湿地草本植物对水质的影响

引用本文

黄丽, 王晓雯, 许铭宇, 帅艳艳, 史红玉, 陈平. 湿地草本植物对水质的影响[J]. 浙江农业科学, 2018,59(5):821-825 复制到剪切板

doi: 10.16178/j.issn.0528-9017.20180543
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湿地草本植物对水质的影响

黄丽¹, 王晓雯¹, 许铭宇², 帅艳艳¹, 史红玉¹, 陈平^1,^*

1.仲恺农业工程学院园艺园林学院,广东广州 510225

2.广州普邦园林股份有限公司,广东广州 510600

通讯作者：陈平(1968—),男,教授,E-mail:turf2009@qq.com。

作者简介:黄丽(1993—),女,硕士研究生,研究方向为植物资源开发应用、园林规划设计,E-mail:1393135980@qq.com。

基金项目: 广东省省级科技计划项目(2015A040404045); 广东省省级科技计划项目(2015A090905004); 广东省省级科技计划项目(2016A020207003); 广州市科技计划项目(2014Y2-00526); 广东省普通高校土地复垦植被景观恢复工程技术研究中心(2016GCZX001); 广州市越秀区科技计划项目(2016-GX-004); 广州市越秀区科技计划项目(2017-GX-022); 土地复垦植被恢复科技创新团队(KA1603682); 湿地水生植物生产性净污及功能组植被系统构建项目(DD1144546); 低养护持久水景建造技术研究与示范(DD1144548)

摘要

湿地水质的好坏直接影响到该生态系统的稳定性。本文选取广州市海珠区上涌果树公园湿地自然生长演替形成的13个优势湿地草本植物群落为研究对象,通过测定水质总磷、总氮、氨氮等7个指标,并运用综合加权评价法进行评分,研究不同草本植物群落的渗滤水水质差异以及各自凋落物分解对水质的影响。研究结果表明,凤眼莲群落、水蓑衣群落、纸莎草+红鞘水竹芋群落、鸢尾群落4种群落下的渗滤水水质情况较好;凤眼莲和星毛蕨的植物残体对水体的水质影响最小,有一定自我降解能力,而红鞘水竹芋、三棱藨草的影响最大。合理构建水体植物群落,可以提高水体自净能力。

关键词: 湿地草本植物; 渗滤水; 凋落物; 水质影响

中图分类号:Q948;X173 文献标志码:A 文章编号:0528-9017(2018)05-0821-05

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湿地作为一种介于水陆之间的一种独特的生态系统^[1], 其水质的好坏直接影响到该生态系统的稳定性。湿地草本植物在湿地植物应用中占据了很大范围, 虽然草本植物景观丰富, 观赏性强, 但由于其自身特性难以避免季节性枯萎这一现象, 很多湿地一到秋冬季一片枯枝残体漂浮在水体表面, 不仅影响景观还对生态环境产生一定程度的破坏如对水体的二次污染^{[2, 3, 4]}, 势必会对水体的水质产生一定的影响。本文通过对无人工管护情况下的湿地植物生长环境进行分析, 优选出耐粗放管理且对环境产生不良影响小的植物种类, 为湿地植物配置提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 样地概况

2014年9月在上涌果园湿地内建立样地(东经113° 18', 北纬23° 4'), 种植草本植物纸莎草(Cyperus papyrus)、红鞘水竹芋(Thalia geniculata)、鸢尾(Iris tectorum)、三棱藨草(Scirpus mariqueter)、灯心草(Juncus effusus)、香蒲(Typha orientalis)、梭鱼草(Pontederia cordata)、水蓑衣(Hygrophila salicifolia)、蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk), 观察其在无人为干扰下的自然生长状况。所形成的13个面积较大的优势植物群落, 包括样地内原有的、自然形成的植物群落如星毛蕨(Ampelopteris prolifera)、铜钱草(Hydrocotyle chinensis)、凤眼莲(Eichhornia crassipes)、空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)。对以上这13个优势草本植物群落进行相关调查分析, 内容包括不同植物群落下水体水质的测定和13种植物腐烂分解对水质的影响分析。

1.2 材料

1.2.1 不同草本植物群落的渗滤水水质分析

在前期课题组研究和查阅资料的基础上, 供试用水是上涌果树公园湿地试验田内长势良好, 无病虫害的鸢尾、铜钱草、凤眼莲、三棱藨草、梭鱼草、灯芯草、水蓑衣、蕹菜、香蒲、纸莎草、空心莲子草、星毛蕨、红鞘水竹芋等13个草本植物群落下的水体。每个群落随机选取3个点, 每个点取水样250 mL带回实验室经两层滤纸过滤后进行测试。

