两种漂浮植物的生长特性及其水质净化作用

秦红杰,张志勇,刘海琴,刘旻慧,闻学政,王 岩,张迎颖,严少华



两种漂浮植物的生长特性及其水质净化作用

秦红杰,张志勇,刘海琴,刘旻慧,闻学政,王 岩,张迎颖,严少华*

(江苏省农业科学研究院农业资源与环境研究所,江苏 南京 210014)

采用自主研发的漂浮水槽,对两种常用于水体净化与修复的漂浮植物(凤眼莲和水浮莲)在水质净化效果和生长特征等进行了比较研究.结果表明,水浮莲对水体氮磷浓度有更高的要求,对水体中浮游藻类和叶绿素去除率分别高达94.38%和95.06%,优于凤眼莲;凤眼莲对水体TN的去除率(82.08%)以及其叶片净光合速率(20.28~27.90μmol CO2/(m2·s))和叶绿素含量(1.05~1.08mg/g鲜重)均显著高于水浮莲(分别为71.82%、8.64~16.50μmol CO2/(m2·s)和0.25~0.31mg/g鲜重) (< 0.05).与凤眼莲共存情况下,水浮莲有更强的扩繁能力,但后者在实际工程应用中更具逃逸风险.为使两种漂浮植物的优势得到充分发挥,我们提出了基于这两种水生植物水体净化的“三明治”模式,为今后选用水生植物进行水体净化与修复的工程实践提供借鉴.

漂浮植物；凤眼莲；水浮莲；水体修复

水体富营养化是当前国内面临的主要环境问题之一[1],在治理富营养化水体的多种措施中,植物修复因其具有净化效果好、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[2],已成为广受关注的重要举措[3].

到目前为止,国内外研究人员已对不同生活型水生植物,如漂浮植物、浮叶植物、挺水植物和沉水植物等,在水体净化和修复方面做了大量的研究,并将其运用到水体修复实践中[4-8].漂浮植物水体修复系统,设施简单、投资少、建造易,管理方便,去污效果良好[9].然而,采用漂浮植物进行水体修复最具争议的问题是如何控制其生长规模和适宜的盖度,发挥其最佳的水体净化效果,同时减少危害[10].近年来,笔者研究团队着力于漂浮植物的控养、打捞及资源化利用等技术瓶颈攻关,目前该整套技术体系已日臻成熟,漂浮植物泛滥与不能及时打捞而引起水体二次污染的风险得到了有效的防控.

凤眼莲((Mart.) Solms)俗称水葫芦,具有超强的氮磷等营养物去除能力[11]和对恶劣环境广泛的适应性[12],有研究表明,凤眼莲较其他水生植物及微藻类在污水处理方面有更佳的效果[13].水浮莲(L.)又名大薸,也为多年生漂浮水生植物,国内外均因其具有较强的富集水体氮磷能力而开展了大量研究[14],目前多用于城市污水和工厂排放废水的污染物移除与水生态修复[15].

以往的研究多是在静态水体环境下,探讨漂浮植物对水体中氮磷等污染物的去除效果,很难真实反映水生植物在实际应用中对流动水体中污染物的去除效率.此外,尽管不少文献都报道了凤眼莲和水浮莲在水质净化方面表现突出,然而以往大多是基于这两种漂浮植物各自对污染水体的净化与修复效果进行研究,缺乏对不同漂浮植物的组合模式探究.有研究表明,单纯依靠一种漂浮植物如凤眼莲,很难取得理想的生态治理效果,应该适当增添其他水生生物的引种[16].通过对不同漂浮植物的组合与配置,进行优势互补,不失为一条更具应用价值的水体修复模式.本研究采用自主研发的可控流量的水上漂浮性水槽,通过对凤眼莲和水浮莲两种漂浮植物在水体净化与修复方面的系统研究,提出基于两种漂浮植物合理配置的“三明治”水体修复模式,为今后采用漂浮植物进行水体修复实践,提供重要参考与借鉴.

1 材料与方法

1.1 水生植物来源

实验用凤眼莲和水浮莲均为江苏省农科院智能温室内正常越冬的苗种.生长至5月中旬达到实验材料需求后,用于在1#和2#蓄水塘开展实验,1#和2#蓄水塘被水闸分开,水质理化性质相似,实验期间1#和2#蓄水塘水质变化范围见表1.

