衡水湖优势水生植物水质净化及景观优化研究.pdf
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1、第 25 卷 第 4 期 衡水学院学报 Vol.25,No.4 2023 年 8 月 Journal of Hengshui University Aug.2023 衡水湖优势水生植物水质净化及景观优化研究 冯 雪,冯 蕾,李 月 (衡水学院 生命科学学院,河北 衡水 053000)摘 要:选取 10 种衡水湖常见的优势水生植物作为供试植物,设置 3 个浓度梯度富营养化水体对其净化效果进行分析,探讨相同水生植物对不同浓度水质吸收和去除效果、不同水生植物对同一浓度水质指标吸收和去除效果,以及水生植物组合对不同浓度水质吸收和去除效果。研究结果表明:不同水生植物对氨氮(NH4+-N)、化学需氧量(C
2、OD)、总氮(TN)、总磷(TP)的吸收效果均存在很大差异性。其中,在单一植物处理中,慈姑对 TN 的去除效果最明显,去除率高达 65.5%;香蒲对 NH4+-N 的去除效果最明显,去除率为 81.31%;鸢尾和再力花对 TP 的去除明显优于其他植物;在 COD 去除上,香蒲则表现出一定的优势。而在植物组合处理中,芦苇金鱼藻睡莲组合对 TN、TP 和 NH4+-N 去除效果最佳。综合考虑植物净化作用及优势水生植物徒长引发的次生环境问题,建议千屈菜、香蒲、芦苇、慈姑、鸢尾、荷花、再力花等 35 种植物搭配使用,应用于富营养化水体中氮、磷的去除,净化效果更佳,既可以改善衡水湖的水质,又可以提升衡水
3、湖湿地生态景观效果。关键词:衡水湖;水生植物;水质净化;氮磷;富营养化 DOI:10.3969/j.issn.1673-2065.2023.04.002 作者简介:冯 雪,女,河北景县人,讲师。冯 蕾,女,河北故城人,副教授。基金项目:2022 年河北省湿地保护与绿色发展协同创新中心专项课题(2022XJZX20);衡水市科技计划项目(2021014007Z)中图分类号:S688 文献标识码:A 文章编号:1673-2065(2023)04-0007-06 收稿日期:2022-11-07 衡水湖湿地是中国北方唯一保留了沼泽、水域、滩涂、草地和森林等完整湿地生态系统的自然保护区,拥有着辽阔的水体
4、面积和大量的湿地植物资源,其植物多样性和淡水生态资源在华北地区具有不可替代的地位1。由于水体中氮、磷等营养物质的过度积累,导致藻类的大量繁殖,严重影响了衡水湖的水体质量,进而影响了衡水湖的生态环境质量。本试验以衡水湖常见 10 种水生植物为研究对象,通过在实验室进行水培,配置不同浓度的营养液,研究供试植物对衡水湖富营养化水体的净化效果及规律,为衡水湖湿地水质净化与治理提供科学理论依据2。1 材料与方法 1.1 实验材料与仪器 1.1.1 实验材料 荷花、芦苇、千屈菜、金鱼藻、睡莲、香蒲、慈姑、黑藻、水生鸢尾、再力花等 10 种供试植物。配置 2 个梯度的营养液(高质量浓度:磷酸二氢钾 4 mg
5、/L+硫酸铵 20 mg/L;低质量浓度:磷酸二氢钾 2 mg/L+硫酸铵 10 mg/L。以下分别简称“高浓度”“低浓度”),底泥作为水培基质,设置未加植物的水培营养液作为对照组(CK)。1.1.2 仪器设备与试剂 所用仪器:COD 分析仪、消解仪、紫外分光光度计、TOC 分析仪、高压灭菌锅、电子天平等。8 衡水学院学报投稿平台:https:/ 25 卷 所用试剂为钼酸钠、浓硫酸、重铬酸钾、硫酸亚铁、重铬酸钾、硫酸银-硫酸溶液、试亚铁灵、硫酸亚铁铵、硝酸钾、硝酸铵、磷酸二氢钾等、硫酸二氢钾、硫酸铵。1.2 实验方法 1.2.1 水样采集及处理 利用实地调研法,对衡水湖中景观水体各水质情况及水
