江蘇省夏季浮萍種類及其生長水環(huán)境調(diào)查

吳雪飛瀏璐嘉;馬晗;劉楊;周明耀;錢曉晴【摘要】Surveyswereconductedofduckweeds-grownwaterbodiesscatteredinindustrial,residential,andfarmingareasinanumberofcitiesorcountiestoinvestigatespeciesoftheduckweedsandwatersamplescollectedforanalysisofextentofeutrophicationofthewaterbodies,andfurtherclarifyrelationshipsofthedistributionofduckweedswithpHandcontentsofammonium,nitrate,totalnitrogenandtotalphosphorusinthewater.Resultsshowthatduckweedstendtoflourishincalmwaterratherthanflowingwater,andinwaterbodiesinthefarmingandresidentialareasratherthaninindustrialareas.InsummersofJiangsuSpirodelapolyrrhiza,Lemmaminor,WolffiaarrhizaandSpirodelaoligorrhizaarethemostcommonduckweedsfoundinwaterbodies,andnotraceofLemmaperpusillaandLemmatrisulcawasfoundduringthesurvey.SpirodelapolyrrhizaandLemmaminorwerefoundinallthewaterbodiessurveyed,withwaterpHvaryingintherangeof4.5-7.5.Theresultsalsoshowthatduckweedsgrowwellinwaterbodies,highorlowinNandPconcentrations,rangingfrom0to42,0.2to2.0,0.2to45and0.02to13mg?L-1forammonium,nitrate,totalnitrogenandtotalphosphorus,respectively.Noevidencewasfoundshowingthatanycloserelationshipexistedbetweenduckweedsdistributionandconcentrationsofnitrogenandphosphorusinthewater.Inindustrialareas,thereareavarietyoffactories,includingchemicalplants,clothingfactories,pharmaceuticalplants,mechinaryaccessoriesfactories,etc.,dischargingahighvolumeofwastecontainingheavymetalsandorganicmatters.Inwaterbodiesinorneartheindustrialareas,symbiosisofSpirodelapolyrrhizaandLemmaminorandoccasionallyWolffiaarrhiza,too,iscommonlyobserved.Therefore,inexploitingtheeffectofduckweedsremovingnutrientsubstances,likeNandPfromwater,priorityshouldbegiventonativespeciesofduckweedsdominantintheseasonandthecomplexsymbioticsystemofdifferentspeciesofduckweedssoastomaximizetheproductionofduckweedsandtheNandPremovingrate.%對江蘇省多個(gè)縣(市)分布有浮萍的工業(yè)區(qū)、生活區(qū)、農(nóng)田水體進(jìn)行調(diào)查與采樣，觀測各地浮萍種類及其生長水體的富營養(yǎng)化狀況，探討水體pH值，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷含量與浮萍分布的關(guān)系.調(diào)查結(jié)果表明，浮萍適宜生長在靜止的水體中，流動(dòng)的河流中較為少見；此外，浮萍適宜生長在農(nóng)田和生活區(qū)水體中,工業(yè)區(qū)附近樣本數(shù)較少.