1.2.2 不同草本植物群落的凋落物分解对水质的影响实验

供试植物为取自于上涌果树公园湿地试验田中长势良好, 无病虫害的鸢尾、铜钱草、凤眼莲、三棱藨草、梭鱼草、灯芯草、水蓑衣、蕹菜、香蒲、纸莎草、空心莲子草、星毛蕨、红鞘水竹芋等13个草本植物群落。供试装置为半透明塑料水箱(51 cm× 38 cm× 31 cm)。

1.3 方法

1.3.1 不同草本植物群落的渗滤水水质分析

按需从上涌果树公园湿地试验田内带回13个水样, 运用国标法(国家环境保护总局, 2002)测试其水质总磷、总氮、化学需氧量、氨氮、溶氧量、pH值、色度等7个指标。

1.3.2 不同草本植物群落凋落物分解对水质的影响实验

实验自2016年10月1日至2016年11月12日。于10月1日开始, 将植株于野外采集后, 根上表层泥土洗净置于实验室内自然阴干至枯死状态, 10月8日开始将植株分别放入20 L半透明塑料水箱内, 并在水箱侧面做水位标记。实验将13种植物设14个处理:无植物(空白对照组)、鸢尾、铜钱草、凤眼莲、三棱藨草、梭鱼草、灯芯草、水蓑衣、蕹菜、香蒲、纸莎草、空心莲子草、星毛蕨、红鞘水竹芋。实验在干燥、通风、无保暖措施的实验室内进行, 室温20~28 ℃, 水温18~28 ℃。每种植物的植株各150 g分别置于长宽高(51 cm× 38 cm× 31 cm)半透明塑料水箱内, 保持水量不变。随后每隔6 d进行水样取样一次, 每个处理重复取5个水样测定, 每次实验后用虹吸法补充供试水至20 L, 共取样5次, 直到实验结束, 实验期共约43 d。

1.4 水质测定

采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定总氮(TN); 钼酸铵分光光度法测定总磷(TP); 重铬酸钾法测定化学需氧量(COD); 纳氏试剂光度法测定氨氮(N $H_{4}^{+}$ -N); 便携式溶解氧测试仪测定溶氧量(DO); 便携式pH计测定pH值; 铂钴比色法测定色度。均采用国标法测定(国家环境保护总局, 2002)。

1.5 水质评价标准

水质评价依照《地表水环境质量标准》(GB 3838— 2002)中规定, 中国地面水分五大类。本文所研究的水质分析以第五类水(主要适用于农业用水区及一般景观要求水域)为标准进行比较分析。

通过单因子评价对水体水质结果进行分析^[5]。水质状况的综合评价运用综合加权评价法^[6]。以第五类水为标准对水质进行定性评价。

2 结果与分析

2.1 不同草本植物群落下渗滤水的水质

从表1可以看出, 经过43 d的实验, 除对照组外, 凤眼莲群落水的色度值最低, 香蒲群落的色度值最高; 除水蓑衣群落以外, 其他群落的COD值都在标准值(40 mg· L^-1)以下, 水蓑衣群落的水体有机物含量偏高, 受污染较严重, 凤眼莲群落的值最低, 说明大部分植物可以减小水体的化学需氧量; 所有植物群落的DO都在标准值(2 mg· L^-1)以上, 草本植物中水蓑衣的DO值最大, 蕹菜+铜钱草群落的值最小; 从N $H_{4}^{+}$ -N含量来看, 灯芯草、香蒲、蕹菜+空心莲子草+铜钱草和星毛蕨群落的值均超过标准值(2 mg· L^-1), 蕹菜+空心莲子草+铜钱草群落水体的值最高, 说明铜钱草对N $H_{4}^{+}$ -N含量有明显改善作用, 星毛蕨群落的值最低; 从TN含量中看出, 只有水蓑衣群落的水体在标准值(2 mg· L^-1)以下, 其他均高出标准值, 蕹菜+空心莲子草+铜钱草群落水体的值最高, 对水体影响较大; 从TP含量上来看, 蕹菜+铜钱草、香蒲、空心莲子草群落均超过标准值(0.4 mg· L^-1), 对水体产生影响较大, 水蓑衣群落的含量最低, 对水体总磷的吸收作用较强。从总体水质情况上看, 综合水质依次为凤眼莲群落(0.67)> 水蓑衣群落(0.76)> 无植物群落(0.78)> 纸莎草+红鞘水竹芋群落(0.79)> 鸢尾群落(0.84)> 蕹菜+铜钱草群落(0.89)> 星毛蕨群落(0.90)> 空心莲子草+铜钱草群落(0.98)> 灯心草群落(1.00)≥ 蕹菜+空心莲子草群落(1.00)> 蕹菜+空心莲子草+铜钱草群落(1.08)> 空心莲子草群落(1.16)> 香蒲群落(1.19)> 三棱藨草群落(1.51)。凤眼莲虽然对水质的净化作用最明显, 但由于其为漂浮植物, 在缺少管护和限制生长的情况下容易形成侵占, 湿地中的水面上几乎被凤眼莲完全覆盖, 使沉水植物缺少阳光无法存活。水蓑衣、纸莎草+红鞘水竹芋、鸢尾及铜钱草、星毛蕨对水体的影响较小, 建议在湿地中应用。但由于铜钱草发达的匍匐茎, 在富营养化的水体中生物量极大, 需要与木本或其他草本搭配种植, 控制其生长范围, 才能更好地发挥其价值。

