近三十年来,生活污水、畜禽养殖、工业污水等直排导致氮磷等营养盐在河流、湖泊等水体中大量富集,造成水体富营养化,其外在表现之一就是水体中蓝绿藻细胞过度繁殖形成水华及蓝藻聚集死亡引起藻源性黑水团等水污染事件^{[1, 2, 3, 4]},使得其对水质污染产生了质的变化.水体富营养化的主因是过多氮磷从陆地单向流入水体中而积累过多的营养盐,至今人们仍无有效的管理系统和技术手段阻止这一既影响粮食生产安全又损害生态环境和饮水安全的“断裂的生物地球化学循环”^{[5, 6]}.

针对上述水体污染问题及特点,目前已采取了多种治理方式,如底泥疏浚^[7]、引水稀释^[8]、水生植物生态恢复^[9]、改性粘土絮凝^[10]等,在一定范围和时间内取得了较好的效果.然而,针对容积较大、污染严重、水交换周期长的水体,则需要一种高效、环境友好的原位水体水质修复的治理措施与方法.Schwarzenbach等^[11]与Shannon等^[12]分别撰文指出,未来污染水体的治理应以低本高效、可持续和环境友好型的方法和措施为发展方向.因此,如何快速、有效地控制和降低水体中营养盐含量、修复受损水体生态、构建健康的水生态环境,成为摆在环境工作者及地方政府决策者面前的亟需解决的具有战略意义的新课题^[13].

水葫芦,学名为凤眼莲(Eichhornia crassipes Solms),曾作为世界十大恶性杂草之一被视为主要的入侵物种^[14],然而因其具有扩繁快、适应性强、去污效果显着等优点而成为污染水体治理的优选植物^{[15, 16]}.目前,利用水葫芦修复污染水体等的研究多是在实验室或池塘等小规模实验尺度下进行^[17],在水文气象条件及污染物的含量等具有不可比拟的尺寸和条件下,这些研究结论对在像太湖这样的大水面控养后的实际效果会有极大的区别,在开阔水域设置以种养水葫芦为主的生态治理工程,在受风浪扰动和水体交换作用影响后,水葫芦对水体营养盐的吸收净化、蓝藻的拦截等所得监测结果都会有较大的区别.在太湖流域对以种养水葫芦为代表的速生植物生态治理工程措施的水体净化效果及蓝藻拦截情况已经做了前期研究^[18],主要是在水葫芦种苗投放、形成“群体效应”后开展的研究,而在种苗投放前后及种苗生长过程中对水体净化效果尚未进行系统研究.因此,本研究以在太湖竺山湖进行的水葫芦种养措施为依托,在控养过程中种苗投放前及生长过程中对水体理化因子的影响、尤其是对水体中溶解氧含量的影响和水体净化效果进行监测调查,通过评价该生态工程措施效果及对关键水质因子的影响,为在太湖流域等扩大实施种养规模、提高水质净化效果提供理论依据. 1 样点布设及样品分析 1.1 植物控养围栏设置

植物控养围栏采用桩基钢管围栏进行控制,围栏采用6 m长的镀锌钢管,接口处焊接小环并用扣环联结,两根钢管上下绑有两个泡沫浮球组成一套围栏,若干套围栏可固定成任意形状的水葫芦控养围栏,浮球外面包裹网片,网片下端坠石龙且可下坠到水中1.5 m深处;每隔30 m在钢管两端用绳索固定到暗桩上,以防水葫芦逃逸和减少风浪冲击.在本实验中,水葫芦控养围栏共固定成3条长×宽均为450 m×600 m的控养围栏. 1.2 采样点布设

研究地点设在太湖竺山湖的实验区,本实验区处于武进太滆村与宜兴周铁水域中间位置(距离周铁及太滆岸边各有1.5 km远,见图 1).水葫芦放养区利用不锈钢钢管、围网和锚基暗桩进行固定,以有效防止风浪扰动,保证水葫芦良好生长.共设7个样点进行水样采集、分析,其中远离放养区2个(1号点与8号点,设为对照点),靠近放养区3个(3号点、5号点、7号点,设为近种养),放养区内3个(2号点、4号点、6号点,设为种养);并利用手持GPS定位.

