湖滨带不同植物群落对水体氮磷净化效果的研究

张 旭, 付子轼, 陈桂发, 蔡 敏, 崔娜欣, 周 丽, 邹国燕*

1.上海市农业科学院生态环境保护研究所, 上海 201403 2.上海低碳农业工程技术研究中心, 上海 201415

随着社会经济的不断发展，工业和城市现代化进程加快，大量的工业和生活污水排入河湖水体，造成水体氮、磷浓度过高，湖滨带水生植物不断退化，水体富营养化日趋严重[1-2]，成为世界各国面临的重要水环境问题之一[3-5]. 湖滨带是水-陆生态交错带的一种类型，具有保持生物多样性、净化水质、水土保持以及防洪减灾等功能[6]. 水生植物在生长过程中会吸收水体中的氮磷等营养物质，同时分解、净化水体中的其他有害物质[7-9]. 水生植物修复技术目前已广泛应用于农田面源污染、城市污水处理以及富营养化水体治理[10]，具有成本低、见效快、管理维护方便等优势，同时水生植物的布置也具有一定的观赏价值[11-12].

水生植物可以有效净化富营养化水体，由于不同植物对水质的净化能力存在差异[13-14]，通过植物的合理配置，一方面可以提高其净化效果；另一方面也有利于水生植物的生长建群[15-17]. 目前，对于单一植物对水体氮磷净化效果的研究较多，而对于多种植物组成的植物群落在自然条件下对氮磷的净化效果则报道相对较少[18]. 虽然植物群落对水体氮磷的净化效果优于单一植物[19-20]，但在配置过程中往往忽视了水生植物的生活习性、观赏价值以及有效保护湖泊水体安全的功能，且大多数研究是通过配置试验水池进行人工模拟试验，试验周期短，一般在30～45 d之间[21-22]. 大量研究表明，我国大部分湖滨区水生、湿生生物多样性大幅降低，湖滨带生态系统存在不同程度的受损、退化等生态问题. 因此，加强湖滨带水生植物的筛选和优化配置研究，对于提升水生植物在污染水体中的净化效果以及湖滨生态系统修复与保护具有重要意义. 该研究选取多种水生植物构建不同湖滨带植物群落，在野外自然条件下，研究各处理对水体氮磷的净化效果，以查明高效植物群落模式，为湖滨生态系统对污染水体的净化研究提供理论依据和技术参数.

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验点位于上海市农业科学院庄行农业综合实验站内(30°53′N、121°23′E)，为北亚热带季风气候，年均气温为15.8 ℃，年均降雨量为1 178 mm，雨水主要集中在春秋两季. 常年无霜期为225 d. 试验期间，夏季(6—10月)水温较高，在25 ℃以上；冬季(12月—翌年3月)水温较低，在10 ℃以下，年均水温为19.1 ℃.

1.2 试验材料

1.2.1供试植物

挺水植物：芦苇(Phragmitesaustralis)；浮叶植物：荇菜(Nymphoidespeltatum)；沉水植物：以苦草(Vallisnerianatans)和黑藻(Hydrillaverticillata)为优势种，间有(少量)马来眼子菜(PotamogetonwrightiiMorong)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)等(见表1). 芦苇取自上海市农业科学院庄行农业综合实验站，浮叶植物和沉水植物取自江苏太湖(30°57′N、120°20′E).

表1 水生植物种类及生长特性

1.2.2供试水体

试验用水为上海市农业科学院庄行农业综合实验站内自然水体(杨家沟)，多种水生植物群落自然排序(NSC)、多种水生植物群落逆向排序(RSC)、单种挺水植物群落(PAC)和空白对照(CK)处理水体本底值如表2所示.