表1 实验期间水生植物种养水域水质理化特征
Table 1 The physicochemical characteristics in area with aquatic macrophytes cultivation during the experiment

1.2 实验装置

装置1:“钢管泡沫浮球挂网”围栏,其示意图和效果图分别见图1a和图1b.装置为边长18m的正方形,使用锁扣将3根长6m直径6cm的镀锌钢管链接起来.平均约每1.5m套空心泡沫浮筒一个(40cm´60cm,中心有6cm空心),钢管上绑定宽0.5m孔径1cm的尼龙网,尼龙网通过尼龙绳绑定于钢管上,尼龙网近地端绑定碎石等配重.该装置放置于江苏省农科院1#蓄水塘中.

装置2:不锈钢水槽长10.0m、宽1.0m、深0.5m(示意图和效果图分别见图2a和图2b),使用不锈钢板无缝焊接而成.通过在水槽两侧绑定泡沫浮球调节槽体在水下的位置,使槽内水深维持在0.40m,槽体通过尼龙绳固定于附近的钢桩.槽体两端设有进出水口,其中进水口置于距槽底0.25m处,直径0.05m,并在进水管口外侧包裹尼龙滤网(孔隙直径1.3cm)以防止大型悬浮物堵塞进水管;出水口置于距槽底0.40m处,直径0.05m,出水管一端连于抽水泵(抽水泵固定于水槽出水端,并通过泡沫浮球悬浮于水面,工作效率5m3/d, 水力停留时间为0.8d),出水管另一端至于槽体内水面下,且用尼龙滤网(孔隙直径1.5cm)包裹以防止大型杂物抽入泵内.该装置安置于江苏省农科院1#蓄水塘中.

1.3 实验用水

实验期间1#蓄水塘和2#蓄水塘水体主要来源于生活污水和雨水,为中度富营养化水体.1#蓄水塘面积约10500m2,水深 1.9~3.2m;2#蓄水塘面积约4500m2,水深 2.0~3.5m,不同实验点位水质理化指标见表1.

1.4 实验设计

不锈钢水槽中凤眼莲和水浮莲对水质的净化实验.于2015-06-23将凤眼莲和水浮莲均以4.0kg/m2的生物量投放于水槽内,两种漂浮植物分别设置3个平行,共6个水槽,依照装置2中的参数连续运行至8月6日,共计45d.实验结束时对两种水生植物的生长特征进行监测.

凤眼莲和水浮莲共养实验.于2015年7月初将凤眼莲和水浮莲分别采用装置1共养于1#蓄水塘和2#蓄水塘.将该实验分别置于2个蓄水塘主要考虑两方面原因,一方面漂浮植物大面积扩繁,将对同期进行的水槽实验水质有较大影响,另一方面1#蓄水塘和2#蓄水塘水质理化性质基本相同(表1).其中1#蓄水塘凤眼莲和水浮莲投放量比例约为5:1,2#蓄水塘凤眼莲和水浮莲投放量比例约为1:5,至2015年11月底测定其各自扩繁的面积.

1.5 实验分析项目与检测方法

1.5.1 水质理化指标 水体理化指标按照1次/d的频率进行连续监测,其中水体的pH、溶氧(DO)采用多功能水质分析仪(哈希,HQ40D,美国)现场测定;进水口端水样于水面下20cm处采集,出水口端水样从计量泵出水口端采集,水样的总氮(TN)、总磷(TP)采用流动分析仪(Auto-Analyzer 3Application)测定,高锰酸钾指数(CODMn)依据《水和废水监测分析方法》测定[17],水体藻细胞密度使用流式细胞仪(BD公司,FACSJazz型)测定;水体叶绿素浓度参照Wintermans 和 de Mots方法测定[18].

1.5.2 植物理化指标 植物生物量测定:准确收集1.0m2种养面积里的水生植物,将其根系上的水分沥干后称重,单位为kg鲜重/m2;

生长速率()按照如下公式计算:

=(B-0)/(1)

其中:B和0分别为实验起始和结束时水生植物生物量,代表时间间隔(d),单位为kg/(m2·d);

植物根系和茎叶长度测定:将植物带回实验室用刻度尺直接量取,其中根系长度以根系最长根计,茎叶以植株最长茎叶计;

植物根系和茎叶鲜重测定:将植物带回实验室,用自来水轻缓冲洗根系表面粘附的杂质,用吸收纸吸干植物茎叶和根系表面的水珠,将植物根系和茎叶分开后分别称重;