图 1 采样点位示意图 Figure 1 Sampling sites

图选项

水葫芦种苗于5月上旬开始投放,从水葫芦种苗开始投放前的4月进行水样采集,至10月底水葫芦打捞完毕采样结束;每月的上旬和下旬各采集一次水样,用采水器分别采集上层(离湖面0.3 m,种养区内取植物根际处,下同)、中层(0.5 H,H为采样时实测水深)、下层(离湖床0.5 m)三层水样,每层3个重复(下同),然后取其混合样;同时用便携式水质监测仪YSI测定水体的DO、pH、悬浮物含量并观察水体水质情况.

水样采集完毕立即带回实验室进行处理.水样的TN、TP利用碱性过硫酸钾消煮法测定^[19],把水样经GF/C(Whatman)滤纸过滤后利用注射式流动分析仪测定^[20]水溶性NH₄⁺-N、NO₃^--N、PO₄^3--P的含量,叶绿素含量的测定采用热乙醇法测定^[21].利用Excel 2007和SPSS 19进行数据统计分析,并用Origin 8 进行图形绘制. 2 结果与分析 2.1 上覆水DO、pH和透明度变化

水葫芦控养地点位于竺山湖水域中间位置,受风浪、水流等影响较大,夏季南风、西南风等经过马山后进入竺山湖中,由于没有山体等阻挡,在较长的风程作用下竺山湖中心水体风浪较大,这为水葫芦控养区内外水体交换提供了较好条件,具体表现在控养区内外水体中的溶解氧(DO)含量变化差异不大.但在进入7月份突然急剧下降(图 2),随后其含量又开始快速上升.前期(4-6月)水体DO含量较高,有助于投入的水葫芦种苗快速繁殖、净化水体;进入7月后水体溶氧因蓝藻大量聚集死亡而引起有机物快速分解消耗大量溶解氧,造成水体中溶氧含量快速下降,但仍未低于4.0 mg·L^-1,未出现对水体中的鱼类等大型水生生物造成危害的长期缺氧现象.这表明在太湖这种受风浪扰动作用强烈、水动力及水交换作用明显的水体中大面积种养水葫芦后不会出现水体大面积缺氧的现象.

图 2 实验期间上覆水体基本理化参数变化 Figure 2 Changes of DO,pH,temperature and SD in overlying water during experimental period

图选项

水体pH值变化幅度不大,基本上在7.5左右波动.与对照区(种养区外围水域)相比,生态工程区内及近工程区水体中的pH稍低.这是因为随温度升高,水体及底泥中大量蓝藻孢子复苏后开始上浮到水体表面,使得水体的pH值较高,有利于藻细胞的生长;水葫芦生长并连接成片形“水葫芦草席”后会改变水体的pH值,使得水葫芦种养区水体的pH值开始下降^[22],且水葫芦生长过程对水面的覆盖程度直接影响水体pH值^[23],从而使得藻细胞周围水体pH值发生改变,影响蓝藻细胞的生长^[24],较高的pH有利于藻细胞的生长和分裂生长,低pH则延缓藻细胞的生长.因此,在水葫芦种养区内及近种养区,水体pH值小于外围对照区,与作者前期研究^[18] 结果类似.

水体温度变化呈现单峰的变化趋势,从4月份水体温度开始升高,到8月份达到顶点,种养区内外水体的温度达到31 ℃,随后水体温度开始呈现下降趋势.由于种养区处于竺山湖水体中央,受风浪、水流等的影响,水体交换剧烈,相对于竺山湖水面面积,水葫芦种养工程所覆盖的面积过小(相当于3%的覆盖度),种养区内外的温度差异不明显.

水体悬浮物含量变化呈现随水葫芦生长而降低的趋势,但仍然表现为水葫芦种养区内要高于种养区边缘和外围,透明度(SD)基本在20 cm上下波动.由于进入5月水葫芦投放后开始大量的扩繁、生长,在适宜的温度(水温超过20 ℃时)下其生长速度较快,同时大量的须根可以吸附、拦截或持留水体大量的颗粒物、悬浮物和蓝藻细胞,从而表现为种养区周围及种养区内部水体中的悬浮物含量较高、透明度下降的变化趋势.这也与水体中蓝藻细胞大量上浮到水体中、形成蓝藻水华现象导致水体中叶绿素含量开始快速增加的变化趋势一致(图 5).

