全 文 ： 2006 年 2月
水 利 学 报
SHUILI XUEBAO 第 37卷 第 2 期
收稿日期:2005-09-27
基金项目:国家重点基础研究发展计划(“973”计划)资助项目(2002CB4122303)
作者简介:顾斌杰(1963-),男 ,江苏启东人 ,博士 ,高级工程师 ,主要研究方向为生态型灌区建设与管理。
E-mail:binjiegu711@sina.com
文章编号:0559-9350(2006)02-0178-06
生态型灌区应用伊乐藻修复受损水体的试验研究
顾斌杰 ,王超 ,王沛芳 ,谭雪梅
(浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室 河海大学环境科学与工程学院 ,江苏南京 210098)
摘要:本文将伊乐藻引入生态型灌区受损水体修复中。通过室内试验系统地研究了伊乐藻的净化效果 , 结果表明 ,
伊乐藻是修复受损水体较理想的材料。伊乐藻对总氮(TN)、总磷(TP)和 CODMn的累积去除率 , 在初夏分别为 61%、
89%和 34%,在初冬为 25.74%、26.59%和 10.93%;伊乐藻对水体的净化能力高于菹草和金鱼藻。文中还探讨了修
复过程中可能存在的二次污染问题。通过宏观的质量平衡估算 , 1g 伊乐藻在 1 年内可以从 1L水体中去除 TN、TP
和 CODMn分别达到 44.57、15.42和 31.13mg。
关键词:生态型灌区;伊乐藻;净化水体;二次污染
中图分类号:O347 文献标识码:A
传统灌区以加强灌区工程建设 、多引水 、多浇地 、提高水的利用效率 、提高作物产量等经济生产任务
为主要目标 ,其直接导致以下问题:①沟渠河网建设的顺直化 、自然河流的渠道化;②沟渠河网建设的硬
质化;③自然河流的非连续化 。传统灌区忽略了水生生物对水体的净化效果 ,阻断了水体自净所需的水
动力条件 ,严重削弱了水体的自净功能 ,改变了生态环境的多样性从而降低了生物群落的多样性[ 1] ,加
剧了水生态系统的恶化。把传统灌区建设成生态型灌区 ,其中最重要的一方面就是修复已受损的水生
态系统。水生植物修复受损水生态系统具有造价低 、效果好 、符合人们返璞归真的审美要求等特点 ,从
20世纪 70年代开始国内外许多研究者[ 2 ～ 5] 都致力于此 。其中沉水植被对水生态系统的结构和功能甚
为重要 ,因此沉水植被的恢复被认为是水生态系统修复和水质改善的指标[ 6] 。在沉水植物中 ,伊乐藻具
有净水效果好 、适应性强 、竞争优势明显 、生长迅速 、栽培简便 、种源充足 、栽植期长等特点[ 7 , 8] ,被视为沉
水植物重建的优选物种[ 9 ～ 11] 。伊乐藻(Elodea Canadensis Michx.)属于水鳖科(Hydorocharitaceae), 1年生
沉水草本植物 ,原产于美洲。中国科学院南京地理与湖泊研究所于 1986年在东太湖成功从日本引种伊
乐藻 ,现已归化 ,是缓流 、浅层水体最常见的沉水植物之一 ,在我国南北均有分布 ,主要用于水产养殖和
水生态修复 。国内外关于伊乐藻修复受损水体的研究主要集中在温暖季节[ 12] ,系统研究不同季节伊乐
藻净水效果的较少。另外 ,对植物在修复水体过程中是否存在二次污染问题存有争议[ 13] 。
本文将通过室内试验 ,对比研究初夏和初冬伊乐藻修复受损水体的效果 ,比较分析初夏伊乐藻与菹
草 、金鱼藻的净化效果 ,探讨伊乐藻修复水体过程中可能存在的二次污染问题 ,通过宏观的质量平衡估
算单位重量的伊乐藻在 1年内从单位水体中TN 、TP 和 CODMn的去除量 ,旨在为生态灌区建设中重建沉
水植物以修复水生态系统提供科学依据 。
1 伊乐藻初夏和初冬净水修复受损水体试验
试验水体取自南京乌龙潭 ,且经过浮游植物网过滤。培养液为试验用水与蒸馏水按 1∶5稀释后配
得。试验前 ,将植物在培养液中预培养 3d。试验容器为50cm×30cm×50cm的玻璃水族箱 ,每个水族箱
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的试验水体为 60L ,并用蒸馏水保持水体体积不变 。试验采用自然光照 ,试验期为 19d ,分别于第2 、5 、8 、
11 、14 、19d取水样。初夏试验开始于 2004年 6月 12日 ,在 3个玻璃水族箱中分别投入伊乐藻 30g(0.5g
L)、60g(1.0g L)、120g(2.0g L),同时设一组平行 。试验水温 15 ～ 29℃。测定指标为水样中的 NH3-N 、
NO
-
3 -N 、TN 、TP和 CODMn值 。初冬试验从 2004年 11月 19日开始 ,采用初夏净化水体能力最佳的一组
(初始生物量为 1.0g L)的伊乐藻进行试验 ,设两组平行 ,试验水温 9 ～ 13℃。测定的水质指标包括 TN 、
