倪子怡,許 海,詹 旭,程新良,王裕成,朱廣偉,朱夢圓,鄒 偉,孫起亮

(1:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,南京 210008) (2:江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,無錫 214122) (3:浙江省杭州市生態(tài)環(huán)境局淳安分局,杭州 311700) (4:浙江省杭州市桐廬縣環(huán)境保護監(jiān)測站,桐廬 311500)

水庫對調(diào)節(jié)流域生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用。進入21世紀以來,全球水資源短缺形勢日益嚴峻,人類飲用水的供給越來越依賴于水庫,水庫功能由發(fā)電、防洪轉(zhuǎn)向供水已成為世界性的趨勢。我國是水資源短缺的國家,城市缺水甚為嚴重,水庫已成為我國許多城市的重要飲用水水源地,在水資源調(diào)配中發(fā)揮著極其重要的作用。統(tǒng)計顯示,2019年我國水庫總庫容已增加到9306億m3,大型水庫座數(shù)和水庫總庫容均翻了一番[1]。對于水源地型水庫而言,水質(zhì)安全保障極為重要。然而,隨著人類活動和全球氣候變暖,水體富營養(yǎng)化逐漸加劇[2],引發(fā)的季節(jié)性藻類水華嚴重威脅了水生態(tài)安全,不僅惡化水質(zhì)影響人體健康,還破壞了水生態(tài)系統(tǒng)的功能平衡,自然生態(tài)過程被中斷并引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)[3]。2020年生態(tài)環(huán)境部監(jiān)測資料顯示,中富營養(yǎng)及以上的湖泊占比約為90.9%,貧營養(yǎng)湖庫占比僅為9.1%[1]。

氮是水體富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動因素之一[4]。在過去的30年里,中國陸地系統(tǒng)的人為氮輸入增加了兩倍多,大量的氮以溶解性硝酸鹽形式輸入河流和湖泊,加劇河湖富營養(yǎng)化問題,同時對飲用水供應(yīng)構(gòu)成嚴重威脅[5]。一些庫灣水體不僅受陸域氮素輸入影響,其水體流動性變差和庫區(qū)經(jīng)濟社會活動加劇等因素使庫灣水體富營養(yǎng)化問題更為突出[6]。因此水體氮素的控制成為水庫生態(tài)系統(tǒng)的迫切任務(wù)。對于許多丘陵山區(qū)水庫,盡管流域自然植被較好,水質(zhì)總體保持良好,但受極端降雨和水文過程影響,面源污染加劇,而流域土地資源又非常緊張,缺乏足夠面積的攔截濕地截留流域污染負荷,在這種流域進行水體污染治理工作難度更高。同時對于深水湖泊而言,由于水體容易形成溫躍層,底層水溫較低[7],反硝化潛力較弱,而上層水體由于處于好氧狀態(tài),同時水體碳源較少[8],缺少反硝化發(fā)生的環(huán)境,很難發(fā)生反硝化脫氮過程,尤其針對局部庫灣較高營養(yǎng)鹽濃度水體的凈化工作更具挑戰(zhàn)性。

生態(tài)浮床是一種經(jīng)濟、可持續(xù)的綠色水體修復(fù)技術(shù)[9],不額外占用土地,還兼具一定的經(jīng)濟或景觀效益,其運用無土栽培技術(shù)原理,采用現(xiàn)代農(nóng)藝和生態(tài)工程措施將水生植物或馴化的陸生植物種植于漂浮的載體上,通過植物、根系微生物的吸收同化和硝化-反硝化脫氮等過程達到凈化水體氮污染的目的[10]。生態(tài)浮床除通過植物吸收和收獲帶走水體氮素外,浮床植物在水體中生長會形成發(fā)達的根系,為水體中各種微生物提供了良好的固著載體。植物在生長過程中也在不停向周圍環(huán)境釋放各種有機酸、糖和維生素等有機物[11],能夠為微生物反硝化作用提供碳源從而加強氮的去除。在多項模擬實驗和實際工程中,生態(tài)浮床均展現(xiàn)出良好的水質(zhì)凈化效果[12-15]。生態(tài)浮床通常應(yīng)用于凈化高氮磷濃度水體,如養(yǎng)殖水體、城市富營養(yǎng)化河道、污水處理廠尾水等[16-17],對于丘陵山區(qū)深水水庫水體生態(tài)浮床技術(shù)的適用性研究較少。在生態(tài)浮床的長期運行中,其凈化效果受多種因素影響,例如光照和營養(yǎng)鹽濃度[18-20]。Wobbe等[21]綜合廣泛研究指出,嚴格控制植物對于光的捕獲是至關(guān)重要的,因為光具有雙面性:它能推動光合作用,但光照過強對部分植物是有害的。在較高光照射下經(jīng)常觀察到植物明顯的光抑制現(xiàn)象和光合能力的下降[22]。氮和磷是植物生長必需的營養(yǎng)元素,植物因自身的生長特性,對于水體營養(yǎng)鹽濃度有著不同的耐受性和生理反饋,進而影響水質(zhì)凈化效果[23]。因此,對于不同水質(zhì)的水體需要選擇適宜的植物品種以深度凈化水質(zhì)。