图 5 上覆水体叶绿素含量变化 Figure 5 Changes of Chla concentrations in overlying water during experimental period

图选项

从4月初至10月底水葫芦开始采收后采样结束,在整个样品采集过程中,水葫芦控养区内外水体中蓝藻分布、水体透明度等区别不明显;从水体中营养盐含量的分布结果来看(图 3),上覆水体中TN含量从6月份开始呈现逐渐增加的趋势,其含量变化幅度在0.97~1.58 mg·L^-1之间.靠近种养区和远离种养区的TN含量在总体上高于种养区内TN含量;随时间变化,水葫芦种养区内外水体中TN含量都表现为增加趋势,进入9月份后水体中TN含量达到整个实验期间最高值,高达3.50 mg·L^-1,但近种养区和种养区内TN含量要低于种养区外围.SPSS相关性分析表明,其差异不显着.

图 3 采样期间上覆水体TN、TP含量变化 Figure 3 TN and TP dynamics in overlying water during experimental period

图选项

水体中TP含量变化也呈现类似变化趋势,4月期间采集的水样中TP含量变化幅度为0.085~0.107 mg·L^-1.随着时间推进,水体中TP含量略有增加,5-8月控养区内部水体的TP含量变化幅度较小,其变幅为0.076~0.139 mg·L^-1,同期对照样点中水体的TP含量变化幅度为0.093~0.168 mg·L^-1,表现为种养区内部水体中TP含量低于种养区外部水体;进入9月份后水样中TP含量普遍升高,种养区内部、边缘和外部水体中TP含量分别达到0.141、0.145、0.177 mg·L^-1;随后其含量逐渐下降,在采样结束时(10月下旬)种养区内部、边缘和外部水体中TP含量分别为0.136、0.141、0.152 mg·L^-1,表现为种养区外围要高于近种养区和种养区内.相关性分析表明,其差异不显着(P>0.05).

水体中TN、TP初始含量较低、随后增加的原因是:一方面随着温度升高、光照增加,底泥中的蓝藻孢子、休眠蓝藻细胞开始复苏并向上覆水体中移动、聚集形成藻华^{[25, 26]},大量藻细胞含有丰富的氮磷营养盐,导致水体中营养盐含量增高;另一方面受风浪、湖流等影响的沉积物频繁出现再悬浮过程而致营养物质向上覆水体中释放,造成水体中营养盐含量增加^{[27, 28]}.这些外因常会造成水体中的氮磷营养盐含量过高.进入9月份后,受高温影响,水体中大量蓝藻进入衰亡期,藻细胞中释放出来的氮磷含量对水体中TN、TP含量增加起到了助推作用.但由于种养区处于竺山湖中间位置,风浪扰动和较强的水流作用,使得种养区内外水体交换频繁,表现为种养区内外水体中基本理化参数与营养盐含量差异不大.这也反映了水体中基本理化指标与营养盐的变化趋势.同时,近年来在太湖地区开展的多项水环境综合治理措施,如源头控污、移除重污染企业、引江济太等^[8],也对太湖竺山湖水质改善起到了重要作用,与2009年进行水质调查时相比,水体中TN、TP含量已经有了大幅度的下降. 2.3 上覆水中可溶性营养盐含量变化

水体中溶解性NO₃^--N、NH₄⁺-N、PO₄^3--P含量变化如图 4所示.从时间变化来看,上覆水中NO₃^--N含量总的变化趋势为在样品采集后期呈现下降趋势,而在前期(4-8月)变化幅度不大.在5-8月,种养区内的NO₃^--N含量变化范围为0.56~0.59 mg·L^-1,同期对照样点的NO₃^--N含量变化范围为0.58~0.62 mg·L^-1;在9-10月,其含量变化范围为0.41~0.53 mg·L^-1,种养区外围对照样点的NO₃^--N含量为0.54 mg·L^-1.如前所述,这种现象可能是由于水葫芦大量的须根吸附悬浮物,造成种养区内部水体中NO₃^--N含量高于外部水体.上覆水体中NH₄⁺-N含量变化差异较大且无明显的规律性,与水体中NO₃^--N含量变化类似,虽有波动,但变化幅度不大.种养区内部水体中NH₄⁺-N含量变化范围为0.18~0.30 mg·L^-1,同期对照样点的NH₄⁺-N含量变化范围为0.21~0.31 mg·L^-1,基本上与种养区内部的含量相同.

