常见沉水植物对东山湖城市景观水体氮磷的去除效果

常见沉水植物对东山湖城市景观水体氮磷的去除效果

许锦程1，肖永锋2，王春莲2，邱建贺2，刘鸿藜2

佛山市玉凰生态环境科技有限公司，广东  佛山

摘要：采用人工模拟沉水植物自然净化的方法，选取广州市东山湖的春季优势沉水植物轮叶黑藻、伊乐藻和苦草，夏季优势沉水植物轮叶黑藻、狐尾藻和马来眼子菜。在春夏两个季节分别对东山湖重度富营养化水体总磷和氨氮的去除效果进行对比分析。研究结果表明：5种优势种植物在春夏两季生长状况良好，其中轮叶黑藻的生物量增长率（鲜重）最高（春季为160.56%，夏季为189.46%)。5种优势种植物对实验水体中的氨氮和总磷有显著的吸收和转化作用，其中轮叶黑藻在春夏两季对水体总磷的吸收效果均最为显著（春季为93.33%，夏季为96.35%）；轮叶黑藻在春夏两季对水体氨氮的去除率均为最优（春季为79.13%，夏季为82.74%）。研究数据表明：5种优势沉水植物均能有效吸收固定底泥中的总磷和氨氮，使实验水体中总磷和氨氮的浓度维持在较低的浓度。试验表明：在春夏两季，轮叶黑藻的生长能力以及对水体中氨氮和总磷的净化能力均优于其他4种沉水植物，因此轮叶黑藻可作为以东山湖为典型代表的城市景观水体生态修复的先锋植物之一。

关键词：广州市东山湖；城市景观水体；富营养化水体；氨氮；总磷；沉水植物

东山湖位于广州市东山湖公园内，是广州市四大人工湖公园之一，也是典型的城市景观湖水体。其水域面积约33.5万㎡，平均水深约1.5m，近岸水深约0.5m，最深1.7m，湖底为硬质底和淤泥。东山湖内源污染尤为严重，主要表现为水体中度富营养化，在2017年其水体富营养化水域面积更是达到了总面积的87.88%。

广州市东山湖富营养化水体的主要超标化学指标为氨氮和总磷，即便在一定程度上利用控源截污的手段对外源污染物进行有效的控制，东山湖水体中氨氮和总磷的营养依旧可以通过以下三条途径进行补给：①水体中鱼类活动产生大量的排泄物进入水体后释放氨氮和总磷；②湖泊中沉积多年的底泥的磷和氨氮的释放对水体富营养化起着尤为关键的作用；③大气干沉降以及湿沉降也是水体中氨氮、总磷浓度久居不下的重要原因。沉水植物是富营养化水体生态修复的核心内容之一，是实现从浑浊态到清水态转变的关键。沉水植物能够高效的吸收氮磷等物质；光合作用强，能够产生大量的原生氧，可长久保持水体高溶氧状态；彻底改变水体氮磷营养盐循环模式，抑制底泥再悬浮及氮磷营养盐释放，促进氮的硝化/反硝化作用及磷的沉降。为浮游动物提供避难所，从而增强生态系统对浮游植物的控制和系统的自净能力。增加了水生生态系统食物链长度和复杂性，利于形成稳定、平衡的生态系统。根据2016年《广州市东山湖水体生态修复项目可行性研究报告》指出，即便外源污染的磷源和氮源得到有效的控制，东山湖底泥中总磷和氨氮源源不断的释放也会使水体在接下来很长一段时间维持富营养化状态。因此寻找一种乃至多种既能高效吸收的东山湖水体中的氮磷营养盐，又能有效吸收转化底泥中的氮磷营养盐，并固化、抑制其释放的沉水植物对东山湖这类城市景观水体的富营养化治理具有重要的意义。

