滇池是我国西南地区最大的高原湖泊,其富营养化问题受到业界的普遍关注^[1]。2012年《中国环境状况公报》^[2]显示:滇池水质总体为劣Ⅴ类;主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数;草海和外海均处于重度富营养状态。导致湖泊水体富营养化的主要原因是水中氮、磷等污染物过量。磷作为一种极具生物活性的元素,不仅是引起湖泊水体富营养化的主要营养物,同时也是水体富营养化现象能否发生的限制因子,因此有效降低磷浓度成为防治湖泊水体富营养化的关键。

利用水生植物修复富营养化水体,具有氮、磷富集能力强,净化效果好,运营成本低,不产生二次污染等优点,在工程实践中得到广泛应用^{[3, 4, 5, 6]}。张志勇等^[7]比较了凤眼莲对4种不同程度富营养化水体氮、磷的净化效果和去除能力;刘盼等^[8]的研究显示:水浮莲能显著降低富营养化水体的氮、磷浓度;吴娟等^[9]的研究表明:黑藻的生长有效降低了水体与沉积物中的氮、磷含量;朱华兵等^[10]的试验表明:凤眼莲和香蒲可有效消减水体氮、磷等内源污染物。已有的研究主要集中在一两种生态类型的水生植物对富营养化水体的净化效果,而对于相同试验条件下,不同生态类型水生植物对水体磷素的净化效果及其吸收磷素的主要来源的研究相对较少。磷素是水体富营养化能否发生的限制因子,研究不同生态类型水生植物净化水体磷素能力的差异性,对于实际工程应用中水生植物的筛选是十分必要的;同时,修复富营养化水体的目标,主要是降低水体氮、磷浓度,那么水生植物对于水体或者底泥磷素吸收的选择性,也成为考量水生植物净化能力的重要因素。本研究以滇池草海富营养化水体为研究对象,利用人工模拟的方法,以典型漂浮植物凤眼莲、水浮莲和典型沉水植物轮叶黑藻以及草海常见挺水植物香蒲为试验材料,分析不同生态类型水生植物对水体磷素的净化效果,研究各植物所吸收磷素的主要来源,以期为富营养化湖泊生物修复工程中的水生植物合理配置提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

凤眼莲(Eichhornia crassipes):雨久花科凤眼莲属,多年生漂浮性草本植物;水浮莲(Pistia stratiotes):天南星科大薸属,多年生漂浮性草本植物;轮叶黑藻(Hydrilla rerticillata):水鳖科黑藻属,多年生沉水植物;香蒲(Typha orietalis):香蒲科香蒲属,多年生草本挺水植物。凤眼莲和水浮莲取自滇池草海明波基地凤眼莲控制性种养围栏区(24°58′44.2″N,102°37′57.7″E),香蒲和轮叶黑藻取自中国科学院草海水生植物基地(24°58′42.47″N,102°38′0.46″E),选择生长良好且大小均匀的植株冲洗干净后备用。试验用水取自草海明波基地(24°58′44.2″N,102°37′57.7″E),在滇池外海北部晖湾水域(24°55′16.70″N,102°40′2.38″E)采集底泥,适当风干后混匀,去除杂物备用。试验用水与底泥的理化指标的初始值见表 1。试验装置为15个约300 L的白色塑料周转箱,周转箱长×宽×高为78 cm×57 cm×60 cm,试验地点为滇池草海西北岸(24°58′11.4″N,102°38′4.5″E),设有透光板遮雨棚,减少雨水对试验的影响。