图 4 上覆水体NO3--N、NH4+-N、PO43--P含量变化 Figure 4 Changes of NO3--N、NH4+-N and PO43--P concentrations in overlying water

图选项

PO₄^3--P含量变化呈现前期变化不大,但在后期突然增加的现象.4-8月,种养区内部水体中的PO₄^3--P含量变化幅度为0.009 1~0.034 mg·L^-1,同期对照区水体中的PO₄^3--P含量变化幅度为0.009 8~0.052 mg·L^-1,变化幅度高于种养区内部,但差异不明显.进入9月后,种养区外围对照样点水体中的PO₄^3--P含量呈现快速增加的趋势,其变幅为0.19~0.26 mg·L^-1,种养区边缘处水体中PO₄^3--P含量也表现为快速增加的趋势,其含量由0.039 mg·L^-1增至0.18 mg·L^-1,变化趋势与水体中TP含量变化类似.这是因为进入9月后,水体表面漂浮的大量蓝藻细胞死亡分解后释放大量的氮磷营养物质进入到水体中,使得水体中的营养盐含量急剧增加,造成种养区外围及边缘处水体中的PO₄^3--P含量快速增加的现象.

从空间变化上来看,在水葫芦种养区内部和边缘水体中NH₄⁺-N、NO₃^--N含量低于种养区外围,但规律性较差.在种苗投放后,对照样点水体中溶解性的NO₃^--N、NH₄⁺-N、PO₄^3--P含量均低于种养区内部;进入9月后种养区内部含量低于种养区边缘和外部,到了10月更是表现为种养区内部含量低于种养区外围,甚至也低于种养区的边缘的现象,表明外部水体中较高的营养盐含量起着较大的影响作用.NO₃^--N含量的变化趋势基本表现为种养区外围高于种养区内部,4-8月期间采集的水样中其含量较高,随后在9月份出现快速下降,到了10月中下旬其最高含量仅为0.50 mg·L^-1,种养区内部仅为0.41 mg·L^-1.上覆水体中NH₄⁺-N含量普遍较低,最高也仅为0.32 mg·L^-1,其变化趋势基本在0.25 mg·L^-1上下波动,没有表现出较大的变化幅度.水体中PO₄^3--P含量变化规律呈现前期较低、9月后快速增加的趋势,水葫芦种养区内部低于种养区边缘和外围水体.这是因为进入9月后,水体中大量的蓝藻细胞进入到衰亡期,藻细胞的分解会释放大量的营养盐到水体中;同时外围水体受风浪、行船扰动后底泥释放、藻细胞的代谢等释放出水溶性的PO₄^3--P而使其含量高于种养区内部. 2.4 水体中叶绿素含量变化

叶绿素浓度变化主要表示了水体中藻细胞的数量,而其含量受气温、光照、温度、风浪等气象因子影响较大^[29].试验期间水体中藻细胞(主要是蓝绿藻)的浓度用叶绿素来表示,其变化趋势如图 5所示.种养区外围叶绿素含量高于边缘及种养区内部;随着温度升高,藻华出现与堆积的现象愈来愈严重,表现为4-8月逐渐升高,在8月达到最高值,其含量高达77.7 μg·L^-1;同期外围水体对照样点中叶绿素含量为86.7 μg·L^-1,即放养区外围>放养区内部,但差异不明显;进入9月后,藻细胞受代谢作用和水温等影响,藻细胞开始大量衰亡,叶绿素含量快速下降,种养区内、边缘和外部其含量分别为21.85、23.56、26.65 mg·m^-3;到了10月,虽然水面上仍有大量藻细胞漂浮,但大部分已处于衰亡阶段,因此叶绿素含量持续降低.从水葫芦放养区内外叶绿素含量的变化情况可以看出:受水葫芦根须吸附、拦截等影响,水体流入放养区后,藻细胞都被持留在放养区内,外围水体中藻细胞数量明显降低;大量藻细胞进入到种养区内被吸附到水葫芦根系上后,刺激水葫芦根系的活力增加^[30];同时水葫芦根系及茎叶等可能会分泌化感物质^{[31, 32]},抑制蓝藻细胞生长,从而实现了对污染水体的净化功能. 3 讨论 3.1 规模化种养水葫芦后对营养盐吸收和水质改善的效果

