近自然湿地挺水植物对水体DO含量的影响

近自然湿地挺水植物对水体DO含量的影响

熊元武田永兰孙雪薇何晨凤张化永！

(华北电力大学工程生态学与非线性科学研究中心，北京102206)

摘要研究水体DO及其分布情况对水质保护与富营养化治理意义重大。基于近自然湿地植物和明水区域的定期野外调 查，分析明水与植物区域内DO含量时空分布特征及不同区域DO含量与水温、pH和叶绿素a含量的响应关系，探讨湿地挺水植物 对DO含量的影响及其影响因素。结果表明：研究区域DO月平均质量浓度为6.43\"13.76mg/L，植物区域DO含量总体低于明水 区域;湿地挺水植物群落通过区域水温、pH和叶绿素a含量的综合调节作用影响区域耗氧和复氧过程，对DO分布特征有一定的调 节作用。

关键词近自然湿地生态工程挺水植物溶解氧叶绿素aD0l：10.15985/j.cnki.1001-3865.2018.01.006

The influence of emergent plant on DO in the near natrural wetland XIONG Yuanwu ,TIAN Yonglan ,SUN Xuewei，

HE Chenfeng，ZHANG Huayong .(Research Center for Engineering Ecology and Ecological Nonlinear，North Chi­na Electric Power University，Beijing 102206)

Abstract: It is significant to research the distribution and impact factors of DO for water source protection andeutrophication control. The space-time distribution of DO in macrophytes free and covered area was investigated in a near natural wetland. The corresponding relationships between DO and water temperature , pH , c hlorophyl--a contents were studied according to long-term regular field investigation to recognize the impact of macrophytes on DO. The re­sults showed that the monthly average DO content was 6.43-13.76 mg/L. The DO content in the macrophytes coveredarea was lower

than

that

of

the

macrophytes

free

area. The water

temperature，chlorop

was influenced by macrophytes community，which indirectly adjusted the oxygen consumption and reoxygenation process so as to change the distribution of DO to some extent.

Keywords： near natural wetland； ecological engineering； emergent plant； DO; chlorophyll-a

DO是维持水体生态环境动态平衡的重要环境 因子，是维持水生生物生存的必备条件[12] $研究水 体DO及其分布情况对水质保护与富营养化治理意 义重大。湿地DO的分布和变化受温度、生物、化学 及物理过程的综合影响+] $温度是影响水体DO分 布的关键因素。曾春芬等+]对天目湖DO分布特征 的研究表明：在非夏季月份，温度的升高导致DO浓 度降低;在夏季月份，温度分层是影响DO浓度的关 键因素。殷燕等[5]2539对千岛湖DO动态分析中指 出，在春夏季，pH、叶绿素a浓度与DO的相关系数 较高，主要与浮游植物光合作用有关。

挺水植物是湿地景观和生态系统的重要组成部 分，不仅是湿地生态系统异构性的关键组件，也综合 影响了水体的小生境+]。湿地水生植物对DO含量 的影响主要通过根际泌氧等直接作用和影响区域水

环境生物、化学及物理过程等间接作用。研究表明， 湿地挺水植物能将光合作用产生的氧气通过自身通 气组织输送至植物根系，继而向其根际区泌氧，增加 水体DO的含量+]。黄娟等+]通过中试考察了芦 苇、美人蕉、空心菜、富贵竹等典型湿地植物的光合 作用特性及其与湿地DO分布、污染物去除效果间 的关系，结果表明，植物净光合速率对DO分布影响 显著，湿地中段DO浓度高于两端，证明了植物对湿 地系统存在供氧作用。李睿华等+]分别利用芦苇、 茭白、香蒲和无植物空白对受污染河水进行处理中 试，结果表明，植物带水体的DO变化比无植物带 小，水温比无植物带低。孟繁丽等+0]对白洋淀藻型 和草型水域DO含量差异的研究中指出，水生植物 与浮游植物的季节性变化直接影响湖泊DO含量的 变化，白洋淀草型水域的DO含量明显高于藻型。

