3种沉水植物净化引黄灌区退水的应用潜力

韩 冰，陈融旭，梁 帅，田世民

（1.黄河水利科学研究院，郑州450003；2.河南省农村水环境治理工程技术研究中心，郑州450003；3.河南省黄河流域生态环境保护与修复重点实验室，郑州450003）

0 引言

黄河流域是我国重要的现代农业生产基地，黄河流域及下游引黄灌区目前有大型灌区84 处，中型灌区663 处，灌溉面积达840 万hm2，粮食产量约占全国总产量的1/3［1］。伴随着现代农业的快速发展，化肥、农药的大量使用使得引黄灌区农业面源污染负荷居高不下，河湖水质受到严重影响。据报道，在黄河流域三大粮食主产区，河套灌区总排干［2］、汾渭平原汾河和渭河［3］、黄淮海平原大汶河［4］等河流水体农业面源污染均呈逐年加剧趋势，并在未来一段时间内仍将保持较高负荷［5］。农业面源污染主要通过雨水冲刷、灌溉退水、水产养殖等途径向受纳水体输移，具有间歇性、突发性、复杂性等特点，因而成为黄河流域水污染防治面临的重点和难点［6］。

实践证明，湿地系统是黄河流域农业面源污染治理的有效途径。在河套灌区，乌梁素海作为排水系统的重要一环，其湿地植物系统对于降低农田退水的污染负荷起到了重要的作用，极大地缓解了农业面源污染对黄河干流水质的影响［7］。近两年来，水系连通及农村水系综合整治建设、水系连通及水美乡村建设试点等工作陆续开展，为基于输移过程拦截和原位治理的农业面源污染分布式湿地系统的构建提供了机遇。为此，本文通过现场调查、室内试验和文献综述等手段，对黄河流域3种优势沉水植物的生境特征、氮磷去除能力、环境适应能力进行了分析，综合评价了其在引黄灌区退水净化方面的推广应用潜力，以期为黄河流域农业面源污染治理提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 野外调查

调查区域为乌梁素海的明水区，调查时间为2020年9月份，主要调查内容有水体理化指标和主要污染物指标、底泥主要污染物指标、沉水植物分布和多度等。

（1）调查点位设置。参考自然资源部发布的2020 版30 米全球地表覆盖数据，沿总排干沟口至乌梁素海南部退水渠之间的明水区布设调查点位，点位分布见图1。

图1 野外调查点位分布图Fig.1 Distribution of sampling sites

（2）样品采集和处理。利用采水器采集各点位水面以下50 cm 处水样，盛入500 mL 的聚乙烯瓶中，加入硫酸调节pH 值至1～2，用于水体总氮、总磷、氨氮和叶绿素a 的测定；利用彼得逊采泥器采集各点位表层底泥，将50 g 底泥样品置于自封袋中保存，用于全氮、全磷和有机质的测定。

（3）指标的测定。利用便携式水质分析仪（YSI，美国）现场测定调查点位水温、pH值、溶解氧、氧化还原电位和电导率等水体理化指标；利用测深杆现场测量水深，利用塞氏盘测定水体透明度；水体总氮、总磷、氨氮和叶绿素a 的测定分别参照《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》（HJ636-2012）、《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》（GB 11893-89）、《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》（HJ 535-2009）和《水质叶绿素a的测定分光光度法》（HJ897-2017）；底泥全氮、全磷和有机质的测定分别参照《土壤全氮的测定凯氏法HJ 717-2014》、《土壤总磷的测定碱熔－钼锑抗分光光度法HJ 632-2011》和《土壤环境监测分析方法》生态环境部（2019年）3.1.9重铬酸钾容量法。

1.2 室内试验设计

（1）试验材料选取。根据文献整理和现场调研结果，篦齿眼子菜、金鱼藻、穗花狐尾藻不仅是乌梁素海主要沉水植物，也是黄河流域的优势沉水植物，因此，选取这3种沉水植物作为研究对象开展室内试验。

