江苏省湖泊水生植物优势种对氮、磷去除效果比较研究

胡晓东，王 俊，吴苏舒，徐继雄，郭刘超，吴沛沛

(江苏省水利科学研究院， 南京 210017)

水生植物作为湖泊水体修复的重要技术，因对湖泊水体的富营养化修复具有较好的改善作用而广泛应用于湖泊保护之中。水生植物对水体的净化效果主要基于2点：首先，氮、磷作为水生植物的营养物质，水生植物本身对其有一定的吸收；其次，微生物的附着也可以促进水生植物对氮、磷的吸收[1-3]。通常水体中TN的主要去除途径源于植物组织及其根际微生物吸收、根系滞留、根际周围硝化反硝化等作用[4,5]，同样，水生植物种类 、流域气候、水体温度及水力停留时间等因素均会影响到水体中水生植物对TN的去除效果[6-8]。研究表明，水生植物对不同形态氮的吸收具有一定的选择性，通常相对于无机氮，有机氮最先被吸收，而在无机氮中植物优先吸收氨氮和其他还原态氮, 因而对氨氮的去除率较高, 去除速率较快[9,10]。在水体中常见的磷类型有磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷酸盐等，其中只有1价磷酸根离子和2价磷酸根离子能依靠植物的呼吸作用被吸收，水体中的磷元素被植物根系吸收后，经同化作用可变成植物的ATP、DNA以及RNA等有机成分，并通过植物的收割而去除[11]。

现如今人们多基于水生植物的理论净化能力来选取净化种，并未考虑天然湿地生境的复杂性，缺乏地域性和针对性。本文以江苏省部分典型湖泊(白马湖、宝应湖、高邮湖、长荡湖、滆湖、邵伯湖)为研究对象，通过前期调查筛选出江苏省各个湖泊水生植物优势种，并探究其对湖泊富营养化污染的修复潜能。

1 江苏省典型湖泊水生植物优势种的筛选

1.1 研究区域及采样点布置

本次研究于2017年5-9月选取江苏省6个具有代表性的淡水湖泊进行调查，每个湖泊在春季和夏季各调查一次。6个湖泊包括苏南区域的长荡湖、滆湖，苏北区域的白马湖、宝应湖、高邮湖及邵伯湖(见图1)。选取的依据综合考虑到湖泊的地理位置、水化性质及面积等多重因素。其中调查湖泊的位置、营养状况及样点数设置见表1。

图1 江苏省调查湖泊的分布情况Fig.1 Distribution of investigated lakes

1.2 水生植物优势种的筛选方法

本研究水生植物优势种的筛选采用计算并比较不同水生植物的优势度的方法。优势度要根据采样及后期处理得到的生物量、盖度、频度等数据结果，再结合优势度[12]的计算公式得出。优势度的计算公式如下：

表1 调查湖泊位置、营养状况及样点数设置Tab.1 Geographical position, nutritional status of investigated lakes and number of sample points

式中：DV为相对优势度；RF为相对频度(相对频度=该种的频度/所有物种频度之和)；RB为相对生物量(相对生物量=该种的生物量/群落中所有种生物量之和)。

根据相对优势度的计算结果，认定DV≥0.02的植物种类为湖泊优势种。

1.3 水生植物优势种的筛选结果

根据前期调查得到江苏省湖泊共有植物22种，隶属于19科，根据水生植物调查中的生物量、盖度、频度等数据，采用水生植物优势度的计算公式，分别得到6个调查湖泊的优势水生植物类型，见表2。

从表2中可以看出：芦苇、茭草是作为挺水植物修复富营养化水体的江苏省水生植物优势种；穗状狐尾藻、黑藻是作为沉水植物修复富营养化水体的江苏省水生植物优势种；而野菱、荇菜则是作为浮叶植物进行生态修复的江苏省水生植物优势种。

2 江苏省典型湖泊优势种对水中氮磷吸收能力研究

2.1 水生植物材料的采集

试验所用的水生植物均采自于江苏省南京市高淳区的湖泊，本次试验针对采回的植物样进行挑选、预培养，选取生长状况较好且形状基本一致的成熟植株以待试验。

2.2 供试水体的配置选择

根据江苏省湖泊的水质监测状况分析发现，江苏省6个湖泊中的水质综合监测结果均为Ⅲ～劣Ⅴ类，综合以上结果最终确定本次研究的供试水体为Ⅴ类水。考虑到植物本身对营养元素的需求，对霍格兰溶液进行相应的改进，具体配方如下：最终供试水体的初始指标为TN 2 mg/L，TP 0.2 mg/L，为Ⅴ类水。

2.3 试验方法

选择70 L的塑料箱体作为试验容器，面积约为0.3 m2。考虑到底泥的沉积释放过程可能会影响试验结果，故在试验开始时，试验水箱中未加入任何底泥基质。由于试验是在静态下进行的室内试验，因此无法考虑野外环境中水流动力及水位变化。在试验容器中加入40 L配制好供试水体，将经过预培养的长势良好且大小一致的芦苇、茭草、穗状狐尾藻、黑藻、野菱及荇菜按照试验方案移入试验容器中，其中挺水植物配置6株，沉水植物及浮叶植物配置的生物量均为1 kg，保证各种植物生物量基本相当，挺水植物利用塑料篮及拉丝固定在整理箱边缘位置，保证符合挺水植物靠岸边浅水区生长的特性。

表2 调查湖泊中水生植物主要种类组成及优势度Tab.2 Compositions and importance values of aquatic plant species in the research lakes

2.4 结果与分析

2.4.1 水中TN的浓度变化

图2 不同水生植物优势种对TN的去除效果Fig.2 Removal of TN by dominant species of different aquatic plants

通过对比发现，各植物对于水体中TN 的去除率大小排序为：茭草(87.50%)> 芦苇(70.82%)> 野菱(54.34%)> 荇菜(47.06%)> 穗状狐尾藻(39.75%)> 轮叶黑藻(35.48%)。基本符合挺水植物优于浮叶植物优于沉水植物的规律。

2.4.2 水中TP的浓度变化

由图3可以发现， 6种水生植物处理后的水中TP浓度均比空白对照组中的浓度要低，这说明6种水生植物对TP均有一定程度的去除效果。其中浮叶植物野菱、沉水植物轮叶黑藻对TP的去除效果明显不如其他几种植物，试验过程中，穗状狐尾藻、荇菜、芦苇以及茭草 TP的下降趋势基本一致，试验结束时去除效果达到最佳，去除率均达到70%～80%。

对比发现，各植物对于水体中TP 的去除率大小排序为：茭草(82.63%)> 芦苇(78.23%)> 穗状狐尾藻(77.21%)> 荇菜(73.84%)> 轮叶黑藻(46.76%)> 野菱(35.52%)。

图3 不同水生植物优势种对TP的去除效果Fig.3 Removal of TP by dominant species of different aquatic plants

图4 不同水生植物优势种对的去除效果Fig.4 Removal of by dominant species of different aquatic plants

3 结论与讨论

(1)江苏省湖泊中的主要优势种有6种，其中芦苇、茭草是作为挺水植物修复富营养化水体的江苏省水生植物优势种，穗状狐尾藻、黑藻是作为沉水植物修复富营养化水体的江苏省水生植物优势种，而野菱、荇菜则是作为浮叶植物进行生态修复的江苏省水生植物优势种。主要优势种的生活型以挺水植物为主。

(3)从植物的净化能力出发，综合考虑多方面因素，比较分析得出茭草和芦苇的净化效果相对其他几种水生植物较好。