第一作者：熊元武，男，993年生，硕士研究生，研究方向为水污染控制与生态修复。！通讯作者。

!国家水体污染控制与治理科技重大专项（No.2015ZX07204-007、No.2015ZX07203-011、No.2017ZX07101)山东省环境瓶颈解析与突破 项目（No.SDHBPJ-ZB-08)。

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23

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环境污染与防治第40卷第1期2018年1月

近自然湿地是根据生态学原理，结合具体地形 地貌、水文和植被情况，模仿、接近自然湿地的一种 可持续的、生物多样性的生态工程技术，它主要是指 基于自然湿地生态格局的特征通过人工手段干预并 恢复重建已退化自然湿地。本研究通过对七星湖近 自然湿地北段的定期野外调查，分析明水与植物区 域内DO含量时空分布特征的差异及不同区域内 DO含量与水温、pH和叶绿素a含量的响应关系， 探讨湿地挺水植物对DO含量的影响及其影响因 素，进一步揭示湿地植物对DO浓度分布特征的影 送至实验室，使用0'5 #m水系膜抽滤后，采用丙酮 提取-分光光度法[11]测定叶绿素a浓度。COD、氨 氮、TN和TP测定方法参照文献[11]。

2

结果与讨论

2.1 DO浓度分布特征2.1.1 时间分布

研究区域DO月平均质量浓度为6.43〜13.76 mg/L，植物区域DO含量总体低于明水区域。研究 区域DO普遍偏高，这可能与研究期内区域氮磷污 响机制，为近自然湿地生态工程的建设提供参考。

1

材料与方法

!1 研究区域概况

七星湖近自然湿地位于山东省滕州市城河南 岸，地处暖温带半湿润地区南部，大陆性季风气候明 显，四季分明，雨量充沛，光照充足。湿地于2009年 完成基础工程建设，正式引水运行。湿地中植物群 落主要由挺水植物芦苇、香蒲、荷花、黄菖蒲等构成， 其中芦苇和香蒲为库塘内的主要水生植物。目前， 湿地植被覆盖面积共0.)2km2，占库塘总面积的 50%以上。

研究区域为七星湖近自然湿地北段，东西宽约 1 200 m，南北长约680 m，面积为0.20 km2，水流方 向自东向西，经末端的涵洞向南流出。湿地进水为 城河河水，研究期内平均人河流量））72m3/s，水质 长期处于《地表水环境质量标准KGB 3838—2002) 中&类，个别月份污染严重处于劣&类（如表1所 示）。大部分水生植物在3—5月开始生长，10月逐 渐枯萎衰败。

表1研究区域进出水水质

Table 1 Water quality at the inlet and outlet of

the study area

项目COD氨氮

TN

TP

/(mg • L 1)/(mg • L 1)/(mg • L 1)/(mg • L 1)进水3.08 — 90.430.08 — 2.144.83 — 16.720.02 — 0.20出水11.06 — 43.99

0.04 — 1.28

0.38 — 11.84

0.01 — 0.07

&类限值

40

2.0

2.0

0.2

1.2 点位布设与测试方法

2015年3—10月对研究区域进行了逐月的野 外监测，采样时间为每月下旬。将研究区域从上游 至下游划分成5个采样断面（编号S1〜S5)，对采样 点的DO、水温、pH和叶绿素a浓度进行监测。

DO、水温、pH 使用 YSI-Professinal Plus 便携 式水质仪现场测定。现场采集水样，冷藏避光保存

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2) •

染负荷较高、水流流速缓慢、温度适宜、藻类大量繁 殖有关。此外，由于植物在3月刚长出新芽，植物群 落生理活动对水环境影响较弱，明水区域DO含量 与植物区域相差不大。由图1可见，植物与明水区 域中DO月变化趋势大体相近，但在湿地植物生长 茂盛月份，植物区域DO含量远低于明水区域。湿 地植物对水体氧气传输速率与植物种类、季节、周围 环境需氧量有关[12]。本研究测量的是表层（<50 cm)中的DO,而研究期内植物区域采样点平均水深 (77.2〜228.5 cm)较大，在本研究中并没有体现出 湿地植物根际泌氧对湿地DO含量的提升作用。研 究区域内植物群落的存在降低了近自然湿地水体 DO的含量。