植物含水率测定:将清洗干净且吸干表面水珠的植物根系和茎叶分别称重,得到其鲜重f,然后放入105℃烘箱30min,然后于65℃烘箱烘至恒重后称重,得到干重d,根系和茎叶含水率(%)使用如下公式计算:

=100%×(f-d)/f(2)

植物根系表面积测定:将植物根系取下用自来水冲洗3次,然后用蒸馏水冲洗2次,最后用吸水纸吸干根系表面水珠,采用亚甲基蓝染色法测定[19];

根系活力测定:将洗干净的根系剪碎后采用TTC法测定[20];

植物叶片中色素含量(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素)参照李合生等[20]提供的乙醇提取法,分光光度法测定;

叶片SPAD值使用叶绿素仪(SPAD-502)测定,每个处理SPAD值为测定10片以上叶片后的均值;

叶片净光合效率(μmol CO2/(m2·s))使用便携式光合仪(LI-6400XT,美国)选择晴朗的上午9:00~10:00于实验装置附近开阔场地测定,使用红蓝光源,光量子通量密度(PPFD)为1600μmol/ (m2·s),流速设为500μmol/s;

总碳水化合物和总可溶性蛋白质含量分别参照李合生提供的蒽酮硫酸比色法和考马斯亮蓝G-250染色法测定[25];

植株体TN和TP含量测定:将植物样品烘干至恒重后粉碎,过60目网筛,硫酸-双氧水消解后参考文献的凯氏定氮法和氮钼锑抗比色法测定[19].

1.6 实验数据的统计分析

文中数据均以平均数±标准方差的形式呈现,结构示意图采用中望CAD 2014绘制,不同组之间的差异显著性用SPSS 13.0 (Chicago, IL, USA) one-way ANOVA中的LSD post-hoc分析.

2 结果

2.1 两种漂浮植物对水质净化效果

在原位水槽实验中,每天监测水质理化指标变化情况.从实验全程水质指标平均数来看,凤眼莲对TN、TP、CODMn、藻密度和水体叶绿素浓度去除率分别达到了82.08%、55.22%、46.86%、91.80%、91.30%,水浮莲对这些指标的去除率分别为71.82%、54.44%、48.91%、94.38%、95.06%(表2),两种漂浮植物对水体污染物均有显著的去除效果.

表2 凤眼莲和水浮莲的水质净化效果
Table 2 The water purification effects of E. crassipes and P. stratiotes

注:去除率(%)=100%×(进水口浓度－出水口浓度)mg/L/进水口浓度mg/L;削减量(g/(m2·d)=(进水浓度-出水浓度)mg/L÷1000g×流量(5000L/d)÷10m2.

2.2 两种漂浮植物形态及生理特征

如表3所示,凤眼莲根长从进水口端的34cm到出水口端40.63cm,增长了6.63cm;茎叶长度从进水口45.50cm降低至出水口的 27.62cm;其根冠比(根长/茎叶长)增加了96%.水浮莲根长和茎叶长度变化趋势同凤眼莲,但其变化更为显著,出水口端根长增长至49cm;根冠比高达6.88,升高了322%.此外,水槽进出水口端水浮莲根冠比均显著高于凤眼莲.

进水口与出水口端凤眼莲根重和茎叶重变化趋势与其长度变化一致.根冠比由进水口端的0.33,增加至出水口端的0.99.而水浮莲根重和茎叶重在出水口端均有显著降低,其中根重由进水口端的61.76g/株,降低至出水端的25.93g/株,茎叶重量由进水口端的236.29g/株,降低至出水端的22.77g/株,但出水口端根冠比仍高于进水口端.

表3 水槽进出口端凤眼莲和水浮莲植株形态特征
Table 3 Morphological characteristics of E. crassipes and P. stratiotes growing at the inlet and the outlet of sinks

进水口水浮莲根系和茎叶含水率分别为97.90%和95.74%,略高于进水口凤眼莲根系和茎叶含水率95.87%和94.26%(表4),而出水口端两种漂浮植物根系和茎叶含水率均有所降低,但仍是水浮莲略高于凤眼莲.同时从表4可以看出,对于凤眼莲和水浮莲这两种漂浮植物,其根系的含水率均高于茎叶.