千島湖,又名新安江水庫,是浙江省最為重要的飲用水源保護地[24]。近年來,千島湖水質(zhì)面臨著諸多威脅,如2007年坪山水域中水華束絲藻異常增殖,2009、2010年安陽水域出現(xiàn)曲殼藻、魚腥藻異常增殖等現(xiàn)象。大量氮輸入導(dǎo)致千島湖湖區(qū)以含氮物質(zhì)污染為主,水質(zhì)下降,并成為引發(fā)富營養(yǎng)化和藻類水華暴發(fā)的重要因素,且在局部庫灣更為嚴重[24-25]。因此,控制千島湖水體氮濃度、降低藻華暴發(fā)風(fēng)險十分必要。然而,千島湖是深水水庫,岸坡陡峭,生境單一,流域土地資源緊張,缺乏足夠面積的凈化濕地[26]。同時水體碳濃度很低,5-8月千島湖全湖水體溶解性有機碳濃度均值僅為1.73 mg/L[8],湖體反硝化脫氮作用受到明顯的碳限制,水體氮素自凈能力較低。目前的研究多集中于通過室內(nèi)模擬實驗探究生態(tài)浮床對于高氮磷濃度污水的凈化效果及其影響因素,野外環(huán)境中對于像千島湖這種深水水庫且碳源不足背景下生態(tài)浮床的可行性研究較少。此外,探究光照強度對水生植物的影響多聚焦于沉水植物,在此種水質(zhì)背景下不同類型浮床植物受營養(yǎng)鹽濃度和光強影響的對比研究較為缺乏。

鑒于此,本研究選取濕生植物空心菜(Ipomoeaaquatica)和水生植物粉綠狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)兩種不同類型的典型植物為對象,通過在千島湖水體開展模擬實驗,對比研究營養(yǎng)鹽濃度和遮光水平對兩種植物生長和水體氮素凈化的效果及其機制,以期為我國類似水庫氮素深度凈化提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)域

千島湖(29°22′～29°50′N,118°36′～119°14′E),位于浙江省杭州市淳安縣,是1957年開建、1959年9月21日截流蓄水的新安江水庫[27]。水庫水面面積580 km2(水位為108 m時),庫容為178億m3,平均水深31 m,最大水深100 m。千島湖地處典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),溫暖濕潤,四季分明[28]。近60年來氣溫逐步升高,極端天氣增多,2020年平均氣溫18.3℃,較歷史平均值(17.3℃)稍高。年均降水量為1636.5 mm,年日照時數(shù)達1951 h[2]。根據(jù)千島湖生態(tài)系統(tǒng)研究站自動監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,7-9月小金山斷面處平均有效光照為241.76 W/m2。新安江是最主要的入庫河流,約占入庫徑流的2/3[29]。千島湖的營養(yǎng)鹽達標問題長期困擾著水庫環(huán)境的治理,其水體總氮(TN)、總磷(TP)濃度時空差異明顯,淳安縣境內(nèi)以西北庫灣最高,全年均值分別為1.18和0.031 mg/L,其次為中心庫區(qū),從時間來看,夏季營養(yǎng)鹽濃度普遍較高,TN和TP濃度平均可達0.91和0.025 mg/L[27]。采樣點位于國控監(jiān)測斷面小金山(圖1),水深約40 m,距上游浙江省與安徽省交界的街口斷面約28.6 km,極易受上游河流斷面的影響,從而使水質(zhì)無法穩(wěn)定達標[30]。實驗區(qū)域位于小金山水域一庫灣,四周無光線遮擋。

圖1 實驗區(qū)域方位Fig.1 Location of research area

1.2 供試植物

空心菜屬于一年生蔓生植物,能耐38℃高溫,對不同濃度水體均具有很強的適應(yīng)性和氮磷去除效果,根系發(fā)達且生物量大,是理想的浮床植物材料。

粉綠狐尾藻,俗稱“凈水精靈”,是一種多年生沉水或浮水植物,在南亞熱帶地區(qū)可全年生長,生態(tài)風(fēng)險低,對富營養(yǎng)化水體的生態(tài)治理具有得天獨厚的優(yōu)勢[31]。

