白洋淀沉水植物机械收割对淀区水质影响分析

张长平 王相 王晓欧 苑光明 白珺 姜玉宁

摘要 为了解决白洋淀内源污染问题，对淀区沉水植物进行适时收割十分有必要，因此，考察了沉水植物机械收割对淀区水质及富营养化状态的影响，并定量分析了沉水植物收割对淀区水体所贡献的氮、磷削减量，为白洋淀水草收割提供理论指导与数据支持。结果表明，植物机械收割会对淀区水体造成一定程度的扰动，致使水体浊度增加，并且水体溶解氧浓度平均降低1.78～3.61 mg·L-1。但是，与处于植物生长期和衰亡期的淀区水域相比，经过植物生长末期收割的水域其有机物、总氮、氨氮、总磷平均浓度分别减少了28.0%～35.3%、55.8%～69.1%、25.0%～33.3%、50.0%～90.9%，说明通过收割将植物残体带出水体，可有效避免植物衰亡腐解向水体中释放有机物和氮磷等污染物，以叶绿素a、总磷、总氮为代表的营养状态指数也分别下降了81.8%～87.3%、17.3%～31.4%、17.6%～42.6%，水体富营养化程度从轻度/中度富营养降到贫/中营养，且每收割1 t沉水植物所贡献的淀区氮削减量为39.4～49.6 kg、磷削减量为2.30～3.18 kg。

关 键 词 白洋淀；植物机械收割；富营养化；氮；磷；有机质

中图分类号 X703.1     文獻标志码 A

文章编号：1007-2373（2023）03-0069-07

DOI：10.14081/j.cnki.hgdxb.2023.03.007

Analysis on the effects of submerged plant mechanical harvesting on water quality in Baiyangdian Lake

ZHANG Changping1，2， WANG Xiang1，2， WANG Xiaoou1，2， YUAN Guangming3，

BAI Jun1，2， JIANG Yuning1，2

（1. School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China; 2. Key Laboratory of Clean Energy Utilization and Pollutant Control in Tianjin， Tianjin 300401， China; 3. School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract In order to solve the endogenous pollution in Baiyang Lake， it is necessary to timely harvest submerged plants. Therefore， the effects of mechanical harvesting of submerged plants on the water quality and eutrophication status of Baiyang Lake were investigated， and the reduction of nitrogen and phosphorus resulted from submerged plants harvesting was quantitatively analyzed， to provide theoretical guidance and data support for the plants harvesting. The results showed that mechanical harvesting of plants caused disturbance to the water body of Baiyang Lake by a certain degree， resulting in an increase in the water turbidity， and the DO concentration decreased by 1.78～3.61 mg·L-1 on average. However， compared with the waters in the growth and decay periods of plants， the average concentrations of organics， total nitrogen， ammonia， and total phosphorus in the waters where plants were harvested at the end stage of growth decreased by 28.0%～35.3%， 55.8%～69.1%， 25.0%～33.3%， and 50.0%～90.9%， respectively. This has indicated that taking the plant residues out of the waters through harvesting can effectively prevent the decomposition of plants from releasing organics， nitrogen and phosphorus into the water body. The nutritional status index， Chlorophyll a， total phosphorus and total nitrogen， dropped by 81.8%～87.3%， 17.3%～31.4% and 17.6%～42.6%， respectively， and the eutrophication of the waters decreased from mild/medium eutrophication to poor/medium nutrition. The reduction of nitrogen and phosphorus resulting from harvesting 1 ton submerged plants was 39.4～49.6 kg and 2.30～3.18 kg， respectively.

Key words Baiyangdian Lake; mechanical harvesting of plants; eutrophication; nitrogen; phosphorus; organics

0 引言

白洋淀是华北地区最大的草型淡水湖泊，具有广阔的水面和沼泽湿地，堪称“华北之肾”[1]。但是受人类生活与生产活动影响，近年来淀区内蓄水量减少且呈富营养化态势，水生态环境受到严重威胁。根据《白洋淀生态环境治理和保护规划（2018年—2035年）》，要改善淀区生态环境、实现淀区生态修复，需要先行开展淀区内源治理工作。

课题组对白洋淀内源污染问题进行了调查研究，发现水体中沉水植物在生长期能够与藻类竞争光和营养物质，抑制藻类的生长[2-4]，并通过吸收、富集、迁移、转化等作用，降低底泥中氮磷释放对上覆水的污染，从而有效净化水体[5]。但是，在生长停滞并逐渐枯萎死亡后，沉水植物在腐解过程中可向水体释放氮磷和有机质，造成淀区内源污染[6-8]。同时，若沉水植物过度生长，抢夺占据有限的水域生存空间，不仅会造成河道堵塞，还会影响阳光穿透河水深度，加之植物腐解消耗水体溶解氧，均会恶化其他水生生物的生存环境，降低水环境的生物多样性并加剧淀区沼泽化[9]。因此，对沉水植物进行适时收割十分有必要。