凤眼莲茎叶中总碳水化合物在进水口端与水浮莲无明显差异(表4),出水口端凤眼莲总碳水化合物含量21.34mg/g鲜重,显著高于水浮莲16.27mg/g鲜重(< 0.05),根系中凤眼莲总碳水化合物在进水口和出水口端均高于水浮莲.

水槽进水口和出水口凤眼莲茎叶总可溶性蛋白含量4.65mg/g鲜重和4.98mg/g鲜重(表4),均显著高于水浮莲进出水口总可溶性蛋白含量3.32mg/g鲜重和1.68mg/g鲜重(< 0.05);凤眼莲和水浮莲在进出水口端根系总可溶性蛋白含量无显著差异(> 0.05);出水口端凤眼莲茎叶总可溶性蛋白含量较进水口端无显著差异,出水口水浮莲茎叶总可溶性蛋白含量为其进水口的50.90%;对于根系中总可溶性蛋白含量,凤眼莲出水口端降低至进水口的58.33%,水浮莲出水口端降低至进水口端的52.80%.

进水口和出水口端凤眼莲的净光合速率分别为27.90μmol CO2/(m2·s)和20.28μmol CO2/ (m2·s),显著高于水浮莲净光合速率(表4);同时,两漂浮植物在出水口端净光合速率较进水口端都有显著降低,尤其是水浮莲,出水口仅为进水口的52.36%.

对于叶片色素,凤眼莲叶片SPAD、叶绿素、叶绿素b、类胡萝卜素含量均高于水浮莲(表4);进水口和出水口凤眼莲叶绿素、叶绿素b、类胡萝卜素比例为1:0.30:0.19和1:0.32:0.20,而相应的水浮莲值为1:0.32:0.24和1:0.45:0.39,可以看出水浮莲叶绿素b和类胡萝卜素相对含量显著高于凤眼莲,尤其是在出水口端,叶绿素b和类胡萝卜素显著升高;进水口和出水口端凤眼莲中各色素含量无显著变化,而出水口端水浮莲SPAD值明显降低,叶绿素、叶绿素b和类胡萝卜素含量均有显著升高,其中水浮莲类胡萝卜素含量由进水口端的0.06mg/g鲜重升高至0.12mg/g鲜重,含量增加1倍.

实验水槽中凤眼莲植株体茎叶与其根系中TN含量分别为2.59%~1.87%干重和1.97%~ 1.59%干重,水浮莲茎叶与根系TN含量分别为2.45%~2.00%干重和2.18%~1.91%干重,凤眼莲和水浮莲植株体TN含量无显著差异(> 0.05).总磷浓度偏高的进水端水浮莲其植株体茎叶与根系TP含量分别为0.23%干重和0.24%干重,显著高于凤眼莲植株体茎叶与其根系TP含量0.17%干重和0.14%干重(< 0.05),而出水口端两种漂浮植物植株体TP含量无显著差异(> 0.05).

表4 水槽进出口端凤眼莲和水浮莲植株的生理生化特征
Table 4 The physiological and biochemical characteristics of E. crassipes and P. stratiotes growing at the inlet and outlet of sinks

注: “*”表示处理组与对照组之间的显著差异性(< 0.05, LSD).

2.3 两种漂浮植物扩繁特征

表5 水槽进水口和出水口凤眼莲和水浮莲生物量
Table 5 The biomass of E. crassipes and P. stratiotes growing at the inlet and outlet of sinks

水槽内分别以4.0kg/m2的生物量投放凤眼莲和水浮莲.实验运行45d后,对水槽进水口和出水口端植物生物量进行测定,结果如表5所示.实验结束时水槽内漂浮植物实际生长状态如图3所示.

图4 1#蓄水塘(a)和2#蓄水塘(b)中凤眼莲和水浮莲生长实景图(拍摄于2015-11-08) Fig.4 The photo of E. crassipes and P. stratiotes planted in pond 1and pond 2 (Photographed on 11.8.2015)

1#蓄水塘和2#蓄水塘中水生植物生长扩繁近4个月,最后对两蓄水塘中凤眼莲和水浮莲生物量进行测定.1#蓄水塘凤眼莲和水浮莲起始投苗比例约5:1,实验结束时生物量分别达到40.50kg鲜重/m2和29.20kg鲜重/m2,水浮莲在凤眼莲群落中形成2.0m2~3.5m2不等的若干群落片区,如图4(a)所示;2#蓄水塘凤眼莲和水浮莲起始投苗比例约1:5,实验结束时水浮莲生物量达23.58kg鲜重/m2而凤眼莲只零星分布与水浮莲群落中,凤眼莲未形成片状群落,如图4(b)所示,故未对其生物量进行统计.