TP和 CODMn值 。
试验数据均为试验中相应重复数的平均值;数据统计分析采用单因素方差分析方法(One-Way
Anova),涉及多组比较的用 t检验比较的方法;曲线估计以及方差计算均采用SPSS统计分析软件进行 。
初夏试验各水质指标浓度随时间的变化关系如图 1。初冬试验各水质指标浓度随时间的变化关系如
图2。
(a)TN (b)TP (c)CODMn
(d)NH3-N (e)NO -3 -N图 1 水质指标浓度随时间变化曲线
沉水植物衰减水体中氮 、磷等的通式为
y =ae-bx (a >0 ,b >0) (1)
图 2 初冬栽种伊乐藻的水体TN 、TP 和CODMn
浓度随时间变化曲线
式中:y 为水体中氮 、磷等营养物质的浓度 ,单位为 mg L;x 为植物生长的时间 ,单位为 d;a 、b为反映各
种植物净化能力的净化系数[ 14] 。
以初始生物量为 1.0g L组为例对图 1 、图 2进行
回归分析 ,计算结果见表 1。从表 1可以看出 ,初夏
伊乐藻 TN 、TP 和 CODMn的 b 值分别是初冬的 5.95 、
14.00和 6.59倍 ,说明伊乐藻在初夏的净水效果明显
好于初冬。这一点也可以从对比初夏和初冬的累积
去除率看出 ,初冬伊乐藻对 TN 、TP 和 CODMn的累积
去除率仅分别为初夏的 42.2%、29.9%和 32.1%。
表2是初夏不同生物量下伊乐藻对各个监测指
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标的累计去除率 。从表 2 、图 1可以看出 ,生物量为 1.0g L 的去除效果最好 ,但 3种生物量对各监测指
标的去除效果无显著差别 ,原因主要是初始投放伊乐藻的生物量没有形成明显梯度 。就累计去除率而
言 ,本文试验结果略高于谷孝鸿等人[ 12] 在东太湖试验中所测定的伊乐藻对 TN 、TP 分别为 61%和 74%
的累积去除率 ,略低于宋福等人[ 15]在 27d室内试验中测定的伊乐藻对滇池水体 TN 、TP 分别为 81.28%
和91.02%的累积去除率。
表 1 伊乐藻各监测指标随时间曲线的回归分析
指标 季节 a b R2 p 显著性水平
TN
TP
CODMn
NH3-N
NH-3 -N
初夏 4.1739 0.0393 0.568 0.050 显著
初冬 6.7934 0.0066 0.555 0.089
初夏 0.9061 0.0955 0.796 0.007 显著
初冬 1.0358 0.0068 0.902 0.004 显著
初夏 8.9593 0.0191 0.742 0.013 显著
初冬 12.5431 0.0029 0.851 0.009 显著
初夏 4.8021 0.0813 0.685 0.022 显著
初夏 0.2361 0.1061 0.762 0.010 显著
表 2 初夏不同生物量下伊乐藻对各个监测指标的累计去除率(%)
生物量 (g L) TN TP CODMn NH3-N NO-3 -N
0.5 60.00 87.04 34.37 73.21 86.74
1.0 61.31 91.95 35.39 78.06 87.57
2.0 61.08 89.97 34.59 76.49 77.14
图 3 初冬栽种伊乐藻的水体
TN 、TP和 CODMn累积去除率
随时间变化曲线
初冬伊乐藻对水体中的 TN 、TP 、CODMn的累计去除率随时间变化
曲线见图 3。由图 3可见 ,在初冬 ,伊乐藻对水体中 TN 的去除主要集
中在前5d ,之后几乎处于停滞状态;对水体中 TP 和 CODMn的去除则表
现为平稳的上升 。表明伊乐藻在初冬仍然有一定的净化效果 ,这一结
果和朱伟等[ 16]的结论一致 。
通过计算 ,初夏和初冬伊乐藻对于 TN 、TP 和 CODMn的去除速度随
水体中TN 、TP 和CODMn浓度的降低而降低 ,均呈明显的正相关 。
伊乐藻对水体中的 NO-3 -N 、NH3-N 去除速度规律如下:前 2d 对
NO
-
3 -N的吸收很快 ,对 NH3-N的吸收较慢;2 ～ 5d则是对 NO-3 -N 、NH3-
N的吸收都较快;5d以后对NO -3 -N的吸收减慢 ,而对于NH3-N的吸收
则较为稳定地增加。这个结论与倪乐意[ 7] 的伊乐藻优先吸收 NH3-N
的观点不同 ,但与刘健康[ 18] 的沉水植物总是优先吸收NO-3 -N的观点一致。
2 初夏伊乐藻与菹草 、金鱼藻净水效果对比
试验开始于 2004年 7月 12日 ,方法与上述试验方法类似 ,将预培养的伊乐藻 、菹草 、金鱼藻分别放
入3个玻璃水族箱中 ,同时设一组平行。水质监测指标为 TN 、TP 、CODMn 。
伊乐藻 、菹草 、金鱼藻对 TN 、TP 、CODMn的去除效果分别见图 4 ～ 图 6。
对图 4 ～图 6进行曲线拟合和回归分析 ,结果见表 3 ～表 5。
