种植床模式下苦草修复富营养水体的种植密度优化研究

赵文婧,贾晓楠,王 繁,2

(1杭州师范大学生命与环境科学学院,杭州 311121;2杭州师范大学生态系统保护与恢复杭州市重点试验室,杭州 311121)

水体富营养化是当前世界面临的主要环境问题之一,全球范围内30%以上的湖泊和水库都存在不同程度的富营养化现象[1]。植物修复技术与物理、化学等修复方法相比,具有投资少、处理效果好、操作简便等优点,被广泛应用于各类富营养化水体的修复[2-3]。用于修复水体的植物主要包括挺水植物、浮水植物和沉水植物,其中沉水植物的生态修复技术已经在国内外的治理工程中取得了很好的生态修复效果。张饮江等[4]研究表明,沉水植物稳定生态系统是净化水质的重要因素。雷泽湘等[5]研究表明,苦草、眼子菜、轮叶黑藻等沉水植物对太湖梅梁湾富营养化湖水中的总磷和总氮都有较好的去除效果。姚瑶等[6]也研究证实了不同的沉水植物对富营养化水体的净化效果。可见,沉水植物生态修复可以显著改善富营养化水体的质量。

沉水植物在生长过程中易受到周围环境的影响,水体富营养化后水体透明度下降,或者在水深较深、浊度较高以及黑臭水体中,太阳光无法穿透水层到达底部,沉底种植的沉水植物因光照条件不佳,光合作用效率降低而难以生长,直接或间接造成了水中植被的衰退,严重影响实际修复工程的应用效果[7-8]。为解决沉水植物底部种植光照不足的问题,程南宁等[9]提出渐沉式沉水植物新型快速移栽技术,通过控制先锋植物在水体的生存区间解决沉水植物恢复中面临的低透明度、水深、重污染条件等不利的环境条件。林灿阳等[10]采取可调式种植床方式,研究了沉水植物对富营养化水体的净化效果,表明种植床模式可有效削减水体中氨氮和有机物的负荷。另外,在沉水植物生态修复应用中,合理的种植密度对植物长势、水体修复效果以及投入产出效率方面均具有显著影响。Xie等[11]通过苦草种植密度对根系形态、根系分布和生物量分配影响的试验,得出单一植物种植密度与其生物量的积累成反比的结论。张萌等[12]研究了在沉底种植模式下典型沉水植物修复富营养化水体的最优种植密度,确定了两种沉水植物金鱼藻和狐尾藻的单一种植最优密度为3.0 kg∕m3。付旭生等[13]认为,沉底种植时苦草种植密度的最佳值为50株∕m2。但是,种植床模式下沉水植物净化水体的适宜种植密度等问题仍需要深入研究。

本研究选用苦草作为沉水植物,通过微系统模拟净化试验,分析在种植床模式下不同种植密度苦草对不同程度富营养化水体氮磷营养盐的去除能力,以及沉水植物生物量的变化情况,确定兼顾净化效果和经济效益的最优初始种植密度,为沉水植物种植床工程化应用以及深入研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 苦草种植床的设计

如图1所示,种植床主要由床框架、顶层网片和底层网片构成。床框架采用管径为50 mm的PVC管连接组成,并在框架上分散打孔,注水可以减少种植床在水中的浮力。顶层网片为网孔边长为1.5 cm的涂塑铁丝硬网,底层网片为网孔边长为0.5 cm的软网,将上下网片包裹床框架并用扎带将四周缝合。沉水植物通过顶层网片的网孔植入种植床,底部网片可以固定其根部,防止植物漂浮。

图1 沉水植物种植床示意图Fig.1 Schematic diagram of submerged plant planting bed

1.2 苦草种植床模拟净化试验

1.2.1 苦草类型

试验选取的沉水植物为常绿耐寒矮型苦草,购自上海某沉水植物种植基地,经过筛选,保留长势一致的苦草备用。试验苦草的平均叶重约1.5 g,平均叶数约6.5片,平均叶长约26.3 cm,平均根长约3.1 cm。

1.2.2 模拟富营养化水体

试验水体设置了自然水体和模拟水体两种富营养化程度。自然水体采用西溪湿地池塘原水,其总氮(TN)质量浓度约为0.8 mg∕L,总磷(TP)质量浓度约为0.05 mg∕L。在池塘原水中加入氯化铵与磷酸二氢钾溶液,模拟富营养化水体,其总氮质量浓度约为5 mg∕L,总磷质量浓度约为2 mg∕L。

