人工打捞浮萍削减京杭运河徐州主城区段氮磷

李 朝，吴 涛，王甜甜，曹恩伟，杨 靖，曹 杨，徐肖遥

（1.江苏省徐州环境监测中心 江苏 徐州 221018； 2.江苏省环境监测中心 江苏 南京 210019）

0 引言

浮萍是浮萍科植物的统称，为水生漂浮植物，包含紫萍属（Spirodela）、少根紫萍属（Landoltia）、青萍属 （Lemna）、扁无根萍属 （Wolffiella）、 芜萍属（Wolffia），共5 个属，36 种[1]。

关于浮萍对水中污染物去除的研究多集中于N，P 这2 种能够引起水体富营养化的元素[2-3]；从实验采用的方式来看，主要集中于实验室小型可控容器内[4-5]，部分在室外局部水体进行[6-7]，缺乏较大尺度利用浮萍治理富营养化水体的实例。

京杭运河段徐州主城区段，经常出现浮萍爆发现象。 哨兵卫星能够及时发现大范围水环境变化情况[8-9]，利用其遥感影像对京杭运河徐州主城区段浮萍爆发现象回溯及持续监测，并结合水质监测数据，找出浮萍爆发生长的影响因子。 2020年12月，地方相关部门组织人工打捞浮萍后，持续监测水质，证实浮萍能够消减富营养化河流水体中的N，P，为以后的富营养化河流治理提供案例支撑。

1 材料与方法

1.1 卫星影像获取及浮萍面积提取

研究区西起洞山西村，东至解台闸，该段河流流经徐州市主城区，沿线基本为建设用地，并且有多条城市内河汇入，水质经常会超过Ⅲ类。2019年10月～2020年12月，逐月从欧空局哥白尼数据中心网站下载sentinel-2 遥感影像，应用SNAP Desktop 8.0软件，目视解译这一段河流水体中浮萍的生长面积。

1.2 水环境因子监测

在京杭运河徐州主城区段洞山西、 红旗新村和解台闸各布设1 个水质监测断面，具体位置见图1。按照HJ/T 91—2002《地表水和污水监测技术规范》[10]逐月采集水样，现场测定水温、pH 值、DO 等参数，带回实验室分析氨氮，TN 和TP[11-13]。

图1 水环境监测断面

2 研究结果

2.1 浮萍生长规律

浮萍生长情况见表1。

表1 京杭运河徐州主城区段浮萍生长面积

结合遥感影像和现场核查综合分析，京杭运河徐州主城区段水体中浮萍生长规律为：每年6 ～8月开始在岸边零星生长，到9月份开始爆发生长，10月浮萍覆盖水面比例最大，11月浮萍面积开始减少，冬季浮萍开始腐败消亡。事实上，经过现场调查，5月份浮萍就开始在水体上生长，但是由于哨兵影像的分辨率最多到10 m，在影像上无法分辨。 可以将每年的5 ～8月定义为京杭运河徐州段浮萍生长期，9 ～11月为浮萍爆发期，12 ～次年3月为浮萍腐败期。

2.2 水质变化规律及与浮萍生长相关分析

将2019年4月至2020年3月定义为浮萍的自然腐败周期，该周期内未采取任何人工措施控制浮萍生长状况。2020年12月采取打捞浮萍措施，2020年4月～2021年3月定义为人工打捞周期。 对比2个周期内研究区域内水环境因子变化情况，与浮萍生长相关性较强的氨氮，TN，TP 和水温每月监测结果见图2。

图2 水环境因子在2 个周期的变化情况

6 ～9月是京杭运河徐州段水温最高的月份，自然腐败和人工打捞2 个周期的水温变化趋势基本相同，相同月份间差别不大。结合徐州市气象局提供的气象报告，2020年7 ～9月徐州市主城区降雨量为457.8 mm，同比增加了37.1%，降雨量增加使更多的面源污染物通过地表径流进入到水体中，造成人工打捞周期中，氨氮和TN 在7，8月，TP 在7 ～9月同比显著升高。高温加上充足的营养盐离子，为浮萍的生长和爆发提供了有利条件[14]。 对比表1 浮萍生长状况，可知浮萍生长面积最大值出现在10月，相比营养元素最大值出现月份，有一定的滞后性。如果不采用人工干预措施，次年的1 ～3月，浮萍腐烂后体内聚集的营养物质又会释放到水体中，造成水体二次污染。采用人工打捞措施后，水中的TN、氨氮、TP比自然腐败周期相同月份均出现下降，说明打捞后水体环境明显改善。

2.3 水环境因子相关性分析

利用SPSS Statistics 20 软件对水环境因子间的相关性进行分析，见表2。DO 同水温显著负相关，氨氮和TN 显著相关，TP 同pH 值负相关，其余因子相关性不明显，环境因子在浮萍生长爆发中协同作用原理需要进一步研究。

表2 水环境因子相关性分析

3 结论与应用展望

3.1 结论

未采用人工打捞措施的年份，9 ～11月为京杭运河徐州段浮萍爆发期，2020年10月浮萍覆盖水面比例为当年最大，达到65.3%。 2020年11月中下旬有关部门对浮萍进行打捞，共打捞了9 000 t 浮萍，按照浮萍体内元素含量[15]计算，打捞共计从水体中消减N 22.41 ～24.03 t，P 5.58 ～6.84 t。 采用人工打捞措施后，2021年1～3月，水中的TN、氨氮、TP比去年同期下降了45.3%，28.4%和21.4%。 此案例证明，在合适的季节采取人工打捞浮萍措施，确实可以作为大规模水体富营养化治理的一种手段。

3.2 展望

江苏省夏季浮萍的主要品种为紫萍（Spirodela polyrrhiza） 、 青萍 （Lemma minor） 、 芜萍（Wolffia arrhiza）和少根紫萍（Spirodela oligorrhiza），其中紫萍和青萍最常见[16]。 这些种类浮萍常在一定区域内共生存在，利用浮萍治理富营养化水体时应优先选择当地优势种，以达到消除N，P 时效率最大。

在N，P 含量差异不大的情况下，N，P 吸收能力取决于叶状体个数[17]，因此未来育种应以培养更多叶状体个数的浮萍作为目标。 紫萍全基因组测序工作的完成，有利于进一步挖掘参与紫萍吸收N，P 的通路、基因[18-19]，未来在育种中应该更多的借用基因工程技术。 冬季低温，浮萍生长明显受到限制，如果能够筛选出在江苏冬季低温情况下仍能有一定生长效率的浮萍品种，对于富营养化的治理将发挥更大的作用。

浮萍自然生长需要一定的时间，因此，浮萍大规模生长滞后于N，P 在水体中的最高峰出现时间，未来如果采用工程化措施人工培育一定数量的浮萍，在N，P 高峰期投入水体，将会起到更好的效果。

虽然其他水生植物也被用作富营养化治理[20-21]，但是浮萍特有的本身生长速度快、 富含生物质蛋白和淀粉、适应环境能力强、易管理的特点，具有作为饲用、能源开发利用、药用的潜在利用价值[22-23]。