（2）试验装置与条件。试验采用容积约100 L 的PP 材质水箱（600 mm×450 mm×350 mm），底部铺设厚7 cm的种植土，上覆水25 cm，暴晒3天后用于测定水体总氮、总磷和氨氮的本底值。参照以往研究中乌梁素海9-10月份水质数据范围，设置低污染（2）和高污染（8）两组处理组，每组设空白（CK）、篦齿眼子菜（PP）、金鱼藻（CD）和穗花狐尾藻（MS）各3 个平行处理。其中，低污染组总氮2 mg/L、氨氮1.6 mg/L、总磷0.1 mg/L；高污染组总氮8 mg/L、氨氮6.4 mg/L、总磷0.4 mg/L。根据测定的本底值分别添加硝酸钾（KNO3）、氯化铵（NH4Cl）和磷酸二氢钾（KH2PO4）至设置浓度水平。放置3 天后，重复3 个指标的测定与营养盐添加过程。将购置的篦齿眼子菜、穗花狐尾藻、金鱼藻（产地：江苏沭阳）清洗、整理后，选择株高、生物量一致的健壮植株（篦齿眼子菜长约120 cm，穗花狐尾藻长约45 cm，金鱼藻长约30 cm）按照60 株/箱的密度种植在水箱中。试验时间为2020年10-11月份，周期为4周。

（3）样品采集与处理。每次加药7 d 后采集水样200 mL 用于总氮、总磷和氨氮的测定；采集试验初始、2 周和4 周后的沉水植物各10株用于植物生物量、全氮和全磷的测定。

（4）指标的测定。利用便携式水质分析仪（YSI，美国）每天测定水箱中心点水下10 cm 处的水温、pH、溶解氧和电导率；水体总氮、总磷和氨氮的测定方法同1.1节。

2 结果与讨论

2.1 乌梁素海沉水植物分布特征

沉水植物是乌梁素海湿地的主要初级生产者之一，占据了80%以上的明水面区域［8］，在乌梁素海水体净化方面发挥了重要的作用［9］。本次调查对9 个点位周边的沉水植物物种进行了识别，并对其多度进行了分级，详见表1。据报道，乌梁素海优势沉水植物由1997年的篦齿眼子菜和穗花狐尾藻［10］演变为2009年左右的篦齿眼子菜、穗花狐尾藻、金鱼藻和轮藻［9，11］，表现出沉水植物群落稳定性的提升。而本次调查发现篦齿眼子菜为绝对优势种，表明近年来乌梁素海沉水植物群落结构呈现出单一化趋势，群落稳定性降低。调查发现篦齿眼子菜、穗花狐尾藻、轮藻、金鱼藻等4 种沉水植物。其中，篦齿眼子菜遍布各个采样点，在靠近总排干沟口的一处明水区（4 号点位）有大量穗花狐尾藻与篦齿眼子菜相间分布，在该明水区及其南侧的几处明水区发现轮藻和金鱼藻少量分布（3、6 和7 号点位），表明几种沉水植物的分布呈现出一定的差异性，这往往与水深、透明度、水质、底泥污染等环境因素有关。

表1 乌梁素海沉水植物分布特征Tab.1 The distribution feature of submerged macrophytes in Wuliangsuhai Lake

2.2 乌梁素海沉水植物生境特征及关键影响因子

乌梁素海是典型的草型浅水湖泊，湖区水深大多不足1 m，最大水深2.5 m［8］。本次调查水深范围0.5～1.8 m，其中，1、2、5和7号4个点位水深超过1 m，最高为1.8 m（2号点位），其余5个点位水深在0.45～0.8 m 之间。水体总氮、氨氮、总磷和叶绿素a含量分别为0.6～1.56、0.18～0.34、0.01～0.03 mg/L 和0.3～0.49 mg/m³，其中，总氮、氨氮和叶绿素a分布规律一致，呈现出由总排干沟口向外扩散降低的趋势。以往研究表明，2006年和2016年的9-10月份总氮浓度范围分别为1.5～7.9 和2.17～6.35 mg/L，总磷浓度范围分别为0.19～0.21 和0.03～0.16 mg/L，浓度均呈由总排干沟口向南递减趋势。本次调查中氮磷污染分布规律与以往研究相一致，但水体总氮、总磷浓度明显较低，表明调查期间乌梁素海水质较好。虽然有研究表明近些年乌梁素海水质总体上呈改善趋势［12］，但季节性水质恶化仍是乌梁素海生态环境恢复面临的主要挑战［13］。

