规模化控养水葫芦改善滇池外海水质效果研究

张志勇，徐寸发,，闻学政，张晋华，秦红杰，张迎颖，杨光明，李晓铭，刘海琴，严少华*

1．江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014；2．南京理工大学环境与生物工程学院，江苏 南京 210094；3．江苏省滆湖渔业管理委员会办公室，江苏 常州 650228；4．昆明市环境监测中心，云南 昆明 650034

规模化控养水葫芦改善滇池外海水质效果研究

张志勇1，徐寸发1,2，闻学政1，张晋华2，秦红杰1，张迎颖1，杨光明3，李晓铭4，刘海琴1，严少华1*

1．江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014；2．南京理工大学环境与生物工程学院，江苏 南京 210094；3．江苏省滆湖渔业管理委员会办公室，江苏 常州 650228；4．昆明市环境监测中心，云南 昆明 650034

2011─2013年，在滇池外海水域实施了规模化控养水葫芦（Eichhornia crassipes）修复富营养化湖泊水体的试验性工程，以及外海湖体与控养区内、外水质的变化分析，探讨规模化控养水葫芦对外海水质的改善效果。结果表明：水葫芦在滇池外海控养水域生长迅速，安全可控，并未出现逃逸泛滥现象。2012和2013年水葫芦最大覆盖面积分别为556.39和257.87 hm2，通过对其采收共计从外海水体带走氮691.89 t，磷57.40 t；工程实施期间，外海全湖水质得到一定的改善，水体TP平均浓度始终维持在较低水平，水体TN平均浓度显著下降，尤其2012年，外海湖体TN平均质量浓度由2011年的2.80 mg·L-1降至1.96 mg·L-1，同比下降了30.00%；水葫芦控养区内水体TN和TP平均浓度较控养区外分别下降了28.52%和13.04%。综上分析，规模化控养水葫芦可削减水体大量的氮、磷，尽管水葫芦覆盖面积不足外海水域面积的2.00%，但仍对外海全湖水质改善具有一定效果。该研究为规模化控养水葫芦应用于大型富营养化湖泊的治理提供了工程实践与理论依据。

水葫芦；氮；磷；水质改善；滇池

滇池是中国西南地区最大的高原湖泊，被誉为“高原明珠”（刘瑞志等，2012）。湖泊面积311.34 km2，湖体形状略呈弓形，海埂长堤将滇池分隔为南北两片区，北部片区即称草海，面积10.67 km2；南部片区即称外海，面积292 km2，是滇池的主体部分（张霞等，2013）。

20世纪80年代以来，滇池水体富营养化不断加重，水质恶化。从1982年至1998年，滇池水体由III类水质退化至劣V类。“十一五”期间，随着滇池的“六大工程”——滇池流域工业、生活、农业污水全面收集处理、入滇河道“158”综合整治、环湖生态建设、农业农村面源污染防治、生态清淤和节水工程的建设和发挥作用，滇池外源污染得到有效控制（黄可等，2013）。虽然水质污染继续恶化的趋势得到了遏制，但是其水质与往年相比并无根本好转。根据2010年《中国环境状况公报》显示：与上年相比，水质无明显变化，草海和外海均处于重度富营养状态。因此，滇池治理亟待由以往单纯外源污染增量控制，逐步向外源污染增量控制和内源污染存量削减并重的治污方式转变。利用水生植物修复技术是削减湖泊内源污染存量的经济有效措施之一，而水葫芦（Eichhornia crassipes）是具有高富集氮磷能力的水生植物之一，已经广泛应用于各种污染水体的修复（El-Gendy，2003；Jayaweera和 Kasturiarachchi，2004；Nesterenko-Malkovskaya等，2012；戴玉女等，2014）。规模化控养水葫芦改善滇池草海及其封闭水域水质已取得明显的成效（张志勇等，2014；WANG等，2013）。然而以往研究多局限于开放性的小型湖泊水体或封闭水域，将水葫芦大规模应用于大型开放性水域研究尚见报道。