3 讨论

3.1 两种漂浮植物对水质净化效果

凤眼莲和水浮莲均以其显著的氮、磷去除效果,而被广泛用于污水净化理论与实践研究[21-22].娄敏等[23]通过28×25×24cm玻璃缸实验证表明,同等条件下,水浮莲对富营养化的公园池塘水体中氮磷去除效果最佳,凤眼莲次之,紫萍最差;刘盼等[24]使用水缸和人工配置的富营养化污水,对漂浮植物的净化效果研究也表明,水浮莲水质净化效果较凤眼莲更明显;也有研究表明,凤眼莲对养殖水体中TN、TP净化效果均显著优于水浮莲[25].尽管已有不少对凤眼莲和水浮莲净化效果的研究,但多是在水缸、水桶或是水箱等封闭水体中开展的模拟研究,很难真实模拟自然生境水体特征,故而结论往往相悖,用于指导实践仍有不足.而本研究通过漂浮水槽,一种漂浮式动态连续流模拟设备,更真实的还原了凤眼莲和水浮莲的自然生境.本研究结果表明,对于藻型富营养化水体凤眼莲对TN的去除效果显著优于水浮莲,对TP和CODMn的去除效果无显著差异,而对水体叶绿素和浮游藻类的去除效果不及水浮莲.

漂浮植物对水体中藻类的去除主要有根系吸附与拦截、化感作用抑制、遮光控生长等几个途径[26],尤其对于具有发达根系的水生植物,庞大的根系拥有巨大的表面积,其过滤藻类和附着藻类的效果甚为显著[27].本研究中,凤眼莲和水浮莲均为根系发达的漂浮植物,其在流动水体中,发达的根系对水体中浮游藻类去除的贡献率不容忽视,而水浮莲在水体氮磷浓度偏低的水槽出水口端根系长达49.00cm,在40cm水深的水槽中形成了密网状浮游藻类拦截屏障,致使水浮莲对水体藻类和叶绿素的去除较水浮莲更为显著.当然也有研究表明凤眼莲和水浮莲均有一定的化感作用[28-29],可以抑制藻类生长,但在本实验中水力停留时间0.8d(水槽内水储存量约4m3,水泵控水流量5m3/d),在如此短的时间内,通过其化感作用除去藻类的量是有限的.此外,尽管水浮莲茎叶生物量不及凤眼莲,但水浮莲叶柄短,叶片相互交错,遮光效果较凤眼莲更佳,通过遮光抑制藻类生长的效果也应更有效.综合上述分析,在流动水体中,水浮莲对水体中浮游藻类的去除率高于凤眼莲主要是因其根系更长、叶片遮光强等因素造成的.

3.2 两种漂浮植物形态、生理特征与水质净化的关系

水浮莲其茎叶长度和重量均低于其根系,尤其是在水体氮磷浓度较低的水体中,最终造成水浮莲根冠比大于凤眼莲.有研究表明低浓度的氮磷可以促使水生植物根系的伸长[30],但对水浮莲根系的这种促进效果较凤眼莲更为明显,从一定程度是上反应出水浮莲生长对氮磷浓度的要求更高,用于水体深度净化方面效果不及凤眼莲.

在营养丰富的水体中,凤眼莲叶片叶绿素含量显著高于水浮莲,其叶深绿色,而水浮莲叶片颜色略浅,呈现浅绿色.在低氮磷浓度下,水浮莲茎叶中叶绿素b和类胡萝卜素含量显著升高,致使色素比例有较大变化,使其叶片发黄,景观效果降低.

从有机物质合成方面,凤眼莲总碳水化合物含量显著高于水浮莲(进水口茎叶除外),尤其是根系中总碳水化合物含量.碳水化合物是光合作用的主要产物之一,凤眼莲叶片SPAD值显著高于水浮莲,且其净光合速率为水浮莲的1.69~2.35倍.李霞等研究表明,凤眼莲为典型的C3植物的光合作用类型,其最大光合能力显著高于 C3植物水稻,而与 C4植物玉米类似[31].凤眼莲较强的光合能力为其高效利用环境CO2进行光合作用,形成更多的总碳水化合物提供了保障,同时增强了环境温室气体CO2的固定,最终也将增加碳汇,为实现减排目标起到重要的作用,这也是其在净化水质的同时另外一个重要的生态效应.

