生态悬床技术对白洋淀水环境修复效果的研究

朱 浩，曹 坤 ，陈晓龙， 叶少文

(1中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092; 2 农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室,上海 200092；3中国水产科学研究院渔业资源与环境研究中心，北京100141；4 中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

白洋淀是中国华北海河水系最大的湖泊，也是中国北方典型的草型湖泊之一[1]。然而，近年来受入淀河流水质不稳定以及旅游资源过度开发等因素的影响，淀区水草覆盖度急剧减少，尤其是沉水植被，以狐尾藻和眼子菜最为典型，部分淀区沉水植被已趋于消失，淀区水体透明度明显下降，水体蓝绿藻比例显著上升[2]，白洋淀已有草型湖泊向藻型湖泊过渡的趋势。

目前中国大多数富营养化湖泊均为藻型富营养化湖泊，现阶段的主要工作是在湖泊中恢复沉水植物，恢复和重建水生植被已成为富营养化湖泊生态修复的重要途径[3-4]。沉水植被恢复技术和生态浮床技术是治理、调控和抑制水体富营养化的有效途径，其用于水体修复的报道较多，但沉水植物的生长受限于光照、水深、营养盐等因素，在富营养化湖泊中，光照和水深是制约沉水植物生长的重要影响因子。而光照强度普遍被认为是沉水植物存活和生长的限制因子，水下光照强度的降低会导致沉水植物在浅水富营养化湖泊的衰退[5-7]。而控制湖泊水深以创造适宜于沉水植物生长和繁殖的水深条件在大水面水域中很难实现。沉水植物往往因湖泊调水引起的水位过深、透明度不够而错过春季生长的萌发期。

生态悬床是一种立体种植技术，其原理是通过设置人工浮体，并在浮体上栽种植物，以达到净化水质的目的。与生态浮床相比，生态悬床的浮体悬于水中，而生态浮床的浮体漂浮在水面上；生态悬床主要种植沉水植物，而生态浮床主要种植挺水植物和漂浮植物。关于生态悬床的定义，目前并没有统一的说法。吴建勇等[8]设计了一种连续可调式沉水植物网床对河道水质进行修复，形成了以菊花草、苦草、伊乐藻、轮叶黑藻和菹草等沉水植物构成的水生植物群落；李金中等[9]报道了人工沉床技术的应用研究。以上研究与生态悬床的设计理念类似，但构建方式有所区别，且主要应用于河道并利用河道驳岸固定悬床的浮体。

基于沉水植物网床、人工沉床等研究的设计理念，借鉴海上筏架种植海带的固定方式，以鲥鯸淀为研究对象，综合考虑水深、风浪及土著沉水植物品种等因素，设计了一种悬床种植沉水植物的装置，对悬床种植区域周围水质状况进行了研究，为白洋淀改进生态修复技术与管理措施提供参考。

1 材料与方法

1)生态修复区概况。本研究时间为2019年7月—2019年11月，在河北省保定市雄安新区境内白洋淀区鲥鯸淀(N:38°50′39.39″，E:115°59′30.04″)进行试验(图1)。

该淀区为农业农村部“白洋淀水生生物资源调查与水域生态修复示范项目”的生态修复五大示范区之一，鲥鯸淀位于白洋淀中间位置，周围分布有3个村落，居民8 000多人、19条壕沟、33.3 hm2(约500亩)苇田，具有典型的白洋淀水域特征。2018年白洋淀专项启动以来，项目组实施一系列的生态修复工程，淀内壕沟以及湖滨植被带已得到了恢复，但淀区中间深水区位置沉水植物仍有待恢复。本研究设置6条100 m长的生态悬床，每条间隔10 m，从而形成60 m×100 m的试验区域。

图1 采样点分布

2)生态悬床设计。生态悬床如图2所示， 将4 m长支撑杆插入底泥，用固定缰绳拉住固定，支撑杆高出水面1 m，种草绳系紧于两根支撑杆上，两杆间距10 m，再将浮子固定于种草绳上，在浮子下端吊上篮筐，篮筐距水面约0.5 m，在篮筐内部种植沉水植物穗状狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.)。由于篮筐位置距离水面一定高度，该处既有阳光照射吸收能量、促其生长，又避免阳光直射和风浪干扰。依次将支撑杆和固定绳平行排列，形成矩形生态悬床区域。在需要种草区域外围用20目的围网围成一定大小区域，主要为了防止嫩草被鱼类吃掉，待水草生长茂盛后可将该围网拆除。最后形成一定面积的水草区域。

