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隨著城市經濟的發展和人們生活水平的提高,大量富含營養物質的污廢水排入城市河道。長期接納的污染物積聚在河道底泥中,勢必會影響河道水生態環境的健康。沉水植物能降低水體的營養鹽質量比,有效抑制藻類繁殖,促進懸浮物質沉積,提高水體的污染自凈能力[1]。因此,恢復沉水植物是改善水生態系統的重要措施。Kumar等[2-3]發現菹草在污染嚴重點位的生物量和生產力高于污染輕的點位。扎根于底泥中的沉水植物可以通過根系吸收底泥中的營養以維持自身正常生長繁殖,但底泥中有機質等營養物質質量比過高會導致沉水植物根系腐爛[1、4-5]。倪樂意[6]認為在一些超越高等水生生物耐受范圍的環境條件下,其生境無法得到立即恢復。段昌群等[7-8]提出在重污染水體中重建水生植被,底泥疏浚有助于創造適合沉水植物生長的生態環境。然而疏浚程度過大將降低水體的生物多樣性[9]。因而在重污染型河道疏浚前,有必要對河道底泥疏浚的沉水植物水生態效應展開試驗研究。筆者選取耐污能力強的沉水植物菹草作為試驗材料,通過研究不同特性底泥對菹草生長繁殖、水體水質及藻類種群結構等的影響,判定流動性較小的蘇州重污染河道疏浚是否有利于菹草水生態環境的恢復。 1材料及方法 1.1試驗材料 試驗采用的沉水植物菹草取自蘇州直鎮河道,在室外環境條件下放入裝有自來水的試驗桶內培養2周后,選取大小相似、生長狀態較好的菹草個體作為試驗材料。選擇蘇州南園河疏浚段、未疏浚段底泥以及內城河底泥作為試驗基質。菹草(Potamogetoncrispu)耐污能力較強,只要將其根部固定在任何基質上,都能正常生長發育,在營養物質豐富的水體中靠其莖葉吸收營養物質。扎根于底泥的菹草主要靠吸收底泥中的營養物質進行繁殖[10-11]。試驗用水為南園河未疏浚段河水,其營養鹽質量濃度:TN為7•04mg/L、TP為0•32mg/L、有機質為13•11mg/L。各河段底泥的基本物理、化學性質見表1。 1.2試驗方法 為了研究疏浚對菹草生長的影響,待南園河東段疏浚4~5個月后,采集不同污染程度河段底泥即南園河東段(已疏浚)、西段底泥(未疏浚)及水質較好的內城河底泥10kg各3份,分別放入60L試驗桶(編號分別為1—6號,頂部直徑49cm,底部直徑37cm)內,各編號對應菹草生物量詳見表2;選取植株葉片數量和長短相近的菹草植入底泥;小心向各試驗桶注入30•6L南園河未疏浚段河水(桶內約50cm),并在試驗過程中及時用蒸餾水補充由于蒸發損失的水分。整個試驗在自然光照的平臺上進行，每5d觀察菹草生長狀況。采樣時避免擾動水體從而影響懸浮物附著率。為了研究疏浚對重污染河道水生生物多樣性的影響,結合菹草生長情況,每5d對1—6號桶內水體進行水質監測,每5~10d觀測藻類數量、生物量和種屬規律。 1.3分析方法 水質指標的測定:采集的水樣用玻璃纖維濾膜(WhatmanGF/C)過濾后測定其TN、TP和有機質,其中TN、TP采用過硫酸鉀消解法同時測定,有機質含量采用酸性高錳酸鉀法進行測定。以上測定方法和浮游藻類、底棲附泥藻類測定方法均參照文獻[12]中相應方法。懸浮物附著率為附著于菹草表面的懸浮物質量占所附著的菹草生物量的百分率。 2結果與分析 2.1菹草表面的懸浮物附著率試驗 開展20d后各試驗桶內附著于菹草上的懸浮物附著率各異,詳見圖1。