中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1999年 第2期 No.2 1999



冬季水生高等植物对富营养化湖水的净化作用
王国祥　濮培民　张圣照　胡春华　胡维平
　　摘要：在太湖一湖湾的物理-生态工程围区内,采用覆膜和改变生态位的越冬技术,使喜旱莲子草、凤眼莲等漂浮植物能安全越冬,并有效地改善水体透明度,为沉水植物生长及种群自我演替提供了保障.静态试验结果表明,采取简易的防寒越冬技术,改变生态位的喜旱莲子草对TN、NH4+-N、Chla的去除率达77.2%90.1%、58.3%,透明度提高1.5倍；对喜旱莲子草覆膜并间种沉水植物,这一镶嵌组合群落对TN、NH4+-N、Chla的去除率达65.7%、90.7%、58.7%,透明度提高1.6倍.动态试验结果表明,当富营养化湖水在围区内滞留时间达7.33d时,经越冬处理的镶嵌组合群落使围区内水体透明度达90～100 cm,比围区外提高2.6～3.0倍,对TN、TP及NH4+-N的浓度分别比围区外降低37.5%、52.0%及75.4%；而滞留时间低于4.33 d时,净化效果不明显.
　　关键词：水生高等植物；越冬；净化；富营养化湖水；太湖
　　中图分类号：X524　　文献标识码：A　　文章编号：1000-6923(1999)02-0106-04
The purification ability of aquatic macrophytes for eutrophic lake water in winter.
WANG Guo-xiang, PU Pei-min, ZHANG Sheng-zhao, HU Chun-hua, HU Wei-ping
(Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China). China Environmental Science. 1999, 19(2)：106～109
Abstract：In the enclosures of physical-ecological engineering, floating-plants,such as water peanut and hyacinth,can live through the winter with some overwintering techniques. These techniques include covering floating-plants with plastic film, changing the niche of floating-plants and rehabilitating the mosaic community of macrophytes (MCM). The overwintering water-peanut, Alternanthera philoxeroides Griseb, improves the transparency of the eutrophic lake water. Therefore, the submerged plants, can survive in the winter. The removal efficiencies of submersed water-peanut for TN, NH4+-N and Chla are 77.2%, 90.1% and 58.3% in winter, respectively. The transparency in the enclosure of submersed water-peanut is 1.5 times higher than that in the outside of enclosure. The removal efficiencies of MCM covered with plastic film for TN, NH4+-N and Chla are 65.7%,90.7% and 58.7% in winter,respectively.The transparency is heightened 1.6 times by MCM in winter.The results of dynamic experiment show that when the retention time of the eutrophic lake water is 7.33 d in the MCM enclosure, the overwintering MCM can increase the transparency by 2.6～3.0 times(up to 90～100cm). The concentrations of TN, TP and NH4+-N, decrease by 37.5%,52.0% and 75.4%,respectively. However, when the retention time is shorter than 4.33 d, the purification efficiencies are insignificant.
Key words：aquatic macrophytes；overwintering；purification；eutrophic lake water；Lake Taihu
　　业已证明,水生高等植物能有效地净化富营养化湖水[1,2],但以往的研究局限于水生高等植物的生长季节.在冬季,大多数高等植物生长极其缓慢,一些漂浮植物、挺水植物死亡,其残体易引起二次污染；单独用一些冬季能够生长的沉水植物净化富营养化湖水,往往又因湖水透明度较低,难以取得理想效果.因此,水生高等植物在污染水体净化中的应用受到限制.探讨水生高等植物在冬季净化能力,对进一步开发利用水生高等植物在污水净化中应用具有重要的现实意义.
1 试验方法
1.1 试验植物
　　喜旱莲子草Alternanthera philoxeroides (Mart.)Griseb,宿根性多年生水陆两栖草本植物,春、夏、秋季生长.在营养盐浓度较高的肥沃水体中,生长快,产量高.
　　凤眼莲Eichhornia crassipes Solms,多年生漂浮植物,生长期为春末、夏、秋季,夏季生长最旺盛,匍匐茎繁殖,冬季形成腋芽越冬.在肥沃水体中,生长快,产量高.
