生物浮岛对长湖水质和浮游植物的影响

生物浮岛对长湖水质和浮游植物的影响
!
何勇凤!王亚龙!王旭歌!朱永久!杨德国
!中国水产科学研究院长江水产研究所农业部淡水生物多样性保护重点实验室"武汉’%&##%$
摘要!为探索治理长湖水体富营养化的有效方法!开展生物浮岛对其水质和浮游植物的影响%结果表明!在藻类大量生长的季节"H (C 月#!浮岛区水体中_P 6$K L $_@@$R .*A ,含量以及_I M 值较对照区有所下降!下降幅度在(F c (#$%F !其中以R .*A ,含量下降最明显’浮岛上下游区域浮游植物优势类群存在差异性!而且下游的浮游植物细胞丰度$均匀度指数和@.,
GG5GA X18G80多样性指数均较上游有所下降%由此可见!生物浮岛能有效吸附长湖水体中P $<等营养元素!对其藻类水华的爆发具有抑制作用!可作为长湖水体原位生态修复的有效手段%关键词!生物浮岛’水质’浮游植物’长湖
K L M %"&$"%#&E J N O .N B 2O #&"("#&"#
)..)5"&.24&-&345,-.-&,"4’34!-,’$&’1,")(T #,-4"%,’$
/0%"&/-,’<"&’4’-,<)50,’30#
=SV 5GB A )8GB "X:P QV ,A *5GB "X:P Qe >A B 8"T =UV 5GB A N 1>"V :P QK 8A B >5
!‘8+I ,/50,\50+5)908-.6,\80;1571^80-1\+R 5G-80^,\15G "[1G1-\0+5):B 012>*\>085)R .1G,"V ,GB \i 8]1^8091-.8018-]8-8,02.M G-\1\>\8"R .1G8-8:2,78?+5)91-.80+@218G28-"X>.,G ’%&##%"R .1G,$
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.十二五/国家科技支撑计划课题!#&"#;:K #E;&DA &%$&收稿日期%#&"(a
&E a "%BC 引C 言
生物浮岛是在人工湿地的基础上发展而成的一种综合了现代农艺和生态工程的水面无土种植植物技术"主要是通过水生植物及根系微生物的作用"削减水体中的氮)磷等营养元素"达到水质净化的目的"还能富集水体中的重金属和有机污染物等有害物质
’"A #(
&自#&世纪D&年代末以来"生物浮岛技术逐渐被引入国内"目前已逐渐成为一种无污染)投资少)见效快的水体原位生态修复技术"在湖泊)水库)饮用水源地的水质治理方面得到较为广泛的应用
’#A D (
&
长湖是湖北省境内的第%大湖泊"是我国长江中下游流域和江汉平原地区重要的生态功能区&近年来"由于受人类活动的影响"长湖水质处于地表水M
j 类c 劣j 类水标准"已出现富营养化现象
’CA "&(
"其营养盐污染程度远超过长江中下游江汉平原.四湖/流域下游洪湖的历史水平
’""(
"但尚未达到超富营养状
态"其水体自净能力和部分区域生态功能均出现退化趋势&目前"针对长湖"仅有关于水污染现状和水生生物资源方面的少量研究
’CA "&""#A "E (
"关于水污染治理
方面研究甚少&因此"本文通过引进生物浮岛技术"
D
E 环!境!工!程S G^105G?8G\,*S GB 1G8801GB
开展对湖湾水质改善和浮游植物控制方面的研究"以期为长湖富营养化的治理以及水质改善措施的制定提供科学依据&DC 材料与方法
DE DC 生物浮岛位置及采样点设置
生物浮岛位于长江中下游江汉平原.四湖/流域上游长湖的海子湖区!%&|
#%{&$DC}P """#|"D{#C$C"}S $"浮岛种植植物为水雍菜!T
M D 1D B (("J(!G F $"种植面积为"’H&?#