底泥是河流湖泊中沉水植物的附着基质，为植物的生长提供氮磷等营养物质，也往往是植物残体腐败后营养物质的归趋。以往研究表明，底泥中氮磷浓度分布总体呈由北向南、由西向东递减趋势［14］，且乌梁素海底泥有机质与水生植物和藻类生长有很强的相关性［15］。本次调查中，表层底泥全氮、全磷和有机质含量范围分别为0.4～9.47、0.4～1.04 和6.4～216 g/kg，其中，沉水植物分布较多的区域（5、6、7 和9 号点位）底泥全氮、全磷和有机质含量均较高，但与总排干入湖污染物的扩散方向无显著的相关性，表明近几年乌梁素海底泥污染物的主要来源可能由入湖污染向湖泊内源污染转变。有研究表明，乌梁素海冬季植物大量沉降分解，冰封期底泥中氮的主要形式为残渣态氮［16］，说明沉水植物残体是底泥中氮和有机质的主要来源。而退水渠（1 号点位）和航道附近（3 和8 号点位）的底泥全氮和有机质含量较低，可能与这些区域实施的人工清淤工程将表层底泥清除有关［17］。另外，底泥全磷与水体总磷之间有较高的相关性。有研究表明，乌梁素海底泥中磷以无机磷的形态存在，空间分布主要受水动力条件和沉积环境的影响［18］。

为探究乌梁素海沉水植物分布的关键影响因子，利用典型相关分析（图2）对沉水植物多度与环境因子间相关关系进行了分析。结果显示，篦齿眼子菜的多度与水深、底泥全氮和有机质含量成正比，表明篦齿眼子菜对深水区的适应性较强，且其根系发达，底泥中较高的氮含量可以更好地促进其生长。金鱼藻的多度与水体总磷浓度成正比，这是由于金鱼藻无根，一般仅从水体吸收氮磷等营养物质。有研究表明，乌梁素海水体具有较高的氮磷比，磷是沉水植物和藻类生长的限制因子［19］。穗花狐尾藻的多度与底泥全磷含量相关性较高，表明其与金鱼藻生长均受到磷的限制，不同的是穗花狐尾藻可通过根系从底泥吸收磷。轮藻的多度则与水体总氮、氨氮和总磷有较高相关性，表明轮藻主要从水中吸收营养。以上结果表明，影响乌梁素海几种沉水植物分布的关键因子有所差异。其中，篦齿眼子菜受水深和底泥全氮影响较大，金鱼藻和穗花狐尾藻分别受水体总磷和底泥全磷影响较大，而轮藻的关键影响因子是水体氮磷浓度。

图2 基于沉水植物多度与环境因子的典型相关分析Fig.2 CCA based on the abundance of submerged macrophytes and environmental parameters

2.3 3种沉水植物的氮磷去除能力及其影响因素

近些年，国内外对于沉水植物的水体净化效果研究很多，篦齿眼子菜、金鱼藻、穗花狐尾藻等在水体污染物的去除方面各有其特点［20］。本研究分别将乌梁素海秋季氮磷污染水平的上限和下限作为引黄灌区典型农业面源污染水平考察3种沉水植物同期的氮磷去除能力，以获取更广泛温度条件下的试验结果。

