常见沉水植物对东湖重度富营养化水体磷的去除效果.pdf

第16卷第6期2007年11月长江流域资源与环境Resources and Environment in the Yangtze BasinVol.16 No.6Nov.2007 文章编号:100428227(2007)0620796205常见沉水植物对东湖重度富营养化水体磷的去除效果高镜清,熊治廷,张维昊,邓绪伟,尚林源,付长营(武汉大学资源与环境学院,湖北 武汉430074)摘 要:采用人工模拟方法,选取武汉市东湖的春季优势种金鱼藻、伊乐藻和菹草,夏季优势种类金鱼藻、狐尾藻和苦草,在春夏两个季节分别对东湖重度富营养化水体磷的去除效果进行了比较研究。结果显示:5种沉水植物在春夏季节生长良好,其中金鱼藻生物量增长率最高(春季为128188%,夏季为58133%)。5种沉水植物均能较好地吸收上覆水中的磷,其中金鱼藻在春夏两季对水体总磷的去除率均为最高(春季为91175%,夏季为92144%)。同时5种沉水植物还可抑止底泥中磷的释放,均使上覆水中各形态磷浓度保持较低水平。结果表明,金鱼藻在春夏季节均表现出较好的生长和净化水体磷的能力,且其耐污能力强,有可能成为以东湖为代表的重度富营养浅水湖区植物修复的先锋种之一。关键词:东湖;重度富营养化;磷;沉水植物;金鱼藻文献标识码:A 武汉东湖是我国城市湖泊的代表,其水环境污染严重,尤其以富营养化的危害最大,在2004年其富营养化的水体占到整个面积的62121%1。东湖富营养化主要表现为水体中营养元素超标,其中又以磷为主控因素1。在控制外源磷污染的情况下,沉积物 水界面是磷营养得以补给的重要内源,浅水湖泊沉积物中磷释放对湖泊富营养化的贡献有不可忽视的作用2。沉水植物不仅可以吸收富营养化湖水中的磷,亦可抑止沉积物和上覆水中的碱性磷酸酶活性(APA),并可抑止沉积物的再悬浮,使上覆水中各形态磷浓度均保持在较低的水平,对于控制内源磷释放有抑止作用3,4。谢丽强等曾预言,当东湖底泥中的磷在适当的条件下释放出时,即使外源负荷得以控制,东湖也将长时间维持富营养化状态5。因此寻找既能较好吸收东湖富营养化水体中磷,又能较好抑止其底泥磷释放的沉水植物,对东湖重污染区植物修复具有重要意义。目前研究水生植物净化水体的文章较多6,7,但研究不同季节湖泊中优势种去除水体磷和抑止底泥磷释放效果比较的文章则较少。春季和夏季是沉水植物生长最为旺盛、净化水体效果最好的季节。因此本文试验分为春季和夏季两个试验,分别选取两个季节东湖优势种类进行比较研究,以探讨两个问题:一是筛选出在不同季节对东湖富营养化湖水中磷去除效果较好的沉水植物。二是研究不同季节不同种类的沉水植物对东湖内源磷释放的影响比较。为利用群体效应治理湖泊富营养化和湖泊生态环境的整治提供理论依据。1 材料与方法1.1 试验植物(1)伊乐藻(Elodea Canadensis),多年生沉水植物,冬、春至初夏季节生长。原产美洲,我国于20世纪80年代从日本引进,后在长江流域均有栽培。(2)菹草(Potamogeton crispus),多年生沉水植物,冬、春至初夏季节生长。在我国长江中下游流域的湖泊均有分布。(3)金鱼藻(Ceratophyllum demersum),多年生沉水植物,春、夏至秋季生长。在我国长江中下游流域的湖泊均有分布。(4)狐尾藻(Myriophyllum spicatum),多年生收稿日期:2006211230;修回日期:2006212229基金项目:973项目“湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴发机理研究”(2002CB412300)作者简介:高镜清(1980),男,河南省周口人,博士研究生,主要从事水环境修复研究.沉水植物,春季开始生长、夏季生物量达到最大。在我国长江中下游流域的湖泊均有分布。(5)苦草(V allisneria spiralis),多年生沉水植物,春季萌发,夏季为快速生长期,最大生物量一般在9月份出现。长江中下游流域的湖泊均有分布。1.2 春季试验受试物种包括菹草、金鱼藻、伊乐藻,均采自武汉东湖。受试植物先在试验场地预培养15 d,从中挑选长度一致的健壮植株移栽到培养桶中,每个培养桶中装有18 L试验用水和3 kg底泥(湿重)。预培养和试验用水及底泥均取自东湖重污染湖区,水与底泥在放入培养桶之前,均分别搅拌混匀,确保每个培养桶起始条件一致,另外湖水用浮游生物网过滤;试验在室外实验室(玻璃顶棚,四周通风)进行,植物培养用25 L白色水桶,直径33 cm,高35 cm,试验前,用10%稀盐酸浸泡3 d后冲洗干净。水温范围1018,每个物种的初始生物量均为90 g(鲜重),每个处理设3个重复(桶),3个物种和一个对照共设计12组实验。试验进行30 d(2005年4月7日到5月6日),在第0,2,6,12,20,30 d时取水样,第0天水样为未和底泥混合前。每次取样时,以蒸馏水补充因蒸发、蒸腾作用所损耗的水量。1.3 夏季试验受试物种包括苦草、金鱼藻、狐尾藻,均采自武汉东湖。试验时间为2005年8月15日到9月14日,水温范围2432。其余均同春季试验。1.4 测定方法试验测定水体指标为总磷(TP)、总溶解磷(TDP)、颗粒磷(PP);植物指标为生物量,以鲜重(FW)表示。