　　伊乐藻Elodea nuttallii (Planch) John, 一年生沉水植物,适应性广,繁殖力强.春季生长最快,夏季生长停滞或部分死亡,秋末、冬季以腋芽繁殖,冬春至初夏季节生长.
　　菹草Potamogeton crispus L.,多年生沉水植物,夏季植物体逐渐衰亡,同时形成石芽,冬、春至初夏季节生长.
1.2 越冬处理
　　在霜降前,对非冬季生长的漂浮植物采取了覆膜或改变生态位的越冬措施.覆膜即用无色透明的农用塑料膜覆盖植物群落；改变生态位即用大网孔的尼龙网罩在植物群落上,再将网压入水中,使植株顶端没于水面下5～10cm左右,将漂浮生态位改变为沉水生态位.
1.3 动态试验
　　在太湖五里湖中桥湖湾,用防水工业滤布围隔出10个围区,每个围区面积为200m2,均与周围水体隔离,平均水深1.5 m.选取有喜旱莲子草(盖度约为30%)、菹草和伊乐藻(盖度约为50%)的围区；在对喜旱莲子草作越冬处理后,于1996年12月7～19日,将该围区一端软隔离墙压入水下,使围区内外相通；同时在另一端用抽水泵抽水,调整抽水速率,当富营养化湖水在围区内的滞留时间分别为0.89、1.33、1.60、2.33、4.33、7.33 d时采集水样.同时在围区外、对照围区采集水样.
1.4 静态试验
　　1996和1997年冬季(11月至次年3月),在不同处理的各围区内及围区外采集水样,测定主要水质理化指标的变化.
1.5 测定指标和测定方法
　　用过硫酸盐氧化法同时测定水中的总氮(TN)和总磷(TP)[3]；用中国环境监测标准方法[4,5]测定水中硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)、氨氮(NH4+-N)、溶解性磷酸盐(PO43--P)、溶解氧(DO)、透明度(SD)等水质理化指标及藻类生物量(叶绿素a:Chla).
2 结果与讨论
2.1 喜旱莲子草和凤眼莲的越冬
　　每年冬季,漂浮在水面上的喜旱莲子草自霜降后开始死亡,一般到12月底植株水上部分全部死亡,死亡的茎叶烂在水下匍匐茎上,使整个植株停止生长.用塑料薄膜覆盖的喜旱莲子草群落内的气温较群落外高3～5℃,植株不受寒风和霜冻侵害,不仅能够保持青翠绿嫩,而且能够缓慢生长.11月至次年3月,植株平均增长2～10 cm.压在水下的喜旱莲子草,由于植株完全在水下,不受寒风和霜冻侵害(水面不结冰),因此,植株亦能保持青翠绿嫩.水下的喜旱莲子草由于生态位的急剧改变,冬季生长速率比水面上覆膜的慢得多.但是,当春季水温升高后,水下的喜旱莲子草能够迅速长出水面,生长速率比覆膜的还快.
霜降后凤眼莲很快全部死亡.采取覆膜技术,塑料薄膜下的凤眼莲植株的大部分老叶仍会枯死,但短茎上仍不断有新芽和嫩叶长出,覆膜的凤眼莲越冬成活率约有30%.
2.2 水生高等植物群落的越冬
　　伊乐藻和菹草一般在夏季衰亡,并形成新繁殖体；自初冬起,繁殖体陆续开始萌发.如果水体透明度较高,冬季伊乐藻和菹草能够较好地生长.但是在只有伊乐藻或菹草生长的围区,自夏季水草衰亡后,水体透明度逐渐下降,因此,冬季伊乐藻和菹草的生长往往受到抑制,种群难以实现自我演替.
　　采取间种措施(间种漂浮植物和沉水植物),并对漂浮植物采取防寒越冬措施.由于漂浮性喜旱莲子草、凤眼莲对表层藻类有明显的抑制作用,冬季围区内水体透明度能够保持在较高水平上,因此间种在漂浮植物群落之间的伊乐藻和菹草能够获得充足的光照,保持良好的生长态势,从而实现了种群的自我演替.