江蘇省夏季浮萍的主要品種為紫萍(Spirodelapolyrrhiza)、青萍(Lemmaminor)、蕪萍(Wolffiaarrhiza)和少根紫萍(Spirodelaoligorrhiza),調(diào)查期間未發(fā)現(xiàn)稀脈浮萍(Lemmaperpusilla)與品藻(Lemmatrisulca).紫萍和青萍在所調(diào)查的每個(gè)采樣點(diǎn)均有分布，其生長水體的pH值變化范圍(4.5-7.5)較大.浮萍生長水環(huán)境的氮、磷養(yǎng)分濃度范圍很廣，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷質(zhì)量濃度范圍分別為0~42、0.2~2.0、0.2-45和0.02-13mg-L-1,尚未發(fā)現(xiàn)浮萍分布與水體氮、磷含量之間的必然聯(lián)系.工業(yè)區(qū)附近水體中常見紫萍與青萍以共生形式存在，偶爾還伴有蕪萍.在利用浮萍去除水中氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮利用各地當(dāng)季優(yōu)勢浮萍品種及不同品種浮萍的共生復(fù)合系統(tǒng)，保障浮萍的最大生長量以及對水體氮、磷的最大去除率.【期刊名稱】《生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2012(028)005【總頁數(shù)】5頁(P554-558)【關(guān)鍵詞】浮萍;水環(huán)境;富營養(yǎng)化;氮;磷【作者】吳雪飛瀏璐嘉;馬晗;劉楊;周明耀;錢曉晴【作者單位】揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127;揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127;揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127;揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127;揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127;揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127【正文語種】中文【中圖分類】X173我國浮萍品種豐富，廣泛分布于南北各省，浮萍屬被子植物門單子葉植物綱檳榔亞綱澤瀉目浮萍科，有3屬6種，分別為：紫萍屬(Spirodela)，紫萍(Spirodelapolyrrhiza)、少根紫萍(Spirodelaoligorrhi-za);浮萍屬(Lemma)，品藻(Lemmatrisulca)、青萍(Lemmaminor)、稀脈浮萍(Lemmaperpusilla);蕪萍屬(Wolffia)，蕪萍(Wolffiaarrhiza)。浮萍的增殖方式為無性繁殖，成熟的浮萍產(chǎn)生芽孢，芽孢發(fā)育長大后與母體脫離形成幼體，數(shù)代相連，生長較快，大約4周內(nèi)可以繁殖10-20次，適應(yīng)性強(qiáng)，2~35°C下均能生存［1-2］。由于浮萍具有增殖快，易收獲，蛋白質(zhì)含量高，適合生長的pH值和溫度范圍較廣，對水體中氮、磷的去除能力強(qiáng)，相比其他水生植物投資少、能耗低等優(yōu)點(diǎn)［2-3］,已被許多國家應(yīng)用于污水處理。研究表明，浮萍具有較高的總氮、總磷、COD、BOD、有機(jī)碳和總懸浮物去除率［4］,能去除水體中低濃度的重金屬和有機(jī)物［1］。但目前對江蘇省自然環(huán)境中浮萍的品種資源和生長條件的調(diào)查及研究開展極少，限制了該地區(qū)浮萍資源在水體凈化中的應(yīng)用。通過調(diào)查江蘇省多個(gè)縣（市）的浮萍品種及其生長水環(huán)境，了解各地區(qū)浮萍分布與水環(huán)境富營養(yǎng)化狀況之間的聯(lián)系，可為利用當(dāng)?shù)馗∑假Y源修復(fù)污染水環(huán)境提供植物材料與實(shí)踐依據(jù)。1調(diào)查區(qū)概況與調(diào)查方法1.1調(diào)查區(qū)概況江蘇省位于中國東部沿海的長江三角洲地區(qū)，水系相當(dāng)發(fā)達(dá)。全省夏季平均氣溫24.7~27.7°C，降水量247.1~1243.6mm，日照299.4~558.5h。1.2調(diào)查方法采樣時(shí)間為2011年8月中旬，7:00—18:00，平均溫度35C。采樣地點(diǎn)包括江南4市和江北8市的部分縣（市），詳見表1。