图1 DO月变化

Fig.1

Monthly variation of DO

212沿程变化

DO沿程变化见图2。明水区域DO含量总体 呈现沿程下降的趋势，污染物降解耗氧量主要包括 碳源氧化和硝化耗氧量两个部分[13]，研究区域COD 与TN污染物去除效果较明显（见表1)，污染物去除 将导致DO含量沿程下降。在湿地上游相近区域， 明水区域DO含量明显高于植物区域，这是由于上 游植物群落密度较高，而高密度的植被覆盖会使水 体中光照降低，浮游植物的光合释氧受到抑制[14 ]，

熊元武等近自然湿地挺水植物对水体DO含量的影响

Table 2

区域植物明水

表2 DO与水温、叶绿素@浓度和pH的相关系数

The correlation coefficient between DO and water temperature,chlorophyll-a concentration,pH

4月

7月

pH0.9830.867

水温—0.2410.377

叶绿素a0.4270.774

pH0.8830.980

水温0.9960.970

10月

叶绿素a0.9390.929

pH0.975—0.675

水温0.9280.837

叶绿素a— 0.9000.551

同时也影响了水体与大气的气体交换[15]，因此导致 水体DO含量下降，这与IAMCHATURAPATR 等

和

THULLEN等+*]的研究结果类似。此

外，由于浮游植物分布受风力的影响较大[18]，距离 人口 800 m左右的植物区域主要水生植物为香蒲 系，这与黄岁樑等[19]的研究结果一致，但在10月由 于上游来水污染严重，七星湖进水pH偏低（pH = 7.25)，远低于其他月份平均值（pH = 7.86)，进水中 酸性污染物沿程降解导致pH沿程逐渐升高，因此

10月pH与DO含量相关性有偏差。在明水区域， 与芦苇，挺水植物对风的阻碍作用导致浮游植物在 该处大量积累，植物区域的DO浓度较高。

湿地DO与水体耗氧、复氧能力有关，耗氧主要 表现为降解水中污染物而消耗氧气，复氧则为植物 根部向水输送氧气、空气向水面输送氧气等。由于 挺水植物生长茂密，风速等气象因素对大气复氧的 影响较小，植被覆盖产生的保温效果也降低了区域 水温的波动。由图1和图2可看出，植物区域DO 含量的波动幅度低于明水区域，植物的存在起到了 稳定水体DO的作用。另一方面，水体DO的主要 来源是大气复氧和植物光合产氧，而挺水植物降低 了水面风速、抑制了浮游植物生长，使得植物区域 DO含量低于明水区域。2.2 湿地挺水植物对DO的影响

2.2.1 DO与水温、叶绿素a浓度和pH的关系

选用）、、0月作为春、夏、秋的代表月份，分别 做DO与水温、叶绿素a浓度和pH的相关性分析， 结果见表2。春秋两季，水温和DO相关性较好，相 关系数最高达0. \"96，而夏季明水区域相关系数比 植物区域高，也仅为0.377,说明夏季研究区域水温 普遍较高，夏季水温不是决定DO含量的主要因素。 近自然湿地pH与DO基本呈现较好的正相关关

叶绿素a浓度均与DO含量有较好的正相关关系，

浮游植物光合释氧是七星湖明水区域DO高的重要 来源。2.2.2

水温的影响

如图3所示，3—10月平均水温均呈现先升高 后降低的趋势，但植物区域平均水温波动较小，说明 植物对湿地水体有较好的温度调节功能。研究区域 )一 10月植物区域水温明显低于明水区域，这是因 为夏季水生植物生长旺盛，其繁茂的枝叶遮蔽了阳 光的照射，而且本研究中野外采样的调查时间均在 12 : 0 0—15 : 0 0，光照充足，植物的代谢旺盛，植物的 蒸腾作用也导致水体表面温度降低+0]。