1.3 實驗設(shè)計

實驗于2022年8月9日-9月6日在浙江省千島湖生態(tài)系統(tǒng)研究站進行。選用2.2 m×1.2 m×3.0 m的帆布方形圍隔作為生態(tài)浮床主體,內(nèi)置2 m×1 m的尼龍格網(wǎng)作為載體,每個格網(wǎng)統(tǒng)一放入初始生物量為2 kg的植物(種植密度為0.76 kg/m2),置于千島湖小金山斷面湖水中以模擬原位生態(tài)浮床效果,實驗布置見圖2。選取扦插苗空心菜和粉綠狐尾藻作為實驗植物。實驗開始前,植物先預(yù)培養(yǎng)一周,待植物長勢穩(wěn)定后選取長勢較好且相近的植物,用于生態(tài)浮床模擬實驗。

圖2 實驗布置(上圖為原位湖水處理,下圖為氮磷加富處理)Fig.2 Experiment layout (the above diagram is in-situ lake treatment, the below is nitrogen and phosphorus enrichment treatment)

模擬實驗包括2種營養(yǎng)鹽濃度和3種光強水平。營養(yǎng)鹽水平包括:原位湖水(即將植物固定于格網(wǎng)上,置于小金山斷面原水下自然生長)和氮磷加富(即在圍隔中進行,抽取小金山原水并在此基礎(chǔ)上添加氮磷營養(yǎng)鹽)。因為原位水體營養(yǎng)鹽濃度較低,前期預(yù)實驗顯示水體一旦裝于培養(yǎng)桶內(nèi),很快就被植物吸收導(dǎo)致植物因營養(yǎng)衰竭而死亡,因此設(shè)置湖水原位培養(yǎng)處理,使植物能夠處于穩(wěn)定的營養(yǎng)鹽濃度環(huán)境,用于測試原位水體營養(yǎng)鹽濃度下植物是否能夠生長。氮磷加富處理是在圍隔中進行,主要是測試氮磷濃度高于原位水體時植物的生長狀況,驗證原位水體植物生長是否受到氮磷限制。實驗用水采自千島湖小金山斷面水域,用硝酸鉀和磷酸二氫鉀試劑分別配制氮、磷營養(yǎng)液,兩組實驗初始水樣的物理化學(xué)指標如表1所示。光強水平包括:遮光0%(全陽光)、遮光40%和遮光75%,通過將不同孔徑尺寸的遮陽網(wǎng)覆蓋于格網(wǎng)上,以達到目標遮陽水平。因?qū)嶒炘谝巴馇u湖湖體原位培養(yǎng),為避免降雨等因素干擾,頂部設(shè)有透明防雨棚覆蓋了整個圍隔組(包括0%、40%和75%)。連續(xù)3天分別于9:00、12:00和15:00用德力西照度計(DLY-1801)測量各遮光處理的實際光照強度,見表2。以無植物、氮磷加富和遮光0%組合處理為實驗對照。實驗共設(shè)13個處理,每個處理有3個平行。

表1 實驗初始水質(zhì)指標Tab.1 Initial water quality index

表2 不同遮光處理的實測光強Tab.2 Measured light intensity of different shading treatments

1.4 植物生長指標測定

由于原位湖水組處于開放水體,主要度量植物長勢,不對其進行水體營養(yǎng)鹽濃度測定。在實驗開始和結(jié)束時期隨機抽取植物,用直尺測量植物單株株高、根長,用電子天平(常熟意歐電子天平,DT502)稱量植物生物量(濕質(zhì)量)。隨后烘干稱重,過100 mm×25.4 mm篩網(wǎng)研磨后測量植物體內(nèi)氮磷含量(意大利元素分析儀,Eurovector EA3000)。

1.5 水體理化指標測定

1.6 植物根系反硝化速率測定

取氮磷加富組各處理第14天植物進行根系反硝化速率測定,每個處理設(shè)3個平行。培養(yǎng)袋選用容積為2 L的聚氟乙烯取樣袋,外設(shè)2個閥門,三邊封口,一邊配密封條,厚度為50 μm,具有良好的密閉性能。將植物置于培養(yǎng)袋中,加入1.5 L與初始氮磷加富處理同等營養(yǎng)鹽濃度的湖水,排盡培養(yǎng)袋中氣體并用密封條進行密封,黑暗恒溫20℃培養(yǎng)8 h。