图2 生态悬床的结构和安装排列图

3)采样点布设。在悬床周围水体分别设置6个采样点为试验组(图1，图2b)。采样点位于两根支撑杆之间，试验区域水体深度2～3 m；在鲥鯸淀远离悬床区设2个对照点为对照组(图1)。

2 结果与分析

2.1 总氮、总磷

悬床种植区周边水体总氮质量浓度变化如图3所示。试验开始前，试验组与对照组的总氮质量浓度分别为1.85 mg/L和1.77 mg/L，一个月后，由于悬床上水生植物的生长，质量浓度迅速下降，试验组总氮质量比初始值下降了40.54%，与同期对照组相比，总氮质量浓度减少了45.81%。随着时间的变化，试验组的质量浓度有所上升，但在试验后期有所下降，试验后期(11月)试验组总氮质量浓度比试验前期(7月)下降了12.43%，与同期对照组相比减少了16.67%。由此可见，水体中总氮质量浓度受悬床上水生植物的影响较大，在水生植物生长旺季，质量浓度较低，随着水生植物出现死亡，质量浓度又有所上升，沉水植物对氮营养盐的降解，除了本身的吸收作用以外还有微生物的降解作用。因此，水体中总氮质量浓度呈现波动式下降。

图3 悬床周边水体总氮质量浓度变化对比

悬床种植区周围水体总磷质量浓度变化如图4所示。

图4 悬床周边水体总磷质量浓度变化对比

试期开始前，试验组与对照组的质量浓度分别为0.05 mg/L和0.09 mg/L，试验期间，对照组质量浓度相对稳定，试验组质量浓度在试验期的第一个月(8月)降至0.02 mg/L，下降了53.45%，与同期对照组相比减少了71.63%，试验后期(11月)急剧上升(1.45 mg/L)，这可能和狐尾藻冬季死亡后对磷的释放有关。

2.2 氨氮、硝酸盐氮

从时间变化来看，悬床周围水中氨氮质量浓度总的变化为在样品采集后期呈现下降趋势。试验期间，试验组的氨氮质量浓度较低，8月份为0.14 mg/L，其他月份均在0.02 mg/L以下，对照组的氨氮质量浓度先上升后下降，9月份达到最高0.59 mg/L，11月份最低0.03 mg/L。由于试验初始值较低，与试验初期相比，试验组在试验后期氨氮质量浓度上升了50%(0.01 mg/L)，但与同期(11月)相比较，减少了34.46%。

图5 悬床周边水体质量浓度变化

悬床周围水体中的硝酸盐氮质量浓度变化规律与氨氮相反，呈逐渐上升的趋势(图6)。

图6 悬床周边水体硝酸盐氮质量浓度变化

试验组与对照组的初始质量浓度分别为0.20 mg/L、0.14 mg/L；试验组质量浓度在10月份达到最高，与试验初期(7月)相比增加了518.22%，11月明显下降，与试验初期(7月)相比增加了66.50%，而对照组的质量浓度相对平稳，在0.23 mg/L以下，这可能与水体中溶氧较高时植物根系周围硝化作用强于反硝化作用有关。

2.3 COD、亚硝酸盐氮

悬床周围水体中的COD质量浓度变化如图7所示。试验开始前，试验组和对照组的质量浓度分别为9.95 mg/L和7.77 mg/L，对照组质量浓度逐步下降，试验组质量浓度逐步上升，悬床种植沉水植物对周围水体COD的影响变化规律不明显。试验后期(11月)试验组COD质量浓度比试验前期(7月)下降了17.09%，与同期对照组相比COD减少了14.20%，试验期间COD质量浓度维持在10 mg/L以下。

图7 悬床周边水体COD质量浓度变化

悬床周围水体亚硝酸盐氮质量浓度变化如图8所示。

图8 悬床周边水体亚硝酸盐氮质量浓度变化

试验开始前，试验组和对照组的质量浓度分别为0.006 mg/L和0.003 mg/L，一个月后，由于悬床上水生植物的生长，质量浓度迅速下降，比初始值下降了99%，比对照组下降了99%；随着时间的变化，试验组的质量浓度有所上升，11月比7月份下降了33.93%，与同期对照组相比减少了73.93%。试验组与对照组的亚硝酸盐氮质量浓度均维持在0.018 mg/L以下。