"采用传统生物浮岛工艺&
在浮岛中间及上下游E&?和"&&?处共设置E 个采样点!图"$"其中"以浮岛上游"&&?*和E&?+以及下游"&&?,作为对照区"以浮岛中间-及下游E&?.作为浮岛区&于#&"E 年(*"&月定期采集水样"对水体常规理化指标和叶绿素,进行监测分析"于#&"E 年H 月和"&月对浮岛上游,)下游/的浮游植物种类和生物量进行监测分析
&
图"!长湖生物浮岛及采样点位置示意
91B O "!I 52,\15G 5)\.8/15*5B 12,*)*5,\1GB 1-*,G7,G7\.8-,?4*1GB -1\8-1G I ,38R .,GB .>
DE FC 样品采集与指标测定
每个采样点均进行%种类型水质指标测定%"$湖泊物理要素%水温!I
$)水深!XK $)透明度!@K $##$湖泊化学要素%溶解氧!K
L $)4=)总悬浮物!_@@$)化学需氧量!R L K $)总氮!_P 6$)氨氮!P =f
’a P $)硝态氮!P L a %a P $)亚硝态氮!P L a
#a P $)总磷!_<6$和正磷酸盐!<L %a
’a
<$#%$湖泊生物要素%叶绿素,!R .*A ,$)浮游植物细胞丰度&同时"对生物浮岛栽种的植物根)茎)叶中湿重)含水率!XR $)总氮!_P 4$和总磷!_<4$含量以及镉!R 7$)铅!</$)汞!=B $)砷!:-$等重金属含量进行检测&
湖泊物理要素)化学要素和生物要素指标的测定方法以及浮游植物的优势度)均匀度指数和@.,GG5GA X18G80多样性指数计算公式参见文献’"&()’"’("同时"根据+湖泊富营养化调查规范!第二版$,
’"((
中的
方法"以R .*A ,为基准参数选取_P 6)_<6)@K 和R L K 等’个参数"计算综合营养状态指数!_
I M $&生物浮岛植物样品"于栽种后连续’个月取样分析"每次随机采集%株"将每株的根)茎)叶单独分开处理"测定湿重)含水率)总氮和总磷含量"采用浓硫酸a 过氧化
氢消解植物样品"采用过硫酸钾氧化吸光光度法测定植物总氮含量
’"H (
"植物总磷含量采用Q ;J _(’%H *
#&&#+中华人民共和国国家标准*饲料中总磷的测定!分光光度法,中的钼黄分光光度法进行测定&生物浮岛植物重金属含量的样品于#&"E 年C 月采集"随机采集%株"将每株植物的茎)叶单独分开处理"根据+中华人民共和国国家标准*
**食品安全国家标准,之Q
;E&&C$"E *#&"’+食品中镉的测定,)Q ;E&&C$"#*#&"&+食品中铅的测定,)Q ;J _E&&C$"H *#&&%+食品中总汞及有机汞的测定,和Q ;E&&C$""*#&"’+食品中总砷及无机砷的测定,分别测定植物茎)叶样品中的镉)铅)汞和砷含量&DE GC 数据分析
应用软件@_:_M @_M R :’"D (
对数据进行方差分析和
K >G2,G 1-检验"利用Q 0,4.<,7<01-?软件进行作图&FC 结果与分析
FE DC 生物浮岛植物的氮"磷去除效果及重金属含量
由图#可见%生物浮岛植物水雍菜根)茎)叶的总氮含量随植物生长呈现先下降后上升的趋势#而总磷含量随植物生长呈现先升高后下降的趋势"尤其C 月
C
E 水!污!染!防!治X,\80<5**>\15G R 5G\05*
上升至最大值&从不同部位来看"水雍菜茎中的总氮和总磷含量均最低"而叶中的总氮含量最高"根中的总磷含量最高&方差分析结果显示"C *"&月浮岛水雍菜体内_
P 含量较D 月有显著升高!3n &$&E $"D *"&月浮岛水雍菜体内总磷含量较H 月有显著升高!3n &$&E $&说明"长湖生物浮岛对水体中的氮磷具有一定的吸附能力
&
,*_P #/*_<&
*#*根#*$*茎#*"*叶&