对于总可溶性蛋白,凤眼莲与水浮莲根系中总可溶性蛋白含量无显著差异,凤眼莲茎叶中可溶性蛋白含量显著高于水浮莲,尤其是在氮磷浓度较低的水体中.在氮磷浓度偏低的水环境下,水浮莲植株生长和光合生理等受到不良影响,推测其蛋白质的合成也受到抑制.水生植物作为饲料也是其后续资源化利用的途径之一[32],而蛋白含量是评价其作为饲料的重要指标.有研究表明,以单位面积产量计算,凤眼莲生产的蛋白质比大豆还高6~10倍,而将加工后的凤眼莲掺入牛饲料中,其所含的蛋白质可与棉籽粉和大豆粉相媲美[33],这也是凤眼莲被用来制作饲料的原因之一.

漂浮植物对水体氮磷的去除途径除了自身吸收外,还可以促进水体的硝化、反硝化脱氮过程加强水体脱氮[34],促进水体颗粒态氮磷沉降等其他途径对水体进行脱氮除磷.凤眼莲对氮、磷的吸收总量随水力负荷的提高而增加,水体氮磷浓度的升高可以提高凤眼莲对水体中氮磷的吸收量[35].本研究结果也表明,植物吸收的氮磷量与水体中氮磷浓度呈正相关.其中,氮磷浓度较高的进水口端水浮莲的茎叶和根系中氮磷含量均高于凤眼莲,其他点位两种植物间无显著差异,但进水口端凤眼莲生物量显著高于水浮莲,且水浮莲含水率高于凤眼莲,所以进水口端凤眼莲总干物质量远高于水浮莲,其从水体中吸收的氮磷量也较水浮莲更多.

3.3 两种漂浮植物在水质净化生态工程中的配置

凤眼莲和水浮莲均为外来入侵种,因其爆炸式的繁殖速度,很多生态学研究者对采用这两种水生植物进行生态修复颇有顾虑.所以,在采用这两种漂浮植物净化污染水体,尤其是受到风浪和水流影响较大的水体时,如何将其安全的控养在选定区域尤为关键.本研究选用的“钢管泡沫浮球挂网”对凤眼莲有很好的控制效果,实验期间也有暴雨发生,从上游紫金山汇集的大量雨水及地表径流短期内冲入实验水塘,水流加速,水位上升,基于本装置可根据水位上下浮动的特点,在暴雨过程中未发生凤眼莲等水生植物逃逸的现象.

从凤眼莲和水浮莲共养的实验中很容易发现,当水浮莲周围有凤眼莲存在的情况下,水浮莲仍可在有限的区域内形成自己的群落结构,而凤眼莲四周有水浮莲存在的环境下,凤眼莲很难继续扩繁形成自己的群落片区.这表明,水浮莲与凤眼莲共存条件下,水浮莲具有更强向四周扩繁的能力.此外,水浮莲水上部分(茎叶)较短,新幼株扩繁出后个体偏小,且与母株链接处脆弱易断(为实验中观察普遍现象),所以若用“钢管泡沫浮球挂网”控养水浮莲,其更容易从钢管上翻越、或幼苗从网孔中伸出围栏造成逃逸.基于上述分析,如若将凤眼莲和水浮莲共养,水浮莲外围最好有凤眼莲生长,既可以充分发挥水浮莲根系吸附拦截的优势,又可增加其防逃逸的效果.

从凤眼莲和水浮莲扩繁速率上看,在相同的水环境下,凤眼莲单位时间内形成的生物量较水浮莲更多.同时,从本研究中水槽实验的结果可以看出,在10m长的漂浮植物控养水槽内,凤眼莲生物量尽管在氮磷浓度较低出水端比氮磷浓度较高的进水端有明显减少,但其植株生理特征变化不大,仍有较高的光合特性,植株叶片色彩鲜艳,不影响景观效果.然而,水浮莲在10m长的控养水槽的进水端和出水端除了生物量差异显著外,其植株生长和生理特征均有显著变化,在氮磷浓度偏低的出水端植株体叶片发黄、光合活性显著降低.以上这些结果可以表明,在选用漂浮植物进行氮磷污染水体深度净化方面,选用凤眼莲均有明显优势.同时也表明,水浮莲对水体氮磷要求较凤眼莲更高,在与凤眼莲共养过程中,水浮莲控养断面不宜太长,以免后端水体氮磷浓度影响其生长和自然景观效果.