2.3 冬季水生高等植物的净化作用
2.3.1 静态试验 由表1可知,与无水生高等植物的围区及围区外富营养化水体比较,冬季有水生高等植物的围区其水体透明度较高,TN、NH4+-N、Chla浓度较低.不同越冬处理的水生高等植物,其净化效果差异明显.有漂浮植物生长但不作越冬处理的围区,其水体透明度较低, TN、NH4+-N、Chla浓度较高.在仅有喜旱莲子草的围区,即使采取覆膜技术越冬,虽然水体透明度较高,但水体Chla含量仍然较高；同样,在仅有凤眼莲的围区,虽然也采取了覆膜技术越冬,但是水体透明度较低,Chla等主要水质指标较高.而通过改变生态位的办法,将喜旱莲子草压入水下,或者覆膜并间种沉水植物,不仅能使水生高等植物安全越冬,而且能较好地发挥其净化水质的作用.改变生态位的喜旱莲子草对TN、NH4+-N、Chla的去除率达77.2%、90.1%、58.3%,透明度提高1.5倍；对喜旱莲子草覆膜并间种沉水植物,这一组合群落对TN、NH4+-N、Chla的去除率达65.7%、90.7%、58.7%,透明度提高1.6倍.
表1 1996和1997年冬季水生高等植物生长区内、外的主要水质指标均值 (mg/L)
Table 1 The mean values of main water quality parameters inside and outside macrophyte growing enclosure during the winter of 1996 and 1997 (mg/L)

取样点植被特征TNNO3--NNO2- -NNH4+-NTPPO43- -PChla(mg/m3)SD(cm)
喜旱莲子草（覆膜）4.9323.9500.0660.7800.0050.00239.93120.0
喜旱莲子草（压在水下）1.8201.5730.0060.2960.0140.00215.68130.0
喜旱莲子草(覆膜)+沉水植物2.7341.4410.0090.2800.0370.00215.54137.0
喜旱莲子草+凤眼莲（未覆膜）4.9512.7260.0580.6760.0450.00237.1485.0
凤眼莲（覆膜）4.3252.9150.0380.4340.0500.00240.9380.0
沉水植物2.7511.9860.0180.4810.0270.00230.11128.3
无水生高等植物的围区6.0073.0440.0801.9550.0330.00652.4870.0
围区外,无水生高等植7.9692.0700.1242.9970.0420.00737.6252.2


2.3.2 动态试验　由图１可见，当湖水在围区内的滞留时间低于4.33d时,围区内透明度较低(55～70cm),这样的透明度不利于沉水植物生长(水深150cm)；当滞留时间达7.33d时,围区内透明度上升到90～100cm,有利于沉水植物生长.


图1 不同滞留时间的透明度及PO43--P变化
Fig.1 The changes of transparency and PO43--P duringdifferent retention time
1.试湖水)PO43- -P 3.试验围区透明度 4.进水(围区外湖水)透明度
　　由图1,图2可见,当湖水在围区内的滞留时间低于4.33 d时,围区内水体的氮磷浓度呈上升趋势,并接近围区外湖水的氮磷浓度；当滞留时间大于4.33 d时,围区内氮磷浓度明显低于围区外湖水氮磷浓度,且呈下降趋围区内TP、TN、NH4+-N、NO2--N浓度分别比围区外降低52.0%、37.5%、75.4%、48.5%.


　　图2 不同滞留时间的TN、NH4+-N及NO3--N浓度变化
Fig. 2 The concentrations of TN, NH4+-N, NO3--Nduring different retention time
1.试验区TN 2.进水TN 3.试验区NH4+-N 4.进水NH4+-N5.试验区NO3--N 6.进水NO3--N

　　以往的研究多认为水生高等植物对富营养化水体的净化作用主要是植物对氮磷的吸收利用,虽然植物对NH4+-N和NO3- -N的吸收有一定的选择性[6],但即使在NH4+-N浓度较高、水生高等植物优先吸收NH4+-N时,对NO3- -N仍有吸收.然而,由图2可见,富营养化湖水流经水生高等植物群落后,NO3- -N却有不同程度上升,这一现象在不同季节的野外动态试验中几乎有规律性地出现[7],说明水生高等植物净化氮污染水体时除吸收利用外,还存在其它机制.