1.2.3 苦草种植密度模拟试验

采用方形聚丙烯材质水槽和自制的种植床进行模拟种植试验。水槽容积约300 L,深约60 cm,水槽使用前用池塘原水浸泡3 d。将种植床固定在水槽底部以上10 cm处,距水面50 cm,保证沉水植物完全没入水中。在种植床上均匀栽种不同密度即鲜重分别为750 g∕m3、1 500 g∕m3、2 000 g∕m3长势相近的苦草,每组种植床设置3个平行。种植试验在室外温室棚内进行,试验周期约16 d。试验期间用蒸馏水来补充蒸发所耗的水分,以保持水槽水位。

1.2.4 采样测试分析方法

试验过程每3 d采集一次水样。水样用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定总氮,流动分析仪测定法测定氨氮,紫外分光光度法测定硝态氮,过硫酸钾消解-钼蓝对比法测定总磷。试验开始时和结束时观测沉水植物长势指标变化情况,包括植株叶长、根长、叶重、叶片数量等。植物长势指标采用观察与称量法进行测定。

2 结果与分析

2.1 不同密度苦草种植床对富营养化水体中总氮的净化效果

氮素是导致水体富营养化和藻类爆发的主要因子之一,氨氮、硝酸盐氮是无机态氮在水体中存在的主要形态[14]。由图2可以看出,种植床模式下的苦草对自然水体和模拟水体中的TN均有较好的去除效果。TN含量在试验初期表现出明显的下降趋势,在试验中后期逐渐达到平稳状态。但是,3种种植密度苦草在净化效率上存在差异。在自然水体净化试验前期,苦草对水体中TN的净化效果与种植密度直接相关;在试验中后期,3种种植密度水体中的TN含量变化不大。对于不同程度的富营养化水体,苦草的种植密度越大,对TN的吸收效率越高,水体中TN的去除速度越快,均能够实现早期快速净化效果;随着修复时间的延长,水体氮负荷降低,植物生长对营养物质的吸收趋于饱和,各处理在试验后期对TN的去除效果逐渐达到一致。从表1可以看出,3种种植密度苦草对不同程度富营养化水体中TN的最终去除效果基本一致,自然水体中的TN去除率为75%以上,模拟水体中的TN去除率则达90%以上。

图2 不同密度苦草种植床对自然水体和模拟水体中TN的去除效果Fig.2 TN removal effects in natural water and simulated water by planting bed with different densities of vallisneria

表1 不同密度苦草种植床对富营养化水体中氮磷营养物质的去除率Table 1 Removal rates of nitrogen and phosphorus nutrients in eutrophic water by planting bed with different densities of vallisneria

2.2 不同密度苦草种植床对富营养化水体中氨氮的净化效果

水体中氨氮是可以被植物和微生物优先利用的氮形态[15]。由图3可以看出,在自然富营养化水体净化试验前期,不同种植密度苦草对水体中的处理速率存在显著差异;到试验中后期,3种密度苦草种植床对水体中的净化趋势基本一致。在模拟富营养化水体净化试验前期和后期,3种密度苦草种植床对水体中的净化趋势大致相同;在试验中期存在加速净化的过程,此期间种植密度为2 000 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草种植床对的净化速率高于密度为750 g∕m3的种植床,但是后期趋势逐渐一致。由表1可以看出,3种密度苦草种植床对自然水体和模拟水体中的净化效果均十分显著,去除率均达到90%以上,其中种植密度为1 500 g∕m3的种植床效果最好。

图3 不同密度苦草种植床对自然水体和模拟水体中氨氮的去除效果Fig.3 NH+4-N removal effects in natural water and simulated water by planting beds with different densities of vallisneria