有研究^[33]发现在适宜的温度、光照条件下藻细胞比其他生物能够更有效地利用营养盐,具体表现为蓝绿藻细胞比其他浮游植物对光照、营养盐等具有更强的竞争能力.水华大量发生时,主要细胞种类为具有固氮作用的蓝藻细胞,其可以从空气和水体获得所需营养物质.但在像太湖竺山湖等严重富营养化的水体中,水体营养盐含量已不再是藻华发生的限制因子,只是在不同温度、水文等气象条件影响下,蓝藻水华发生的严重程度不同.在竺山湖放养千亩水面的水葫芦后,蓝藻细胞进入水葫芦种养区后就会被拦截、吸附到水葫芦的须根处;同时因风浪和湖流的扰动作用,水葫芦种养区内部和外围水体不断进行水体交换,因此在整个野外试验期间,利用水质监测结果所得的种养水葫芦的生态工程措施对水质净化的效果不明显;但在种养66.7 hm²水葫芦后,可以采收将近20 000 t新鲜水葫芦,其干物质中N、P、K的含量分别按照1.98%、0.24%、4.45%进行计算^[34],直接带出的N、P、K可达19.8、2.4、44.5 t[计算方法:对667 m²水面中设定三个样方,测定样方中水葫芦的生物量,并结合实际打捞上岸后水葫芦的生物量进行统计、计算所得,然后对打捞上岸后的水葫芦进行养分分析],表明其具有强大的水体氮磷净化能力.Yi等^[35]研究发现,水葫芦根须引起的藻细胞的呼吸和生物降解作用提供了一个良好的反硝化环境,同时水体和根部溶解氧含量对反硝化作用去除氮起到了关键作用.根据此次调查结果可知(见图 2中溶解氧变化所示),水葫芦种养区内外水体中溶解氧差异不明显,即此种条件下不会因种养水葫芦而对水体环境产生不利影响.Hadad等^[36]研究表明,水葫芦等漂浮植物因具有较高的生长速率和对光照、溶氧、营养盐等具有较强的竞争能力,以及较强的分蘖能力,使得它在短期内能够比其他水生植物积累更多的N、P等营养盐,可以从水体中带走更多的营养盐^[37],从而实现污染水体的生态治理,此种漂浮植物常用作污染水体修复的优选植物^[38].因此,种养水葫芦不但可以直接改变水体中悬浮物含量、水体透明度等,而且可以从水体中直接带出大量的氮磷,具有快速净化水体功效.相关性分析(表 1)表明,控养水葫芦后,水体几种基本理化指标与水体营养盐之间具有弱相关性,而水体中叶绿素含量与水体透明度、TN、TP含量有较强的正相关性,但与水葫芦覆盖面积负相关性明显,表明在此种水体环境下,水体中较高的TN、TP含量对藻华发生具有较大贡献;水体TN含量与水葫芦覆盖面积具有较强的负相关性,表明水葫芦控养后,随着覆盖面积的扩大,其对水体中TN含量具有明显消减效果.

表 1 水体基本指标与水体营养盐的Pearson 相关性分析 Table 1 Pearson correlation of basic physical-chemical parameters and nutrients in water

表选项

自2009年太湖流域开展利用水葫芦进行污染水体生态治理工作以来,江苏省每年在太湖(以太湖十八湾、太湖竺山湖、宜兴太湖等水域为主)种养的水葫芦控养面积在933.5 hm².按照667 m²水面可收获20 t新鲜水葫芦的生物量来计算,则每年可采收水葫芦的量为28万t.根据盛婧等^[34]研究结果,每平方米水葫芦可从水体中带出N、P、K的量分别为103.61、12.24、234.09 g,N、P、K的干物质含量按照1.98%、0.24%、4.45%进行计算,则每年所控养的933.5 hm²的水葫芦可从水体中带出的N、P、K的总量分别为277.2、33.6、623 t.自2009年始,通过在太湖流域控养水葫芦的方式共计采收水葫芦84万t,从水体中直接取出N、P的总量分别为831.6、100.8 t,具有其他治理措施所不可比拟的优势和治理效果. 3.3 生态工程措施的应用前景