图#!长湖生物浮岛水雍菜氮)磷含量随时间的变化91B O #!j ,01,\15G 5)_P,G7_<25G\8G\-1G T H("J(!G F 61\.\1?81G \.8/15*5B 12,*)*5,\1GB 1-*,G725G-\0>2\871G I ,38R .,GB .>
表"为长湖生物浮岛水雍菜对水体中P )<的吸附效果&由之可推算出%长湖整个生物浮岛对水体中氮的累积总量为%$
%&3B J ,"对磷的累积总量为&$%#3B J ,"其中叶部和根部吸附氮磷较多"茎部则相对较少&由此可见"生物浮岛对长湖水体中的氮)磷起到了一定的削减作用"而且在成熟期可通过收割植物水面上部去除一定量的氮)磷&但与其他浮岛植物如菖蒲)风车草)梭鱼草)美人蕉等相比’(""C (
"水雍菜
对氮)磷的去除效果相对较低&
水雍菜作为常见的食用叶类蔬菜"其茎)叶是主要食用部分"对其重金属含量进行检测是当今食品安全背景下所必须采取的措施&根据食品安全国家标
!!
表DC 长湖生物浮岛水雍菜的氮磷吸附效果
":6I =DC,A 7@9M 8L @N=O O =;8@O "’:N A"/6>#$%&’%()*L N 8J =6L @I @QL ;:I O I @:8L N Q L 7I :N A;@N 789R ;8=AL N-:P =5J :N QJ R
植物
部位净生物量"$J !3B -株a "$累积量J
!B -株a "-,a "
$_P _<根&$&&#C’&$&&&C(
&$&&&"%
茎&$&&#%&&$&&&E%&$&&&&D 叶
&$&&%D#
&$&&"H(
&$&&&""
!!注%"$以干质量计"C 月!最大成熟期$测定值&
准检测"长湖生物浮岛种植的水雍菜茎)叶中重金属砷含量最高为!#$
&&~&$C%$?B J 3B "其次是汞!&$&H ~&$&($?B J 3B 和镉!&$&E ~&$&#$?B J 3B "铅含量为!&$&"’~&$&&H $?B J 3B 则相对较低&参考+中华人民共和国国家标准*
**食品安全国家标准,之Q ;#H(#*#&"#+食品中污染物限量,"新鲜叶类蔬菜中汞)砷)镉和铅含量的限量值分别为&$
&""&$E "&$#"&$%?B J 3B &由此可见"生物浮岛种植的水雍菜中除镉和铅含量未超标外"汞和砷含量均有一定程度的超标"分别超标约H 倍和’倍"不宜作为食用对象&因此"鉴于长湖浮岛水雍菜的重金属含量超标"建议长湖生物浮岛的构建应优选其他观赏类植物
&
茎
#
叶&
图%!长湖生物浮岛水雍菜茎叶中的重金属含量91B O %!_.825G\8G\-5).8,^+?8\,*-1G \.8-\8?,G7*8,)5)T H("J(!G F 1G \.8/15*5B 12,*)*5,\1GB 1-*,G725G-\0>2\871G I ,38R .,GB .>
FE FC 生物浮岛对周边水体理化指标的影响
就多个理化指标来看"多因素方差分析结果显示"水体理化指标以及_I M 值在对照区与浮岛区之间均没有显著性差异!3d &$
&E $&就单个指标而言"所有水体理化指标和_I M 值在对照区与浮岛区之间均无显著性差异!3d &$
&E $"但这些指标在特定月份呈现一定程度的变化"如水体中_P 6含量在D 月浮岛区较对照区下降明显"约下降%C$CF #浮岛区水体中K
L 含量于H *C 月较对照区均有一定程度的下降"下降幅度分别为"&$
(F )"’$#F )&
(环!境!工!程S G^105G?8G\,*S GB 1G8801GB
"&$EF #浮岛区水体中_@@含量于C 月较对照区下降明显"约下降#"$
"F #浮岛区水体中R L K 含量于D 月较对照区有所升高"达%’$%F #水体_I M 值总体处于(E 以上"表明长湖水体处于中度a 重度富营