3 讨论

3.1 悬床种植对营养盐和水质改善的效果

在富营养化水体治理研究中，沉水植物的生长可以起到控制水中营养元素的作用，适当恢复沉水植被被认为是解决湖泊富营养化问题的一条有效途径。穗状狐尾藻是北方湖泊中的常见沉水植物，在水环修复工程中被大量利用[11-12]。本试验利用狐尾藻作为悬床种植的主要载体，在试验期间，悬床种植下的狐尾藻形成了沉水植物带，沉水植物周围水体水质指标与对照区域显著不同。比较发现，水质指标的变化与沉水植物生长有关，在植物生长季节，水体中总氮和总磷的质量浓度显著下降，在植物死亡季节，氮磷又重新释放到水体中，相比氮营养盐，磷营养盐释放的更多。这可能与沉水植物对氮磷去除的机制不同有关，沉水植物在对水体中氮的去除过程中,细菌的降解作用占主导地位[13-14]。氮营养盐一方面通过植物吸收保留在植物体内，另一方面通过细菌转化到空气中；而磷营养盐则大量富集在水生植物体内，在植物死亡时造成的磷污染有可能大于前期去除效果[15]。本试验中水体硝酸盐氮质量浓度出现上升，这与国内的一些研究结果不同[16-18]，但也有研究认为沉水植物可提高水体的硝酸盐氮质量浓度，主要是因为沉水植物提高了水体中溶氧量，形成的好氧条件有利于氨氮进行硝化并转化为硝酸盐，从而增加水体中的硝酸盐氮质量浓度[19]。

有关沉水植物净化水体时间的研究较多，但不同的研究结果之间差异较大，这与植物在不同区域生长特性差异有关。一般情况下，水生植物种植初期水体中出现明显的氮磷质量浓度下降[20]，随着水生植物部分死亡，氮磷质量浓度变化会有所波动。在秋冬季节水温较低时水生植物大量死亡，氮磷营养盐重新释放至水中。苏倩[21]研究表明，穗花狐尾藻的密度在其生长期中整体呈现一个先增加后下降的趋势，在6—8月达到最大密度，至8月，穗花狐尾藻开始腐败，导致周围水体总氮、总磷质量浓度升高。也有研究表明，穗状狐尾藻在第119 天逐渐衰退，吸磷量减少、生物体腐烂释放磷[22]。

从本试验结果看，沉水植物种植一个月，水体中总氮、总磷、亚硝酸盐氮和COD质量浓度均有不同程度的下降，与前人研究结果相一致。但试验中后期氮磷营养盐的上升则表明，适时适度的收割调控，并将其茎、叶输出水体，才能有效削减氮磷、培育维护良好生态系统[23]。

3.2 悬床种植方式的应用前景

光照强度普遍被认为是沉水植物存活和生长的限制因子[24-26]，其在一定程度上决定了沉水植物的分布。湖泊富营养化通常伴随水体光照的减弱，水下光照强度的降低会导致沉水植物出现各种生理胁迫，包括植物生物量的下降[27]。悬床种植可以根据光照和透明度调节沉水植物离水面的高度，从而减少弱光甚至黑暗胁迫。同时，喜好生活于富营养湖泊的狐尾藻在受到弱光胁迫时，可通过茎的快速伸长而减轻弱光胁迫[28]。因此，以狐尾藻为主要载体的悬床种植技术是湖泊沉水植物恢复的有效措施。

水生植物的收割与管理一直是研究的重点，也是实际管理中容易忽视的方面。对于漂浮植物可以通过整株植物一起打捞的途径移出，而沉水植物是多年生的水生植物，不适宜将其植株全部移开，要在植物体内的氮、磷积累量最大时，将植物的地上部分收割后移出水体，转移出大量的氮、磷[29]。悬床种植中沉水植物种植在篮筐中，避免了刈割对水草生长的不利影响。

悬床种植可选的水生植物种类很多，在选择沉水植物品种时，筛选原则是尽量考虑选取当地现有的原生物种。狐尾藻为白洋淀本地物种，耐污能力强。并且在水生植被的自然修复中，狐尾藻也是最先侵入和定居的先锋物种之一[30-31]。本试验悬床种植狐尾藻取得了较好的效果，有关其他沉水植物的悬床种植还需进一步研究。

4 结论

生态悬床技术能有效降低水体中的氮磷营养盐，其净化效果主要依赖沉水植物的生长，穗状狐尾藻可作为植被恢复的先锋物种之一。悬床种植沉水植物区域面积相对集中，可以方便收割，悬床种植可以被视为一个可移动、升降的湿地，可在深水区种植。以悬床种植沉水植物的生态治理工程措施，将会是目前乃至将来水体治理的一个重要发展方向。