基于此，本研究考察了沉水植物机械收割对淀区水质及富营养化状态的影响，并定量分析了沉水植物收割对淀区水体所贡献的氮、磷削减量，以期为白洋淀水草收割提供理论指导与数据支持。

1 材料与方法

1.1 植物收割时间与收割深度

白洋淀主要沉水植物包括丝叶眼子菜、菹草、金鱼藻、黑藻等，其中，菹草于4月—5月份进入增长期，随后衰亡，属于冬春季优势种，其他沉水植物大部分于8月份开始逐步进入凋亡期。本研究中，机械收割作业于7月份开始有序进行，因此，所收割沉水植物主要为丝叶眼子菜、金鱼藻、黑藻等，基本不包括菹草。收割船在宽阔水域对水草进行水下100 cm的收割作业，在河道狭窄、地形复杂的河滨浅水区进行水下70 cm的收割作业。

1.2 样品采集与分析

1.2.1 采样位置与时间

共设置有6个采样点，编号分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6，各采样点位置如图1所示。采样时间为2019年5月21日（植物生长期、未收割）、2019年7月31日（植物生长末期、收割）和2020年8月28日（植物衰亡期、未收割）。2020年由于新冠疫情影响，未能在植物生长末期及时安排机械收割作业，于8月底采集水样，用于分析植物衰亡对淀区水体水质的影响。

1.2.2 样品采集与保存

鉴于淀区水深小于5 m，水样采样点均为水面下0.5 m处，使用1 L水质采样器采集水样，将水样倒入样品瓶（300 mL聚乙烯瓶）中密封，并将水样置于便携式水样冷藏箱（车载冰箱）中在4 ℃左右冷藏保存，于6 h之内送到实验室进行分析。同时，使用采草器（25 cm×25 cm）采集水草并放入样品袋中，随水样一同送到实验室进行分析。

