江苏省夏季浮萍种类及其生长水环境调查

吴雪飞浏璐嘉;马晗;刘杨;周明耀;钱晓晴【摘要】Surveyswereconductedofduckweeds-grownwaterbodiesscatteredinindustrial,residential,andfarmingareasinanumberofcitiesorcountiestoinvestigatespeciesoftheduckweedsandwatersamplescollectedforanalysisofextentofeutrophicationofthewaterbodies,andfurtherclarifyrelationshipsofthedistributionofduckweedswithpHandcontentsofammonium,nitrate,totalnitrogenandtotalphosphorusinthewater.Resultsshowthatduckweedstendtoflourishincalmwaterratherthanflowingwater,andinwaterbodiesinthefarmingandresidentialareasratherthaninindustrialareas.InsummersofJiangsuSpirodelapolyrrhiza,Lemmaminor,WolffiaarrhizaandSpirodelaoligorrhizaarethemostcommonduckweedsfoundinwaterbodies,andnotraceofLemmaperpusillaandLemmatrisulcawasfoundduringthesurvey.SpirodelapolyrrhizaandLemmaminorwerefoundinallthewaterbodiessurveyed,withwaterpHvaryingintherangeof4.5-7.5.Theresultsalsoshowthatduckweedsgrowwellinwaterbodies,highorlowinNandPconcentrations,rangingfrom0to42,0.2to2.0,0.2to45and0.02to13mg•L-1forammonium,nitrate,totalnitrogenandtotalphosphorus,respectively.Noevidencewasfoundshowingthatanycloserelationshipexistedbetweenduckweedsdistributionandconcentrationsofnitrogenandphosphorusinthewater.Inindustrialareas,thereareavarietyoffactories,includingchemicalplants,clothingfactories,pharmaceuticalplants,mechinaryaccessoriesfactories,etc.,dischargingahighvolumeofwastecontainingheavymetalsandorganicmatters.Inwaterbodiesinorneartheindustrialareas,symbiosisofSpirodelapolyrrhizaandLemmaminorandoccasionallyWolffiaarrhiza,too,iscommonlyobserved.Therefore,inexploitingtheeffectofduckweedsremovingnutrientsubstances,likeNandPfromwater,priorityshouldbegiventonativespeciesofduckweedsdominantintheseasonandthecomplexsymbioticsystemofdifferentspeciesofduckweedssoastomaximizetheproductionofduckweedsandtheNandPremovingrate.%对江苏省多个县(市)分布有浮萍的工业区、生活区、农田水体进行调查与采样，观测各地浮萍种类及其生长水体的富营养化状况，探讨水体pH值，铵态氮、硝态氮、总氮、总磷含量与浮萍分布的关系.调查结果表明，浮萍适宜生长在静止的水体中，流动的河流中较为少见；此外，浮萍适宜生长在农田和生活区水体中,工业区附近样本数较少.江苏省夏季浮萍的主要品种为紫萍(Spirodelapolyrrhiza)、青萍(Lemmaminor)、芜萍(Wolffiaarrhiza)和少根紫萍(Spirodelaoligorrhiza),调查期间未发现稀脉浮萍(Lemmaperpusilla)与品藻(Lemmatrisulca).