2011年7月，江苏省农业科学院作为技术支撑单位、昆明滇池投资有限责任公司为实施主体，共同在滇池外海开始实施了为期3年的“滇池水葫芦治理污染试验性工程”项目。本文通过水葫芦生长状况、氮磷富集能力、湖体水质变化等分析，探讨规模化控养水葫芦对全开放性的大型湖泊水域水质改善效果，以期为后续规模化控养水葫芦应用于大型湖泊治理提供工程实践与理论依据。

1 材料与方法

1.1 水葫芦控养水域和控养方式

选择滇池外海污染相对严重的盘龙江入湖河口、滇池北岸龙门村水域和晖湾等水域控制性种养水葫芦。根据控养水域的风浪、水深等差异，选择不同的控养围栏方式，对水深较浅且风浪较小水域，采用了“锚基钢管浮球围网”围栏，反之采用“钢管桩基围网”围栏，不同的围栏方式构建示意图如图1和图2所示。2011年为项目实施初年，由于外海北部水域风浪较大，围栏建设工程任务较重，当年7月底才完成控养围栏建设，9月中旬才结束种苗投放工作，故错过了水葫芦最佳生长期。因此，本文以2011年为项目实施背景年，2012年和2013年作为规模化水葫芦控养年份开展研究。2012年和2013年水葫芦控养水域分布如图3和图4所示，其中2012年水葫芦的控养围栏面积约800.0 hm2，2013年因项目实施主体调整了水葫芦控养方案，缩减了水葫芦控养围栏面积，剩下约为533.4 hm2。

图1 锚基钢管浮球围栏示意图Fig. 1 The schematic diagram of fence with anchors, steel tubes and floating balls

图2 钢管桩基围栏示意图Fig. 2 The schematic diagram of fence with steel piles

图3 2012年水葫芦控养水域分布图Fig. 3 The distribution diagram of water areas with Eichhornia crassipes in 2012

图4 2013年水葫芦控养水域分布Fig. 4 The distribution diagram of water areas with Eichhornia crassipes in 2013

1.2 试验方法

2012年利用2011年在外海控养水域安全越冬的水葫芦作为种苗，采用机动船只拖拉软网的方式于6月前完成控养水域的水葫芦种苗投放工作，投苗量为225 t·hm-2，9月后陆续开始采收，至12月初结束水葫芦采收工作，同时预留一部分作为2013年的种苗。同样，2013年水葫芦种苗投放方式、单位面积投放量和采收时期同 2012年。2011─2013年对滇池外海8个国控点（晖湾中、罗家营、观音山西、观音山中、观音山东、白鱼口和海口西）以1次/月的频率采集水样，分析外海全湖水质状况。并且利用卫星遥感技术对控养年份6─11月水葫芦覆盖面积进行测定，以及人工监测水葫芦生长期（6─11月）单位面积生物量，并每月采集植物样。此外，为了更全面掌握规模化控养水葫芦对外海水质的改善效果，除了监测外海整个湖体水质变化外，2012年4─12月对外海晖湾水域水葫芦控养区内外的水质进行监测，其中控养区内和控养区外各设置3个采样点，分别为A1～A3和A4～A6，并以1次/月的频率采集水样，具体采样点布置如图5所示。水样测定的指标包括 pH、透明度（SD）、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH4+-N）、总氮（TN）和总磷（TP），而植物样测定植株全氮和全磷含量。

图5 外海全湖及晖湾控养水域采样点分布Fig. 5 The distribution diagram of sampling points in Waihai lake and Huiwan

1.3 分析方法

水体 DO和 pH值采用 YSI professional plus（USA）测定仪现场测定；SD（透明度）采用Secchi圆盘现场目测；总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）采用德国SEAL AA3连续流动分析仪测定（夏倩等，2012；沈建红等，2013）；高锰酸盐指数采用高锰酸钾酸性法测定。水葫芦单位面积生物量（鲜质量）测定：将1 m2内的植株从水中捞起放在筛网上，直至无滴水时称质量而得。水葫芦覆盖面积采用卫星遥感技术测定。植物样于100 ℃下杀青30 min后，在65 ℃恒温烘至恒质量，然后进行粉碎，采用H2SO4-H2O2消解法测定植物样全氮和全磷，测定方法详见《土壤农化分析》（鲍士旦，2000）。