试验于2013年6月7日—8月31日在滇池草海西园隧道管理处的庭院内透光遮雨棚下进行。试验分为5组,包括4种水生植物组及对照组,每组设置3个平行。每个周转箱内均加入30 kg经预处理的底泥(约10 cm厚),并沿着箱壁缓慢注入210 L草海原水和5 L外海原藻水;4种植物初始鲜质量均为1 kg,由于周转箱的表面积为0.44 m²,故植物初始种植密度为2.25 kg · m^-2。香蒲和轮叶黑藻处理是先将植物洗净移栽入底泥中再注入试验用水,凤眼莲和水浮莲处理是待试验用水静置24 h后再将植物移入,对照为无植物处理。试验期间每7 d测定水体pH值和溶解氧(DO),并采集水样测定水体总磷(TP)、可溶性总磷(TDP)和可溶性正磷酸盐(SRP),采样后用蒸馏水补足蒸发蒸腾及采样消耗的少量试验用水。于试验开始与结束时分别测定鲜质量,并采集植株样称鲜质量,杀青烘干后称干质量,粉碎制样以测定干物质 及氮、磷含量。每21 d采集底泥测定含水率和总磷。水体总磷去除率的计算公式:去除率=[(c₀-c₁)/c₀]×100%。式中:c₀为试验开始时水体总磷质量浓度(mg · L^-1);c₁为试验结束时水体总磷质量浓度(mg · L^-1)。 植株磷含量的计算公式:a=q×η×1 000。式中:a为植株磷含量(mg);q为植株鲜质量(kg);η为植株鲜质量中磷含量比值(‰,即干物质含量与植株干物质全磷的乘积)。

1.3 测定项目与方法

为了避免试验误差,取样时间均在09:00,用便携式多参数水质分析仪(YSI Professional Plus,美国YSI集团)现场测定水体pH值和溶解氧;植株干物质全磷经过H₂O₂-H₂SO₄消煮后采用钼蓝比色法测定^[11]。将植株从水中捞起放在塑料筐上,直至无滴水时称鲜质量。采用过硫酸钾消解-钼锑抗紫外分光光度法^[12]测定水样总磷;水样经45 μm滤膜过滤后的滤液采用过硫酸钾消解-钼锑抗紫外分光光度法^[12]测定可溶性总磷;水样经45 μm滤膜过滤后的滤液采用钼锑抗紫外分光光度法^[12]测定可溶性正磷酸盐。采用欧洲标准测试委员会的淡水沉积物磷形态SMT法^{[13, 14]}测定底泥总磷。

1.4 数据处理

试验数据由均值±标准差表示,统计处理采用Excel 2003和SPSS 20.0软件,不同处理组水质参数比较差异采用方差分析LSD检验。

2 结果与分析 2.1 水体总磷(TP)、可溶性总磷(TDP)和可溶性正磷酸盐(SRP)的变化

从图 1-A可知:各处理水体TP初始质量浓度约为0.933 mg · L^-1,均呈现明显下降趋势,特别是在14 d内降幅最大。对照组和轮叶黑藻处理组TP质量浓度7 d内迅速上升,于7~14 d内又快速下降,之后略有波动后趋于平稳,试验结束时分别降低至0.260和0.346 mg · L^-1;凤眼莲、水浮莲和香蒲3个处理组TP质量浓度的变化趋势基本相同,21 d内快速波动下降,之后小幅下降逐渐趋于平稳,试验结束时分别降低至0.047、0.054和0.074 mg · L^-1。试验结束时对照组TP质量浓度显著低于轮叶黑藻处理组,显著高于凤眼莲、水浮莲和香蒲3个处理组(P<0.05);轮叶黑藻处理组TP质量浓度显著高于其他处理组;凤眼莲、水浮莲和香蒲3个处理组之间TP质量浓度无显著差异(P>0.05)。

	图 1 试验过程中水体总磷(TP)、可溶性总磷(TDP)和可溶性正磷酸盐(SRP)的变化Fig. 1 Changes of total phosphorus(TP),total dissolved phosphorus(TDP)and soluble reactive phosphorus(SRP)in the water during the experiments
图选项