表1采樣地點(diǎn)分布及樣本數(shù)Table1Distributionofsamplingsitesandnumberofsamples地區(qū)省轄市縣（市、區(qū)）樣本數(shù)江南南京六合、江寧、溧水、高淳10蘇州吳江、常熟5無錫無錫、宜興4常州溧陽3江北連云港連云、東海5徐州新沂、邳州、賈汪、銅山12鹽城響水3宿遷宿城、泗洪5淮安盱眙3泰州泰州、姜堰6揚(yáng)州揚(yáng)州、儀征3南通通州、如皋、海安9總計(jì)122668利用撈魚網(wǎng)撈取浮萍（攜帶少量水儲(chǔ)于塑料袋中），并采用簡易取水裝置取表層水樣儲(chǔ)于塑料瓶中帶回實(shí)驗(yàn)室測定，記錄采樣地點(diǎn)（某工業(yè)區(qū)、生活區(qū)或農(nóng)田）及具體GPS位置。浮萍采回后，立即用鑷子挑取長勢較好的個(gè)體于霍格蘭營養(yǎng)液中培養(yǎng)、保存，用于建立浮萍資源庫和作為試驗(yàn)材料。采回的水樣立即用孔徑12.5cm的中速定量濾紙過濾，并測定其pH值（用pH計(jì)測定）及銨態(tài)氮（靛酚藍(lán)比色法）、硝態(tài)氮（紫外分光光度法）和總磷（過硫酸鉀氧化-鉬銻抗比色法）含量。2結(jié)果與討論2.1浮萍的分布情況2.1.1江蘇省浮萍夏季種質(zhì)資源及分布情況根據(jù)《中國植物志》，對采集到的浮萍鑒定種屬，調(diào)查浮萍種類、形態(tài)特征、采樣地區(qū)及生長水體pH值，總體情況如表2所示。由表2可知，徐州和宿遷浮萍種類最為豐富，上述4種浮萍均有發(fā)現(xiàn)。南通浮萍種類最少，只有紫萍和青萍2種。紫萍和青萍在所調(diào)查的各地區(qū)均有分布，并且其生長覆蓋的水體pH值范圍（4.5~7.5）較廣，因此在利用浮萍去除污水中的污染物時(shí)，可以重點(diǎn)考慮這2種。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，浮萍易生長在淺水坑、靜水坑、靜止的河流中以及稻田附近，流動(dòng)水體中較為少見?？梢姼∑寂c水體流動(dòng)性之間的關(guān)系值得進(jìn)一步深入探討。自然環(huán)境中，紫萍、青萍和少根紫萍三種浮萍可以單獨(dú)存在、兩兩存在或者三者共存，但是沒有發(fā)現(xiàn)蕪萍單獨(dú)存在的情況。蕪萍常與紫萍、青萍兩兩存在或者三者共存，這可能是由于蕪萍個(gè)體較?。ㄊ澜缟献钚〉姆N子植物），如果單獨(dú)存在于水體中，其受外界環(huán)境影響較大而不易存活。因此，在考慮采用蕪萍進(jìn)行水體生物修復(fù)時(shí)，應(yīng)考慮同時(shí)采用其他共生浮萍。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，浮萍可與水花生、紅浮萍（滿江紅）、蘆葦、香蒲、荷花等水生植物共生，有共生植物生長的水體（除與紅浮萍共生的水體外）總氮和總磷質(zhì)量濃度分別為1~3和0~0.6mg-L-1，且總氮含量均高于總磷。所采集的68處水樣中有3處水體發(fā)現(xiàn)槐葉萍與紫萍共生，這3處水體均為中性或偏堿性河道（生活區(qū)和農(nóng)田）。由此推測，可以利用槐葉萍作為酸性水體堿化的環(huán)境指示植物。所采水樣中有2處水體發(fā)現(xiàn)有紅浮萍，且與其他3種浮萍均存在共生關(guān)系，但水質(zhì)差異較大，水體pH值范圍為6.3~7.5，總氮和總磷質(zhì)量濃度分別為1.5~6.2和0~7mg-L-1。表2江蘇省浮萍種質(zhì)資源及分布情況Table2GermplasmresourcesanddistributionofduckweedsinJiangsu浮萍種類形態(tài)特征采集地區(qū)水體pH值紫萍葉狀體扁平，闊倒卵形，長5~8mm，寬4~6mm，先端鈍圓，表面綠色，背面紫色，根5~11條，根長3~5cm連云港、徐州、鹽城、宿遷、淮安、泰州、南通、揚(yáng)州、南京、常州、蘇州、無錫4.5~7.5少根紫萍葉狀體膜質(zhì)，狹倒卵形或長圓形，3~5脈，長4~6mm,寬1.5~2.5mm,表面綠色，背面紫色，根3~5條，甚長徐州、鹽城、宿遷、淮安、泰州、揚(yáng)州、常州、蘇州6.5~7.5青萍葉狀體對稱，表面綠色，背面淺黃色或綠白色或常為紫色，近圓形，倒卵形或倒卵狀橢圓形，全緣，長1.5~5.0mm,寬2~3mm,表面稍凸起或沿中線隆起，根1條，根長3~4cm連云港、徐州、鹽城、宿遷、淮安、泰州、南通、揚(yáng)州、南京、常州、蘇州、無錫4.5~7.5蕪萍葉狀體卵狀半球形，單一或2代連在一起，直徑0.5~1.5mm，表面綠色，扁平，具多數(shù)氣孔，背面明顯凸起，淡綠色，表皮細(xì)胞5至6邊形，無葉脈及根連云港、徐州、宿遷、南京、無錫6.0~7.5不同品種浮萍對環(huán)境溫度的要求不盡相同［3］。紫萍、青萍和蕪萍為喜熱浮萍品種，最適生長溫度為35°C，因此這3種浮萍為夏季常見浮萍。少根紫萍為喜溫?zé)岣∑计贩N，最適生長溫度為25C，故調(diào)查過程中也能發(fā)現(xiàn)少根紫萍。由于調(diào)查時(shí)間在8月中旬（平均溫度27~35C）,溫度較高，而稀脈浮萍為喜低溫浮萍品種，最適生長溫度為10C,因此調(diào)查中并沒有發(fā)現(xiàn)稀脈浮萍。