表1 不同草本植物群落下渗滤水水质情况比较

序号	群落名称	pH值	DO/(mg· L^-1)	COD/(mg· L^-1)	TP/(mg· L^-1)
1	无植物群落	7.22± 0.06 A	6.02± 0.03 AB	26.08± 2.30 CDE	0.35± 0.06 ABCD
2	纸莎草+红鞘水竹芋群落	6.94± 0.01 BC	5.62± 0.17 ABC	25.08± 3.13 CDE	0.32± 0.03 ABCD
3	三棱藨草群落	7.04± 0.07 B	6.16± 0.20 A	23.07± 3.13 DE	0.28± 0.06 BCD
4	凤眼莲群落	7.02± 0.01 B	5.67± 0.12 ABC	20.06± 2.30 E	0.21± 0.02 CD
5	蕹菜+空心莲子草群落	7.01± 0.03 B	5.73± 0.21 AB	31.60± 5.42 BCD	0.40± 0.09 ABC
6	蕹菜+空心莲子草+铜钱草群落	7.07± 0.06 AB	5.43± 0.35 ABC	24.28± 3.03 DE	0.27± 0.05 BCD
7	蕹菜+铜钱草群落	6.73± 0.06 D	4.31± 0.59 DE	31.10± 7.11 BCD	0.45± 0.15 AB
8	空心莲子草群落	7.01± 0.01 B	5.46± 0.16 ABC	36.62± 0.87 AB	0.50± 0.02 A
9	空心莲子草+铜钱草群落	6.76± 0.08 CD	5.01± 0.40 BCDE	33.81± 2.26 BC	0.38± 0.04 ABC
10	香蒲群落	6.95± 0.13 B	5.61± 0.28 ABC	37.62± 1.50 AB	0.49± 0.02 A
11	水蓑衣群落	6.77± 0.09 CD	4.60± 1.12 CDE	42.64± 3.78 A	0.17± 0.07 D
12	灯心草群落	7.03± 0.17 B	5.55± 0.39 ABC	30.60± 3.78 BCD	0.38± 0.16 ABC
13	星毛蕨群落	6.89± 0.00 BCD	4.18± 0.35 E	24.07± 2.60 DE	0.34± 0.03 ABCD
14	鸢尾群落	7.03± 0.01 B	5.30± 0.17 ABCD	29.47± 2.26 BCD	0.37± 0.02 ABC
序号	群落名称	TN/(mg· L^-1)	N $H_{4}^{+}$ -N/(mg· L^-1)	色度	综合评价得分
1	无植物群落	2.04± 0.24 FG	1.46± 0.38 DEF	30.00± 3.07 CD	0.78
2	纸莎草+红鞘水竹芋群落	2.55± 0.06 DEF	1.30± 0.06 EF	27.99± 0.92 CD	0.79
3	三棱藨草群落	3.60± 0.54 BC	1.97± 0.07 BCD	23.40± 7.89 D	1.51
4	凤眼莲群落	2.68± 0.04 DEF	1.59± 0.10 DEF	20.04± 2.12 D	0.67
5	蕹菜+空心莲子草群落	2.93± 0.43 CDE	1.77± 0.34 CDE	51.36± 14.85 ABC	1.00
6	蕹菜+空心莲子草+铜钱草群落	4.47± 0.43 A	2.93± 0.34 A	36.80± 19.29 BCD	1.08
7	蕹菜+铜钱草群落	2.30± 0.54 EFG	0.94± 0.19 F	41.88± 3.57 BCD	0.89
8	空心莲子草群落	3.40± 0.26 BCD	1.99± 0.11 BCD	60.56± 6.90 AB	1.16
9	空心莲子草+铜钱草群落	2.85± 0.48 CDEF	1.52± 0.26 DEF	51.94± 10.32 ABC	0.98
10	香蒲群落	3.26± 0.40 BCD	2.27± 0.21 BC	68.98± 18.26 A	1.19
11	水蓑衣群落	1.61± 0.17 G	1.55± 0.53 DEF	39.59± 9.02 BCD	0.76
12	灯心草群落	3.90± 0.40 AB	2.45± 0.30 AB	37.28± 16.52 BCD	1.00
13	星毛蕨群落	3.26± 0.08 BCD	2.24± 0.15 BC	27.04± 0.10 CD	0.90
14	鸢尾群落	3.02± 0.16 CDE	1.56± 0.02 DEF	31.13± 2.82 CD	0.84