从图 1-B可知:各处理水体TDP初始质量浓度约为0.173 mg · L^-1。试验过程中,凤眼莲处理组TDP质量浓度在7 d内上升至0.248 mg · L^-1,之后波动下降至0.015 mg · L^-1,然后趋于稳定;水浮莲处理组TDP质量浓度在14 d内快速上升至0.369 mg · L^-1,42 d后降低至0.032 mg · L^-1,之后缓慢下降逐渐趋于稳定,试验结束时为0.016 mg · L^-1;香蒲处理组TDP质量浓度在28 d内快速下降至0.034 mg · L^-1,之后质量浓度基本稳定在0.027 mg · L^-1;轮叶黑藻处理组TDP质量浓度在7 d内快速上升至0.310 mg · L^-1,又在28 d时降至试验周期内的最低点(0.030 mg · L^-1),之后持续上升,试验结束时达0.285 mg · L^-1;对照组TDP质量浓度在28 d内波动下降至0.027 mg · L^-1,之后波动上升,试验结束时为0.095 mg · L^-1。试验结束时对照组TDP质量浓度显著低于轮叶黑藻处理组,同时显著高于凤眼莲、水浮莲和香蒲处理组;轮叶黑藻处理组TDP质量浓度显著高于对照组和其他3个处理组;凤眼莲、水浮莲和香蒲3个处理组之间TDP质量浓度无显著差异。

从图 1-C可知:各处理水体SRP初始质量浓度约为0.102 mg · L^-1。试验过程中,凤眼莲处理组SRP质量浓度在35 d内下降至0.002 mg · L^-1,之后波动上升趋于稳定,试验结束时为0.008 mg · L^-1;水浮莲处理组SRP质量浓度在14 d内快速上升至0.264 mg · L^-1,在14~21 d内又快速下降至0.065 mg · L^-1,之后缓慢下降逐渐趋于稳定;香蒲处理组SRP质量浓度在28 d内较快下降至0.002 mg · L^-1,之后略有上升又逐渐降低,然后趋于稳定;轮叶黑藻在7 d内小幅上升至0.114 mg · L^-1,以后21 d内又波动下降至试验过程中的最低点(0.007 mg · L^-1),之后持续上升,试验结束时为0.268 mg · L^-1;对照组SRP质量浓度在28 d内波动下降至0.004 mg · L^-1,之后波动上升,试验结束时为0.070 mg · L^-1。试验结束时对照组SRP质量浓度显著低于轮叶黑藻处理组,同时显著高于凤眼莲、水浮莲和香蒲3个处理组;轮叶黑藻处理组SRP质量浓度显著高于对照组和其他3个植物处理组;凤眼莲、水浮莲和香蒲3个处理组之间SRP质量浓度无显著性差异。

2.2 不同处理植物鲜质量及磷含量变化

如表 2所示:4种植物的初始鲜质量均为1.00 kg,采收时凤眼莲处理组鲜质量达6.56 kg,增加了5.56倍; 水浮莲鲜质量为3.81 kg,增加了2.81倍;香蒲鲜质量为1.60 kg,仅增加60%;轮叶黑藻鲜质量为1.59 kg,仅增加59%。根据试验开始和结束时植株体内磷含量可知:试验过程中通过植物(凤眼莲、水浮莲、香藻和轮叶黑藻)的吸收同化作用从系统中带走的磷含量分别为:596.30、193.78、132.72和442.58 mg。

试验开始时底泥质量为12.00 kg,结束时为11.94 kg。通过单位质量底泥的磷含量的计算可知:凤眼莲、水浮莲、香蒲、轮叶黑藻处理组和对照组的底泥总磷减少量分别为420.31、16.01、-31.13、368.85和12.21 mg(表 3)。凤眼莲、水浮莲和轮叶黑藻处理组底泥TP减少量均为正值,说明试验过程中底泥磷素向水体释放,底泥TP含量降低;香蒲组底泥TP减少量为负值,即试验过程中底泥吸附了水体中的磷素,底泥TP含量增加;对照组底泥向水体释放了少量磷,底泥TP含量降低。由于底泥的变化过程比较缓慢,且含磷化合物移动性比含氮化合物低,所以,本试验中与底泥总磷含量相比,底泥总磷变化量相对较小。