在总氮、总磷和氨氮等3种污染物的去除上，篦齿眼子菜的最大去除率分别达到31%、11%和64%，金鱼藻的最大去除率分别达到22%、5%和47%，穗花狐尾藻的最大去除率分别达到21%、7%和53%（图3）。张帆等［21］的研究发现，篦齿眼子菜对水体总氮、总磷的21 d 去除率分别可达到35.77%（初始浓度10 mg/L）和92.62%（初始浓度0.136 mg/L）；潘保原等［22］的研究发现，金鱼藻对总氮、总磷的20 d 去除率分别为23%和20%，穗花狐尾藻对总氮、总磷的20 d 去除率分别为25%和38%（总氮、总磷初始浓度分别为8 mg/L 和0.4 mg/L）。与以往研究相比，按照试验周期折算后本研究总氮去除率仍较高，可能是由于总氮中80%是更易于降解的氨氮；折算后本研究总磷去除率仍较低，可能与植物的生长阶段有关。有研究表明，生长晚期的金鱼藻对氮素有明显的去除效果，尤其对氨氮的去除能力仍较强，但去总磷的去除能力较差［23］。

图3 水体总氮、总磷和氨氮去除率变化Fig.3 Change in removal rates of total nitrogen，total phosphorus and ammonia nitrogen in water column

本研究中，各处理间溶解氧、电导率、pH值等水体理化指标无显著差异且随时间无显著变化。试验期间，水温由24 ℃波动下降至13 ℃左右，其中，各周平均水温分别为17.9、15.8、12.3和13.1 ℃，前3 周呈显著下降趋势（p＜0.05）。污染物去除趋势显示，水温和营养盐浓度对系统中氮磷去除效率均有显著影响。

水温是影响湿地系统净污能力的重要指标，低温往往抑制水生植物和微生物的活性，降低其对污染物的吸收和转化能力［24］。相关研究表明，沉水植物的生长对氮磷的直接吸收是水体氮磷去除的主要途径之一［25］。本研究利用处于生长晚期的沉水植物进行试验，当水温由24 ℃降至13 ℃时，沉水植物生长状况开始变差，有的处理开始出现氮磷的释放现象，表明温度降低引起的沉水植物衰败是本研究中氮磷去除能力降低的主要原因之一。另有研究表明，狐尾藻等沉水植物对氮磷的直接吸收作用远低于其增效作用的贡献率，沉水植物附着微生物对氮磷有较强的吸收吸附作用［26，27］。随着温度的降低，微生物活性受到抑制，与总氮去除相关的氨氧化、硝化和反硝化作用均有所减弱，这可能是本研究中总氮和氨氮去除率大幅降低的重要原因。另外，沉水植物的生长状况影响其附着微生物的生物量与群落结构，从而可能影响微生物对污染物的吸附和降解过程［28］。

营养盐水平往往是影响沉水植物对水体中氮磷的去除能力的重要原因，这在诸多试验中被证实［22］。营养盐浓度较高的水体氮磷去除率往往较低，但从氮磷去除量上又比低营养水平的水体高。另外，本研究中高污染水平下篦齿眼子菜和穗花狐尾藻更早出现氮磷释放现象，表明高污染水平会加速这两种沉水植物生长晚期的衰败过程，显示出3种沉水植物对水温和营养盐等环境因素的不同适应能力。

2.4 3种沉水植物的环境适应能力分析

沉水植物全株生长在水面以下的特性使其对水深、透明度、水温、流速、营养盐水平等水环境因子的响应较为敏感，本研究结合这几个方面对3种沉水植物的环境适应能力进行分析。

（1）水深和透明度。水深是影响沉水植物生长和分布的主要因素之一，水深变化往往能引起一系列水体理化条件的改变，如光照、溶解氧和悬浮物等［29］。由于不同沉水植物的光补偿点不同，水深带来的光照强度变化是影响沉水植物光合能力的关键因素［30］。侯德等［31］在北京开展了试验研究，发现篦齿眼子菜的光补偿深度大致为透明度下60 cm。高海龙［32］对太湖沉水植物恢复所需水深条件进行了模型分析，发现穗花狐尾藻在透明度至少为107 cm 时可其保障2 m 水深条件下成活，即其光补偿深度为透明度下93 cm。蓝于倩等［33］发现金鱼藻在透明度70～100 cm 水体中适应深度达2.5 m，即光补偿深度为透明度下1.5～1.8 m。在云南抚仙湖的相关调查中，平均透明度2.96 m，平均水深4.27 m 的水体中分布有篦齿眼子菜、穗花狐尾藻、金鱼藻等沉水植物［34］。以上研究表明，在水体透明度1 m左右时，金鱼藻的适应水深大于穗花狐尾藻和篦齿眼子菜，当透明度较高时3种沉水植物的光补偿深度随之增大。