水体TP浓度采用过硫酸钾氧化法测定;TDP浓度的测定是将水样通过 35 mm、孔径0145m滤膜抽滤,而后用过硫酸钾氧化法。PP浓度为TP浓度与TDP浓度之差。植物样鲜重称量前先用纸拭干其表面水珠,再放阴凉处吹干,用分析天平称量3次,稳定后记录其质量并取其平均值。表1 试验水体的初始数据Tab.1Initial Data of Experimental Water指标TNNH+4-NTPTDPSRPCODMnDOpH春季试验浓度(mg/L)4.5211.3520.3420.3010.0668.2428.217.6夏季试验浓度(mg/L)3.6011.0640.2570.2210.0256.1319.138.62 结果和分析2.1 生长状况春季试验中(图1),金鱼藻和伊乐藻生长速度较快,增长率分别达到128188%和125114%。菹草由于为冬春季生活型植物,试验后期有生殖芽长出,植株出现正常衰败死亡8,导致其生物量出现负增长。夏季试验中(图2),金鱼藻增长率最大,为58133%,比春季生长速率有所减缓。狐尾藻在试验后期因季节原因出现叶片枯萎现象,导致其生物量出现负增长。2.2 沉水植物对总磷(TP)的去除效果沉水植物在春夏两季对TP的去除效果较明显。如图3和图4,除菹草和狐尾藻外,其余4种植物处理中TP浓度均在20 d后降到较低水平,后10d趋于稳定。金鱼藻的去除效果最好,在春夏两季试验中,30 d以后其去除率分别达到91175%和92144%,只有对照的19143%和15113%。春季试图1 春季试验沉水植物生物量变化Fig.1Changes of Submerged MacrophytesBiomass in Spring Experiment验中,对TP去除效果的顺序依次为:金鱼藻、伊乐藻和菹草(图3);夏季试验中,对TP去除效果的顺序依次为:金鱼藻、苦草和狐尾藻(图4)。2.3 沉水植物对总溶解磷(TDP)的去除效果797 第6期 高镜清等:常见沉水植物对东湖重度富营养化水体磷的去除效果图2 夏季试验沉水植物生物量变化Fig.2Changes of Submerged MacrophytesBiomass in Summer Experiment图3 春季试验沉水植物对TP的去除效果Fig.3Removal Effect of Submerged Species on TotalPhosphorus in Spring Experiment图4 春季试验沉水植物对TP的去除效果Fig.4Removal Effect of Submerged Species on TotalPhosphorus in Summer Experiment春夏季试验期间多数时间TDP为上覆水磷的主要形态,这与本试验为静态试验,不受自然湖泊中风浪等扰动有关。在放有植物样的试验桶中TDP占TP的比例为42168%97104%,在空白对照的试验桶中其所占比例为16196%94122%,其比例随时间的变化趋势均为先减小、再增加,比例的变化可能与底泥磷的释放和植物的吸收有关。试验期间对照桶中TDP在TP中所占比例多数时间低于植物试验桶,原因可能与沉水植物抑止底泥磷的释放和对水体磷的吸收转化有关。春季试验中,金鱼藻对TDP的去除效果较好,去除率为90193%,其次为伊乐藻、菹草(图5)。夏季试验中,金鱼藻对TDP的去除效果也较好,去除率为92111%,其次为苦草、狐尾藻(图6)。图5 春季试验沉水植物对TDP的去除效果Fig.5Removal Effect of Submerged Species on TotalDissolved Phosphorus in Spring Experiment图6 春季试验沉水植物对TDP的去除效果Fig.6Removal Effect of Submerged Species onTotal Dissolved Phosphorus in Summer Experiment897 长江流域资源与环境 第16卷 2.4 沉水植物对颗粒磷(PP)的去除效果PP中既含有沉水植物可以直接吸收利用的正磷酸盐,也可以向溶解磷形态转移或者被底泥吸附,其在水体磷形态变化中扮演重要作用。从图7、图8中可以看出,在春夏季试验的第2天,PP的含量均有升高,其原因是因为在试验开始时,底泥和湖水混合后,底泥向水体释放磷的缘故。夏季试验中,对照中PP的含量高于其他沉水植物培养桶中的含量,并在前20天有明显升高趋势,这可能与在无沉水植物抑止的情况下,底泥磷的释放和藻类的繁殖有关。春季试验中,金鱼藻对PP的去除效果较好,去除率为97192%,其次为菹草、伊乐藻(图7)。夏季试验中,金鱼藻对PP的去除效果也较好,去除率为94144%,其次为苦草、狐尾藻(图8)。图7 春季试验沉水植物对PP的去除效果Fig.7Removal Effect of Submerged Species onParticulate Phosphorus in Spring Experiment图8 春季试验沉水植物对PP的去除效果Fig.8Removal Effect of Submerged Species onParticulate Phosphorus in Summer Experiment3 讨论在沉水植物的重建和恢复中,沉水植物物种的筛选原则是尽量考虑选取当地现有的原生物种。