1.4 数据处理

所有数据均由均值±标准差表示。统计处理采用统计软件SPSS20.0，显著性水平设置为P<0.05。图表制作采用Origin 8.0和Excel软件。

2 结果与分析

2.1 外海水域水葫芦生长特征

2.1.1 水葫芦单位面积生物量变化

水葫芦均能快速适应滇池外海控养水域，植株生长良好，控养围栏安全可靠，项目实施期间并未出现水葫芦逃逸泛滥现象。2012年和2013年滇池外海水葫芦生长期（6─11月）单位面积生物量变化如图6所示，均呈现先升后降的趋势，生物量均在当年的9月份达最大值，分别是54.68和43.75 kg·m-2。2012年水葫芦不仅单位面积生物量显著高于2013年（P=0.037），且6─9月水葫芦生长也较为迅速，最大生长速率为463.33 g·m-2·d-1。2013年8月因阴雨天气较多，影响了各控养水域水葫芦的生长速度。进入9月份后，由于气温与水温的下降，水葫芦的生长速率开始减缓，加之对水葫芦的采收，水葫芦的单位面积生物量明显减少。

图6 2012年和2013年外海水域水葫芦单位面积生物量变化(样品量n=3)Fig. 6 The changes of the biomass per unit area of Eichhornia crassipes in Waihai lake in 2012 and 2013

2.1.2 水葫芦种群扩繁规律

根据云南省农业气象中心提供的遥感监测数据显示（图7和图8），2012年和2013年水葫芦覆盖面积均呈先升后降的变化趋势。其中，2012年水葫芦种苗投放后，开始迅速生长，8月份达到最大覆盖面积，为556.39 hm2，8月后因水葫芦日生长量小于日采收量及气温降低等因素致使覆盖面积减少。2013年与2012年略有不同，6─10月水葫芦覆盖面积一直递增，10月份时达最大，为257.87 hm2，这主要与2013年10月后气温才开始下降以及水葫芦的采收有关。

图7 2012年和2013年外海水域水葫芦覆盖面积变化Fig. 7 The changes of area covered with Eihhornia crassipes in Waihai lake in 2012 and 2013

2.2 水葫芦氮、磷富集能力

水葫芦的同化作用是去除水体氮、磷的途径之一，但其同化氮、磷量受诸多因素影响而存在差异，比如气候、水质等（张迎颖等，2011）。根据 2012─2013年水葫芦组织氮、磷含量的监测结果，不同年度间水葫芦组织的全氮、全磷含量均存在一定的差异，2012年度水葫芦植株干物质的平均全氮、全磷质量分数分别为1.66%和0.13%，低于2013年度的1.99%和0.17%，且结合各年度植株干物质含量得到了水葫芦氮、磷富集量（表 1）。根据 2012、2013年水葫芦采收总量（分别为2.76×105、2.71×105t），得知水葫芦控养年份采收的水葫芦共带走外海水体氮691.89 t、磷57.40 t。

图8 2012年和2013年水葫芦最大覆盖面积时的卫星遥感监测图Fig. 8 The diagram of Satellite remote sensing monitoring when the best area covered with Eihhornia crassipes in 2012 and 2013

表1 2012年和2013年水葫芦富集氮、磷能力Table 1 Amount of nitrogen and phosphorus accumulated with Eihhornia crassipes in 2012 and 2013

图9 外海2011─2013年水体pH、SD及DO变化Fig. 9 The changes of pH, SD and DO in the water in Waihai lake from 2011 to 2013

