武漢鄂博區(qū)沉水植物圍隔水質(zhì)凈化作用研究

武漢鄂博區(qū)沉水植物圍隔水質(zhì)凈化作用研究

長江上游的水系正在連接和配置湖泊。它是中國著名的魚米之鄉(xiāng)。許多城郊湖泊,如武漢東湖,原是水生植物豐茂的草型湖泊,由于湖濱人口的增加和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,大量生活污水和生產(chǎn)廢水排入東湖,水體遭受嚴(yán)重污染,加之不合理的水產(chǎn)養(yǎng)殖,水生植被遭到破壞,生態(tài)系統(tǒng)退化,加速了湖泊富營養(yǎng)化進(jìn)程,湖水水質(zhì)惡化,嚴(yán)重影響了正常的湖泊功能發(fā)揮,并危及飲用東湖自來水居民的身體健康。水生大型植物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和主要的初級生產(chǎn)者之一,介于水-泥、水-氣及水陸界面,對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的循環(huán)和傳遞起調(diào)控作用。對于淺水湖泊而言,重建水生植被是富營養(yǎng)化治理和湖泊生態(tài)恢復(fù)的重要措施。我們利用在武漢東湖建成的大型圍隔生態(tài)系統(tǒng),對水生植物特別是以沉水植物為主的水生植物群落對水質(zhì)的改善作了定性、定量觀察,以探討水生植物的凈化機(jī)理和水環(huán)境效益。1水樣的采集和測定武漢東湖是長江中游的一個中型淺水湖泊,面積約為28km2,平均水深約為2.21m。我們于1993年在水果湖南岸建成4個面積各為800m2的圍隔,以鋼管為骨架,聚氯乙烯防水彩布隔開內(nèi)外水體,其底端包裹石龍插入底泥,用毛竹固定到骨架上,外加尼龍網(wǎng)和鋼板網(wǎng)。先后在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號圍隔內(nèi)移栽苦草(VallisneriaspiralisL.)、狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.)和菹草(PotamogetoncrispusL.)等沉水植物。Ⅳ號圍隔內(nèi)未栽水生植物作為對照。每個圍隔中設(shè)1個采樣點(diǎn),在圍隔外的湖區(qū)另設(shè)1個對照采樣點(diǎn)(Ⅴ),共計5個采樣點(diǎn)。從1994年10月至1995年8月每月采集1次水樣,按標(biāo)準(zhǔn)方法監(jiān)測水體透明度、水色、電導(dǎo)率等理化因子和化學(xué)需氧量(CODCr)、生化需氧量(BOD5)和總懸浮固體物質(zhì)(TSS)。1994年5月和1995年4月分別測量移栽時和移栽一年后植物的生物量,以濕重g/m2表示。1996年5月,從圍隔II和圍隔外湖水中各采集100L水樣,用XAD-2大孔樹脂富集水中的有機(jī)物質(zhì),樹脂床體積約30mL。用重蒸丙酮洗脫,減壓濃縮后分析。實驗用樹脂用重蒸二氯甲烷、乙腈和丙酮在索氏抽提器上凈化8h。然后采用色質(zhì)聯(lián)用法測定。色譜條件:美國HP5790A氣相色譜儀,美國J&W科學(xué)公司生產(chǎn)的DB-5彈性石英毛細(xì)管柱,載氣為He氣,柱前壓10kg/cm2,柱初始溫度50℃(恒溫2min),升溫速率8℃/min,終止溫度290℃(恒溫10min)。色譜與質(zhì)譜接口溫度為250℃。質(zhì)譜條件:英國VG7070E-HF雙聚焦磁式質(zhì)譜儀,分辨率1000,加速電壓6kV,EI離子源,離子源溫度200℃,電子能量70eV,掃描速度×10/s,掃描范圍45～800amu。2結(jié)果與討論2.1水生植物與圍隔在冬、春季各圍隔以菹草和狐尾藻為主,水生植物可分布到整個圍隔,Ⅲ號也可分布一半左右的面積。