幾個試驗桶內菹草表面懸浮物附著率的關系為:1號<2號<3號,4號<5號<6號。即栽種于內城河底泥中菹草表面的懸浮物附著率最小,其次是南園河疏浚河段底泥;而南園河未疏浚河段底泥中菹草表面的懸浮物附著率最大,3號和6號試驗桶內菹草表面懸浮物附著率分別達到60%、90%,這勢必會影響菹草的正常生長[13]。這主要與底泥的泥質和有機質質量比有關。泥質越軟,含水率越高,越有利于底泥發生懸浮,從而引起水質渾濁[14]。而有機質質量比越高,懸浮物量也就越大[1]。菹草通過靠近根部的莖葉吸附從底泥中釋放的懸浮物,從而減少其對上覆水體的影響。由表1可知,疏浚后的河段內源N、P和有機質的質量比和含水率得以明顯的降低,該段底泥中的TN、TP及有機質質量比與內城河底泥相近,均遠小于未疏浚段底泥的質量比;南園河疏浚河段底泥除有機質外,TN、TP質量比及含水率均低于內城河底泥,相對而言底泥若受擾動也不容易再懸浮。參考玄武湖[15]有機污染指數計算及評價方法,南園河未疏浚河道底泥有機污染指數為27•18,遠遠超過了有機污染臨界值0•05。該種底泥富含的有機質不斷向水體中釋放,附著在菹草莖葉表面,使得6號桶內懸浮物附著率最高。 2.2疏浚對菹草生長的影響 附著于菹草葉片上的懸浮物量越多,越會阻礙菹草的光合作用和呼吸作用,越容易出現葉片腐爛現象[16]。從菹草長勢情況分析,在內城河底泥中長勢最好,其次為南園河疏浚河段底泥,而南園河未疏浚底泥不適宜菹草群落的生長繁殖。1號、2號、4號、5號試驗桶內菹草于試驗開展5d后陸續長出新芽,試驗開展10d后新芽長1~2cm,20d后新芽長4~5cm;而3號、6號試驗桶內菹草的莖葉陸續腐爛死亡。這是因為含水率較高的未疏浚段底泥容易發生懸浮,使得試驗桶內菹草莖葉上附著的懸浮物較多,菹草光合產氧能力受到影響。該種底泥中的微生物活性較強,底棲藻類產氧量低于耗氧量[17],而菹草需要大量消耗水體底部的溶解氧以滿足自身生命活動的要求,這導致了底層水體生態環境處于厭氧還原狀態,菹草根部和莖葉容易發生腐爛[18]。同時受有機污染嚴重的未疏浚段底泥往往含有大量對植物有毒害作用的有機酸,用于菹草種植后,水草的莖葉容易發生腐爛死亡現象。試驗開展第10d、第15d,1號、2號、4號、5號試驗桶內菹草覆蓋率及生物量增長率見圖2。由圖2可知,南園河疏浚段底泥(27•46g/kg)和內城河段底泥總栽種的菹草可以存活,且內城河底泥對菹草生長最為有利。這是因為底泥中適度的有機質、N、P質量比能促進沉水植物的生長繁殖,緩解浮游藻類和菹草間營養物質的競爭。污染較輕的內城河底泥比疏浚河段底泥更有利于菹草的恢復,這是因為疏浚后的南園河段底泥底質較硬,N、P等營養鹽質量比偏低,使得主要靠根部從底泥中吸收營養來維持生命活動的菹草對營養鹽的需求無法得到滿足。菹草的生物量越多,越有利于其自身生長繁殖。這是因為沉水植物生物量越多,越有利于其與浮游藻類競爭營養、光照等。#p#分頁標題#e# 2.3疏浚后上覆水中N、P及有機質變化 菹草可以凈化水質。扎根于底泥后,菹草可以通過其莖葉吸收水體中的營養鹽,也通過根系吸收底泥中的營養鹽。試驗期間1—6號桶內上覆水的TN、TP及有機質質量濃度的變化幅度較大,具體情況見圖3及表3。由圖3可見,試驗桶內上覆水中TN質量濃度呈現的規律為:3號和6號>1號和4號>2號和5號,即上覆水體TN質量濃度與底泥TN質量比成正比。結合試驗期間菹草的生長情況,當水體中N的質量濃度變動在4•99~5•72mg/L時,菹草的長勢最好。