注:同一列数据后没有相同字母表示在1%水平上具有显著差异性。

表1 不同草本植物群落下渗滤水水质情况比较

2.2 13种草本植物凋落物分解对水体水质的影响

2.2.1 对TP含量的影响

由图1可知, 水体TP浓度均呈先上升再下降的变化趋势。除了水蓑衣和红鞘水竹芋处理组在第12天TP浓度表现为, 达到峰值, 其余处理组均在第24天左右达到峰值。实验结束时, 水体TP浓度红鞘水竹芋> 香蒲> 纸莎草> 三棱藨草> 梭鱼草> 灯芯草> 水蓑衣> 蕹菜> 凤眼莲> 鸢尾> 星毛蕨> 铜钱草> 空心莲子草。

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	图1 水体TP含量变化过程

2.2.2 对TN含量的影响

如图2所示, 水生植物分解过程中, TN含量大部分呈先上升再下降, 后期略有回升的变化过程, 但水蓑衣处理组TN含量持续上升, 星毛蕨处理组则为先下降后上升的趋势。实验结束时, 只有水蓑衣、空心莲子草和红鞘水竹芋处理组的TN高于空白对照组, 其余均小于空白对照组。实验结束时, 各组TN浓度依次为水蓑衣> 空心莲子草> 红鞘水竹芋> 星毛蕨> 鸢尾> 铜钱草> 纸莎草> 灯芯草> 蕹菜> 香蒲> 梭鱼草> 三棱藨草> 凤眼莲。

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	图2 水体TN含量变化过程

2.2.3 对N $H_{4}^{+}$ -N含量的影响

由图3可知, 水体的N $H_{4}^{+}$ -N浓度均呈现前期先迅速上升, 后期再缓慢下降的变化过程。凤眼莲、纸莎草水中的N $H_{4}^{+}$ -N浓度最先上升到最高值, 而后铜钱草、空心莲子草、红鞘水竹芋陆续也达到峰值, 鸢尾、灯芯草、水蓑衣、蕹菜、香蒲均在第24天左右达到峰值。实验结束时, N $H_{4}^{+}$ -N浓度表现为水蓑衣> 红鞘水竹芋> 鸢尾> 梭鱼草> 香蒲> 空心莲子草> 灯心草> 纸莎草> 蕹菜> 三棱藨草> 凤眼莲> 星毛蕨> 铜钱草。

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	图3 水体N $H_{4}^{+}$ -N含量的变化过程

2.2.4 对COD含量的影响

如图4所示, 植物分解过程中, 水体COD浓度变化情况比较复杂, 大体趋势为先上升到一个极值再缓慢下降, 反应前期, 各处理水体浓度均高出对照组20%左右, 鸢尾、三棱藨草、梭鱼草、灯心草、水蓑衣、纸莎草在缓慢下降后转而又升高, 凤眼莲、香蒲则是一直呈上升状态。实验结束时, 水体COD浓度红鞘水竹芋> 鸢尾> 水蓑衣> 梭鱼草≥ 香蒲> 纸莎草> 灯心草> 蕹菜> 三棱藨草> 凤眼莲≥ 空心莲子草> 星毛蕨> 铜钱草。

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	图4 水体COD含量的变化过程

2.2.5 对DO浓度的影响

由图5可知, 水体DO浓度在处理初期迅速下降, 第6天下降到最低值, 随后开始缓慢上升。实验结束时, 各组水体DO浓度基本恢复到实验初始水平。

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	图5 水体DO浓度的变化过程

2.2.6 对pH值的影响

如图6所示, 各组中水体pH变化趋势类似, 处理开始后, 水体pH值略有下降, 第18天以后, 开始呈现交替上升的变化趋势。实验结束时, 各处理水体pH值和对照基本相等, 且各处理均略低于实验初始值。