分別在實驗初始(0 h)和結(jié)束(8 h)通過培養(yǎng)袋出水閥將水緩慢抽入到12 mL空瓶(Labco Exetainer)中,瓶子裝滿時繼續(xù)引流并緩慢抽出橡皮管,使液面形成凸狀,然后擰緊瓶蓋。每個培養(yǎng)袋取3個平行樣,采集完后立即用注射器打入50%質(zhì)量分數(shù)的ZnCl2溶液終止其微生物反應(yīng)并密封保存。

樣品采用膜接口進樣質(zhì)譜儀(Bay instrument, USA)測定,并使用Kana等[34]提出的N2∶Ar比法進行計算。由于氬氣(Ar)穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),而氮氣(N2)受生物過程影響,因此使用N2∶Ar方法的計算精度遠高于單獨使用N2,計算方法如式(1)所示:

Δ[N2]=[N2]/[Ar]×[Ar]*-[N2]*

(1)

式中,Δ[N2]為N2濃度相對于自然條件下的凈增量,μmol/L;[N2]/[Ar]為經(jīng)質(zhì)譜儀矯正過的水樣中N2與Ar濃度比值;[N2]*、[Ar]*分別為特定溫度、鹽度條件下的理論平衡濃度,μmol/L,通過標準水樣溫度和鹽度值代入Weiss[35]的方程計算得到.

1.7 水體污染物去除率計算

污染物去除率(η)計算公式為:

(2)

式中,C0為污染物起始濃度,mg/L;Ci為第i次取樣的污染物濃度,mg/L。

TN凈去除效率(μ)計算公式為:

(3)

式中,μ為TN凈去除效率,mg/(m2·d);ΔC0為對照處理開始與結(jié)束污染物濃度差,mg/L;ΔCi為植物處理開始與結(jié)束污染物濃度差,mg/L;V為水體體積,L;S為面積,m2;t為時間,d。由于空心菜處理氮濃度在14天時已經(jīng)耗盡,空心菜處理按14天計算,粉綠狐尾藻處理按28天計算。

植物同化吸收氮速率(γ)的計算公式為:

(4)

式中,γ為植物同化吸收氮速率,mg/(m2·d);m1和m2分別為初始和結(jié)束時植物干質(zhì)量,g;ρ1和ρ2分別為初始和結(jié)束時植物體內(nèi)氮含量,mg/g。

1.8 統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)采用IBM SPSS 27.0軟件進行方差分析,使用單因素ANOVA檢驗法進行差異顯著性分析(P<0.05),采用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷濃度和光強對植物生長的影響

實驗期間空心菜和粉綠狐尾藻單株生長情況如表3、4所示。原位湖水和氮磷加富條件下的兩種植物均生長良好,實驗后其株高、根長、生物量均比實驗前顯著增加?？招牟说南鄬ιL速率平均約為0.049 g/(g·d),氮磷加富下空心菜的長勢明顯更好,其株高和生物量均是原位湖水下的1.6倍以上,根長增量約為25.86 cm。并且氮磷加富下以遮光40%環(huán)境中的空心菜單株株高、根長和生物量最高,株高和生物量分別是遮光0%環(huán)境下的1.3和1.5倍左右。遮光75%處理組由于遮陽網(wǎng)密實以及光照不足,實驗中后期植株腐爛衰亡,因此于實驗第21天時將植物移除。

表3 空心菜單株生長情況*Tab.3 Single plant growth of I. aquatica

表4 粉綠狐尾藻單株生長情況Tab.4 Single plant growth of M. aquaticum

不同處理下粉綠狐尾藻的相對生長速率約為0.026 g/(g·d)。粉綠狐尾藻株高受營養(yǎng)鹽影響顯著,氮磷加富下平均株高相較原位湖水增加約6.84 cm,但單株根長與生物量隨氮磷添加均無明顯影響,均值分別為4.18 cm和9.93 g。此外,光強對粉綠狐尾藻長勢的影響很小。

實驗結(jié)果表明,空心菜長勢受營養(yǎng)鹽濃度和光強影響顯著,氮磷加富和遮光40%的環(huán)境下生長最為迅速。相反,粉綠狐尾藻生長受氮磷濃度和光照影響均較小。

2.2 不同光強下生態(tài)浮床對水體氮素的凈化效果

水體總氮濃度變化及去除率如圖3、4所示。實驗期間,空白對照組TN濃度基本維持穩(wěn)定,均值為2.15 mg/L。觀察發(fā)現(xiàn),前期空心菜處理水體TN濃度快速下降,在第14 天基本降至最低,其中以遮光40%下TN去除率顯著高于其他遮光水平,達82.33%。實驗結(jié)束時由于水體可利用氮素基本消耗殆盡,空心菜不同遮光處理間TN去除率無明顯差異,平均約為74.88%。對比空心菜,在前期粉綠狐尾藻處理組水體TN濃度下降不明顯,但其去除率隨時間而增加。實驗結(jié)束時,粉綠狐尾藻處理組不同遮光水平下水體TN濃度均值約為1.46 mg/L,其中以遮光75%下水體TN去除率最高(43.18%),顯著高于其他遮光處理。