2.3 外海全湖水体水质改善效果

2.3.1 SD、DO及pH的变化

外海全湖8个国控点的监测结果显示，2011年外海全湖水体平均pH、SD和DO分别是8.97、0.44 m和6.86 mg·L-1。2012─2013年外海全湖水体pH和DO呈波动态上升的趋势，而SD变化则较为平稳（图9）。其中，2012─2013年外海全湖水体pH年度平均值分别是9.18和9.51，SD分别是0.41和0.44 m，DO分别是6.97和8.05 mg·L-1。统计分析表明，2013年外海全湖水体pH和DO均显著高于前两年（P<0.05），这可能是蓝藻爆发周期加长所致，不过年际间水体SD差异不明显（P>0.05）。

2.3.2 高锰酸盐指数变化

水葫芦控养后外海全湖水体 CODMn呈波动态的变化，见图10。2011年水体CODMn平均质量浓度为10.66 mg·L-1，高于2012年的10.06 mg·L-1与2013年的10.65 mg·L-1，但年际间水体CODMn无显著性差异（P>0.05），这说明水葫芦控养及打捞过程中并未导致水体CODMn的增加。在2012─2013年水葫芦生长期间，外海水体 CODMn降至较低的水平，明显优于地表水Ⅳ类水标准，这也表明规模化控养水葫芦对滇池外海水体 CODMn具有削减的作用，特别是水葫芦生长期间。

图10 外海2011─2013年水体高锰酸盐指数变化Fig. 10 The changes of CODMnin the water in Waihai lake from 2011 to 2013

2.3.3 氮、磷浓度变化（NH4+-N、TN和TP）

规模化控养水葫芦最主要目的是削减水体的氮、磷浓度。由图11可以看出，2011年外海水体平均NH4+-N、TN和TP分别是0.29、2.80和0.16 mg·L-1；2012─2013年水体NH4+-N变化并不明显，维持在0.2～0.4 mg·L-1，优于地表水Ⅱ类水标准，而水体TN表现为先降后升的趋势，尤其在2012年5─9月间水葫芦旺盛生长期下降明显。2012年和2013年水体平均TN分别是1.96和2.12 mg·L-1，分别较 2011年下降了 30.00%和 24.28%。相比水体TN的变化，TP变化较为平稳，分别是0.17和0.15 mg·L-1，优于地表水Ⅴ类水标准。统计分析表明，2011年与2012─2013年外海水体NH4+-N和TP均无显著性差异（P>0.05），但水体TN平均浓度显著下降（P<0.05），尤其2012年水体TN平均浓度极显著下降（P<0.01）。由此可见，规模化控养水葫芦对外海全湖水体氮水平的削减较为明显。

图11 外海2011─2013年水体NH4+-N、TN和TP变化Fig. 11 The changes of NH4+-N, TN and TP in the water in Waihai lake from 2011 to 2013

2.3.4 滇池外海全湖水质年际变化

滇池外海全湖水质年际变化如表2所示。水葫芦控养后，2012年外海全湖水质明显优于2011年，尤其是水体TN由2.80 mg·L-1降至1.96 mg·L-1，下降了30.00%，并且略优于2013年，这主要是因2012年水葫芦覆盖面积远高于2013年的缘故。通过2012─2013年水葫芦的规模化控养，外海全湖水体CODMn平均降低了2.91%，并且水体TP和NH4+-N平均浓度始终维持在较低水平。总体而言，规模化控养水葫芦对滇池外海全湖水质的改善表现出一定的效果。

表2 滇池外海全湖水质年际变化Table 2 The interannual changes of water quality in waihai of Dianchi lake

2.4 水葫芦控养水域的水质变化

2.4.1 水葫芦控养对水体pH、DO和SD的影响

通过2012年4─12月控养区内、外水质监测结果发现，控养区内、外水体pH、DO和SD的变化规律基本一致，控养区内水体pH和DO明显低于控养区外（P<0.01），且水葫芦控养极显著提高了控养区水体SD（P<0.01）（图12）。控养区内水体pH和SD平均分别为8.57和0.67 m，控养区外水体pH和SD平均分别是9.29和0.33 m，控养区内水体pH更接近中性，SD大幅度提高；控养养区内因大面积密集种植水葫芦以及未进行适当的控养单元分隔，从而阻碍了大气复氧，致使水体DO平均质量浓度低于3.00 mg·L-1，但未出现生物死亡现象。