表2 供试水体水质

1.3 试验方法

1.3.1试验设计

在自然条件下，水生植物由岸到水方向一般按照挺水、浮叶、沉水植物的顺序依次生长. 但在一些风浪较大的地方，沉水和浮叶植物常常直接遭受风浪袭击和冲蚀，造成其无法正常生长并逐渐枯萎和死亡. 为此，笔者所在课题组研发了RSC湖滨带恢复技术(将自然演替植物群落进行逆向配置)，成功地恢复了淀山湖湖滨带植被的同时，起到了消浪的作用. 以此为基础，笔者所在课题组进一步开展了不同类型湖滨带植被恢复以及其水体净化效果的研究. 该研究共设4个处理，每个处理面积为200 m2，即长×宽为20 m×10 m，构建3种不同植物群落组合和1个空白对照：①多种水生植物群落自然排序(自然式，natural succession community zone, NSC). 按湖滨带水生植物群落自然演替模式，由岸到水方向依次种植挺水、浮叶和沉水植物，比例各为1/3，区域内植物覆盖率为100%. ②多种水生植物群落逆向排序(逆序式，reverse succession community zone, RSC). 将湖滨带水生植物群落自然演替模式进行逆向处理，由岸到水方向依次种植沉水、浮叶和挺水植物，比例各为1/3，区域内植物覆盖率为100%. ③单种挺水植物群落(芦苇，P.australiscommunity, PAC). 比例为1/3(由岸到水方向)，其他2/3区域为空白. 该处理是为了模拟由于风浪的干扰，导致沉水和浮叶植物无法存活的情况，作为NSC和RSC的对照，即保持芦苇起始盖度一致. ④空白对照(CK). 不种植任何植物.

植物在野外采集好后，立即运输至试验地点，选取长势良好、大小一致的植株并清洗干净，随后栽植于对应的小区中. 在该试验中，不强调每个处理中各类型植物的起始生物量是否一致，而是保持其起始盖度一致. 不同植物间用高30 cm的控根器进行分隔，以防止优势植物的无限扩张. 创建自然条件下的挺水植物生境条件，及由高到低的基底形状(NSC和PAC沿由岸到水方向、RSC沿由水到岸方向)，占总小区面积的1/3，最深处抬高基底至常水位水深1 m. 空白区域沿岸带全部用木桩和控根器进行固定，严格限制区域内各种植物的生长.

1.3.2样品采集与测定方法

2018年6月1日—2019年6月1日，每月1日采集一次水样，历时12个月. 采用“三点法”于水下30 cm处各采集水样1份，然后混合成一个样. 每次采样点保持一致. 采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法和过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法分别测定水体TN和TP浓度[23]；使用AA3连续流动分析仪(SEAL、德国)测定水体NH4+-N浓度. 水中氮磷去除率计算公式：

R=(C0-C)×100%/C0

(1)

r=Re-RCK

(2)

式中：R为氮磷去除率，%；C0为氮磷初始浓度，mg/L；C为氮磷终期浓度，mg/L；r为氮磷去除贡献率，%；Re为植物群落组合的去除率，%；RCK为CK的去除率，%.

1.4 数据处理与统计分析

数据分析通过SPSS 11.5的单因素方差分析(One-way ANOVA)实现，不同处理间的多重比较采用LSD检验; 使用Origin 8.5软件进行绘图.

2 结果与讨论

2.1 不同植物群落处理对水体TN的净化

图1为不同处理水体TN浓度随时间的变化曲线. 由图1可知，RSC、PAC和NSC水体TN浓度均明显低于空白对照(CK)，且变化趋势基本一致. 6—12月，各处理TN浓度波动较大，但总体呈下降趋势，由初始的1.021～1.185 mg/L降至0.179～0.446 mg/L，达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》规定的Ⅱ类水质标准，其中RSC水体TN浓度达到最低值(0.179 mg/L). 试验初期，水体环境发生剧烈变化，植物体系尚未建立，导致各处理水体TN浓度波动较大[24]. 11—12月，各处理TN浓度均急剧下降，可能是由于降雨量较前期显著减少，外源输入的氮也随之大幅减少. 而12月—翌年6月，各处理TN浓度趋于稳定，介于0.205～0.443 mg/L之间. 一方面，由于供试水体已达到Ⅱ类水质标准，水体中氮的含量较低；另一方面，进入冬季后，植物逐渐开始枯萎死亡，其净化能力也随之降低，同时部分氮会随着植物的枯萎和腐烂逐渐释放出来[25-26]. CK水体TN浓度也有所下降，这表明水体自身对氮具有一定的自净能力，其原因可能是水体中存在硝化菌和反硝化菌，通过硝化和反硝化作用使得水体中的氮得以去除[27-28]，在基本没有外源输入的前提下，水体TN浓度呈持续下降趋势. 另外，虽然使用控根器进行固定和隔离并定期对空白区域进行清理，但空白区域还是会有少量沉水植物生长，这也有可能是导致CK水体TN浓度下降的原因之一.