圖3 水體TN濃度變化((a)對照+空心菜;(b)對照+粉綠狐尾藻))Fig.3 Variation of total nitrogen concentration ((a) control + I. aquatica; (b) control + M. aquaticum))

圖4 水體TN去除率變化:(a)對照+空心菜;(b)對照+粉綠狐尾藻(字母不同表示不同處理之間差異顯著(P<0.05),字母相同表示差異不顯著,下同)Fig.4 Variation of total nitrogen removal rates ((a) control + I. aquatica; (b) control + M. aquaticum))

圖5 水體濃度變化((a)對照+空心菜;(b)對照+粉綠狐尾藻))Fig.5 Variation of nitrate concentration ((a) control + I. aquatica; (b) control + M. aquaticum))

空心菜的TN凈去除效率(171.55 mg/(m2·d))約是粉綠狐尾藻(36.85 mg/(m2·d))的4.66倍。其中,空心菜在遮光40%環(huán)境下的TN凈去除效率最高,為213.30 mg/(m2·d),比不遮光處理組提高35.5%。粉綠狐尾藻在遮光75%環(huán)境下的TN凈去除效率最高,為44.23 mg/(m2·d),約是遮光40%環(huán)境下的1.41倍(圖6)。

圖6 不同處理TN凈去除效率Fig.6 Net total nitrogen removal efficiency in different treatments

綜上所述,空心菜和粉綠狐尾藻對于水體氮濃度均有良好的凈化效果,空心菜對TN的凈去除能力約為粉綠狐尾藻的4.66倍。其中,遮光40%和75%的環(huán)境分別提升了空心菜和粉綠狐尾藻對氮的去除效果。

2.3 不同光強下生態(tài)浮床植物氮素去除途徑分析

實驗期間空心菜的干物質(zhì)氮含量平均從30.39 g/kg降低至24.93 g/kg。但相較于不遮光環(huán)境,遮光40%下的的空心菜體內(nèi)氮含量顯著增加,為27.59 g/kg。與空心菜不同,實驗后粉綠狐尾藻的干物質(zhì)氮含量略增加,平均從8.53 g/kg升高至9.53 g/kg。不同遮光條件下粉綠狐尾藻的體內(nèi)氮含量,以遮光75%環(huán)境下最高,為10.00 g/kg(表5)。

表5 植物體內(nèi)氮含量的變化Tab.5 Variation of nitrogen content in plants

遮光0%和40%下空心菜同化吸收氮速率分別為142.54和161.12 mg/(m2·d),不同環(huán)境下空心菜同化吸收作用占TN去除的貢獻率均在70%以上。對于粉綠狐尾藻,其同化作用貢獻率約為50%,以遮光75%下同化吸收氮速率最高(27.81 mg/(m2·d)),并且反硝化及其他作用氮去除速率同樣達到最高值,為24.00 mg/(m2·d)(圖7)。

圖7 不同處理氮去除途徑速率Fig.7 Nitrogen removal pathway rates in different treatments

空心菜處理根系整體反硝化作用強于粉綠狐尾藻,反硝化速率平均值分別為5.79和4.12 μmol N2/(L·h),均高于空白對照組(2.83 μmol N2/(L·h))。其中,遮光40%下的空心菜根系反硝化速率最高,為7.60 μmol N2/(L·h),顯著高于其他處理。對于粉綠狐尾藻,以遮光75%條件下的粉綠狐尾藻反硝化速率最快,為4.65 μmol N2/(L·h),以遮光40%環(huán)境下最低,為3.65 μmol N2/(L·h),差異顯著(圖8)。