图12 2012年水葫芦控养区内、外水体pH、SD及DO的对比Fig. 12 The comparison of pH, SD and DO inside and outside planting area with Eihhornia crassipes

2.4.2 水葫芦控养对水体NH4+-N、TN和TP的影响

由图13可以发现，2012年4─12月控养区内水体NH4+-N、TN和TP均低于控养区外，控养区内水体NH4+-N、TN和TP均呈先降后升的变化趋势，原因应该是水葫芦旺盛生长期大量吸收氮磷致使氮磷下降，以及9月后水葫芦生长缓慢及开始采收导致氮磷逐渐回升。控养区外水体NH4+-N表现为上升趋势，TN呈波动态变化，TP则呈现先升后降的变化趋势，后两者均在7月达最大，这可能与水体藻类密度有关。控养区外水体平均NH4+-N、TN和TP分别是0.25、2.91和0.23 mg·L-1，控养区内则是 0.20、2.08和 0.20 mg·L-1，平均下降了20.00%、28.52%和 13.04%。统计分析，控养区内水体TN极显著低于控养区外（P<0.01），而控养区内外水体NH4+-N和TP无显著差异（P>0.05）。

3 讨论与结论

为期3年的滇池水葫芦治理污染试验性工程实践表明，针对外海水面大、风浪大、水深差异大等特点，在不同水域分别建设“钢管桩基围网”、“锚基钢管浮球围网”等围栏工程技术是可靠的，控养的水葫芦被安全控制在的围栏内，没有出现公众担心的水葫芦逃逸泛滥想象。不过为了维持水葫芦控养区水体较高的DO浓度，建议将大面积密集种植模式拆分成若干单元种植模式，单元间保留一定空间，保证控养区大气复氧顺利进行。每年水葫芦定期采收，不仅带走水体大量的氮磷，还消除水葫芦因枯萎腐烂引起的二次污染。2012─2013年滇池外海共采收水葫芦5.47×105t，共削减水体氮691.89 t和磷57.40 t，其中2012年削减水体氮322.92 t，磷24.84 t，约是当年外海点源入湖氮量的7.22%和磷量的8.57%。

图13 2012年水葫芦控养区内、外水体NH4+-N、TN及TP的对比Fig. 13 The comparison ofNH4+-N, TN and TP inside and outside planting area with Eihhornia crassipes

试验结果表明水葫芦控养年份，外海全湖水体pH和DO增加，而SD下降，这与水葫芦控养区的结果截然相反，原因可能是相对整个滇池外海而言，水葫芦控养面积仅占外海水域面积的1.00%～2.00%，对外海全湖水体DO、pH和SD的作用并不明显，可能是其他因素导致了外海水体pH和DO增加及SD下降，如气候原因引起藻类爆发周期加长（Rommens等，2003）。至于水葫芦控养区水体pH和DO下降，这已经得到众多学者证实（王智等，2013）。水葫芦呼吸作用产生 CO2，吸收水体NH4+-N后残留H+（Kim和Kim，2000）以及根系分泌有机酸等因素引起水体pH下降；大面积覆盖的水葫芦阻碍了水体复氧（Meerhoff等，2003）和阻碍水体初级生产者光合放氧（Hunt和Christiansen，2000），以及微生物作用和根系呼吸耗氧等原因导使水体DO下降。而控养区水体SD大幅度提升，主要是因为水葫芦茂密根系对悬浮颗粒物的吸附拦截以及对藻类生长的抑制（Chen等，2005）。

