山区水库消落带挺水植物对水体中总氮和总磷的降解效应

陈海生

(浙江同济科技职业学院,浙江 杭州 311231)

水库消落带是指因水库调度等原因引起库水位变动而在库区周围形成的一段特殊区域，是水位反复周期性变化的干湿交替区，是水陆之间的连接带，是两者间进行物质、能量、信息交换的生态过渡带，其生态状况的好坏将直接影响陆地与水库生态系统的生态状况[1]。

水库富营养化指的是水体中N、P等营养盐含量过多而引起的水质污染现象。随着浙江省经济和社会的高速发展，工业和生活污水等点源污染的不合理排放，以及大量的不合理施用的化肥、农药所造成农业面源污染的随机排放，导致了湖泊、河流和水库的富营养化。浙江省的水库大多是饮用水水库。水库的富营养化严重影响了人民生活水平的提高和经济的可持续发展。水库消落带中自然分布着很多的挺水植物。在水库富营养化治理的各种措施中，利用消落带中的水生植物吸收水体中氨态氮和硝态氮等营养物质、降解水库中污染物指标是一种高效低成本的治理措施。

浙江省长潭水库位于浙江台州黄岩区西23 km处，库区面积441.3 km2，水面宽广，东西宽1 200 m，南北长约4 200 m，四周高山海拔高度在350～780 m之间。1964年建成运行，设计库容6.91亿m3，目前主要以供水为主，兼顾防洪、灌溉。正常蓄水水位36 m，兴利库容4.57亿m3。长潭水库水位下降时会导致滩地大量出现，形成高程范围达30 m的消落带[1]。

目前，如何有效地利用水生植物降低水库水体富营养化程度，抑制“蓝藻”水华的爆发已成为生态环境领域研究的热点。曾有许多研究表明湿地水生植物能有效降解水体中N、P等营养物质。如徐红灯,等[2]认为沟渠中的水生植物茭白和菖蒲对氮、磷的截留和转化有明显的促进作用,杨帆,等[3]以10种阿什河流域常见植物作为研究对象，在室内静水条件下对其氮磷富集和水质净化的能力进行比较研究,认为水葱、芦苇、菰和千屈菜可作为阿什河流域生态修复的备选植物。水库消落带中自然分布着很多的水生植物。在水库富营养化治理的各种措施中，利用消落带中的水生植物吸收水体中氮磷等营养物质、降解水库中污染物指标是一种高效低成本的治理措施。但不同植物对水体中氮磷等污染物指标的降解效率是不一样的。本研究选择长期自然生长在长潭水库消落带上的乡土挺水植物菖蒲(AcoruscalamusL.)、水芹(Oenanthejavanica)、水蓼(PolygonumhydropiperL.)、莎草(CyperusrotundusL.)。研究其对总氮、总磷的同化吸收降解能力，从中筛选出对水库水体水质净化效果好的植物，为水库消落带植物群落的构建和湿地生态系统的恢复提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试植物

选取在浙江省黄岩长潭水库消落带上自然生长的、生长良好且生长一致的4种湿地挺水植物各100 g，分别是水芹(Oenanthejavanica)、菖蒲(AcoruscalamusL.)、水蓼(PolygonumhydropiperL.)、莎草(CyperusrotundusL.)。

1.2 实验方法

实验于2017年5月10至6月10日在浙江省长潭水库管理局塑料大棚内进行。挺水植物种植在直径40 cm、高45 cm的桶，容积都为56 L。桶的底部放置厚度为10 cm的砾石。实验采用人工配置污水的方式，水体主要成分为(NH4)SO4、KNO3，和KH2PO4,其余营养成分根据Hoagland营养液进行配置，pH值控制在6.0～6.9。模拟污水中N、P元素初始浓度是根据对浙江省长潭水库的实际测定值来确定的，水体中TN含量为4.33～4.41 mg/L,TP含量为0.48～0.53 mg/L。每桶种植一种植物，每处理设三个重复。实验期间每天添加水库里的水补充水面蒸发和植物蒸腾所损失的水分，以保持桶里的水位而不被降低。