由表 4可知:凤眼莲所吸收的磷素来源于水体与底泥;水浮莲吸收的磷素主要来源于水体;香蒲吸收的磷素主要来源于水体;轮叶黑藻吸收的磷素主要来源于底泥。对照组中的水体总磷浓度下降,底泥总磷含量降低,可能是由于周转箱内壁着生的水绵等其他生物吸收同化的原因。

试验结束时,凤眼莲、水浮莲、香蒲处理组对水体TP的去除率分别达95.0%、94.3%和92.0%,轮叶黑藻处理组对水体TP的去除率仅为62.9%,低于对照组(72.1%)。与对照相比,4种不同生态类型水生植物对TP的去除能力大小依次为:凤眼莲、水浮莲、香蒲、轮叶黑藻。各植物对水体磷素的去除能力存在差异:一方面与植物的吸收富集能力有关,如凤眼莲能够通过分蘖繁殖快速累积植株鲜质量,鲜质量的增加使得植物对水体磷素的吸收能力增强^[15];另一方面与植物的生态类型有关,如凤眼莲、水浮莲为漂浮植物,根系生长在水中,理论上说,优先吸收水中的营养元素(氮和磷),而香蒲和轮叶黑藻的根系扎在底泥里,理论上说,优先吸收底泥中的营养元素(氮和磷)。

3.2 水生植物系统中的磷迁移

磷在水-底泥系统中同时存在吸附和解吸现象,当上覆水体中磷浓度为某一适当值时,底泥对磷的吸附和解吸达到动态平衡,称此时上覆水体中磷的浓度为磷的吸附/解吸平衡浓度。当上覆水体中磷的浓度大于该平衡浓度时,底泥表现出吸附磷的特征;反之,底泥则表现为释放磷^[16]。本试验中,各处理组系统的上覆水与底泥之间也存在这样的吸附和解吸现象。凤眼莲为漂浮植物,在水面生长,根系首先吸收水体的营养元素(氮和磷),由于凤眼莲的快速分蘖繁殖,水体TP浓度迅速降低,底泥中的磷素释放进入水体,因此凤眼莲所吸收的磷素来源于水体与底泥。与凤眼莲相比,水浮莲的生物量较小,故水浮莲生长所需的营养元素相对较低,水浮莲吸收的磷素主要来源于水体。香蒲扎根于底泥,从理论上说,通过根系首先吸收底泥中的营养元素,但本研究中,香蒲处理组的水体总磷含量降低,底泥总磷含量增加,推测香蒲根系首先吸收了底泥中的磷,继而水体磷素再被底泥所吸附,因此从表观上看,香蒲所吸收的磷素主要来源于水体。沉水植物轮叶黑藻植株部分发生腐烂,使得茎叶部分对水体总磷吸收能力减弱,水体总磷浓度略有下降,净化效果低于对照组,但底泥总磷含量明显降低,轮叶黑藻吸收磷素的主要来源为底泥。沉水植物的根系被认为仅具有固着作用,营养吸收能力较弱,但是近年来的研究表明,沉水植物的根系具有重要的吸收功能,所需的磷是由根直接从底泥中吸收,氮素和微量元素也可通过根从底泥中吸收^{[17, 18]},本文的研究结论与之相一致。

3.3 水生植物对于实际工程应用的意义

水生植物的净增鲜质量是决定水生植物水质净化能力的一个重要因素,磷吸收量而不是植株磷含量应作为水生植物筛选的一个重要指标^[19]。在实际工程应用中,对于湖滨带的生态修复,可将挺水植物与沉水植物搭配使用,在发挥净化水体功能的同时,还能够固定湖滨带的底泥;而对于湖泊大水面的生态修复,利用漂浮植物将是更好的选择,在漂浮植物高效富集水体氮、磷后,利用机械化采收装置将其打捞,从而将氮、磷等污染物彻底带出水体,打捞之后的漂浮植物还可制作沼气、有机肥料、青贮饲料等进行综合利用^[20],实现生态效益与经济效益的双赢。