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	图6 水体pH值的变化过程

2.2.7 对色度值的影响

当水中含有大量的杂质时, 水就会产生颜色, 色度值说明了颜色的深度, 从图7中可以看出, 各组的色度值变化趋势相似, 整体都在缓慢升高, 只有凤眼莲和红鞘水竹芋在第18天升高到一个极值后有所降低。实验结束时, 各组色度值表现为红鞘水竹芋> 水蓑衣> 鸢尾> 梭鱼草> 纸莎草> 香蒲> 灯芯草> 空心莲子草> 蕹菜> 三棱藨草> 凤眼莲> 星毛蕨> 铜钱草。

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	图7 水体色度值的变化过程

2.2.8 水质综合评价

综合以上各指标值的变化情况, 从表2中可以看出, 供试的13种草本植物凋落物分解过程中对水质都会产生一定的影响, 其中, 凤眼莲和星毛蕨的植物残体对水体的水质影响最小, 其次依次为铜钱草、蕹菜、空心莲子草、梭鱼草、灯心草、香蒲、纸莎草、鸢尾、水蓑衣、红鞘水竹芋和三棱藨草。

表2 13种草本植物凋落物分解过程中水质综合评价结果

3 小结与讨论

综合以上各指标值的变化情况, 可以看出, 凤眼莲和星毛蕨的植物残体对水体的水质影响最小, 其次依次为铜钱草、蕹菜、空心莲子草、梭鱼草、灯心草、香蒲、纸莎草、鸢尾、水蓑衣、红鞘水竹芋和三棱藨草。生物量小的草种相对生物量大的对水质的影响也较小。虽然蕹菜、空心莲子草侵占性较强, 但他们对水质产生的影响较小, 且有一定的净化能力, 只要控制好植物的生长范围, 合理搭配, 也是一种良好的湿地植物。对于一些生物量较大的草本植物, 在应用时要注意控制其密度, 避免过密栽植导致枯萎后腐烂对水质产生影响。同时, 在湿地中保留适量的植物枯萎部分, 可以有效降低N、P含量和营养物质含量, 控制富营养化程度。

草本植物体的生物量和种植密度会对水体水质产生一定的影响, Tanner等^[7]在研究利用水生植物处理废水时发现, 一定量的水生草本植物枯枝残体, 可促进湿地生态系统的脱氮过程, 但在超过一定程度时, 系统N、P的浓度反而升高。本研究发现, 在草本植物凋落物分解前期, 会引起水体N、P含量激增的现象; 但在分解后期, 水体的COD浓度和TP、TN浓度会逐渐下降。因此, 可以通过合理构建植物群落, 使用挺水植物、沉水植物等进行植物群落的生态修复, 能有效控制水体营养盐成分, 转移部分N、P等营养元素到植物体内, 保持水体的自净能力。

(责任编辑:张韵)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献:

文献选项

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李素清, 武冬梅, 王涛, 等. 山西长治湿地草本植物优势种群和群落的空间格局分析[J]. 草业学报, 2011, 20(3): 43-50.

种群和群落空间格局分析是揭示群落结构的重要手段，目前已成为现代植物生态学的研究热点之一。长治湿地位于长治市主城区西北３ｋｍ处，是山西省面积最大和保存最好的水库湿地。本研究应用除趋势对应分析（ＤＣＡ）与双项轨迹方差法（ＴＴＬＱＶ）相结合的方法，对长治湿地草本植物优势种群和群落的分布格局进行分析。结果表明，在长治湿地草本植物群落空间格局分析中，这２种方法的结合可以成功地揭示群落的特征。同时群落格局与其优势种的格局关系密切，扁秆藨草＋芦苇群系和小苜蓿＋双穗雀稗群系的格局差异明显，随着土壤水分含量的减少，群落的格局规模减少，群落分布格局不仅受优势种的生物学特性影响，还受环境因子制约，优势种群的小斑块规模一般为２０～２９０ｃｍ，大斑块规模则多为９００～１２７０ｃｍ，格局规模随优势种的生物学特性而变化，并且土壤水分等环境因子在格局形成和变化中也起着重要作用，结果很好的揭示了长治湿地草本植物群落的结构特征。

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陈静, 孔德平, 范亦农, 等. 滇池湖滨带湿生乔木湿地构建技术研究[J]. 环境科学与技术, 2012, 35(12): 100-103, 145.

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摘　要：以《地面水环境质量标准》（GB3838—2002）为评价标准，采用单因子法和修正的卡森指数评价法，对星云湖的水质现状、富营养化状况进行了评价，对近年来的富营养化变化趋势作了简要分析，同时对富营养化形成原因进行了分析，并提出污染防治的建议。

... 通过单因子评价对水体水质结果进行分析^[5] ...

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