　　研究表明,水生高等植物群落内水体及根际上,氮循环类细菌的密度高于无水生高等植物区水体.由于水生高等植物的生长,围区内沉水植物群落区溶解氧(DO)明显高于围区外,当滞留时间为7.33d时,围区内水体DO达8.13mg/L,约为围区外湖水的3.6倍；而且在水生高等植物根际周围,同时存在相互分异的氧化-还原微环境,硝化-反硝化作用可在根际同时发生[8].水生高等植物群落内氮循环细菌的特征性分布及微环境有利于氨化、硝化-反硝化过程,水中的有机氮在氨化作用下分解为NH4+-N,一部分NH4+-N被植物吸收,另一部分经硝化作用被氧化为NO2--N和NO3--N.因此,在硝化作用较强的水体中,NO3--N浓度会有明显的上升趋势.
3 结论
　　采用覆膜和改变生态位的简易防寒越冬技术,不仅能够保证喜旱莲子草安全越冬,而且能够有效地改善水体透明度,使沉水植物能够获得充足的光照，在冬季保持生长。
　　在冬季,压入水面下的喜旱莲子草不仅可安全越冬,而且对围区内湖水中TN、NH4+-N、Chla的去除率较高,透明度提高1.5倍.对喜旱莲子草覆膜并间种沉水植物,这一组合群落对TN、NH4+-N、Chla的去除率也较高,透明度提高1.6倍；而且,镶嵌组合群落成功地实现了水生高等植物种群的自我演替,这对于在富营养化湖泊中恢复水生高等植物具有重要的现实意义.
　　动态试验结果表明,在镶嵌组合水生高等植物群落生长的围区内,对漂浮的喜旱莲子草采取覆膜越冬措施后,当富营养化湖水在该围区滞留时间达7.33d时,净化效果明显；而滞留时间低于4.33d时,净化效果不明显.
基金项目：国家科委和欧洲联盟科技部资助项目[CI1*-CT93-0094(DG12HSMU)]
作者单位：王国祥　濮培民　张圣照　胡春华　胡维平（中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏 南京210008）
作者简介：王国祥(1963-),男,江苏如皋人,中国科学院南京地理与湖泊研究所高级工程师,博士生.主要从事湖泊生态学和水环境生态工程.参加和主持了“浅水型湖泊生产模型和资源利用模式研究”、“南京玄武湖大面积死鱼原因剖析及防治对策研究”等多项课题,获省、市科技进步奖3项.发表论文20余篇. 
收稿日期：1998-07-07
参考文献：
　[1]孙文浩,俞子文,余叔文. 城市富营养化水域的生物治理和凤眼莲抑制藻类生长的机理[J].环境科学学报,1989,9(2):188-195.
　[2]吴玉树,余国莹. 根生沉水植物菹草(Potamogeton crispus)对滇池水体的净化作用[J].环境科学学报,1989,11(4):411-416.
　[3]金相灿,屠清瑛. 湖泊富营养化调查规范[M]. 第2版.北京：中国环境科学出版社,1990.
　[4]国家环境保护局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法[M].第3版.北京：中国环境科学出版社,1989.
　[5]俞毓磬,吴国庆,孟宪庭. 环境工程微生物检验手册[M].北京:中国环境科学出版社,1990.
　[6]金送笛,李永函,倪彩虹等. 菹草(Potamogeton crispus)对水中氮磷的吸收及若干影响因素 [J].生态学报,1994,14(2): 168-173.
　[7]王国祥. 濮培民. 张圣照等. 人工复合生态系统对太湖局部水域的净化作用.中国环境科学,1998,18(5):410- 414.
　[8]Reddy KR, Patrick Jr WH, Lindau CW. Nitrification-denitrific-ation at the plant root-sediment interface in wetlands[J]. Limnol Oceanogr. ,1989, 34(6):1004- 1013.