圖8 不同處理根系反硝化速率Fig.8 Denitrification rate of root system in different treatments

3 討論

3.1 不同營養(yǎng)鹽濃度和光照強度對兩種浮床植物生長的影響

植物作為生態(tài)浮床的核心組成部分,生物量越高對水中污染物的吸收和凈化能力越強[36-37],但植物生長往往受到關(guān)鍵環(huán)境因素的限制,這些因素可能會影響其水質(zhì)凈化效率?？招牟艘呀?jīng)廣泛應(yīng)用于生態(tài)浮床水質(zhì)凈化中,楊紹聰?shù)萚38]研究發(fā)現(xiàn)水培空心菜產(chǎn)量顯著高于土栽,且更有利于根須生長。本研究中空心菜的相對生長率明顯高于粉綠狐尾藻,但空心菜體內(nèi)氮含量卻略微降低。究其原因,一方面在于空心菜原本種植于高濃度池塘水體中,另一方面在于生物量大幅增加導(dǎo)致的“稀釋效應(yīng)”。由此說明,空心菜吸收的氮素主要用于合成自身物質(zhì)結(jié)構(gòu),生物量快速積累。粉綠狐尾藻吸收的氮一部分用于富集在植物組織中,一部分用于自身生長繁殖。

空心菜的生長受營養(yǎng)鹽和遮光水平影響顯著,在氮磷加富和遮光40%的環(huán)境下生長得明顯更好,這表明低營養(yǎng)鹽濃度、全光照和75%遮光環(huán)境均會在一定程度上抑制空心菜的生長?？招牟说闹旮唠S遮光程度顯著增加,這與前人的研究相似,前人研究發(fā)現(xiàn),在遮蔭條件下植物莖組織伸長,認為這是植物體內(nèi)生理機制的調(diào)控方式之一,通過調(diào)節(jié)體內(nèi)生長素以適應(yīng)外界刺激[39],也通常被解釋為伸長組織以獲取更多的光照[40]。光照雖是植物能量和物質(zhì)的來源,但也可能成為其潛在的脅迫因素[41]。本研究發(fā)現(xiàn),氮磷加富組在遮光40%下空心菜的單株生物量最高,推測遮光40%的遮陽網(wǎng)為空心菜創(chuàng)造出了最適宜其生長的小氣候環(huán)境,既避免夏季強光直射對空心菜生理器官的損傷,又能迎合其喜光的特性以保障光合作用的順利進行。正如楊小鋒等[42]在夏季對空心菜覆蓋不同材料發(fā)現(xiàn),透光率為65%的黑色遮陽網(wǎng)覆蓋的空心菜質(zhì)量增加最大,并且遮光還能提升空心菜的衛(wèi)生品質(zhì)。但是在原位湖體組,未發(fā)現(xiàn)空心菜生物量有顯著差異,這主要是因為在低營養(yǎng)水平下,營養(yǎng)鹽的影響比光強更大,水下部分對于養(yǎng)分的競爭更為重要[43]。此外,由于同一物種的不同性狀特征也會對光強產(chǎn)生不同的反應(yīng),光照強度對其根長并無明顯影響[22]。

本研究中營養(yǎng)鹽濃度的增加對粉綠狐尾藻的生物量和根長無明顯影響,說明粉綠狐尾藻對于水體營養(yǎng)鹽濃度具有廣泛的適應(yīng)性。和Tan等[44]的結(jié)果一致,發(fā)現(xiàn)在低營養(yǎng)鹽水體中氮磷濃度的增加對狐尾藻的生長幾乎沒有影響。這也印證了Chambers等[45]的觀點,即沉水植物對富營養(yǎng)化的敏感性不受水體中氮、磷濃度變化所直接引起的生理反應(yīng)的影響。此外,水生植物粉綠狐尾藻屬于陰生植物,其光飽和點及光補償點比陸生陽生植物低很多[46]。本研究中粉綠狐尾藻的單株生物量在不同光照條件下均增加了一倍以上,說明實驗所設(shè)置的光照強度在粉綠狐尾藻的耐受范圍內(nèi),遮陽75%的環(huán)境也能滿足其對光照的需求。關(guān)于光照對狐尾藻生長的影響還未有定論,有部分學(xué)者認為隨光照強度的增加,狐尾藻葉片葉綠素含量下降,丙二醛含量上升,表現(xiàn)出明顯的強光抑制現(xiàn)象[22,47],也有研究認為狐尾藻的根系和生物量隨光照強度的增加而明顯提高[44,48]。本實驗中光照對于狐尾藻的生長影響很小,幾乎沒有差異,桑雨璇等[49]經(jīng)研究同樣發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象,認為原因在于植物對光照的需求。綜上所述,本研究認為空心菜的生長受營養(yǎng)鹽和光強影響顯著,但夏季營養(yǎng)鹽濃度和光照對于粉綠狐尾藻生長的影響較小。