2.3 不同密度苦草种植床对富营养化水体中硝态氮的净化效果

水体中硝酸盐氮是各种形态含氮化合物中最稳定的氮化合物,也是可以被植物和微生物利用的氮形态[15]。由图4可以看出,在自然水体净化试验过程中,3种密度苦草种植床对水体中的净化趋势大致相同,NO3-N浓度平稳下降,其中种植密度为2 000 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草种植床对的净化速率稍快。在模拟富营养化水体试验过程中,3种密度苦草种植床对水体中的净化趋势总体趋势一致,呈现出初期和中期快速吸收,后期逐渐平衡的状态。其中,种植密度为2 000 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草种植床对的净化效率基本一致,均优于种植密度为750 g∕m3的处理。由表1可以看出,3种密度苦草种植床对自然水体和模拟水体中都有净化效果,对模拟水体的净化效果优于自然水体,其中种植密度为1 500 g∕m3的苦草种植床去除率最佳,分别为86.18%和53.81%。

图4 不同密度苦草种植床对自然水体和模拟水体中-N的去除效果Fig.4 -N removal effects in natural water and simulated water by planting bed with different densities of vallisneria

2.4 不同密度苦草种植床对富营养化水体中总磷的净化效果

沉水植物可以有效去除水体中的磷酸盐[16]。由图5以看出,在自然水体净化试验过程中,水体中的TP含量显著下降,其中种植密度为2 000 g∕m3与种植密度为1 500 g∕m3的苦草种植床净化效果比较接近,均优于种植密度为750 g∕m3的苦草种植床;在模拟富营养化水体净化试验中,3种密度苦草种植床的净化趋势比较一致,水体中的TP含量在试验初期和中期加速下降,后期逐渐稳定。由表1可以看出,3种密度苦草种植床对自然水体和模拟水体中的TP均有较好的净化效果,对模拟水体中TP的去除率均达到90%以上,整体上高于对自然水体中TP的去除率。这可能是因为模拟水体中氨氮等其他营养物质含量较高,促使苦草长势更加良好,导致模拟富营养化水体中苦草种植床的净化能力和效率比自然水体中的苦草种植床显著提高。

图5 不同密度苦草种植床对自然水体和模拟水体中TP的去除效果Fig.5 TP removal effects in natural water and simulated water by planting bed with different densities of vallisneria

2.5 不同密度苦草在种植床上的生长情况

植物长势指标能够反映沉水植物在试验期间的整体生长状况,包括营养状况和竞争状况等[17]。由表2可以看出,在自然水体和模拟水体中,3种种植密度的苦草生长旺盛,表现为植株粗壮,叶色变深,叶片数量明显增多,根系出现分枝等。总体上,种植密度为750 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草生长情况优于2 000 g∕m3的苦草。其中,在低富营养化自然水体中,种植密度为1 500 g∕m3的苦草平均叶长、平均叶数、平均叶重均优于750 g∕m3处理;在高富营养化模拟水体中,种植密度为1 500 g∕m3的苦草平均叶重和平均叶数接近750 g∕m3处理。另外,种植密度为750 g∕m3的苦草平均根长在自然水体和模拟水体中长势均最好。苦草生长情况表明,种植床模式下,3种种植密度苦草在不同程度富营养化水体中均生长良好;苦草在种植密度为2 000 g∕m3时,植株生长存在空间上的竞争关系,对植物生长不利;而种植密度为750 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草生长空间充分,获取营养充足,长势较好。

表2 不同密度苦草种植床在自然水体和模拟水体中的生长情况Table 2 Growth of vallisneria with different densities on planting bed in natural water and simulated water

3 结论与讨论

氮和磷是湖泊、水库富营养化评价的重要指标,沉水植物通过生长吸收固定水体中的N、P等营养物质,有效降低富营养化水体中的营养成分,在生态修复工程中发挥着特殊的作用[18]。通过种植床调节沉水植物水下深度,能够有效解决水体浑浊或水深等不利因素对沉水植物生长的影响。本研究表明:(1)从水体氮磷去除效果来看,3种密度苦草种植床对水体中的氮磷营养盐均有明显净化效果,自然水体中TN的去除率为75%以上,模拟水体中TN的去除率达90%以上;种植密度为1 500 g∕m3和2 000 g∕m3的苦草净化效率高于750 g∕m3处理。(2)从植物生长势指标上来看,3种种植密度苦草在不同程度富营养化水体中均生长良好,平均叶数、叶重和根长均明显增加;种植密度为750 g∕m3和1 500 g∕m3的苦草生长趋势优于种植密度为2 000 g∕m3的苦草。可见,种植床模式下苦草的初始种植密度为1 500 g∕m3时可以适应不同程度富营养化水体,综合净化效益较好。