在历年的研究进展中，研究沉水植物对富营养化水体营养盐去除效果的文章较多，但专项研究不同先锋沉水植物在不同季节对某一特定城市景观富营养化水体营养盐去除率以及对底泥营养盐抑制释放效果的课题还是相对较少。沉水植物在春季以及夏季的生长趋势明显优于其他季节，对富营养化水体营养盐的吸收及转化的效率也明显高于秋季和冬季。因此本试验课题主要分为春季和夏季两个试验，以广州市东山湖为试验的对象进行研究，主要探讨以下两个问题：1、筛选出不同季节对东山湖富营养化水体氨氮去除效果最好的先锋植物；2、筛选出不同季节对东山湖富营养化水体总磷去除效果最好的先锋植物。为华南地区城市景观湖泊水体生态修复及湖泊水环境综合整治提供基础理论依据。

1、材料与方法

1.1试验植物

（1）轮叶黑藻（ Hydrilla verticillata），轮叶黑藻喜温、喜光，有一定的耐寒性，芽苞、枝尖、营养植株、根茎均可生殖。在15~25℃条件下生长良好，越冬温度不宜低于4℃。轮叶黑藻既能生长在恬静的池塘中又能生长在流动的河流中，具有较高的水质净化能力同时也能呈现良好的水下景观。

（2）伊乐藻（Elodea nuttallii），属典型的沉水植物，多年生或可能偶有一年生。伊乐藻冬春两季生长旺盛，夏季由于温度升高，生长抑制，沉入水底。伊乐藻作为外来引进种，在冬春季具有良好的景观效果，丰富了冬季沉水植物多样性。

（3）苦草（Vallisneria spiralis），苦草为多年生沉水植物，无直立茎，有横走的匍匐茎。是基生型植物，对光照需求相对较低，在较低的光照条件下依然可以生长，具有较低的K0.5（达到最大光合速率1/2时的最低光照），一般分布在水深0.5m~1.5m的水域范围内,以分株法繁殖为主，亦可通过种子繁殖。喜温暖，耐低温，在16~28°C的温度范围内生长良好，越冬温度不宜低于4°C。

（4）狐尾藻（Myriophyllum spicatum），多年生沉水植物，为欧亚大陆广布种。行有性和无性两种方式繁殖，其主要传播方式以产生断枝或根状茎的方式进行，基本四季常青，但冬季生长缓慢，处于停滞状态，在2月底开始萌生，4月上旬能长到水面，4月中下旬开始开花结子，5月1日左右可以看到大部分狐尾藻的花梗挺出水面。

（5）马来眼子菜（Potamogeton malaianus），马来眼子菜，眼子菜科，眼子菜属。多年生沉水或浮叶草本，又名竹叶眼子菜、大叶藻，地下茎发达。马来眼子菜抗风浪能力强，风浪较大的湖泊和1.00m/s流速的溪流中均能生长良好。株长随水深的增加而增加，在水深0.5~1.5m处生长更为旺盛。分布于亚洲、欧洲、美洲温带和热带的淡水水域。在我国南方湖区最为普遍。

1.2 春季试验

春季受试先锋植物物种包括轮叶黑藻、伊乐藻和苦草，受试物种均采自广州市东山湖，三种受试物种均在东山湖同一水域培养15天后，从中选取长度一致的健壮植物移栽到实验缸中，每个实验缸中等量加入5kg底泥和20L实验用水，试验用水及底泥均采广州市东山湖同一重度富营养化区域。实验缸均选用容量为27L的玻璃缸，长宽高为；30cm*30cm*30cm，实验前，用10%的稀盐酸浸泡3d后清洗干净。试验用水与底泥在放进实验缸之前先分别搅拌混合均匀，保证每个实验缸的初始条件相同，另外试验用水用浮游生物网过滤，试验在户外实验室（玻璃顶棚，四周通风）进行。春季试验水温范围控制在15-20℃，每种植物初始生物量均为100g（鲜重），每个处理各设置3各试验组及1个对照缸，分别对应3种先锋植物及1各对照组共设计12组试验。试验进行30天（2021年3月1日至2021年3月30日），在第0、6、12、18、24、30d时取水样，第0天水样为试验用水与底泥未混合前的状态。每次取样时，以蒸馏水补因蒸发、蒸腾所消耗的水量。