3.2 不同光強下兩種浮床植物對氮素的凈化途徑解析

不同植物對水體營養(yǎng)鹽去除效果存在顯著性差異,這種差異主要與植物類型及其生理特性有關(guān)[26],本實驗中空心菜對于氮的去除率顯著高于粉綠狐尾藻,多項研究通過對比幾種植物發(fā)現(xiàn)空心菜在水質(zhì)凈化方面的價值和突出特點[12,16,50-51]。溫度也會直接或間接地影響植物的生長和氮吸收[52]。實驗期間平均水溫約為32℃,對于空心菜來說處于最佳范圍,粉綠狐尾藻適宜在16～26℃下生長[26],實驗結(jié)束時空心菜的相對生長速率約為粉綠狐尾藻的2倍,而生態(tài)浮床中植物的凈增量和其對氮、磷的直接吸收以及增效作用密切相關(guān)[53]。

生態(tài)浮床中氮的去除途徑主要包括植物吸收和微生物硝化-反硝化還原成N2作用[51,54]。本研究發(fā)現(xiàn)空心菜對于水體氮去除以植物同化作用為主,占比70%以上,對于粉綠狐尾藻,同化吸收和微生物作用均是其重要的脫氮途徑,各占比50%左右。Chen等[55]得到相似的結(jié)果,認為空心菜因其體內(nèi)組織氮含量高的特性,脫氮以植物吸收為主。而關(guān)于生態(tài)浮床脫氮的主要途徑還存在爭議,有部分學(xué)者認為植物吸收氮量只占系統(tǒng)總?cè)コ康暮苄〔糠?低于20%),大部分氮去除依靠微生物作用[51,56],造成此現(xiàn)象的原因在于受試水質(zhì)的差異,相對來說,在高負荷背景下植物對營養(yǎng)鹽的吸收積累能力有限。千島湖屬于較清潔水體,氮濃度相對較低,可利用氮素首先滿足植物迫切的生長需要。其次,硝態(tài)氮作為反硝化的底物,一直被認為是影響反硝化速率的首要因素[57],加之水體碳源不足的特點進一步限制其反硝化速率。而遮光水平對于兩種植物同化吸收的影響主要是通過改變其長勢,遮光40%的環(huán)境顯著提高了空心菜的生物量和體內(nèi)氮含量,進一步提高其同化吸收氮速率。一般來說葉綠體數(shù)量與組織氮含量呈正比,由此還能提高空心菜的光合效率。而在不同光強下粉綠狐尾藻體內(nèi)氮含量差異不顯著,對于氮的吸收速率影響較小。正如Yuan等[58]發(fā)現(xiàn)即使光控制實驗中會對粉綠狐尾藻的生長產(chǎn)生影響,但其體內(nèi)氮含量幾乎沒有差異。

比較根系反硝化作用可知,空心菜根系反硝化速率明顯高于粉綠狐尾藻,其中遮光40%下的空心菜處理最高,而粉綠狐尾藻處理以遮光75%環(huán)境下最佳,這與根系伸長和根系分泌物密切相關(guān)。在初始均無根系的情況下,實驗結(jié)束時空心菜的根系長度(約25 cm)明顯高于粉綠狐尾藻(約4.7 cm),發(fā)達的根系能夠為微生物提供更大的附著面積[19],特別是空心菜的根系聚集了大量的反硝化細菌,大大加速了脫氮進程[59]。此外,Yang等[51]研究發(fā)現(xiàn)空心菜根系分泌物和徑向氧損失顯著高于其他植物,與其總氮去除效率呈顯著正相關(guān)關(guān)系。徑向氧損失有助于在植物根際構(gòu)建好氧-缺氧-厭氧微環(huán)境,為微生物的硝化-反硝化作用創(chuàng)造理想環(huán)境條件[60-61]。根系分泌物的主要成分是小分子有機物,更容易被微生物利用,可以促進反硝化相關(guān)酶活性的提高[51],并為反硝化過程提供碳源[62]。朱輝翔等[63]對比4種材料發(fā)現(xiàn)狐尾藻的釋碳能力最低,這也是造成其根系反硝化速率較低的原因之一。