综上所述,提出基于凤眼莲和水浮莲两种漂浮植物水体净化的“三明治”模式(图5),因水浮莲群体扩繁能力较凤眼莲更强,更易存在逃逸风险,故在与凤眼莲组合用于水质净化生态工程时,选用凤眼莲+水浮莲+凤眼莲的“三明治”模式效果将更佳,即可满足水生植物对水体氮磷等污染物与水体藻类等颗粒物的去除,又不影响自然景观,达到生态去污和水上绿化的双重效果.当然,该模式还不完善,还未给出三明治三部分各自的比例,这个需要结合水体自身污染程度及其他自然环境特征如水体流速、光照、温度等,条件错综复杂.结合水力水文因素,本模式最适合应用于污染河道、景观池塘等的修复,今后的研究与实践中,将对该模式的相关参数进行深度量化,最终有望得到一个更为精确的漂浮植物水体净化的配比模式.

4 结论

4.1 凤眼莲和水浮莲对水体TP和CODMn去除效率无显著差异(> 0.05),凤眼莲对水体TN去除率显著高于水浮莲(< 0.05),而水浮莲对水体浮游藻类和叶绿素的去除率高于凤眼莲.

4.2 水浮莲根系较长,茎叶较短,根冠比显著高于凤眼莲,尤其是在贫营养水体,植株体含水率高于凤眼莲.

4.3 凤眼莲蛋白含量、碳水化合物含量、SPAD值、叶绿素含量、叶绿素b含量、类胡萝卜素含量均高于水浮莲.

4.4 凤眼莲和水浮莲植株体单位干重TN含量无显著差异,但在氮磷相对丰富的水体中水浮莲植株体TP含量高于凤眼莲,此外,水浮莲成长对水体氮磷等营养要求更高.

[1] 环境保护部2014中国环境状况公报 [R]. 北京:中华人民共和国环境保护部, 2014.

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致谢：感谢中国科学院水生生物研究所的李敦海研究员在论文思路及论文英文撰写方面的指导与帮助.

* 责任作者, 研究员, shyan@jaas.ac.cn

Growth characteristics and water purification of two free-floating macrophytes

QIN Hong-jie, ZHANG Zhi-yong, LIU Hai-qin, LIU Min-hui, WEN Xue-zheng, WANG Yan, ZHANG Ying-ying, YAN Shao-hua*

(Institute of Agricultural Resource and Environmental Sciences, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)., 2016,36(8)：2470~2479

Comparative study of the growth characteristics and water purification effects of two free-floating macrophytes, water hyacinth () and water lettuce (), on domestic sewage contaminated water had been carried out using self-designed floating sinks. Results showed that the water lettuce has higher requirements on nitrogen and phosphorus concentrations, and the removal rates of phytoplankton and chlorophyllby the water lettuce were respectively reached to 94.38% and 95.06%, which were significantly higher than those by the water hyacinth. The TN removal rate (82.08%), the net photosynthetic rate (27.90~20.28 μmol CO2/(m-2·s)), and the chlorophyllcontent (1.05~1.08mg/g fresh weight) of the water hyacinth were respectively higher than those (they were 71.82%, 8.64~16.50 μmol CO2/(m2·s) and 0.25~0.31mg/g fresh weight, respectively) of the water lettuce (< 0.05). However, when cultivated together with the water hyacinth, the water lettuce has higher reproductive ability and may have the risk of escape in engineering practice. In order to take full advantage of these two free-floating macrophytes in terms of water purification, a "sandwich" pattern for their cultivation was proposed. The results of this study would provide practical and theoretical references for the use of aquatic macrophytes for water purification and restoration in engineering practice.

free-floating macrophyte；；；water restoration

X52

A

1000-6923(2016)08-2470-10

秦红杰(1984-),男,河南内黄人,助理研究员,博士,主要从事水生态系统修复理论与技术和藻类环境生物学研究.发表论文20余篇.

2016-01-15

国家自然科学基金项目(41501545);江苏省自然科学基金项目(BK20150549);江苏省农业科学院基本科研业务专项(ZX(16)2035);江苏省科技支撑计划(BE2013436)