表3 栽种 3种沉水植物的水体 TN
浓度随时间变化曲线的回归分析
组别 a b R2 p 显著性水平
伊乐藻 3.3510 0.0299 0.679 0.044 显著
菹草 3.9530 0.0290 0.865 0.007 显著
金鱼藻 3.7428 0.0293 0.809 0.015 显著
表 4 栽种 3 种沉水植物的水体 TP
浓度随时间变化曲线的回归分析
组别 a b R 2 p 显著性水平
伊乐藻 0.7188 0.0996 0.979 0.000 极显著
菹草 0.7387 0.0634 0.949 0.001 极显著
金鱼藻 0.7554 0.0853 0.951 0.001 极显著
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图 4 初夏栽种 3种沉水植物的
水体TN浓度随时间变化曲线
图 5 初夏栽种 3种沉水植物的水体
TP浓度随时间变化曲线
图 6 初夏栽种 3种沉水植物的
水体CODMn浓度随时间变化曲线
表 5 栽种 3 种沉水植物的水体 CODMn
浓度随时间变化曲线的回归分析
组别 a b R2 p 显著性水平
伊乐藻 7.7775 0.0118 0.877 0.006 显著
菹草 8.5149 0.0123 0.918 0.003 显著
金鱼藻 9.1655 0.0102 0.901 0.004 显著
表中的 b 值反映水生植物的去污能力 ,TN浓度随时
间变化曲线的 b 值由大到小的顺序为伊乐藻>金鱼藻
>菹草 ,这与宋福等人[ 19] 的试验结果一致 。TP 浓度随时
间变化曲线的 b 值从大到小排序亦为伊乐藻>金鱼藻
>菹草 ,这与乔建荣等人[ 10] 的结论略有不同 ,本文认为
这可能是由于初夏温度较高 ,对菹草的净化能力影响较
大的缘故。CODMn浓度随时间变化曲线方程 b 值由大到小的顺序为菹草>伊乐藻>金鱼藻。总体而
言 ,伊乐藻的净水效果优于金鱼藻和菹草。
对数据的回归分析表明 ,试验的 3种沉水植物对受损水生态系统中 TN 、TP 和 CODMn的去除速度与
浓度呈现明显的正相关关系。
3 伊乐藻修复受损水体中存在的二次污染问题
试验开始于 2004年 12月 14日 ,为期 30d ,每隔一天取一次水样 ,测定水样的 TN 、TP 以及 CODMn的
浓度值。将伊乐藻在无氨水中预培养 10d ,观察其植株生长已停滞 ,开始腐烂 。将伊乐藻拭干后称取 1g
(1.0g L)放入已盛满1 000ml无氨水的1 000ml广口瓶中 ,同时设两组平行 。试验在室内进行 ,采用自然光
照 ,试验过程中保持广口瓶中无氨水的体积始终不变。
伊乐藻植物体腐败和分解后所引发的TN 、TP 以及 CODMn随时间变化曲线如图 7 ～ 图 9所示 。由图
7 ～ 图 9可见:(1)伊乐藻释放 TN主要集中在第 8 ～ 16d ,释放的最大浓度为 2.109mg L;(2)伊乐藻释放
TP呈稳定上升 ,在试验末期上升速度才趋于 0 ,释放到水体 TP 浓度的最大值为 0.358mg L;(3)伊乐藻释
放有机物的集中时期为第 0 ～ 12d ,在第 30d水体中的 CODMn达到了最大值为 6.270mg L。
图 7 伊乐藻腐烂后水体TN
浓度随时间的变化曲线
图 8 伊乐藻腐烂后水体TP
浓度随时间的变化曲线
图 9 伊乐藻腐烂后水体
CODMn浓度随时间的变化曲线
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一些学者认为伊乐藻的二次污染影响可以忽略不计 ,但本文的试验表明 ,水生植物衰败或人工收割
后未及时移出水体 ,其腐烂过样中释放的营养物质会对水体造成较大影响。Ernesto 和Manuel[ 13] 对墨西
哥一个水库水葫芦收割后残体仍滞留于水体的实例研究表明 ,收割后透明度和溶解氧下降 ,正磷酸盐浓
度上升 ,硝酸盐和亚硝酸盐分别增加 320%和 450%,在收割后数月内氨氮浓度达致死浓度 ,鱼类灭绝。
所以 ,在灌区中大规模地应用伊乐藻进行水体生态修复时 ,需要在伊乐藻植物量达到最大的时期对其进
行合理的刈割 ,并及时移出水体 ,这样才能真正达到净化水体 、修复水生态系统的目的。
4 伊乐藻全年对水体总体贡献的估算
伊乐藻属于一年生高等沉水草本植物 ,自然条件下在温度 25℃以内生长旺盛 ,但不耐高温 ,一般在
初夏停滞生长或部分衰亡 ,并形成新繁殖体;自初冬起 ,繁殖体陆续开始萌发 ,春季则生长很快 。因此 ,
本文将 3 ～ 6月和 9 ～ 10月定为伊乐藻生长旺盛期 ,7 ～ 8月为生长衰亡期 , 11 ～ 2月为生长缓慢期。旺
盛期估算采用初夏试验结果 ,衰亡期采用二次污染试验结果 ,缓慢期估算采用初冬试验结果。以生物量
为1.0g L 伊乐藻来估算全年对水体的总体贡献 ,计算结果见表 6。