紫萍和青萍在所调查的每个采样点均有分布，其生长水体的pH值变化范围(4.5-7.5)较大.浮萍生长水环境的氮、磷养分浓度范围很广，铵态氮、硝态氮、总氮、总磷质量浓度范围分别为0~42、0.2~2.0、0.2-45和0.02-13mg-L-1,尚未发现浮萍分布与水体氮、磷含量之间的必然联系.工业区附近水体中常见紫萍与青萍以共生形式存在，偶尔还伴有芜萍.在利用浮萍去除水中氮、磷营养物质时，应优先考虑利用各地当季优势浮萍品种及不同品种浮萍的共生复合系统，保障浮萍的最大生长量以及对水体氮、磷的最大去除率.【期刊名称】《生态与农村环境学报》【年(卷)，期】2012(028)005【总页数】5页(P554-558)【关键词】浮萍;水环境;富营养化;氮;磷【作者】吴雪飞浏璐嘉;马晗;刘杨;周明耀;钱晓晴【作者单位】扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州225127;扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225127;扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州225127;扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州225127;扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225127;扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州225127【正文语种】中文【中图分类】X173我国浮萍品种丰富，广泛分布于南北各省，浮萍属被子植物门单子叶植物纲槟榔亚纲泽泻目浮萍科，有3属6种，分别为：紫萍属(Spirodela)，紫萍(Spirodelapolyrrhiza)、少根紫萍(Spirodelaoligorrhi-za);浮萍属(Lemma)，品藻(Lemmatrisulca)、青萍(Lemmaminor)、稀脉浮萍(Lemmaperpusilla);芜萍属(Wolffia)，芜萍(Wolffiaarrhiza)。浮萍的增殖方式为无性繁殖，成熟的浮萍产生芽孢，芽孢发育长大后与母体脱离形成幼体，数代相连，生长较快，大约4周内可以繁殖10-20次，适应性强，2~35°C下均能生存［1-2］。由于浮萍具有增殖快，易收获，蛋白质含量高，适合生长的pH值和温度范围较广，对水体中氮、磷的去除能力强，相比其他水生植物投资少、能耗低等优点［2-3］,已被许多国家应用于污水处理。研究表明，浮萍具有较高的总氮、总磷、COD、BOD、有机碳和总悬浮物去除率［4］,能去除水体中低浓度的重金属和有机物［1］。但目前对江苏省自然环境中浮萍的品种资源和生长条件的调查及研究开展极少，限制了该地区浮萍资源在水体净化中的应用。通过调查江苏省多个县（市）的浮萍品种及其生长水环境，了解各地区浮萍分布与水环境富营养化状况之间的联系，可为利用当地浮萍资源修复污染水环境提供植物材料与实践依据。1调查区概况与调查方法1.1调查区概况江苏省位于中国东部沿海的长江三角洲地区，水系相当发达。全省夏季平均气温24.7~27.7°C，降水量247.1~1243.6mm，日照299.4~558.5h。1.2调查方法采样时间为2011年8月中旬，7:00—18:00，平均温度35C。采样地点包括江南4市和江北8市的部分县（市），详见表1。表1采样地点分布及样本数Table1Distributionofsamplingsitesandnumberofsamples地区省辖市县（市、区）样本数江南南京六合、江宁、溧水、高淳10苏州吴江、常熟5无锡无锡、宜兴4常州溧阳3江北连云港连云、东海5徐州新沂、邳州、贾汪、铜山12盐城响水3宿迁宿城、泗洪5淮安盱眙3泰州泰州、姜堰6扬州扬州、仪征3南通通州、如皋、海安9总计122668利用捞鱼网捞取浮萍（携带少量水储于塑料袋中），并采用简易取水装置取表层水样储于塑料瓶中带回实验室测定，记录采样地点（某工业区、生活区或农田）及具体GPS位置。浮萍采回后，立即用镊子挑取长势较好的个体于霍格兰营养液中培养、保存，用于建立浮萍资源库和作为试验材料。采回的水样立即用孔径12.5cm的中速定量滤纸过滤，并测定其pH值（用pH计测定）及铵态氮（靛酚蓝比色法）、硝态氮（紫外分光光度法）和总磷（过硫酸钾氧化-钼锑抗比色法）含量。2结果与讨论2.1浮萍的分布情况2.1.1江苏省浮萍夏季种质资源及分布情况根据《中国植物志》，对采集到的浮萍鉴定种属，调查浮萍种类、形态特征、采样地区及生长水体pH值，总体情况如表2所示。由表2可知，徐州和宿迁浮萍种类最为丰富，上述4种浮萍均有发现。南通浮萍种类最少，只有紫萍和青萍2种。