1.3 测定指标

于5月25日和6月10日对每个桶内的水质进行一次取样，测定其TN、TP值。总氮含量采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定；总磷含量采用钼酸铵分光光度法测定[4]。

2 结果与分析

2.1 消落带挺水植物对水体中TN的降解效应

水生植物在生长发育过程中，需要吸收消落带湿地土壤中和水体中的无机氮等营养物质合成蛋白质等植物的构成物质。同时，植物根系周围形成好氧和厌氧的微环境，根际微生物会产生硝化和反硝化作用，降低了水体中氮的浓度。表1和表2为4种挺水植物对TN都具有良好的降解效果，在实验期间前15 d，各处理水体中TN浓度都显著降低。由实验开始时的4.33～4.41 mg/L降到2.31～2.74 mg/L，4种植物的降解率为37.11%～46.65%。

表1 消落带不同挺水植物对水体中TN的降解效果 mg/L

但各植物对水体中TN的降解率相差较大。以水芹对水体中TN的降解率最大，水体中TN浓度由实验开始时的4.33 mg/L降到15天后的2.31 mg/L，降解率为46.65%。其次是菖蒲，水体中TN浓度由实验开始时的4.41 mg/L降到15 d后的2.63 mg/L，降解率为40.31%。以莎草处理水体TN降解率最低，由实验开始时的4.35 mg/L降到15 d后的2.74 mg/L，降解率只有37.11%。

表2 消落带不同水生植物对水体中TN的降解率 %

从表2还可看出，在实验期间的后15 d，各处理水体中TN浓度与前15 d相比下降幅度明显迟缓，4种植物的降解率为19.02%～21.61%。比前15天4种植物对TN降解率的37.11%～46.65%要明显减少。但这期间各植物对水体中TN的降解率还是有区别的。同样的以水芹对水体中TN的降解率最大，降解率为21.61%。其次是菖蒲，降解率为20.37%。以莎草处理的水体TN降解率最低，降解率只有19.02%。

2.2 消落带挺水植物对水体中TP的降解效应

水生植物需要吸收土壤和水体中的磷合成核酸、磷脂和ATP等植物组成物质和能量物质。水生植物是通过根系直接吸附和吸收水体中的磷、以及通过根际微生物吸附和分解水体中的磷这些途经来降解水体中磷的浓度的。表3和表4是4种水生植物对TP都具有良好的降解效果，在实验期间前15 d，各处理水体中TP浓度都显著降低。由实验开始时的0.48～0.53 mg/L降到0.31～0.33 mg/L，4种植物的降解率为35.19%～40.38%。

表3 消落带不同挺水植物对水体中TP的降解效果 mg/L

但各植物对水体中TP的降解率相差较大。以菖蒲对水体中TP的降解率最大，水体中TP浓度由实验开始时的0.52 mg/L降到15 d后的0.31 mg/L，降解率为40.38%。其次是水芹，水体中TP浓度由实验开始时的0.53 mg/L降到15 d后的0.32 mg/L，降解率为38.81%。以莎草处理水体TP降解率最低，由实验开始时的0.48 mg/L降到15 d后的0.31 mg/L，降解率只有35.19%。

表4 消落带不同挺水植物对水体中TP的降解率 %

从表4还可看出，在实验期间的后15 d，各处理水体中TP浓度与前15 d相比下降幅度明显迟缓，4种植物的降解率为20.75%～24.63%。比前15 d4种植物对TP降解率的35.19%～40.38%要明显减少。但这期间各植物对水体中TP的降解率还是有区别的。同样的以菖蒲对水体中TP的降解率最大，降解率为24.63%。其次是水芹，降解率为22.89%。以莎草处理的水体TP降解率最低，降解率只有20.75%。