6、生植物应用现状进行调查分析。根据分散采样法,在衡水湖不同点位采取水样,使用高压灭菌方法对其进行消毒处理。将处理后的水质中加入不同浓度的硝酸钾、硝酸铵、磷酸二氢钾模拟设置 3 个浓度梯度的富营养化实验水体,备用。1.2.2 植物采集及处理 水生植物购入后,利用水培法将水生植物种植于塑料箱(外形尺寸为 67 cm45 cm53.5 cm)中。实验前,去除枯叶,将其洗净,在实验室内用自来水预培养 7 d 后,选择长势良好且外形相近的植株作为供试植物。将供试植物先在流动的自来水中冲洗干净,再用蒸馏水对各供试植物进行冲洗,排除自来水中的杂质对实验的影响,用洁净的纱布擦拭植株表面的水分,直至基本无水自然滴
7、下。将处理后的 10 种植物分别放进 3 种不同浓度的富营养化水体中进行培养,7 d 后,观察其生长状态,分析不同供试植物对模拟营养化水体的净化作用。各组设置 3 次重复。1.2.3 测定方法 水体中总氮(TN)的测定,采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。水体中总磷(TP)的测定,采用钼酸铵分光光度法3。水体中氨氮(NH4+-N)的测定,采用纳氏试剂分光光度法。水体中化学需氧量(COD)的测定,采用快速消解法对水体中化学需氧量进行测定4。1.2.4 数据计算与分析 采用 SPSS16.0 统计软件对数据进行统计分析,通过单因素方差分析对不同水生植物对水质净化的数据进行差异的显著性检验,采用 M
8、icrosoft Excel 2016 软件对数据进行处理和绘图。用去除率表示某种植物对总氮、总磷、的净化效率,其公式为:去除率=(C0Ci)/C0100%,其中 C0为水体中氮、磷、氨氮和化学需氧量的初始浓度值,Ci 为某种植物水培 7 d 后水中氮、磷、氨氮和化学需氧量的实测浓度。2 实验结果与分析 2.1 供试植物在置于带有底泥的衡水湖水体中的生长状态 将购入的 10 种水生植物置于带有底泥的衡水湖水体培养7 d后,观察其生长状态,结果如表1所示。观察比较衡水湖不同区域的水生植物的富集状态,衡水湖采集水体、底泥(1.8 kg),7 d 后测定其水体及底泥 pH 值,通过测定结果可知生源
9、pH 值与衡水湖水体、底泥 pH 值几乎相同,故可排除环境因素的干扰。预处理后的植物生长状态明显改善,可排除生理因素的干扰。2.2 不同浓度富营养化培养液中供试植物的生长状态 将配置的 2 个浓度梯度的营养液,倒入采集的衡水湖水体中10个培养桶内,获得不同梯度的稀释液,分别培养购入的水生植物,观察并记录 7 d 后供试植物的生长状态,结果如表 2 所示。由表2可知,植物生长状态较为理想,植物生长较快,大多数植物出现发芽、生根等现象,可排除环境因素、生理因素对后续水质净化实验的干扰。此外,高浓度处理植物生长势强于低浓度植物生长势,表明水体中供试植物所必需的 N、P 含量多可能造成模拟水体的富营养
10、化,为后续植物对 TN、NH4+-N、TP、COD 净化试验奠定一定的基础。表 1 供试植物生长状况记录 植物名称 供试植物生长状态 黑藻 生根 金鱼藻 无变化 水生鸢尾 叶片坚挺,长出新的枝叶、新根 慈姑 外层植物叶片变黄,长出新枝叶、新根 再力花 叶片坚挺,长出新须根 睡莲 叶片长出水面且展开,叶茎增长,长出须根 荷花 水体表面产生油状物,长出叶片 香蒲 长出新根、新植株 千屈菜 茎叶坚挺,长出新根 芦苇 长出新根,长出新植株 第 4 期 冯 雪,等 衡水湖优势水生植物水质净化及景观优化研究 9 2.3 相同水生植物对不同浓度水质吸收和去除效果 2.3.1 同种水生植物对 TN 吸收和去除