（2）水温。沉水植物的生长与水温有着密切关系，水温通过影响沉水植物的萌发、生长和繁殖来调节其生长过程，不同的沉水植物对温度的适应范围不同。例如，金鱼藻最适生长温度是30 ℃［35］，而竹叶眼子菜和狐尾藻的最适生长温度为20 ℃［36］；夏季较高的水温对浅水湖泊中生长的篦齿眼子菜生长有明显的抑制甚至伤害作用，而对穗花狐尾藻和金鱼藻无显著影响［30，37］。刘萌萌等［38］通过野外栽培试验发现，穗花狐尾藻可在杭州湾水体中水温3.85～33.37 ℃条件下存活。据记载，金鱼藻则在水温低至4 ℃时也能生长良好。本研究通过室内试验发现，金鱼藻在生长晚期具有较强的生长活性，延缓了其衰败过程。在侯雪薇［39］的研究中，相同环境条件下，穗花狐尾藻残体的分解比金鱼藻残体快，而20 ℃时篦齿眼子菜残体的分解速率与30 ℃时金鱼藻残体相当。由于温度的升高会加速植物残体的前期分解，在相同环境条件下穗花狐尾藻和篦齿眼子菜的分解速率将大于金鱼藻。这解释了本研究中穗花狐尾藻和篦齿眼子菜氮磷释放大于金鱼藻的现象，也表明金鱼藻在温度适应性方面更有优势。

（3）流速。在河道中，水流产生物理作用力极大地决定了水生植物的空间和时间分布［40］，往往使得沉水植物产生适应性的流线型分布［41］。Chambers 等［42］对加拿大西部两条低流速河流中的水生植物进行了调查，发现在0.01～1 m/s的流速范围内，水生植物的生物量随流速的增大而减少，当流速大于1 m/s 时，水生植物稀少。Choudhury 等［43］研究不同水体流速对穗花狐尾藻的形态影响时发现，流速对沉水植物形态学特征有显著影响。在浅水湖泊中，风浪引起的水流对沉水植物的形态学特征和空间分布同样有决定性作用。Zhu 等［44］通过调查，发现洱海苦草主要分布在防风的滨岸区域，且不同风浪区域间的苦草形态特征差异较大，这说明苦草对水流的影响具有一定的适应能力，但水流的胁迫作用终将影响苦草的分布。Van Zuidam 等［45］研究了波浪动力对沉水植物的影响，发现当湖泊中沉水植物暴露在强力波浪动力下时将阻碍其幼苗的定植。

在沉水植物耐受范围内，流速则对沉水植物生理和生长产生一定的影响，并影响着其生态功能的发挥。在低流速段（0～0.01 m/s）内，流速的增大可以促进沉水植物的光合速率，适宜的流速可以促进沉水植物叶片对营养物质、无机碳源和氧气的吸收［46］。较大的流速对沉水植物的生长产生胁迫，降低沉水植物的生长率，并促进沉水植物腐败部分的脱落［47］。流速的增大会降低沉水植物对悬浮颗粒物的吸附，而流速的减小则会引起沉水植物覆盖率的增大，并有利于对悬浮颗粒物的吸附，从而增加水体透明度［48］。在本研究选取的3 种典型沉水植物中，篦齿眼子菜根系最为发达，穗花狐尾藻根系较为发达，对水流的耐受性较好；而金鱼藻无根，时有根状茎固着在底泥中，受流速限制较大。有研究表明，流速小于0.09 m/s时，金鱼藻具有较好的氮磷去除能力。因此，在生态修复实践中要充分考虑流速对沉水植物生长的影响，在沉水植物优化配置基础上为其构建适宜的生境。