在此基础上再选择耐污能力强、净化效果好、繁殖再生能力强、生存周期长的沉水植物。本试验除伊乐藻为东湖水生植物恢复试验中所引进植物9,其余均为东湖原生物种和相应季节的优势种,均符合以上筛选原则。5种沉水植物在春夏季节生长良好,其中金鱼藻生物量增长率最高(春季为128188%,夏季为58133%)。菹草和狐尾藻在试验前期生长良好,虽然在试验后期由于季节原因出现生物量衰减,但对水体磷亦有较好净化效果。水体中磷的来源可分为外源性磷和内源性磷。当外源性磷负荷量减少后,沉积物中的磷会逐步释放,在一定条件下,成为水体富营养化的主导因子10,11。本试验为“微环境”模式实验,均无外源性磷的输入,作为内源的沉积物中的磷成为影响水体磷含量的主导因素。在春夏试验中,所选植物均为在两个季节生长良好的沉水植物,生理代谢旺盛,对磷营养的需求量大。因此5种沉水植物均能较好地吸收上覆水中的磷,使上覆水中TP、TDP和PP浓度均低于对照。其中金鱼藻在春夏两季对水体TP的去除率均为最高(春季为91175%,夏季为92144%)。在两个季节的试验比较中,不同种类的沉水植物存在下均对沉积物中磷向上覆水输送转移有明显的抑止作用,使上覆水中各形态磷浓度保持较低水平。试验结果表明,在春夏两季试验中,金鱼藻在生长和去除水体磷的能力方面均为最好。且金鱼藻耐污能力较强,随着湖泊从贫营养发展成为富营养,其生物量会有所增加,并逐渐成为湖泊中的优势物种之一12,13。金鱼藻是喜氮植物,可以耐受较高的无机氮,对水体TN的去除亦有较好效果14。金鱼藻不易遭受冻害,即使在寒冷季节(气温低于零度,水结冰)对去除水中营养盐、净化水质也有一定的作用6。金鱼藻具有较强的克藻作用,可分泌出抑止藻类生长的物质15。综上所述,金鱼藻的这些优势使其有可能成为未来以东湖为代表的重度富营养浅水湖区植物修复的先锋种之一。试验结果也表明,伊乐藻在春季试验中净化效果同样好,而且根系较发达,生长速率较高,繁殖能997 第6期 高镜清等:常见沉水植物对东湖重度富营养化水体磷的去除效果力强,有利于对底泥磷的释放进行更好的控制和吸收。但考虑到它原产非洲,非本地物种,且生长迅速,适应能力强,竞争能力也较强16,因此其是否会对本地湖泊生态造成影响,导致生态入侵,在其应用中仍需慎重考虑和进一步研究。参考文献:1 甘义群,郭永龙.武汉东湖富营养化现状分析及治理对策J.长江流域资源与环境,2004,13(3):277281.2 金相灿,屠清瑛.湖泊富营养化调查规范(第2版)J.北京:中国环境科学出版社,1990.211235.3 王圣瑞,金相灿,赵海超,等.沉水植物黑藻对上覆水中各形态磷浓度的影响J.地球化学,2006,35(2):170186.4Jukka H,Leena N.Effects of submerged macrophytes on sedi2ment resuspension and internal phosphorus loading in Lake Hi2idenvesi(southern Finland)J.Water Research,2003,37:4 4684 474.5 谢丽强,谢 平,唐汇娟.武汉东湖不同湖区底泥总磷含量及变化的研究J.水生生物学报,2001,25(4):305310.6 童昌华,杨肖娥,濮培民.富营养化水体的水生植物净化试验研究J.应用生态学报,2004,15(8):1 4471 450.7Reeta D S,Ann C W.Nutrient removal by floating aquaticmacrophytes cultured in anaerobically digested flushed dairymanure wastewaterJ.Ecological Engineering,2004,22:2742.8 孙祥钟.中国植物志(第8卷)M.北京:科学出版社,1992.5255.9Qiu Dongru,Wu Zhenbin,Liu Baoyuan,et al.The restorationof aquatic macrophytes for improving water quality in a hyper2trophic shallow lake in Hubei Province,China J.EcologicalEngineering,2001,18:147156.10Lilleb A I,J M Netoa,M R Flindt,et al.Phosphorous dynam2ics in a temperate intertidal estuaryJ.Estuarine,Coastal andShelf Science,2004,61:101109.11Laura P,Vicente C,Juan J I,et al.Influence of macrophyteson sediment phosphorus accumulation in a eutrophic estuary(Palmones River,Southern Spain)J.Aquatic Botany,2004,80:103113.12 王,顾宇飞,朱增银,等.