此外，所有調(diào)查地點(diǎn)也未見品澡。在溫度稍低的春、秋季節(jié)應(yīng)繼續(xù)對全省浮萍資源進(jìn)行相關(guān)調(diào)查。在利用浮萍處理污水時(shí)，應(yīng)考慮利用各地域當(dāng)季的優(yōu)勢浮萍，爭取達(dá)到浮萍的最大生長量及污染物的最大去除率。2.1.2浮萍分布與區(qū)域水體類型的關(guān)系調(diào)查發(fā)現(xiàn)，浮萍最適合在農(nóng)田水體生長，其次是生活區(qū)水體，工業(yè)區(qū)水體浮萍樣本數(shù)較少。這可能是由于農(nóng)田水體污染較生活區(qū)、工業(yè)區(qū)輕，而氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)豐富，利于浮萍生長。由表3可見，所有類型水體中紫萍樣本數(shù)最多，其次是青萍，少根紫萍和蕪萍較少，這是由于適宜紫萍和青萍生長的水體pH值范圍（4.5~7.5）較廣，紫萍和青萍的適應(yīng)能力較少根紫萍和蕪萍強(qiáng)。此外，工業(yè)區(qū)水體中未發(fā)現(xiàn)少根紫萍。2.2浮萍與生長水環(huán)境的關(guān)系2.2.1水體pH值由圖1可見，江蘇省各地區(qū)生長有浮萍的水體pH值存在南北差異。南京和泰州以北地區(qū)水體pH值為7.0~7.5，揚(yáng)州以南大部分地區(qū)水體pH值為4.5~7.0。水體pH值出現(xiàn)南北差異的原因有以下幾點(diǎn)：長期以來，揚(yáng)州以南地區(qū)單位面積累積氮肥施用量高于北部，而長期施用氮肥易造成銨態(tài)氮流失，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的過程易導(dǎo)致水體失去H+[5];江南工業(yè)發(fā)達(dá)，紡織、印染、采礦和造紙等工業(yè)廢水大量排入河流[6];長江以南地區(qū)酸雨出現(xiàn)的頻率大于江北[7-8]。表3不同類型區(qū)域浮萍的分布情況Table3Distributionofduckweedsindifferenttypesofareas區(qū)域類型浮萍種類樣本數(shù)工業(yè)區(qū)紫萍8青萍8蕪萍2生活區(qū)紫萍12青萍5少根紫萍2蕪萍3農(nóng)田紫萍38青萍26少根紫萍11蕪萍6圖1江蘇省各地浮萍生長水體的pH值差異Fig.1DifferenceinpHbetweenduckweedsgrowingwaterbodiesinJiangsuProvincea~l分別指連云港、彳余州、鹽城、宿遷、淮安、泰州、揚(yáng)州、南通、南京、蘇州、無錫、常州。2.2.2工業(yè)區(qū)浮萍種類及水體氮、磷含量的關(guān)系由表4可知，工業(yè)區(qū)水體銨態(tài)氮、總氮和總磷含量較高，高于GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水標(biāo)準(zhǔn)〔p（銨態(tài)氮）＜2.0mg-L-1,p（總氮）＜2.0mg?L-1,p（總磷）＜0.4mg?L-1〕，屬于污染較嚴(yán)重水體?？梢?，浮萍對含有高濃度銨態(tài)氮、總氮、總磷的污水有較好的適應(yīng)性，可以利用浮萍處理含高濃度氮、磷的污水。表4生長浮萍的工業(yè)區(qū)水體pH值及氮、磷含量Table4NandPcontentsandpHofduckweedsgrowingwaterbodiesintheindustrialareasn=5。1)無量綱。地區(qū)統(tǒng)計(jì)值pH值p/(mg?L-1)銨態(tài)氮硝態(tài)氮總氮總磷江南平均值7.0221.841.0317.684.55標(biāo)準(zhǔn)差0.026.960.247.021.18范圍6.97~7.061.95~39.830.44~1.563.08~41.090.39~9.24中位數(shù)7.0216.930.9417.923.51變異系數(shù)1)0.010.740.430.790.73江北平均值0.020.600.290.580.267.3820.481.1821.668.99標(biāo)準(zhǔn)差0.055.520.155.621.04范圍7.18~7.4711.4~41.450.90~1.6612.82~43.116.83~12.79中位數(shù)7.4215.220.9916.128.22變異系數(shù)1)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工業(yè)區(qū)附近水體中的浮萍并非單種存在，大多以紫萍和青萍共生的方式存在。對于銨態(tài)氮污染較嚴(yán)重的東?？h工業(yè)區(qū)水體，更是以紫萍、青萍和蕪萍3種浮萍共生的方式存在，這有利于提高水體中污染物的去除率。