（4）营养盐。水体营养盐含量对沉水植物生长有显著影响，不同沉水植物生长的最适宜水质存在差异，这是水体富营养化过程中群落演替的重要原因［49，50］。一般情况下，当水体营养水平较低时，营养盐含量越高，越有利于沉水植物生长；当富营养化水平达到一定程度时，沉水植物生长受到抑制。例如，总氮10～30 mg/L、总磷1～3 mg/L 的较高营养条件对金鱼藻的光合速率和生长速率有明显影响［51］；穗花狐尾藻在总氮1.86 mg/L、总磷0.087 mg/L 条件下较总氮2.47 mg/L、总磷0.16 mg/L 条件下生长更好［52］；氨氮1.5～4 mg/L条件下适宜穗花狐尾藻生长，较高和较低的氨氮浓度对穗花狐尾藻的生长均产生影响［53］；篦齿眼子菜在总氮1.5～16.6 mg/L、总磷0.14～4.16 mg/L 营养盐浓度范围内，营养盐水平越高生长速率越高［21］。以上研究表明，篦齿眼子菜和金鱼藻对高营养条件的适应性较好。另外，不同营养条件下，沉水植物对氮磷的去除能力也有所差异。李欢等［54］对室温27～36 ℃条件下3 个富营养化水平（低：总氮6 mg/L，总磷0.6 mg/L；中：总氮10 mg/L，总磷1 mg/L；高：总氮30 mg/L，总磷3 mg/L）水体中4 种沉水植物组合群落的营养盐去除能力进行了比较，结果表明，由狐尾藻、黑藻、金鱼藻和竹叶眼子菜组成的沉水植物群落对水体总氮和总磷的60 d 去除率随水体中营养盐浓度的增加而显著增加。由此可见，沉水植物可耐受的营养盐水平远高于当前河湖水体营养盐水平，在河湖沉水植物生态修复中，其生长和净污能力不会受到水体营养盐水平的限制。另外，有研究表明，篦齿眼子菜可在8‰的盐胁迫条件下存活，金鱼藻的最高耐受盐度为6‰，而穗花狐尾藻的盐度耐受能力为2‰［55］，这使得3种沉水植物在黄河流域微咸水体中可以正常生长。

3 结论与建议

3.1 结论

（1）总体上，3种沉水植物都是世界广布种，环境适应能力较强，且对水体氮磷有较高的去除效率，适用于引黄灌区退水的生态处理应用实践。

（2）在引黄灌区典型农业面源污染水平下，篦齿眼子菜对氮磷的去除能力大于穗花狐尾藻和金鱼藻；水深和营养盐水平是影响乌梁素海沉水植物分布的主要环境因素，水温和营养盐水平是影响室内试验中沉水植物氮磷去除能力的主要环境因素。

（3）在环境适应能力方面，金鱼藻对水深和水温的适应范围大于篦齿眼子菜和穗花狐尾藻，但在对流速的适应性方面较弱；而与穗花狐尾藻相比，篦齿眼子菜和金鱼藻对高营养盐水平和盐度的耐受性较强。

3.2 建 议

（1）由于引黄灌区局部农田退水氮、磷污染负荷可能分别高达50 mg/L 和5 mg/L［3］，在湿地设计中要考虑设缓冲池，降低过高污染负荷对沉水植物系统的冲击。

（2）篦齿眼子菜、穗花狐尾藻和金鱼藻具有不同的适宜水深和营养盐水平。沉水植物湿地设计时，篦齿眼子菜区宜设在前端且采用较大的设计水深，以充分发挥其株高和耐高营养盐的优势；金鱼藻宜设在末端且采用较小的设计水深，充分发挥其水下悬浮特性和高植株密度优势，并为其提供良好的光照条件。□