表 6 单位重量伊乐藻全年对单位水体总体
贡献估算(单位:mg (g·a·L))
水质指标 旺盛期 衰亡期 缓慢期 全年去除总量
TN 35.29 4.22 13.50 44.57
TP 14.02 0.72 2.12 15.42
CODMn 34.39 12.54 9.28 31.13
通过宏观的质量平衡估算 , 1g 伊乐藻在 1 年时间
内 ,可以从 1L 水体中去除 TN 、TP 和 CODMn分别达到
44.57 、15.42和 31.13mg 。由于本文试验是在室内进行 ,
与自然条件有一定的差别 ,因此该试验结论可能与自然
条件下伊乐藻的净化效果亦有一定的差别。
此外 ,沉水植物还有抑制底泥再悬浮的作用 ,从而可
减少从底泥进入水体的生源要素氮 、磷等的量 。据 Jukka和 Leena[ 20] 对 Hiidenvesi湖的研究表明 ,在有沉
水植物的地方 ,随再悬浮底泥进入水体的磷为 11.8mg m2·d ,而在沉水植物之外水体 ,其量为 24.5mg m2
·d。沉水植物还能为其它水生生物提供食物和栖息场所 。因此 ,将伊乐藻引种到传统灌区的受损水体
中 ,势必会取得良好的生态效应。
5 结论
通过对伊乐藻修复受损水体的系统研究表明 ,伊乐藻是灌区中修复受损水生态系统较理想的沉水
植物 ,试验得出:(1)在初夏 ,伊乐藻对水体中的TN 、TP和CODMn的累积去除率分别平均达到 61%、89%、
34%;在初冬 ,平均也可达到 25.74%、26.59%和 10.93%。伊乐藻对水体的净化能力要高于菹草和金鱼
藻;(2)伊乐藻对水体中的 NO-3 -N 的吸收要先于NH3-N。沉水植物对受损水体中 TN 、TP 和 CODMn的去
除速度与其浓度呈明显正相关关系;(3)伊乐藻植株体在腐烂过程中释放的营养物质对水体中的 TN 、
TP 、CODMn的浓度有较大影响;(4)通过宏观的质量平衡估算 , 1g 伊乐藻在 1年时间内可以从 1L水体中
去除 TN 、TP 和 CODMn分别达到 44.57 、15.42和 31.13mg 。
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Effect of Elodea Canadensis Michx on restoring polluted water
in ecology oriented irrigation district
GU Bin_jie ,WANG Chao ,WANG Pei_fang ,TAN Xue_mei
(Hohai University , Nanjing 210098, China)
Abstract:The purification effect of Elodea Canadensis Michx was experimentally studied in laboratory.It
was found that , in early summer , the accumulated removal rates of TN ,TP and CODMn of this kind of plant
were 61%, 89% and 34% respectively;but in early winter , the removal rates will be reduced to
25.74%, 26.59% and 10.93%.The purification ability of Elodea Canadensis Michx is higher than those
of Potamogeton Crispus Linn and Ceratophyllum Demersum Linn.The potential problem of secondary
pollution due to the decomposed Elodea Canadensis Michx was also discussed.According to the
calculation of mass balance , the annual total removal of TN ,TP and CODMn were 44.57mg ,15.42mg and
31.13mg per 1g of Elodea Canadensis Mich in 1L water respectively.
Key words:ecology oriented irrigation district;Elodea Canadensis Michx;purification ability;secondary
pollution
(责任编辑:王冰伟)
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