不同营养状态下金鱼藻的生理响应J.应用生态学报,2005,16(2):337340.13Rai U N,Sarita S,Tripathi R D,et al.Wastewater treatabilitypotential of some aquatic macrophytes:Removal of heavymetalsJ.Ecological Engineering,1995,5:512.14Tracy M,Montante J M,Allenson T E,et al.Long2term re2sponses of aquatic macrophyte diversity and community struc2ture to variation in nitrogen loading J.Aquatic Botany,2003,77:4352.15Satoshi Nakai,Yutaka Inoue,Masaaki Hosomi,et al.Growthinhibition of blue2green algae by allelopathic effects of macro2phytesJ.Water Science Technology,1999,39(8):4553.16Hofstra D E.Competitive performance of Hydrilla verticillatain New ZealandJ.Aquatic Botany,1999,(63):305324.REMOVAL EFFICIENCY OF PHOSPHORUS IN HYPERTROPHIC LAKEDONGHU WATER BY COMMON SUBMERGED MACROPHYTESGAO Jing2qing,XIONG Zhi2ting,ZHANG Wei2hao,DENG Xu2wei,SHANG Lin2yuan,FU Chang2ying(School of Resource and Environment,Wuhan University,Wuhan 430072,China)Abstract:With an artificial imitation,five dominant hydrophytes,Ceratophyllum demersum,Elodea cana2densis,Potamogeton crispus,Myriophyllum spicatum and V allisneria spiralis,were used to investigateremoval efficiency of phosphorus in hypertrophic Lake Donghu water at different weather conditions.Theresults showed that all the submerged macrophytes grew well and the growth rate ofCeratophyllum dem2ersum,with 128188%,58133%in the Spring and Summer experiment respectively,was the highest.And allthe submerged macrophytes absorbed total phosphorous in water effectively and the removal rate ofCera2tophyllum demersumwith 91175%,92144%in the Spring and Summer experiment respectively,was thebest.At the same time,these submerged macrophytes can maintain the concentrations of various phosphor2us forms in low levels,mainly by uptaking the phosphorus from overlying water and inactivating the releaseof phosphorus in the sediment.In conclusion,Ceratophyllum demersumcould remove the phosphorus fromhypertrophic water effectually and grow well.Also,with high tolerance of contamination it may be used asone of the pioneer species for macrophyte recovery in hypertrophic shallow lakes.Key words:Lake Donghu;hypertrophic;phosphorus;submerged macrophytes;Ceratophyllum demersum008 长江流域资源与环境 第16卷