图1 试验期间水体TN浓度的变化Fig.1 Variation of TN concentration during trial period

注： 不同小写字母表示不同植物群落处理间在P<0.05水平上差异显著. 下同.图2 不同植物群落处理对水体TN的去除率Fig.2 Removal rate of TN by different plant communities

图2分别为6—11月和12月—翌年6月各处理对水体TN的去除率. 由图2可知，试验前期，RSC的去除率相对较高，为39.74%，且与CK之间存在显著差异(P<0.05)，表明在试验前期RSC对TN的净化效果相对较好；试验后期，RSC、PAC和NSC的去除率均显著高于CK(P<0.05)，其中，RSC的去除率最高，为76.41%，但这3种植物处理之间无显著差异. Fraser等[29]通过对4种湿地植物进行组合研究，发现不同植物组合对水质净化效果无显著差异，这与该研究结果基本一致. 至试验结束，RSC、PAC和NSC对水体TN的去除率为53.37%～61.13%(去除贡献率为7.47%～15.23%)，高于CK的45.90%；RSC、PAC和NSC中芦苇的生物量差异不大，而RSC中沉水+浮叶植物的生物量为269.5 g/m2，高于NSC的230.2 g/m2. 各植物群落处理去除TN能力依次为RSC (15.23%)>NSC (11.90%)>PAC (7.47%). 总体来看，湖滨带植被恢复可以有效提升水质净化能力，虽然3种植物群落处理间净化效果无统计学差异，但总体上RSC好于其他处理，表明可以通过适宜的植物群落优化湖滨带水质净化效果[30].

2.2 不同植物群落处理对水体NH4+-N的净化

图3为不同处理水体NH4+-N浓度随时间的变化曲线. 由图3可知，各处理水体NH4+-N浓度呈现先急剧下降后平稳的趋势. 6—7月，各处理NH4+-N浓度变化较大，由初始的0.830～0.929 mg/L降至0.448～0.690 mg/L；12月—翌年5月，各处理NH4+-N浓度变化不明显，但有一定的波动性. 至试验结束，RSC、PAC和NSC水体NH4+-N浓度为0.100～0.145 mg/L，达到Ⅱ类水质标准. CK水体NH4+-N浓度也有所下降，表明水体自身对NH4+-N具有一定的自净能力[31]，植物吸收并不是污染水体NH4+-N去除的唯一方式[32]，也与生物同化吸收、微生物的硝化与反硝化作用、氨挥发等有关，其中有研究表明细菌硝化与反硝化作用对氮的去除率占总去除率的45%以上[33]；另外，夏季温度较高，也有利于增强硝化细菌的降解活力[34-35].

图3 试验期间水体NH4+-N浓度的变化Fig.3 Variation of NH4+-N concentration during trial period

图4为不同处理对水体NH4+-N的去除率. 由图4可知，RSC的去除率最高，为77.67%；CK相对较差，为58.94%. 总体来看，至试验结束，RSC、PAC和NSC对NH4+-N的去除率为71.36%～77.67%(去除贡献率为12.42%～18.73%)，均显著高于CK(P<0.05). 各植物群落处理去除NH4+-N的能力依次为RSC(18.73%)>NSC(15.92%)>PAC(12.42%). 可见，RSC对污染水体中的NH4+-N具有更好的净化能力. 相对于CK来说，植物群落处理对NH4+-N的去除率较高，说明通过种植水生植物可以有效提升湖滨带水体对NH4+-N的净化效果[36-37].