當水體中N的質量濃度下降到0•47~1•31mg/L時,菹草生長速度明顯減慢。由此說明水體中N的質量濃度在5•00mg/L左右變動時,菹草生長速度最快;南園河未疏浚段底泥中TN質量比高達17•74mg/L,試驗初期水體中N的質量濃度超過了10•00mg/L,菹草在此底泥環境中大批腐爛、死亡。由此說明重污染河道疏?？梢越档退w中TN、TP和有機物濃度和底泥中N的質量濃度,以滿足菹草的生長要求。栽種200g菹草的試驗桶內上覆水中TN的質量濃度低于栽種100g菹草的質量濃度,說明菹草生物量增大更有利于水體中N的凈化。試驗桶內上覆水中TP質量濃度呈現的規律為:6號>3號>5號>2號>1號>4號,詳見圖3。3種底泥中有機質質量濃度最低的為內城河。有機質質量濃度越少,消耗水體中DO就越少,泥-水界面處水體的氧化性就越強,從而越能抑制底泥中磷的釋放[19],因此內城河底泥TP質量分數大于南園河疏浚段底泥,但水體中的TP質量濃度仍屬內城河最低。上覆水中CODMn質量濃度與底泥中有機質質量分數有密切的關系。與其他試驗桶內上覆水相比,3號、6號桶內上覆水中的有機物質量濃度始終最高,水體耗氧量最大。如果水體呈缺氧狀態,底層菹草群落的生長繁殖勢必會受到影響。 2.4疏浚對浮游藻類繁殖的影響 各試驗桶內藻類組成、數量及生物量具有較明顯的差異。在菹草和藻類競爭營養物質以維持自身繁殖的生命活動中,未疏浚河段的底泥特性使得藻類占據競爭優勢。前述研究發現,栽種于未疏浚河段底泥中的菹草在該種底泥特性環境中無法正常生長繁殖并出現腐爛現象。其體內營養物質伴隨底泥中大量的N、P和懸浮有機物溶解釋放到水體后,促進了浮游藻類的大量生長繁殖。浮游藻類遮陰影響光線射入,阻礙了菹草葉片的光合作用,而其釋放出的藻毒素同樣又會危害菹草的正常生長。由表4可見,南園河疏浚河段試驗桶內發現的浮游藻類數量和生物量均較少。未疏浚河段試驗桶內發現的浮游藻類生物量和數量最多,出現的種屬包括藍藻門(Cyanophyta)、甲藻門(Dinoflagellata)、硅藻門(Bacillariophyta)、裸藻門(Euglenophyta)和綠藻門(Chlorophyta),且以綠藻門(Chlorophyta)為主。裝有未疏浚河段底泥的試驗桶內綠藻門下的綠球藻(Chlorococcales)種群繁殖速度極快。試驗后的第5d,3號桶內綠球藻猛增到29880萬個/L,生物量達到14•94mg/L,占藻類總數的94•9%和50•8%。至第10d,由于溶解態有機物被大量消耗,CODMn質量濃度從27•45mg/L降至17•64mg/L,綠球藻數量和生物量猛降到900萬個/L和0•45mg/L,但仍占藻類總數的96•5%和61•0%。隨著一段時間泥-水界面反應,試驗后期疏浚段水體營養鹽含量、浮游藻類數量和生物量得以增加。 2.5疏浚對底棲附泥藻類繁殖的影響 試驗后期研究發現,隨著水體中浮游藻類種群及數量的減少,底棲附泥藻類中硅藻門下的顆粒直鏈藻(Melosiragranul)、小環藻(Cyclotella)、冠盤藻(Stephanodiscushantzschii)等種群則逐步發展起來。這是因為遮蔽水底光照的浮游藻類的減少改善了底棲附泥藻類的光合作用。由表5可知,南園河未疏浚段試驗桶內底棲附泥藻類數量及生物量最多,其次是內城河段,南園河疏浚河段最少;且不同河段底泥中底棲附泥藻類的種群結構不一。