3.3 千島湖生態(tài)浮床推廣的管理建議

適宜的營養(yǎng)鹽濃度能夠促進植物生長,進而使植物快速穩(wěn)定地吸收水體中的污染物[64]。然而,并非所有植物均隨營養(yǎng)鹽濃度的增加而長勢更好,當水體中的氮、磷濃度超過植物生長所需時,反而會威脅植物生長。比如Xu等[23]發(fā)現(xiàn)馬來眼子菜在低營養(yǎng)鹽濃度水體中生長情況和水質(zhì)凈化效果更好,認為沉水植物對營養(yǎng)鹽的耐受程度較低。本研究中空心菜和粉綠狐尾藻這兩種植物對水體營養(yǎng)鹽濃度呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)情況,空心菜適合在較高氮、磷濃度水體下生長,而粉綠狐尾藻受營養(yǎng)鹽濃度影響較小。千島湖是華東地區(qū)最大的水庫,水體TN濃度空間差異明顯,其中安徽段為1.60 mg/L,淳安縣境內(nèi)均值為0.89 mg/L,TN濃度沿新安江主航道方向呈逐步下降趨勢,最低值在西南庫灣,約0.73 mg/L[27]。位于水庫庫尾河口區(qū)的街口斷面是污染最嚴重的水域,承接60%的流域來水[28,65]。朱廣偉等[27]指出夏季千島湖藍藻水華異常增殖現(xiàn)象明顯,甚至有藍藻水華風(fēng)險,其中8月東南庫灣出現(xiàn)藍藻生物量峰值。西北庫灣在4、5月也出現(xiàn)了明顯的硅藻異常增殖現(xiàn)象,而營養(yǎng)鹽控制是降低藻類水華風(fēng)險的根本之策。在生態(tài)浮床的實際推廣中,可以根據(jù)不同水體富營養(yǎng)化因子特征,優(yōu)化植物配置,以達到更好的水體富營養(yǎng)化防治效果[66]。本研究基于對空心菜和粉綠狐尾藻這兩種植物水質(zhì)凈化效果的研究,認為夏季在氮污染嚴重以及藻華高風(fēng)險暴發(fā)水域,例如街口斷面、營養(yǎng)鹽濃度高的庫灣、污水廠排放口等,為能夠最大限度凈化水質(zhì),建議生態(tài)浮床以種植空心菜為主,并配套鋪設(shè)遮光40%的遮陽網(wǎng)以進一步提高其產(chǎn)量和水質(zhì)凈化效果。正如Chen等[16]研究發(fā)現(xiàn)在空心菜與其他植物組合系統(tǒng)的水質(zhì)凈化效果并沒有優(yōu)于單一空心菜種植系統(tǒng),因為空心菜幾乎承擔(dān)組合系統(tǒng)中一半的養(yǎng)分積累。在中低濃度的水域,建議采取空心菜和粉綠狐尾藻混合種植模式,并分別覆蓋遮陽40%和75%的遮陽網(wǎng)。既能彌補粉綠狐尾藻夏季較低的氮凈化效率,多種植物種類又能提高水體微生物多樣性,進而加強微生物的降解作用[67],以實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境的雙重效益。此外,遮陽網(wǎng)與生態(tài)浮床的耦合能夠進一步降低藻類水華暴發(fā)的風(fēng)險,這是生態(tài)浮床載體、遮陽網(wǎng)的遮光、根系分泌物和化感物質(zhì)等共同作用的結(jié)果[19]。值得注意的是,空心菜的生長周期一般在30天左右,Zhou等[68]指出應(yīng)在植物腐爛前收割,否則儲存在水上部分的營養(yǎng)物質(zhì)就會再次進入水中,并且Wang等[69]發(fā)現(xiàn)夏季植物水上部分儲存了最高濃度的營養(yǎng),秋季資源會向水下部分轉(zhuǎn)移。因此建議夏季定期對空心菜進行刈割,并在冷季到來之前整株收割以永久去除污染物。研究結(jié)果可為于千島湖生態(tài)浮床的規(guī)?；茝V和管理提供科技支撐。

4 結(jié)論

1)夏季空心菜生長受營養(yǎng)鹽濃度和光照影響明顯,氮磷加富以及40%遮光能為其提供最適宜生長的環(huán)境;而粉綠狐尾藻長勢受氮磷濃度和光照影響較小。

2)空心菜浮床氮凈化效果顯著高于粉綠狐尾藻?？招牟嗣摰酝饔脼橹?遮光40%的環(huán)境通過明顯提升空心菜吸收氮量和根系反硝化速率,大幅提升水質(zhì)凈化能力。對于粉綠狐尾藻,植物同化和反硝化作用貢獻率各占50%左右。

3)在千島湖生態(tài)浮床規(guī)?；茝V中,建議夏季在營養(yǎng)鹽濃度相對較高的水域種植空心菜,并覆蓋遮光40%的遮陽網(wǎng);在中低營養(yǎng)鹽濃度水域,建議采取空心菜和粉綠狐尾藻組合種植模式,并分別覆蓋遮光40%和75%的遮陽網(wǎng),以提升環(huán)境和經(jīng)濟雙重效益。

致謝:感謝千島湖生態(tài)系統(tǒng)研究站在野外實驗中提供的幫助與支持,感謝中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所吳銘杰、朱慧、孫宏偉、胡春華、劉莉、李昌杰等在樣品采集及水質(zhì)測定中提供的幫助。