图4 不同植物群落处理对水体NH4+-N的去除率Fig.4 Removal rate of NH4+-N by different plant communities

2.3 不同植物群落处理对水体TP的净化

图5为不同处理水体TP浓度随时间的变化曲线. 由图5可知，各处理水体TP浓度变化趋势基本一致，主要呈现先降后升再降的趋势. 试验初期(6—7月)，RSC、PAC和NSC水体TP浓度下降较快，由初始的0.163～0.164 mg/L降至0.047～0.067 mg/L，达到Ⅱ类水质标准，之后在0.010～0.059 mg/L之间波动. 这可能是由于6—7月供试植物处于生长旺盛期，对磷的吸收固定能力也随之增强. CK水体TP浓度的下降，可能是由于水体中的磷通过沉淀和微生物固定等方式被去除[38-39]. 试验后期(12月—翌年4月)，各处理水体TP浓度均有所升高，这可能是由于该阶段气温较低，水体中微生物活性降低导致水体自净能力降低，同时该阶段处于植物非生长期，植物逐渐凋亡腐烂，对水体TP的吸收能力也随之降低；另外，有研究表明植物吸收氮磷只是临时存储在自身体内，当吸收的氮磷达到一定阈值后便会随着植物的枯萎逐渐释放出来[25-26,40]. 其后，随着气温升高，水生植物重新生长，对水体TP的净化能力也开始恢复[41].

图5 试验期间水体TP浓度的变化Fig.5 Variation of TP concentration during trial period

图6为各处理对水体TP的去除率. 由图6可见，RSC的去除率最高，为74.60%，CK相对较差，为65.55%. RSC和CK之间存在显著差异(P<0.05). 总体而言，至试验结束，RSC、PAC和NSC对TP的去除率均为70.45%～74.6%(去除贡献率为4.90%～9.05%). 各植物群落处理去除TP的能力依次为RSC(9.05%)>NSC(8.04%)>PAC(4.90%). 由此可见，水生植物对水体TP的净化同样起到了促进作用[42]，其中RSC对污染水体中的TP具有更好的净化能力.

图6 不同植物群落处理对水体TP的去除率Fig.6 Removal rate of TP by different plant communities

结合图1、3、5可以发现，水生植物对水体TN、NH4+-N、TP的净化能力存在明显的周期性，温度影响植物代谢过程的强弱. 6—10月温度较高，植物处于生长期，对水体氮磷的净化效果较好；而12月—翌年3月，温度较低，植物逐渐枯萎，对水体氮磷的净化效果也随之降低. 可见，水生植物的净化能力与自身生长周期和温度密切相关.

综上，在该试验中多种植物群落(NSC和RSC)对水体氮磷的净化效果优于单一植物(PAC). 一方面，在芦苇盖度(占1/3)相同的情况下，扩大湖滨带植物的覆盖面积(即种植浮叶和沉水植物)可以增加植物的类型和生物量，从而提升对水体氮磷的净化效果；另一方面，不同植物的生长速率和代谢功能不同，导致其对氮磷的吸收特性也不同，不同植物间可以形成优势互补，从而提升对氮磷的净化效果[30]. RSC的净化效果优于NSC，可能是由于RSC基底形状的改变为沉水和浮叶植物以及微生物提供了更好的生境条件[43-44]，从而促进沉水和浮叶植物的生长. RSC湖滨带植物恢复技术对水生植物的恢复具有重要的参考价值.

3 结论

a) 水生植物对水体氮磷的净化能力存在明显的周期性，其净化能力与自身的生长周期以及温度密切相关，供试植物在生长季(5—12月)的净化效率明显高于非生长季. RSC去除水体TN速率较快的时间为6—7月和11—12月，NSC为6—7月、8—9月和11—12月，PAC为8—9月和11—12月. RSC、PAC和NSC去除水体NH4+-N和TP速率较快的时间基本一致，均为6—7月.

b) 3种植物群落处理对水体TN、NH4+-N、TP的去除贡献率分别为7.47%～15.23%、12.42%～18.73%、4.90%～9.05%，净化能力依次为RSC>NSC>PAC.

c) 种植水生植物可有效提升水体对氮磷的净化效果，相同植物不同的排序方式(NSC、RSC)对水体氮磷的净化效果存在差异，RSC对水体TN、NH4+-N、TP的去除率显著高于CK，NSC对水体TN、NH4+-N的去除率显著高于CK.

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