1994年5月,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號圍隔水生植物生物量濕重分別為1111.4,786.9和1555.8g/m2。移栽一年后,1995年4月,所測的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號圍隔水生植物生物量濕重分別為6187.5,5250.0和2877.6g/m2。由此可見水生植物成活程度高,生長非常茂盛。盛夏菹草死亡后,其他沉水植物如苦草和狐尾藻等分布僅限于岸邊水深約1m左右的區(qū)域,生物量大幅度降低。此外零星分布有少量大茨藻。移栽的黃絲草和伊樂藻未能越夏,原因可能是水體透明度的影響,附生植物過多或因草魚攝食(圖1)。從圖1,2,3可知水生植物圍隔(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)中水質(zhì)有一定改善。水體透明度較對照圍隔和大湖水體顯著升高,盡管夏季水生植物分布面積縮小、生物量較低,但其透明度依然保持在較高的水平。具有水生植物的圍隔水體表色明顯低于對照圍隔和大湖水體(圖2)。沉水植物的存在有效地降低了顆粒性物質(zhì)的含量,可改善水下光照條件。水生植物的圍隔水體電導(dǎo)率也低于對照圍隔和大湖水體(圖3)。這些結(jié)果表明沉水植物可以顯著改善水體的理化性質(zhì)。2.2水體有機(jī)污染物的變化水生植物可能吸收和富集某些小分子有機(jī)污染物,更多的是通過促進(jìn)物質(zhì)的沉淀和促進(jìn)微生物的分解作用來凈化水體。水生植物還可以增強(qiáng)底質(zhì)的穩(wěn)定和固著。從圖4可知,具有水草的圍隔(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)不但COD和BOD大為降低,而且BOD/COD的比值比對照圍隔和圍隔外大湖水體低得多。水生植物圍隔的COD一般在20mg/L以下,5月份菹草開始死亡時可上升到40mg/L左右;冬季BOD在2mg/L以下,夏季可升高到5mg/L左右。對照圍隔和大湖水體COD多為40mg/L左右;BOD多在10mg/L以上,冬季有時可降低到5mg/L左右。1995年7月Ⅲ號圍隔和對照Ⅳ號圍隔發(fā)生微囊藻水華,故Ⅲ號圍隔COD在該月顯著上升,但隨著水華現(xiàn)象結(jié)束,COD迅速下降;該月Ⅲ和Ⅳ號圍隔水體BOD有所下降,這可能因為COD主要是顆粒性有機(jī)物(藍(lán)藻細(xì)胞),可降解的溶解性有機(jī)物含量降低。各圍隔水體和大湖對照水域總懸浮固體顆粒(TSS)的變化趨勢基本上與CODCr、BOD5相同。水生植物圍隔TSS含量降低,除前面提及的顆粒物質(zhì)(有機(jī)碎屑和無機(jī)顆粒)的沉降外,浮游植物含量的降低所起的作用更為顯著。1995年7至8月間Ⅲ號圍隔和Ⅳ號圍隔中發(fā)生的微囊藻水華,使得其TSS迅速顯著升高,隨著水華結(jié)束而顯著降低。從各圍隔及大湖水體有機(jī)污染組成來看,具有水草的圍隔可檢出的有機(jī)污染物種類明顯低于對照圍隔和大湖水體。已檢出的污染物包括表面活性劑和增塑劑等。所檢出的有機(jī)污染物種類與以前所檢出的相似,主要成分為26-二叔丁基-4甲基苯酚。從圖5看出,湖水含48個峰,Ⅱ號圍隔29個峰,圍隔中有機(jī)污染物種類明顯比大湖少,說明植物的存在有利于有機(jī)污染物質(zhì)的降解。研究認(rèn)為沉水植物占優(yōu)勢時水體水質(zhì)清澈、生物多樣性高。水生植物在不同的營養(yǎng)級水平上存在維持水體清潔和自身優(yōu)勢穩(wěn)定狀態(tài)的機(jī)制:水生植物有過量吸收營養(yǎng)物質(zhì)的特性,可降低水體營養(yǎng)水平;減少因為風(fēng)和攝食底棲生物的魚類所引起沉積物重懸浮,降低濁度。同時水生大型植物對藻類也存在化感作用,能抑制