3 讨 论

(1)分布在水库消落带湿地中的水生植物，在生长和繁殖过程中，需要吸收土壤和水体中的N、P作为自己的营养物质，生长越旺盛，吸收营养物质也就越多。植物可以直接吸收水体中的氨态氮和硝态氮，合成植物植株体内的蛋白质和有机氮。植物可以吸收水体中的无机磷并同化为植物体ATP、DNA、RNA等能量和遗传物质。但不同植物吸收同化N、P的能力存在着差异，因此对水体中污染物N、P的降解能力也是不同的[5]。

(2)消落带中水生植物具有明显的降解水库水体中N、P污染的作用。其主要原因是植物在生长发育过程中需要吸收水体和消落带底泥中大量的N、P作为营养物质贮存于植物细胞中，并通过木质化作用，使其成为植物体的组成部分,以及用来维持细胞内的新陈代谢作用。另外水生植物在光合作用过程中所产生的氧气可以提高水体中溶解氧含量。植物根际周围会产生厌氧和好氧区域，有利于氨氮的硝化和硝态氮的反硝化，使水体中的氮得到转化和降解[6,7]。

(3)曾有研究认为河道护坡植物的选择应走本地化的道路，以地带性植被、乡土植物为基调[8]。这应该同样适合于水库消落带湿地植物的选择上。本文选择的挺水植物是长期自然生长于浙江省山区水库消落带湿地中且在当地分布较广的野生草本植物。这些植物在当地经历了长期的进化过程，其遗传、生理、形态特征已与当地的气候条件和土壤条件相适应，具有较强的逆境适应能力。目前已有很多研究发现多种植物的合理搭配组合可以提高氮和磷的降解效率[9,10]。因此在水库消落带多种植物组合的群落构建中，一定要注意与乡土植物的搭配。还要注意浅根与深根植物相结合、豆科植物与非豆科植物相结合，草本植物与乔灌木植物相结合，这样就可以建立起一个具有生物多样性和生物稳定性的。具有强降污力和环境适应性的有着良性循环的山区水库消落带湿地生态系统。

4 结 论

(1)浙江省山区水库消落带湿地中常见的挺水植物水芹、菖蒲、水蓼、莎草对TN都具有良好的降解效果，在实验期间前15 d，各处理水体中TN浓度都显著降低。4种植物的降解率为37.11%～46.65%。但各植物对水体中TN的降解率相差较大。以水芹对水体中TN的降解率最大，降解率为46.65%。其次是菖蒲，降解率为40.31%。以莎草处理水体TN降解率最低，降解率只有37.11%。并且在实验期间的后15 d，各处理水体中TN浓度与前15 d相比下降幅度明显迟缓，4种植物的降解率为19.02%～21.61%。

(2)4种挺水植物对TP都具有良好的降解效果，在实验期间前15 d，各处理水体中TP浓度都显著降低。4种植物的降解率为35.19%～40.38%。但各植物对水体中TP的降解率相差较大。以菖蒲对水体中TP的降解率最大，降解率为40.38%。其次是水芹，降解率为38.81%。以莎草处理水体TP降解率最低，降解率只有35.19%。并且在实验期间的后15 d，各处理水体中TP浓度与前15 d相比下降幅度明显迟缓，4种植物的降解率为20.75%～24.63%。

(3)自然分布于浙江省水库消落带湿地中的挺水植物水芹、菖蒲能有效地降解水库消落带中的N、P污染，因此在浙江省山区水库恢复和重建水芹、菖蒲等挺水植物作为消落带的建群种，是治理水库富营养化、防止蓝藻暴发的有效措施，应加大对水库特别是饮用水水库消落带水生植物群落的保护和恢复力度，实现消落带水生植物的合理配置，充分发挥水库消落带在维持生物多样性、净化水质和改善库区生态环境的作用和功能。