养化水平"相较于(月"H *"&月浮岛区_I M 值均较对照区有一定程度的下降"D 月下降尤其明显"达(F !图’$&同时"这些水质理化指标也表现出一定的季节变化规律
&
,*_<6#/*<L %a ’a <#2*_P 6#7*P =f
’a
P #8*R L K #)*_I M #B *_@@#.*K L &*’*对照区#*$*浮岛区&
图’!长湖浮岛区和对照区各环境因子的时间变化
91B O ’!_8?450,*^,01,\15G 5)-8^80,*8G^105G?8G\,*),2\50-25G\8G\-/8\688G \.8)*5,\1GB 1-*,G7,08,,G7\.825G\05*2.823,08,1G I ,38R .,GB .>
!!长湖总水域面积为"’&3?#
"构建的生物浮岛面积仅占长湖上游海子湖区水域面积!约($
(H 3?#
$的&$&#F "即生物浮岛面积相对于湖泊水体来说比例甚小"而且湖泊水体具有一定的流动性"从而导致浮岛区和对照区的营养盐状况总体差异不显著"但在特定季节生物浮岛对水体中总氮)悬浮物含量和综合营养状态指数等有一定的去除和降低作用"这与三峡库区香溪河的支流高岚河生物浮岛的作用效果相似
’((
"
均处于较大的开放性水体中&同时"这也与传统生物
浮岛仅依靠植物的净化作用有关’#&(
&为了克服传统
生物浮岛技术的单一性"一些新型生物浮岛技术逐渐
被发展"如组合型生态浮岛’#"(
和微动力生态浮
岛
’#"D "#&(
等"具有更好的处理效果和更广泛的应用
前景&
FE GC 生物浮岛对浮游植物的影响
生物浮岛对浮游植物的影响如图E 所示&从水体中R .*A ,含量来看"方差分析结果显示"D 月浮岛区R .*A ,含量显著低于对照区!3n&$
&E $"约下降"
(水!污!染!防!治X,\80<5**>\15G R 5G\05*
(#$%F &同样"在藻类大量生长的季节"H 月和C 月浮岛区R
.*A ,含量较对照区也有所下降"分别下降#D$HF 和"D$#F "但尚未达到显著差异水平!3d &$&E $&由此可见"生物浮岛对藻类水华的爆发具有抑制作用&究其原因"一方面生物浮岛植物根系发达"便于微生物附着"微生物通过与藻类竞争水体
中的营养元素"在一定程度上抑制了藻类的大量生长#另一方面"D 月浮岛区_<6含量较高)_P 6含量有所下降"表明浮游植物在磷营养盐充足的情况下"依
赖氮营养元素生长"而同期P =f
’a
P 含量处于较低水平"为浮游动物创造了较好的生活环境"从而抑制了部分浮游藻类的生长
&
,*R .*A ,#/*细胞丰度#2*群落多样性指数#7*均匀度指数&
图E!长湖生物浮岛附近R .*A ,含量)浮游植物细胞丰度和群落多样性指数的变化情况
91B O E!j ,01,\15G 5)R .*A ,25G\8G\-"28**,/>G7,G28,G771^80-1\+1G7128-5)4.+\54*,G3\5G G8,0\.8)*5,\1GB 1-*,G71G I ,38R .,GB .>
!!长湖生物浮岛上下游区域水体中共鉴定出浮游植物(门’H 种属"其中绿藻门种类最多"为#C 种属"其次为蓝藻门和硅藻门"分别为D 种属和(种属"裸藻门仅有#种属"甲藻门和黄藻门则各仅有"种&从水体中浮游植物的细胞丰度)均匀度指数和@.,GG5GA X18G80多样性指数来看"生物浮岛下游均较上游有一定程度的下降"尤以"&月均匀度指数和@.,GG5GA X18G80多样性指数下降明显"分别下降约#H$#F 和#C$"F !图E $&如将优势度d &$&#定义为优势种"长湖生物浮岛上下游区域的优势种存在一定差异"如表#所示"这可能与浮岛上下游区域的氮)磷)K L )4=等水环境特征存在差异有关&同时"长湖生物浮岛上下游水域中个别优势种的优势度较大"表明水体中浮游植物主要由少数种类高度集中组成"其种类多样性较差"导致其群落结构不稳定"存在藻类水华爆发的风险&