1.2.3 检测指标和方法

样品检测指标和方法如表1所示。

1.3 水体营养化状态评价方法

采用综合营养状态指数法和湖库营养状态评价指数法对白洋淀水体营养状态进行评价。

1.3.1 综合营养状态指数法

综合营养状态指数计算公式为

[TLI∑∑=∑Wj·TLI（j ）]，                   （1）

式中：[TLI∑∑]为综合营养状态指数；[Wj]为第j种参数的营养状态指数的相关权重；[TLI（j ）]为代表第j种参数的营养状态指数。

以叶绿素a（chla）作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为

[Wj=r2jij=1mr2ij]，                            （2）

式中：[rij]为第j种参数与基准参数chla的相关系数；m为评价参数的个数。

表2给出了综合营养状态指数法的部分参数，数据来源于金相灿等[10]著《中国湖泊环境》，其中[rij]来源于中国26个主要湖泊调查数据的计算结果。

营养状态指数计算公式为

[TLIchla=102.5+1.086ln chl，]             （3）

[TLITP=109.436+1.624ln TP，]            （4）

[TLITN=105.453+1.694ln TN，]            （5）

式中：chla單位为μg·L-1，其他指标单位均为mg·L-1。

湖泊（水库）营养状态分级采用0～100的一系列连续数字对湖泊（水库）营养状态进行分级：

[TLI∑<30]        贫营养，

[30≤TLI∑≤50]   中营养，

[TLI∑>50]        富营养，

[50

[60

[TLI∑>70]        重度富营养。

1.3.2 湖库营养状态评价指数法

湖库营养状态评价标准及分级方法见表3。

根据表3并采用指数法进行湖库营养状态评价的具体步骤为：

1）采用线性插值法将水质项目浓度值转换为赋分值。

2）按照公式计算营养状态指数（EI）。

3）参照表3，根据营养状态指数确定营养状态分级。

[EI=n=1NEnN] ， （6）

式中：EI为营养状态指数；[En]为为评价项目赋分值；N为评价项目个数。

2 结果与讨论

2.1 沉水植物收割对淀区水质的影响

2.1.1 透明度与浊度

沉水植物收割对白洋淀水体透明度与浊度的影响如图2所示。每年6月份之前，是白洋淀沉水植物的返青期，植物生长密度低且生物量较小（图3a）），此时，水体透明度与浊度变化范围分别为0.65～1.36 m、6.8～16.7 NTU，其平均值分别为0.84 m、10.05 NTU。8月份开始，大部分沉水植物逐步进入凋亡期，此时植物生长密度达到最大值（图3b）），植物茎叶的过滤截留作用增强，水体浊度有所下降，为1.4～10.6 NTU（平均值6.75 NTU），加之降雨使得淀区水量增加，水体透明度亦有所提高，为0.70～1.83 m（平均值1.19 m）。在植物生长末期对其进行收割后，水体透明度介于植物生长期和衰亡期之间，为0.9～1.6 m（平均值1.17 m），浊度有所提高，为31～49.2 NTU（平均值38.95 NTU），浊度平均值较生长期高出28.9 NTU、较衰亡期高出22.2 NTU，推测是由于植物机械收割对淀区水体造成了一定程度的扰动。

2.1.2 溶解氧和pH

沉水植物收割对白洋淀水体溶解氧浓度和pH的影响如图4所示。淀区水体中溶解氧浓度和pH在植物生长期达到最大值，分别为4.52～6.88 mg·L-1（平均值5.63 mg·L-1）和8.06～8.91（平均值8.37），而在植物衰亡期则分别下降到2.33～5.91 mg·L-1（平均值3.80 mg·L-1）和7.06～7.78（平均值7.54），这主要是由于植物在生长期其光合作用较强，所释放的氧气量较高，而在衰亡期（图3c））植物光合作用减弱，同时植物腐解会消耗溶解氧并释放CO2，最终导致水体溶解氧浓度和pH均下降。在植物生长末期对其进行收割后，淀区水体溶解氧浓度仅为0.70～3.20 mg·L-1（平均值2.02 mg·L-1），pH介于植物生长期与衰亡期之间，为7.92～8.41（平均值8.09），推测是因为植物收割后，水域内植物光合作用减弱，氧气释放量降低，而残留植物根系呼吸会消耗溶解氧，两者综合作用导致收割植物水域的溶解氧浓度降低。

2.1.3 化学需氧量

沉水植物收割对白洋淀水体化学需氧量（Chemical Oxygen Demand， COD）的影响如图5所示。在植物生长期，淀区水体中COD变化范围为34.7～46.5 mg·L-1（平均值42.2 mg·L-1），略低于《地表水环境质量标准GB 3838—2002》V类水质标准（COD≤40 mg·L-1）。在植物衰亡期，淀区水体中COD波动较大，为17.9～59.7 mg·L-1（平均值37.9 mg·L-1）。在植物生长末期对其进行收割后，淀区水体COD降为12.9～42.5 mg·L-1（平均值27.3 mg·L-1），基本符合《地表水环境质量标准GB 3838—2002》Ⅳ类水质标准（COD≤30 mg·L-1）。姜义帅等[5]也观测到沉水植物死亡腐烂会恶化水质，水体有机物和氮磷浓度明显上升，而通过在生长期多次收割沉水植物，可以使圆明园玉玲珑水域水质保持在Ⅲ类至Ⅳ类地表水之间。这主要是因为植物收割可将植物残体所携带的有机物带出水体，避免植物腐解向水体中释放有机物。

2.1.4 氮和磷

沉水植物收割对白洋淀水体氨氮、总氮和总磷的影响如图6所示。在植物生长期，淀区水体中氨氮和总氮浓度分别为0.36～0.68 mg·L-1（平均值0.45 mg·L-1）和0.62～0.91 mg·L-1（平均值0.77 mg·L-1），符合《地表水环境质量标准GB 3838—2002》III类水质标准（氨氮≤1.0 mg·L-1、总氮≤1.0 mg·L-1），总磷浓度为0.05～0.07 mg·L-1（平均值0.06 mg·L-1），符合《地表水环境质量标准GB 3838—2002》IV类水质标准（总磷≤0.1 mg·L-1）。在植物衰亡期，淀区水体中氨氮浓度基本不变，为0.22～0.54 mg·L-1（平均值0.40 mg·L-1），但是总氮和总磷浓度分别升高到0.71～1.55 mg·L-1（平均值1.1 mg·L-1）和0.06～0.59 mg·L-1 （平均值0.33 mg·L-1）。在植物生長末期对其进行收割后，淀区水体氨氮、总氮和总磷浓度分别降为0.24～0.34 mg·L-1（平均值0.30 mg·L-1）、0.21～0.50 mg·L-1（平均值0.34 mg·L-1）和0.02～0.05 mg·L-1（平均值0.03 mg·L-1），符合《地表水环境质量标准GB 3838—2002》II类水质标准（氨氮≤0.5 mg·L-1、总氮≤0.5 mg·L-1、总磷≤0.1 mg·L-1）。姜义帅等[5]通过在生长期多次收割沉水植物，使圆明园玉玲珑水域氨氮、总氮和总磷的平均浓度维持在0.1 mg·L-1、0.86 mg·L-1和0.1 mg·L-1，可界定为Ⅲ类至Ⅳ类水体之间，而任由沉水植物死亡腐烂，水体氨氮、总氮和总磷浓度最高可达0.60 mg·L-1、2.40 mg·L-1和0.50 mg·L-1。