1.3夏季试验

夏季受试先锋植物物种包括轮叶黑藻、狐尾藻和马来眼子菜，受试物种均采自广州市东山湖。试验时间进行30d（2021年7月1日至2021年7月30日），水温范围为27-36℃。其他试验条件均同于春季实验。

1.4测定方法

试验测定水体水质指标为：氨氮（NH3-N）、总磷（TP）；植物指标为生物量，以鲜重（FW）表示。

试验水体氨氮（NH3-N）浓度采用水杨酸分光光度法（方法来源《GB7481-87》）测定，试验水体总磷（TP）浓度采用钼酸铵分光光度法（方法来源《GB11893-89》）测定。植物鲜重称重前先用吸水纸拭干其表面水分，再将其置放于阴凉处吹干，用分析天平连续称量其鲜重3次，稳定后记录其鲜重后取平均值。

表1-试验水体水质指标初始数据

2、结果与分析

2.1 生长状况

根据春季试验中沉水植物30d生物量变化数据分析（图1）可知，春季相同生长条件下，V轮叶黑藻＞V伊乐藻＞V苦草，其中轮叶黑藻、伊乐藻以及苦草的生物量增长率分别为：160.56%、153.43%以及120.33%。

根据夏季试验中沉水植物30d生物量变化数据分析（图2）可知，夏季相同生长条件下，V轮叶黑藻＞V马来眼子菜＞V狐尾藻，其中以轮叶黑藻的生物量增长率最大为189.46%，比春季生长速度有所提高，狐尾藻在实验后期因季节原因出现茎叶枯萎凋零的现象，导致其生物量出现负增长。

图1  春季试验沉水植物生物量变化

图2  夏季试验沉水植物生物量变化

2.2 沉水植物对氨氮（NH3-N)的去除效果

试验表明，各种沉水植物在春夏两季对试验水体中的氨氮有明显的吸收转换的效果，如图3、图4所示，除狐尾藻外，其他沉水植物试验组中水体氨氮（NH3-N)浓度在第25d后均降到较低水平且趋于稳定。轮叶黑藻在春夏两季试验中对氨氮（NH3-N)的去除效果最为明显，其试验组在30d后对氨氮（NH3-N)的去除率分别达到了79.13%和82.74%。春季试验中，沉水植物降解上覆水中氨氮（NH3-N)能力的顺序依次是：轮叶黑藻、伊乐藻、苦草（图3）；夏季试验中，沉水植物降解上覆水中氨氮（NH3-N)能力的顺序依次是：轮叶黑藻、马来眼子菜、狐尾藻（图4 ）。

图3  春季试验沉水植物对氨氮的的去除效果

图4  夏季试验沉水植物对氨氮的的去除效果

2.3 沉水植物对总磷(TP)的去除效果

在研究沉水植物对试验用水总磷(TP)的去除效果过程中，试验组与对照组前6d上覆水中总磷(TP)的浓度均有所升高，原因是在试验初期，底泥与湖水搅拌混合后，底泥中的颗粒磷（PP)向上覆水释放。两季试验中，对照组上覆水总磷的浓度居高不下，可能是在无沉水植物的环境中，水中藻类繁殖以及底泥磷释放有关。随时间变化，除对照组外，春夏两季试验组上覆水总磷(TP)浓度均在20d后处于较低水平且趋于稳定，表明5种沉水植物在春夏两季对水体中的总磷（TP）有明显的去除效果。春夏两季试验中，轮叶黑藻对水体中总磷（TP）的去除效果最佳，试验30d后，其对水体中总磷（TP）的去除率分别达到了93.33%和96.35%。春季试验中，沉水植物降解上覆水中

总磷（TP）能力的顺序依次是：轮叶黑藻、伊乐藻、苦草（图5）；夏季试验中，沉水植物降解上覆水中总磷（TP）能力的顺序依次是：轮叶黑藻、狐尾藻、马来眼子菜（图6）。