根据 2012─2013年外海全湖水体氮磷浓度变化，可以看出，外海全湖水质得到一定的改善，尤其水体TN浓度平均下降27.14%。其中，2012年水体平均 TN由 2011年的 2.80 mg·L-1降至 1.96 mg·L-1，已优于地表水Ⅴ类水标准，而2013年略有回升，但也接近地表水Ⅴ类水标准，这可能与2012年外海水葫芦覆盖面积大于 2013年相关。虽然水体TN，水体TP和NH4+-N变化并不显著，但水葫芦控养维持了外海全湖水体TP和NH4+-N处于较低水平。根据控养区试验结果发现水葫芦对氮磷的削减作用比较显著，与控养区外对比，控养区内水体NH4+-N、TN和 TP分别降低 20.00%、28.52%和13.14%，这主要是因为该水域水体处于劣Ⅴ类水标准，有利于水葫芦快速生长，促进其对氮、磷的削减（张迎颖等，2011）。而之前有专家担心水葫芦控养会对外海水体 CODMn带来不利影响，但纵观控养年份的试验结果，水体 CODMn平均下降了2.91%，2012年甚至降低了5.72%，这说明大型水面条件下控养水葫芦并没有增加水体CODMn，这主要归于在水葫芦植株衰败前采取了及时有效的机械化采收措施。

综上所述，本试验性工程条件下，无论从外海全湖水质变化还是外海晖湾水葫芦控养区内、外水质变化而言，规模化控养水葫芦对开放型湖泊水质具有一定的改善效果，特别是控养区的水质改善比较明显，有望于进一步推广应用。

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Effects of Water Quality Improvement in Waihai of Dianchi Lake with Large Scale Confined Growth of Eichhornia crassipes

ZHANG Zhiyong1, XU Cunfa1,2, WEN Xuezheng1, ZHANG Jinhua2, QIN Hongjie1, ZHANG Yingying1, YANG Guangming3, LI Xiaoming4, LIU Haiqing1, YAN Shaohua1*
1. Institute of Agricultural Resource and Environmental Sciences, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2. School of Environmental and Biological Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 3. Fisheries Management Commission of Lake Gehu, Changzhou 213216, China; 4. Kunming Environment Monitor Center, Kunming 650034, China

A pilot project on eutrophic lake restoration with large scale confined growth of Eichhornia crassipes was implemented in Waihai of Dianchi Lake from 2011 to 2013. The effects of water quality improvement (nitrogen and phosphorus removal, changes of water quality inside and outside of planting zone) in waihai was investigated. Results showed that E. crassipes grew rapidly, safety and controllability without escaping. The largest area covered with E. crassipes were 556.39 hm2and 257.87 hm2in 2012 and 2013, respectively. The amount of nitrogen and phosphorus removal by plants were 691.89 tons and 57.40 tons in 2012 and 2013, respectively. During the ecological engineering, water quality of Waihai was improved significantly by large-scale confined growth E. crassipes. TP concentrations kept in low level, while those of TN was reduced significantly especially in 2012. Concentration of TN reduced by 30.00% (from 2.80 mg·L-1to 1.96 mg·L-1). While TN and TP concentrations decreased by 28.52% and 13.04% in planting zone, respectively. The results indicated that efficient nitrogen and phosphorus removal was shown with large-scale confined growth of E. crassipes. Although area with E. crassipes was less than 2.00% of the whole area in Waihai, certain effect on the water quality improvement was shown. These findings could provide

on theory and practice for large eutrophic lakes restoration with E. crassipes.

Eichhornia crassipes; nitrogen; phosphorus; water quality improvement; Dianchi lake

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.018

X52

A

1674-5906（2015）04-0665-08

张志勇，徐寸发，闻学政，张晋华，秦红杰，张迎颖，杨光明，李晓铭，刘海琴，严少华. 规模化控养水葫芦改善滇池外海水质效果研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(4): 665-672.

ZHANG Zhiyong, XU Cunfa, WEN Xuezheng, ZHANG Jinhua, QIN Hongjie, ZHANG Yingying, YANG Guangming, LI Xiaoming, LIU Haiqing, YAN Shaohua. Effects of Water Quality Improvement in Waihai of Dianchi Lake with Large Scale Confined Growth of Eichhornia crassipes [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 665-672.

国家“十二五”滇池水专项（2012ZX07102-004-6）；国家自然科学青年基金项目（41201533）

张志勇（1977年生），男，副研究员，博士，主要从事水体污染生物修复方面的研究。*通信作者。E-mail: shyan@jaas.ac.cn

2014-12-22