等现象，严重影响湖泊的生态平衡[5]。

图3为5个区域内水体内水体TP和TN平均含量变化趋势。4个水生植物区域内水体中TN和TP含量在各月均低于空白区域。6个月内各区域水体中TP和TN含量均值分别为：荷花区域0.15 mg/L、3.53 mg/L；芦苇区域0.13 mg/L、3.24 mg/L；水烛区域0.13 mg/L、3.29 mg/L；混合植物区域0.16 mg/L、3.65 mg/L；空白区域0.18 mg/L、3.93 mg/L，水生植物对于氮、磷元素的净化效果较为明显。各区域内水体中TN和TP含量均随时间出现了较明显的变化，且不同植物之间的净化效果也有所不同。芦苇和水烛对TP和TN的净化效果均较为接近，且明显优于于其他水生植物，荷花的净化略强于混合植物。综合来看，不同水生植物对于TP的净化效果为：芦苇区域≈水烛区域>荷花区域>混合植物区域；对于TN的净化效果为：芦苇区域>水烛区域>荷花区域>混合植物区域。

图3 不同区域内水体中TP和TN平均含量变化

2.3 不同水生植物对CODMn的去除效果

水体中高锰酸盐指数和化学需氧量同为反映水体可氧化物质污染的常见指标，水体CODMn含量过高通常意味着水体中含有较多的亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物和有机物，污染情况较为严重[6]。以水生植物为核心的污水处理技术是目前较为常见的富营养化水体治理方式，林春风[7]的研究表明，水生植物对于富营养化水体中的CODMn含量有较好的处理效果。

5个区域内水体中CODMn平均含量变化趋势见图4。相较于无水生植物种植的空白区域，4个水生植物区域内CODMn含量均得到了有效的抑制，其中水烛和芦苇的处理效果相对较好，挺水植物对CODMn的处理效果较强于其他种类的水生植物。总体来看湿地内水体CODMn含量均在4月～5月和7月～8月呈下降趋势，5月～7月和8月～9月呈上升趋势，整体趋势趋近“W”型。6个月内各区域水体中CODMn含量均值分别为：荷花区域5.30 mg/L；芦苇区域5.11 mg/L；水烛区域5.06 mg/L；混合植物区域5.63 mg/L；空白区域6.43 mg/L。综合来看，不同水生植物对于CODMn的净化效果为：水烛区域>芦苇区域>荷花区域>混合植物区域。

图4 不同区域内水体中CODMn平均含量变化

2.4 综合分析

不同区域内各营养物质含量的随时间的变化趋势不同与植物本身在生长发育过程中对各类营养元素吸收能力差异有关[8～9]。在4月～5月期间，水生植物逐渐开始生长发育，此阶段受水生植物光合作用的影响，4个水生植物区域内CODCr和CODMn含量均逐渐降低；水生植物的发育过程中需要不断从水体吸收营养物质元素[10～11]，4个水生植物区域内水体中TP和TN含量明显下降。5月～6月，受外源径流和部分降雨影响，各区域内CODCr和CODMn含量呈上升趋势；4个水生植物区域内的水生植物通过根、颈部位吸收水体的营养物质，并通过促氮、磷沉积的效应使水体中的营养物质转移到湖底沉积物中[12]，区域内TP和TN含量均呈降低趋势。6月～7月，随着温度升高，水生植物光合作用速率和部分根系微生物活性增高，水生植物可以通过根际效应，让其附着的根系微生物可以作用于周围环境，促进磷营养盐和其他养分的循环，水体中有机物受自然氧化的速率也有所增加[13～14]，此阶段芦苇、水烛和混合植物区域内CODCr含量均略有下降，但荷花区域内CODCr含量仍呈上升趋势，其原因可能为荷花区域内植株根系微生物较多，随着微生物活性增强，水体中溶解氧逐渐减少，氧化还原电位降低；除混合植物区域外，3个挺水植物区域内CODMn含量的增长趋势均有所减缓；荷花、水烛和混合植物区域内TP含量有所减少，芦苇区域内TP含量略微上升；各区域内TN含量均呈明显的上升趋势，其原因可能为外源污染流入河道。7月～8月，各区域内水体中CODCr和CODMn含量均呈下降趋势，其中荷花区域内CODCr含量下降趋势最大，荷花区域内CODMn含量下降趋势最小；各区域内TP含量均呈上升趋势，TN含量呈下降趋势，物种之间差异不明显。8月～9月，受台风“利奇马”影响，区域降雨和上游洪峰流量达到近几年之最，各区域内CODCr、TP、TN和CODMn含量均明显升高。

3 结论

总体来看，水生植物均对富营养化水体起到良好的净化作用，且水体中各营养物质含量变化会受水生植物的成长过程的影响。相较于无水生植物种植的空白区域，4个水生植物区域内CODCr、TP、TN和CODMn含量均明显降低，水生植物的种植使湿地内水质得到了改善。不同水生植物间的净化效果存在一定差异，3种挺水植物对CODCr的净化效果较为接近且均强于混合植物区域，其中芦苇对CODCr的净化效果最好。芦苇和水烛对TP和TN的净化效果均较为接近，且明显优于于其他水生植物，荷花的净化略强于混合植物。对于CODMn的净化效果，水烛最强，芦苇和荷花次之，混合植物区域最弱。建议进一步加强对湿地内水生植物的优化改造和利用，增加芦苇和水烛的生物量和区域面积。