受湖泊流域强烈的人为活动影响,目前我国66%以上的湖泊、水库处于富营养化水平,其中重富营养和超富营养的水体占22%^[39],使得当前乃至今后相当长一段时间内水体环境的改善及恢复仍是环境保护的一项重要任务.虽然在“十五”、“十一五”期间,国家与地方投入大量的人力、财力,并采用各种治理方法,对太湖流域进行了综合治理,对水体改善起到了一定效果^{[7, 40, 41, 42]},但从物质循环的角度来看,这些措施只能是在一定时间和范围内有效,在较长的时间尺度和空间范围内,仍会出现因营养盐过量累积导致的富营养化现象.而针对较大水域下,采用速生、生物量大、适应性强且易打捞采收利用的漂浮植物,不但具有快速净化水体的功效,而且可机械化作业并资源化处理.水生漂浮植物连同其控养设施,可以视为一个可以“移动”的湿地,可根据污染治理的需要,因地制宜的布置在需要治理的水体中,进而改善目前面临的湖泊等湿地面积不断萎缩的局面.因此,以水葫芦为代表的漂浮植物生态治理工程措施,将会是目前乃至将来水体治理的一个重要发展方向和尝试^{[12, 37]}.虽然目前仍有较多研究者对利用水葫芦修复污染水体持保守乃至怀疑态度,特别是对其在水体修复和治理中的作用仍有争议^{[14, 16, 43]},但从2009年开始在太湖进行的水葫芦种养调查结果表明,在解决了“控制性放养-机械化采收-资源化再利用”的处理问题后,在太湖等大型、富营养化的浅水湖泊中,受风浪扰动和沉积物再悬浮较为强烈的水体中,种养一定面积的水葫芦后并没有产生许多研究者所担心的问题,诸如底栖生物多样性降低、水体缺氧、水葫芦泛滥等现象^{[44, 45]}.这是因为水葫芦放养面积相对较小,覆盖度尚不足竺山湖水面的3%,而且受附近航道行船及较强的水动力作用等的影响,水体交换和流动性增强,弱化了水葫芦大水面覆盖后可能对水体中溶解氧消耗的不良影响.通过实施以水葫芦种养为主的生态治理工程,水体基本理化性质未出现众多研究者所担心的负面影响.

目前各级政府和研究者的注意力主要集中在如何防止水葫芦泛滥和减轻其对社会生产的危害等方面,对如何发挥其对水体中污染物的治理优势研究也大多是在实验室内进行,在较大规模(超过33.4 hm² 种养水面)的应用或尝试并不多见.作者对进行大面积种养水葫芦后的生态工程措施下的相关研究发现,水体基本理化参数没有出现不良效果,而且作者2009年对种养水葫芦期间底栖动物的影响研究结果表明,种养后底栖动物种群多样性增加,指示水体环境改善作用的物种与数量增加,代表水体污染状态的污染指示种的数量明显降低^[46];同时,每年可打捞上岸的水葫芦生物量非常可观,水葫芦可直接从水体中带出大量的氮磷等营养物质,发挥其净化水体的功效.由于利用大水面放养水葫芦仍是一个全新的课题,如何提升其对水体的净化效果、发挥其最佳净化功能,需要做进一步的研究. 4 结论

(1)种养水葫芦后,水体中无缺氧现象,种养区内部水体的TP含量变幅为0.076~0.139 mg·L^-1,对照样点中水体的TP含量变幅为0.093~0.168 mg·L^-1,表明水葫芦种养是一种有效的治理措施.

(2)受水葫芦根系的吸附、拦截等作用,种养区内外蓝藻含量分别达21.85、26.65 mg·m^-3,表明水葫芦种养后可有效拦截蓝藻水华.