图5  春季试验沉水植物对总磷（TP）的的去除效果

图6  夏季试验沉水植物对总磷（TP）的的去除效果

3、讨论

在城市景观水体生态修复过程中，沉水植物的选择以广布种和本土种品种为主。在此基础上再综合选择：①四季常绿，耐低温、耐盐、耐高温、耐弱光；②净化效果好，去污能力强。选择对氮、磷等污染物有较高的净化率的品种；③景观效果好。充分考虑水下空间、层次，实现水下沉水植物景观效果；⑥便于管理。选择的品种容易管理，减少维护工作量的物种。本实验所选择的5种沉水植物均为广州市东山湖的本土物种及当季的优势种，符合上述的筛选原则。

试验所选的5种先锋植物在春夏两季均长势良好，其中以轮叶黑藻的生物量增长率最大，春季试验中30d增长率为160.56%，夏季试验中30d增长率为189.46%，狐尾藻在夏季试验后期生物量虽然出现了负增长，但是其对水体中的氨氮和总磷仍表现出了良好的去除效果。

试验表明，轮叶黑藻在生长和去除水体中氮磷的效果最为明显，春夏两季试验中，对氨氮去除率高达79.13%和82.74%，对总磷去除率高达93.33%和96.35%。且轮叶黑藻适应性强，可以随环境条件变化而变化，能够生长在光照不强、浑浊、贫营养或富营养化的水体中。轮叶黑藻生存范围广，生长速度快，富集能力强，在水体中能形成巨大的“水下森林”，对水生态系统结构和功能的稳定性起至关重要的作用，因此轮叶黑藻是城市景观水体生态修复的理想植物之一。

试验数据也表明，伊乐藻、苦草、狐尾藻以及马来眼子菜的净水能力虽然不如轮叶黑藻，但是其对水体中氮磷营养盐的吸收同样有良好的表现。从生态系统稳定及多样性的角度考虑，上述4种沉水植物在一定条件下可与轮叶黑藻搭配作为城市景观水体生态修复的先锋植物。

Effect of common submerged plants on the removal of nitrogen and phosphorus from the urban landscape of Dongshan Lake

XU-Jincheng[1],XIAO-Yongfeng[2],WANG-Chunlian[2],QIU-Jianhe[2]

(Foshan Yuhuang Ecological Environment Technology Co., Ltd,Foshan, Guangdong)

Abstract:Using the method of artificial simulation of natural purification of submerged plants, the spring dominant submerged plants of Guangzhou Dongshan Lake are selected, such as the black algae, Yile algae and bitter grass, and the summer dominant submerged plants rotundifolia black algae, foxtail algae and Malay eye vegetables.In the spring and summer, the removal effects of total phosphorus and ammonia nitrogen in the heavily eutrophicated water of Dongshan Lake were compared and analyzed.The findings suggest:The five dominant species of plants grew well in spring and summer, among which the biomass growth rate (fresh weight) of the rotifer-leaved black algae was the highest (160.56% in spring and 189.46% in summer).Five dominant species of plants had significant absorption and transformation effects on ammonia nitrogen and total phosphorus in the experimental water body, among which the absorption effect of total phosphorus in the water body was the most significant in spring and summer (93.33% in spring and 96.35% in summer).The removal rate of ammonia nitrogen in water was optimal in spring and summer (79.13% in spring and 82.74% in summer).The research data show that the five dominant submerged plants can effectively absorb the total phosphorus and ammonia nitrogen in the fixed sediment, so that the concentration of total phosphorus and ammonia nitrogen in the experimental water body is maintained at a low concentration.The experiment showed that in the spring and summer, the growth capacity of the black algae and the purification ability of ammonia nitrogen and total phosphorus in the water body were better than those of the other four submerged plants, so the black algae of the rotunda can be used as one of the pioneer plants for the ecological restoration of urban landscape water bodies with Dongshan Lake as the typical representative.

Key words:Dongshan Lake, Guangzhou;Urban landscape water body;Eutrophicationic water bodies;NH3-N;TP;Submerged plants