沉水植物在生长期可通过吸收、富集、迁移、转化等作用，有效降低底泥中氮磷释放，从而降低水体中氮磷含量[11]。但是，在生长停滞并逐渐枯萎死亡后，沉水植物在腐解过程中可向水体释放氮磷和有机质，造成淀区内源污染[12]。本研究结果表明，在植物生长末期进行收割，可有效避免植物残体腐解造成水体氮磷含量升高。

2.2 沉水植物收割所带来的淀区氮磷削减量

水生植物能够吸收水体中氮磷等营养元素，用于自身生长发育，同一植物不同器官对水体中氮和磷的吸收特性存在明显差异[13]。虽然本研究中所收割的沉水植物基本不包括菹草，但是依然对包括菹草在内的沉水植物的根、茎、叶部位的氮磷含量进行了分析，结果如表4所示。金鱼藻中全氮和全磷含量排序均为叶>茎≈根，丝叶眼子菜中全氮含量排序为叶≈茎≈根、全磷含量排序为叶>茎>根，菹草中全氮含量排序为茎>叶>根、全磷含量排序为叶>茎>根，不同植物全氮和全磷总含量排序均为丝叶眼子菜>菹草>金鱼藻。尚士友等[14]报道，机械收割1 t沉水植物（干重）可以移出水体16.5 kg氮和1.7 kg磷。在本研究中，经计算，每收割1 t沉水植物（干重）所贡献的淀区氮削减量为39.4～49.6 kg、磷削减量为2.30～3.18 kg。

2.3 沉水植物收割对白洋淀水体营养化状态的影响

沉水植物收割对白洋淀水体营养化状态的影响如表5所示。采用综合营养状态指数法对收割前后淀区水体进行富营养化评价后发现，3个时期水体的叶绿素a、总磷和总氮的营养状态指数排列均为衰亡期>生长期>生长末期，植物生长期（未收割）、衰亡期（未收割）和生长末期（收割）水体的综合营养状态指数分别为48.20、67.32、27.92，对应营养状态分级分别为中营养、轻度富营养和贫营养；采用湖库营养状态指数评价法对收割前后淀区水体进行富营养化评价发现，3个时期水体的叶绿素a、总磷和总氮的营养状态指数排列均为衰亡期>生长期>生长末期，与采用综合营养状态指数法得到的结果一致，植物生长期（未收割）、衰亡期（未收割）和生长末期（收割）水体的综合营养状态指数分别为51.02、67.10、30.78，对应营养状态分级分别为轻度富营养，中度富营养和中营养。可以看出，植物衰亡期（未收割）水体的营养状态指数最高，而植物生长末期（收割）水体的营养状态指数最低。两种评价方法的结果均表明，植物衰亡会加剧淀区水体富营养化态势，而在植物生长末期进行植物收割，可有效降低水体富营养化程度，这与植物生长末期进行收割后水体氮磷含量降低的结果一致。

3 结论

沉水植物机械收割会对淀区水体造成一定程度的扰动，致使水体浊度增加，并且水体溶解氧浓度平均降低1.78～3.61 mg·L-1。但是，与处于植物生长期和衰亡期的淀区水域相比，经过植物生长末期收割的水域其有机物、总氮、氨氮、总磷平均浓度分别减少了28.0%～35.3%、55.8%～69.1%、25.0%～33.3%、50.0%～90.9%，说明通过收割将植物残体带出水体，可有效避免植物衰亡腐解向水体中释放有机物和氮磷等污染物，以叶绿素a、总磷、总氮为代表的营养状态指数也分别下降了81.8%～87.3%、17.3%～31.4%、17.6%～42.6%，水体富营养化程度从轻度/中度富营养降到贫/中营养。通过定量分析白洋淀中不同沉水植物的根、茎、叶部位的氮磷含量，计算得出每收割1 t沉水植物所贡献的淀区氮削减量为39.4～49.6 kg、磷削减量为2.30～3.18 kg。

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收稿日期：2021-02-23

基金项目：雄安新区重点研发计划项目（白洋淀水草机械收割与综合利用技术集成与示范）

第一作者：张长平（1972—），女，博士，副教授。通信作者：王晓欧（1989—），女，博士，讲师，wangxiaoou@hebut.edu.cn。