其中1號試驗桶內底棲附泥藻類發現了硅藻門、綠藻門、裸藻門和藍藻門4個門類,裝有南園河未疏浚段底泥的3號、6號試驗桶內底棲附泥藻類發現了3個門類,即硅藻門、綠藻門與裸藻門。裝有南園河疏浚段底泥的2號試驗桶內底棲附泥藻類僅發現硅藻門。南園河未疏浚河段底泥含水率最高,且有機物質量分數豐富。由此說明相對于硬質、有機質質量分數低的底泥,底棲附泥藻類更容易從含水率較高的軟質泥中汲取營養以實現自身繁殖和種群多樣性。4號試驗桶由于菹草覆蓋了整個水面,阻擋了光照,因而其底棲附泥藻類數量和生物量與1號相比相對較少。 3討論 通過前述研究,發現試驗開展15d后,菹草生長狀態、水體營養鹽含量等趨于穩定。當南園河未疏浚段試驗桶內上覆水中N的質量濃度降到10•00mg/L以下,再重新種植菹草未發生菹草腐爛死亡的現象。這與張蘭芳[16]的研究結果相似。重污染河道水體中TN質量濃度的降低將有利于菹草生境的恢復。目前蘇州河流開展的疏浚工程一般先采用圍隔方式將水體攔截,待疏浚完畢后將原河水導入疏浚段。由此可知,若重污染河道采用疏浚結合的調水方式清除內源污染,將更有利于菹草等沉水植物生境的恢復,為其與藻類爭奪營養鹽增加了競爭優勢。沉水植物和浮游植物其中任何一種在水體中過量繁殖均不利于水生態環境的良性發展。若浮游植物過量繁殖,必然導致水體富營養化;而沉水植物過量繁殖,則必然不利于底棲生物的生長,兩種情況均不利于水體生物多樣性的發展[20]。沉水植物在營養鹽質量分數較低的環境中容易占據生存優勢,浮游藻類和附泥藻類的繁殖勢必會受到影響,營養鹽質量分數的過高和過低都將不利于水生態環境的生物多樣性。在重污染河道擬開展疏浚工程之前,需要調查河道底泥層級分布特性、水污染類型和水生態環境的特征,研究待疏浚河道不同疏浚深度的水生態效應,以確定其最佳疏浚程度。 4結論 a.在外污染源得以控制、水生生物光照和溶解氧等得以滿足的條件下,疏浚有利于改善菹草的生境。河道疏浚至底泥TN、TP及有機質質量比分別為1•50g/kg、1•00g/kg、27•00g/kg左右時有利于菹草種群的恢復;當河道底泥中TN、TP及有機質質量濃度分別達到11•80g/kg、7•00g/kg、256•40g/kg左右時浮游藻類大量繁殖,菹草發生腐爛死亡。#p#分頁標題#e# b.菹草生物量越多,越有利于其與浮游藻類競爭營養、光照等,對自身生長繁殖越有利,從而達到改善水質的目的。當水體中N的質量濃度變動在5•00mg/L時,菹草生長速度最快;當N的質量濃度上升到10•00mg/L時,菹草植株會發生腐爛。 c.營養鹽豐富有助于緩解浮游植物與菹草之間的競爭,促進兩者的生長繁殖。但有機質和營養鹽質量分數過量則不利于菹草的生長,浮游藻類在該種水體中占據優勢。裝有蘇州重污染河道未疏浚河段底泥的試驗桶內浮游植物優勢門為綠藻門。疏浚后浮游藻類數量和生物量均減少。 d.底棲附泥藻類的數量及生物量受底泥含水率和有機質質量濃度的影響,有機質質量比為27•00g/kg、含水率為50%左右時,底棲附泥藻類多樣性較好。底泥有機質質量比達到256•40g/kg時底棲附泥藻類在底泥表層仍能正常生長和繁殖。說明底棲附泥藻類中發現的顆粒直鏈藻、小環藻、冠盤藻、菱形藻和綠球藻是耐污能力較強的種類。疏浚后的河道底泥含水率較低,但經過一段時期的泥-水界面反應,其底泥含水率得以提高,底棲附泥藻類數量及生物量將會增加,將有利于底棲附泥藻類的種群多樣性。