表FC 长湖生物浮岛上下游区域浮游植物优势种的优势度":6I =FC$@KL N :N ;=L N A =V @O A @KL N :N 87M =;L =7L N8J =R M M =9M :98:N AI @?=9M :98@O 8J =O I @:8L N Q L 7I :N AL N-:P =5J :N QJ R
中文名拉丁名
优势度!H 月$优势度!"&月$
浮岛上游,浮岛下游/浮岛上游,浮岛
下游/小球藻$7K D E B K K (Q JK 6(E G <&$%"&&$E"H &$%&D &$E(#四尾栅藻
LF B ,B =B <1J<"J(=E G F (J=(
&$&#(&$&##&$&’’&$&"E 湖沼色球藻$
7E D D F D F F J<K G 1,B !G F J<&$&#H &$&&C &$&’C &$&#D 微小平裂藻C B E G <1D M B =G (!B ,JG <<G 1(&$&%’&$&#E &$&’C &$&"(两栖颤藻R <F G K K (!D E G ((1M 7G )G (&$"EC &$&HD &$&&&&$&&’扭曲小环藻$
/F K D !B K K (F D 1!(&$&"C &$"C"&$#&E &$&C%尖尾裸藻@J6K B ,(D -/JE G <&$%#"&$&HD &$"H&&$#&%菱形藻属
U G !V <F 7G (
&$&"(&$&#%&$&EE
&$&"D
GC 结C 论
长湖生物浮岛在特定季节对水体中总氮)悬浮物)叶绿素,
)浮游植物细胞丰度)均匀度指数和@.,GG5GA X18G80多样性指数等有一定的降低作用"对磷营养元素作用则不明显&长湖生物浮岛上下游区
#
(环!境!工!程S G^105G?8G\,*S GB 1G8801GB
域水体中浮游植物优势种具有差异性&因此"生物浮岛对长湖水体藻类水华的爆发具有抑制作用"可作为长湖水体原位生态修复的有效手段&但鉴于浮岛植物水雍菜!食用蔬菜$体内汞和砷等重金属含量超标"而且传统生物浮岛技术处理效果有限"建议在以后的长湖生物浮岛构建时优选观赏类植物作为其种植对象"同时加大浮岛面积"并引进新型生物浮岛技术如组合型生物浮岛)微动力生物浮岛等&
参考文献
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#&"#"’&%E%A(&$
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#"E%A#"ECO
第一作者!何勇凤!"CD%a$"女"博士"助理研究员"主要研究方向为鱼类生态学&.8+)k+)1O,2O2G
通信作者!杨德国!"C(’a$"男"本科"教授"主要研究方向为鱼类生态学&
..................................................
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"上接第F^页#
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第一作者!胡崇亮!"CC%a$"男"硕士"主要研究方向为污水生物处理与污泥资源化&.2.5GB*1,GB k"(%O25?
通信作者!张栋!"CD&a$"男"助理研究员"主要研究方向为污水生物处理与污泥资源化&#&&Di.,GB75GB k\5GB N1O87>O2G
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