图3水温差异

Fig. 3

Difference ff water temperature

2.2.3叶绿素a浓度的影响

由图）可见，植物、明水区域叶绿素a月平均质 量浓度分别为 11.22\"39.53、15.93\"114.44 #g/L， 植物区域叶绿素a浓度远低于明水区域。挺水植物 对浮游植物的生长有抑制作用，一方面，在水生态系 统中，高等水生植物与浮游植物同属于初级生产者， 两者在共同维护生态系统平衡同时，在光照、营养盐 等方面也存在着激烈的竞争，水生植物的根部可吸 收湖底沉积物中的营养盐，又可通过茎叶吸收水中 的营养盐，在营养盐竞争方面明显优于藻类[21]，挺

• 25 •

环境污染与防治第40卷第1期2018年1月

水植物的遮光作用也抑制了藻类的生长和繁 殖[16]292 $另一方面，植物根系分泌物对藻类也会产 生一定的抑制作用[22]。研究表明，芦苇、香蒲和荷 花的分泌物会抑制浮游藻类的生长[23(5]，进而减少 其光合释氧量，这与本研究的结果一致。欧阳潇然 等+6]利用非结构化网络-有限体积近海海洋模型 (FVCOM)对太湖梅梁湾夏季DO进行模拟，结果 表明，浮游植物光合作用制氧是水中DO的最重要 来源。本研究植物区域内高密度的植被覆盖抑制了 植物在净化污染物的过程中也会降低水体pH+9]， 大型水生植物对NHj的吸收将导致水中pH降低， 植物根部在吸收阳离子的同时释放出H+，即伴随 着有机酸的产生[16]29°，并且硝化作用进行也使水中H+增加[30]。

3

结语

(1) 植物群落对区域DO含量有调节作用，

物区域DO比明水区域更稳定。湿地挺水植物的合 浮游植物生长，使得浮游植物光合作用释氧量减少， 从而导致湿地水体DO含量下降。

(

0

o一 ■窆 8)o / H6 o4Jt

M a

4 o6

2I

o

J-i

月

份

图4叶绿素@质量浓度差异

Fig.4

Difference of chlorophyll-a mass concentration

2.2.4 pH的影响

pH对DO的影响是通过生化过程体现的+*]。 湿地藻类进行光合作用，释放氧气同时吸收二氧化 碳，结果使得水中碳酸氢根大量积累，致使pH升 高[5]2545，这与本研究区域月平均pH为7.58〜8.34 的结果较吻合。由图5可见，明水区域pH总体高 于植物区域。在植物区域，湿地挺水植物生长旺盛， 挺水植物的存在对藻类生长产生了抑制作用+8]，藻 类光合作用对水体pH的升高作用较弱；另一方面，

图5 pH差异

Fig.5 Difference of pH

•

26

•

理种植可改善局部环境，稳定水体DO含量。

(2)

湿地水体DO受多种因素的影响。春

季，湿地DO含量与水温相关性较好，DO含量随水 温升高而上升；夏季湿地DO含量随pH升高而

上升。

()湿地挺水植物群落通过水温、pH和叶绿 素a含量的综合调节作用影响区域耗氧和复氧过 程，改变DO分布特征。通过植物与明水区域相互 搭配的景观格局构建，提高湿地复氧的多元特性，既 可保证湿地DO时空分布的稳定性，也可提高景观 价值。

参考文献：

[1]

杨学志，王一了，夏晓虹，等.溶解氧对晚期垃圾渗滤液短程化及微生物群落结构变化的影响+]环境污染与防治，2012, 34(11)14-19.[2]

HAN H G’QIAOJ F，CHEN Q L.Model predictive control of dissolved oxygen concentration based on a self-organizing RBF neural network[J].(Control Engineering Practice» 2012 » 20 (4)： 465-476.[]