在實(shí)踐中，對于污染較嚴(yán)重的水體，往往需要考慮利用幾種浮萍共生的方式來處理污水。但在污水處理的不同階段，選用何種浮萍搭配比例需要進(jìn)一步研究。2.2.3生活區(qū)浮萍種類及水體氮、磷含量關(guān)系由表5可知，生活區(qū)水體銨態(tài)氮含量一般高于硝態(tài)氮含量，這是由于人和畜禽糞便中的大量有機(jī)物質(zhì)首先通過微生物的氨化作用轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，好氣條件下再經(jīng)過硝化細(xì)菌的硝化作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。銨態(tài)氮存在于該系列生物化學(xué)反應(yīng)的初始階段，銨態(tài)氮含量較高表明水體受污染的時(shí)間較短，生活區(qū)水體每天都會(huì)接納大量的生活污水，所以銨態(tài)氮含量較高，這與熊正琴等［9］的研究結(jié)果一致。生活區(qū)水體中浮萍的存在方式包括單種存在、兩兩存在和三種共存，尚未發(fā)現(xiàn)其存在方式與水體氮、磷含量間的明顯聯(lián)系。表5生長浮萍的生活區(qū)水體pH值及氮、磷含量Table5NandPcontentsandpHofduckweedsgrowingwaterbodiesintheresidentialareasn=7。1)無量綱。地區(qū)統(tǒng)計(jì)值pH值p/(mg?L-1)銨態(tài)氮硝態(tài)氮總氮總磷江南平均值6.862.091.293.380.29標(biāo)準(zhǔn)差0.120.500.370.620.10范圍6.58~7.181.14~4.040.14~2.251.95~5.470.03~0.52中位數(shù)6.881.751.442.910.36變異系數(shù)1)0.040.530.640.410.79江北平均值0.030.790.330.551.107.192.411.173.582.93標(biāo)準(zhǔn)差0.080.720.150.751.22范圍6.95~7.410.98~5.550.63~1.862.02~6.640.10~6.98中位數(shù)7.291.641.132.870.55變異系數(shù)1)2.2.4農(nóng)田浮萍種類及水體氮、磷含量由表6可知，農(nóng)田水體氮、磷含量較高，這與農(nóng)田土壤長期大量施用氮、磷肥有關(guān)。銨態(tài)氮肥施入土壤后能很快被土壤吸附固定，而硝態(tài)氮易隨水流失，所以農(nóng)田水體中硝態(tài)氮含量普遍高于銨態(tài)氮［9］。與生活區(qū)類似，農(nóng)田水體中浮萍的存在方式包括單種存在、兩兩存在和三種共存，也未見其存在方式與水體氮、磷含量之間的必然聯(lián)系。調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，連云港、徐州、宿遷、淮安有75%的農(nóng)田水體總磷含量約為總氮的2~10倍;而鹽城、泰州、揚(yáng)州、南京、常州、無錫、蘇州有70%的農(nóng)田水體總氮含量約為總磷的2~15倍。這除與土壤物質(zhì)組成不同所致的土壤對氮、磷的吸附特征差異有關(guān)外，還與連云港、徐州、宿遷、淮安磷肥施用較多，而鹽城、泰州以南地區(qū)氮肥施用較多有一定聯(lián)系。表6生長浮萍的農(nóng)田水體pH值及氮、磷含量Table6NandPcontentsandpHofduckweedsgrowingwaterbodiesinthefarmingareas江南，n=16;江北，n=28。1)無量綱。地區(qū)統(tǒng)計(jì)值pH值p/(mg?L-1)銨態(tài)氮硝態(tài)氮總氮總磷江南平均值6.340.191.201.390.20標(biāo)準(zhǔn)差0.200.050.090.120.06范圍4.36~7.240.01~0.600.65~1.950.81~2.550.03~0.79中位數(shù)6.460.081.211.340.12變異系數(shù)1)0.121.120.290.321.12江北平均值0.041.010.420.411.047.280.130.941.073.99標(biāo)準(zhǔn)差0.050.020.070.080.76范圍6.63~7.780.00~0.440.21~2.000.23~2.110.02~12.39中位數(shù)7.340.100.891.003.92變異系數(shù)1)3結(jié)論8月中旬，浮萍多生長在淺水坑、靜水坑、靜止的河流中以及稻田附近。工業(yè)區(qū)附近由于污染較為嚴(yán)重，浮萍樣本數(shù)較少。江蘇省夏季最常見的浮萍品種為紫萍和青萍，兩者常以共生方式存在;其次是蕪萍和少根紫萍;未見稀脈浮萍和品藻。徐州和宿遷的浮萍品種最為豐富，紫萍、青萍、蕪萍和少根紫萍均有分布;南通的浮萍品種最為貧乏，只有紫萍和青