11、效果 同一种水生植物在不同程度富营养化条件下,随着富营养化水平的升高,植物对TN 的去除率先升高后降低,其中黑藻和金鱼藻 2 种沉水植物最为明显,去除率高达50%以上(如图 1)。高浓度富营养化条件下,鸢尾、黑藻和金鱼藻等植物 TN 处理的去除率均较低,说明浓度过高的富营养化水体会抑制 TN 的净化效果。而慈姑在 3 种浓度水体中去除率均较高,说明水体中的氮元素作为营养元素被慈姑所吸收。因此,针对修复不同程度富营养化水体时要根据水体的具体情况筛选去除率较高的水生植物种类。图 1 10 种植物不同浓度下 TN 去除率 2.3.2 同种水生植物对 NH4+-N 吸收和去除效果 轻度富营养化到高度富
12、营养化的水体中,鸢尾、香蒲、睡莲、芦苇、黑藻、金鱼藻、荷花等 7 种植物处理的 NH4+-N 去除率均有所升高,其中香蒲由低浓度到高浓度去除率变化最为明显,表明香蒲对NH4+-N 有较好的去除效果(P0.05)(如图 2)。而睡莲在 3 种浓度中 NH4+-N 的去除率均较低,可能是由于睡莲对 NH4+-N 的吸收速度较为缓慢导致的,也可能因为在室内水培,温度高,不太适宜睡莲的生长而导致吸收效果较差。因此,在治理富营养化水平过高的水体时,应根据实际污染情况综合考虑,优先选择香蒲等耐高营养负荷且净化能力强的植物,会有更好的净化效果。图 2 10 种植物不同浓度下 NH4+-N 去除率 表 2 供
13、试植物生长状态记录 植物名称 低浓度水体植物生长状态 高浓度水体植物生长状态 黑藻 生根 生根 金鱼藻 变化不大 变化不大 水生鸢尾 叶片坚挺,生根 叶片坚挺,生根 慈姑 发芽、生根 发芽、生根 再力花 叶片坚挺,长出新须根 叶片坚挺,长出新须根 睡莲 茎叶增长 茎叶增长明显 荷花 变化不大 变化不大 香蒲 发芽、生根 长出新根、新植株 千屈菜 茎叶坚挺,生根 茎叶坚挺,生根 芦苇 生根、发芽 生根、发芽 0.00.20.40.60.81.0去除率/%植物种类底泥高浓度低浓度0.00.10.20.30.40.50.60.7去除率/%植物种类底泥高浓度低浓度10 衡水学院学报投稿平台:https
14、:/ 25 卷 2.3.3 同种水生植物对 TP 吸收和去除效果 TP 的去除率在不同程度富营养化条件下,10 种水生植物对 TP 均起到净化作用,且去除率均显著高于对照组(P0.05)(如图 3)。随着浓度的升高,绝大多数同种植物对 TP 的去除率表现为先升高而后降低,鸢尾和再力花表现最为明显,这可能是由于挺水植物对低浓度污染水体中 TP 的去除反应较为敏感,而在高浓度污染水体中会抑制其生长,导致 TP 去除率有明显下降趋势。图 3 10 种植物不同浓度下 TP 去除率 2.3.4 同种水生植物对 COD 吸收和去除效果 同一种水生植物在不同浓度的水体中对 COD 的去除率变化不大,变化趋势
15、基本保持一致,由底泥到高浓度水体中,均呈现先升后降的趋势,其中香蒲在低浓度水体中 COD 去除率最大,为 0.42%,主要由于5、6月份正值香蒲生长旺盛期,其对有机物质需求量大,因此对水体中COD吸收较为明显。另外,试验水体中 COD 去除率均明显高于对照组(P0.05),如图 4。图 4 10 种植物不同浓度下 COD 去除率 2.4 不同水生植物对同一浓度水质指标吸收和去除效果 2.4.1 不同水生植物对同一浓度 TN 的吸收和去除效果 由数据分析结果可知,底泥组植物净化能力最强为慈姑,去除率为 57.83%,其次为荷花 35.93%,最低为金鱼藻 9.42%。低浓度组净化能力最强的植物为
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