张竹琦.渤海、黄海（34°N以北）溶解氧年变化特征及与水温的 关系[J].海洋通报，1992,11(5): 41-45.[]

曾春芬，黄文钰，王伟霞，等.天目湖溶解氧分布特征及环境影 响因子[J].长江流域资源与环境，2010,19(4)445-451.[]

殷燕，吴志旭，刘明亮，等.千岛湖溶解氧的动态分布特征及其 影响因素分析[J].环境科学，2014,35(7).[6]

CHOI J Y，EONG K S,KIM S K，t al.Role of macrophytes as microhabitats for zooplankton community in lentic freshwa­ter ecosystems of South Korea [J]. Ecological Informatics，2014\"24 177-185'[7]

HEFFERNAN J B, FISHER S G. Plant-microbe interactions and nitrogen dynamics during wetland establishment in a des­ert stream[J].13iogeochemistry, 2012,107(1/2/3) ： 379-391.[]

黄娟，王世和，雒维国，等.植物光合特性及其对湿地DO分布、 净化效果的影响[J].环境科学学报，2006,6(11) 1828-1832. []

李睿华，管运涛，何苗，等.河岸芦苇、茭白和香蒲植物带处理受 污染河水中试研究[J].环境科学，2006，27(3)3493-3497.[10]孟繁丽，何连生，李一葳，等.白洋淀草型与藻型水域溶解氧含

硝

熊元武等近自然湿地挺水植物对水体DO含量的影响

量的差异性+ ].湿地科学，2013，11(2&292-296.

[11]

国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废

[0]

刘树元，阎百兴，王莉霞.潜流人工湿地中植物对氮磷净化的

影响[J].生态学报\"011 \"1(6): 1538-1546.

水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社\"002.

[12]

VYMAZAL J.Plants in. constructed ^restored and created we-- lands[J].Ecological Engineering, 2013 \"1(19) ： 501-504.

[13,吴海明，张建，李伟江，等.人工湿地植物泌氧与污染物降解耗

氧关系研究+ ].环境工程学报\"010 \"%) 1973-1977.

[14,

HARAGUCHIK，YAMAMOTO T，CHIBA S，et al Effectsof phytoplankton vertical migration on the formation of oxy­gen depleted water in a shallow coastal sea [J]. Estuarine， Coastal and Shelf Science,2010\"6(3) ；441-449.

[15]

AMON J P,AGRAWAL A, SHELLEY M L,et al. Develop­[2]

[1] 陈臖，王洪臣，WETTB.城市污水处理工艺迈向主流厌氧氨氧

化的挑战与展望[J].给水排水\"015,41 (10): 29-34.

LOTTI T\"KLEEREBEZEM R,HU Z\"t al.Pilot-scale evalua­编辑：黄

苇

（收稿日期：2016-06-16)

(上接第22页）

参考文献：

ment of a wetland constructed for the treatment of groundwa­ter contaminated by chlorinated ethenes[J]. Ecological Engi- neering\"007\"0(1) ：51-66.

[16]

IAMCHATURAPATR J,YI S W,RHEE J S. Nutrient re­movals by 21 aquatic plants for vertical free surface-flow (VFS) constructed wetland[J].!Ecological Engineering, 2007 \"29(3).

[17]

THULLEN J S,SARTORIS J J,NELSON S M.Managing vege­tation in surface-flow wastewater-treatment wetlands for optimll treatment performance [J]. Ecologicll Engineering，2005，25 (5):583-593.

[18]

吴晓辉，李其军.水动力条件对藻类影响的研究进展[J].生态

环境学报\"010,19(7) : 1732-1738.

[19]黄 岁樑，臧常娟，杜胜蓝，等.pH、溶解氧、叶绿素a之间相关

性研究'：非养殖水体[J].环境工程学报，2011，5 (8): 1681­1688'

[0]雒维国，王世和，黄娟，等.植物光合及蒸腾特性对湿地脱氮效

果的影响[J].中国环境科学\"006 \"6(1) 30-33.

[21] 杨荣敏，李宽意，王传海，等.大型水生植物对太湖底泥磷释放

的影响研究[J].农业环境科学学报，2007,26 (增刊1) 274­278'

[22] 汪丽，王国祥，唐晓燕，等.不同类型水生植物群落对蓝绿藻类

的抑制作用[J].生态学杂志\"009\"8(12):2567-2573.

[3]李磊，侯文华.荷花和睡莲种植水对铜绿微囊藻生长的抑制作

用研究[J].环境科学\"007,28(10): 2180-2186.

[24]

NAKAIS，ZHOUS，HOSOMIM，et al. Allelopathicgrowth inhibition of cyanobacteria by reed [J]. Allelopathy Journal, 2006，18(2):277-285.

[25]

LI F M,HU H Y.Isolation and characterization of a novel an­tialgal allelochemical from Phragmites communis[']. P^ppYi&d and Environmental Microbiology \"005 \"1 (11) ： 6545-6553.

[26]

欧阳潇然，赵巧华，魏瀛珠.基于FVCOM的太湖梅梁湾夏季水温、溶解氧模拟及其影响机制初探[J].湖泊科学，2013 \"5(4)478-488.

[7]

罗冬莲.深沪湾溶解氧的分布及其与浮游植物悬浮物的相关性研究[J].海洋通报，2002,21(1) :31-36.

[8] 赵海超，王圣瑞，赵明，等.洱海水体溶解氧及其与环境因子的

关系[J].环境科学\"011，32(7): 1952-1959.

[9] 王智，张志勇，张君倩，等.两种水生植物对滇池草海富营养化

水体水质的影响[J].中国环境科学，2013,33(2):328-335.

tion of anammox-based mainstream nitrogen removal from municipal wastewater[J].Environmental Technology» 2015 » 36(9) 1167-1177'

[3] SINHA B, ANNACHHATRE A P.Partial nitrification-opera­tional parameters and microorganisms in.volved[J].Reviews in Environmental Science and Bio/Technology，2007, 6 (4) : 285­313.

[4] LIU G»WANG J.Probing the stoichiometry of the nitrification process using the respirometric approach[J].Water Research，2012\"6(18).

[]范瑾初，金兆丰.水质工程[M].北京：中国建筑工业出版社， 2009.[6]

WU J,YAN G,ZHOU G，t al.New insights in partial nitrifi­cation start-up revealed by a model based approach [J]. RSC Advances\"015，5 (121) : 100299-100308.[7]

WIESMANN U. Biological nitrogen removal from wastewater [J]. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology， 1994,51(5):113-154.

[8] JUBANYI，CARRERA J，LAFUENTEJ，et al Stamp of a

nitrification system with automatic control to treat highly con- :entrated ammonium wastewater： experimental results and modeling[J].(Chemical Engineering Journal, 2008 \"44(3) ： 407­419.[]

国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水 监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社\"002.[10]

HELLINGA C，VAN LOOSDRECHT M，HEIJNEN J J. Model based design of a novel process for nitrogen removal from concentrated flows [J]. Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems，1999，5 (4) : 351-371.

[11]

ISANTA E,REINO C,CARRERA J,et al.Stable partial ni- tritation for low-strength wastewater at low temperature in an aerobic granular reactor[J].\"Water Research\"015 \"0(9)： 149-158.

[12]

MA Y，PENG Y，WANG S，et al. Achieving nitrogen removal via nitrite in a pilot-scale continuous pre-den.itrification plant [J].\"Water Research\"009 \"3(3) ； 563-572.

[13]

LAW Y，LANTP，YUANZ.The confounding effect of nitrite on N2O production by an enriched ammonia-oxidizing culture [J].Environmental Technology\"013\"7(13) :7186-7194.

[14] 张自杰，排水工程（下册）[M].北京：中国建筑工业出版2000.

[15]

付昆明，仇付国，左早荣.厌氧氨氧化技术应用于市政污水理的前景分析[J].中国给水排水\"015，31(4): 8-13.

编辑：黄苇（收稿日期:2016-05-04)

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