紫萍和青萍在所调查的各地区均有分布，并且其生长覆盖的水体pH值范围（4.5~7.5）较广，因此在利用浮萍去除污水中的污染物时，可以重点考虑这2种。调查中发现，浮萍易生长在浅水坑、静水坑、静止的河流中以及稻田附近，流动水体中较为少见。可见浮萍与水体流动性之间的关系值得进一步深入探讨。自然环境中，紫萍、青萍和少根紫萍三种浮萍可以单独存在、两两存在或者三者共存，但是没有发现芜萍单独存在的情况。芜萍常与紫萍、青萍两两存在或者三者共存，这可能是由于芜萍个体较小（世界上最小的种子植物），如果单独存在于水体中，其受外界环境影响较大而不易存活。因此，在考虑采用芜萍进行水体生物修复时，应考虑同时采用其他共生浮萍。调查还发现，浮萍可与水花生、红浮萍（满江红）、芦苇、香蒲、荷花等水生植物共生，有共生植物生长的水体（除与红浮萍共生的水体外）总氮和总磷质量浓度分别为1~3和0~0.6mg-L-1，且总氮含量均高于总磷。所采集的68处水样中有3处水体发现槐叶萍与紫萍共生，这3处水体均为中性或偏碱性河道（生活区和农田）。由此推测，可以利用槐叶萍作为酸性水体碱化的环境指示植物。所采水样中有2处水体发现有红浮萍，且与其他3种浮萍均存在共生关系，但水质差异较大，水体pH值范围为6.3~7.5，总氮和总磷质量浓度分别为1.5~6.2和0~7mg-L-1。表2江苏省浮萍种质资源及分布情况Table2GermplasmresourcesanddistributionofduckweedsinJiangsu浮萍种类形态特征采集地区水体pH值紫萍叶状体扁平，阔倒卵形，长5~8mm，宽4~6mm，先端钝圆，表面绿色，背面紫色，根5~11条，根长3~5cm连云港、徐州、盐城、宿迁、淮安、泰州、南通、扬州、南京、常州、苏州、无锡4.5~7.5少根紫萍叶状体膜质，狭倒卵形或长圆形，3~5脉，长4~6mm,宽1.5~2.5mm,表面绿色，背面紫色，根3~5条，甚长徐州、盐城、宿迁、淮安、泰州、扬州、常州、苏州6.5~7.5青萍叶状体对称，表面绿色，背面浅黄色或绿白色或常为紫色，近圆形，倒卵形或倒卵状椭圆形，全缘，长1.5~5.0mm,宽2~3mm,表面稍凸起或沿中线隆起，根1条，根长3~4cm连云港、徐州、盐城、宿迁、淮安、泰州、南通、扬州、南京、常州、苏州、无锡4.5~7.5芜萍叶状体卵状半球形，单一或2代连在一起，直径0.5~1.5mm，表面绿色，扁平，具多数气孔，背面明显凸起，淡绿色，表皮细胞5至6边形，无叶脉及根连云港、徐州、宿迁、南京、无锡6.0~7.5不同品种浮萍对环境温度的要求不尽相同［3］。紫萍、青萍和芜萍为喜热浮萍品种，最适生长温度为35°C，因此这3种浮萍为夏季常见浮萍。少根紫萍为喜温热浮萍品种，最适生长温度为25C，故调查过程中也能发现少根紫萍。由于调查时间在8月中旬（平均温度27~35C）,温度较高，而稀脉浮萍为喜低温浮萍品种，最适生长温度为10C,因此调查中并没有发现稀脉浮萍。此外，所有调查地点也未见品澡。在温度稍低的春、秋季节应继续对全省浮萍资源进行相关调查。在利用浮萍处理污水时，应考虑利用各地域当季的优势浮萍，争取达到浮萍的最大生长量及污染物的最大去除率。2.1.2浮萍分布与区域水体类型的关系调查发现，浮萍最适合在农田水体生长，其次是生活区水体，工业区水体浮萍样本数较少。这可能是由于农田水体污染较生活区、工业区轻，而氮、磷等营养物质丰富，利于浮萍生长。由表3可见，所有类型水体中紫萍样本数最多，其次是青萍，少根紫萍和芜萍较少，这是由于适宜紫萍和青萍生长的水体pH值范围（4.5~7.5）较广，紫萍和青萍的适应能力较少根紫萍和芜萍强。此外，工业区水体中未发现少根紫萍。2.2浮萍与生长水环境的关系2.2.1水体pH值由图1可见，江苏省各地区生长有浮萍的水体pH值存在南北差异。南京和泰州以北地区水体pH值为7.0~7.5，扬州以南大部分地区水体pH值为4.5~7.0。水体pH值出现南北差异的原因有以下几点：长期以来，扬州以南地区单位面积累积氮肥施用量高于北部，而长期施用氮肥易造成铵态氮流失，铵态氮转化为硝态氮的过程易导致水体失去H+[5];江南工业发达，纺织、印染、采矿和造纸等工业废水大量排入河流[6];长江以南地区酸雨出现的频率大于江北[7-8]。表3不同类型区域浮萍的分布情况Table3Distributionofduckweedsindifferenttypesofareas区域类型浮萍种类样本数工业区紫萍8青萍8芜萍2生活区紫萍12青萍5少根紫萍2芜萍3农田紫萍38青萍26少根紫萍11芜萍6图1江苏省各地浮萍生长水体的pH值差异Fig.1DifferenceinpHbetweenduckweedsgrowingwaterbodiesinJiangsuProvincea~l分别指连云港、彳余州、盐城、宿迁、淮安、泰州、扬州、南通、南京、苏州、无锡、常州。2.2.2工业区浮萍种类及水体氮、磷含量的关系由表4可知，工业区水体铵态氮、总氮和总磷含量较高，高于GB3838—2002《地表水环境质量标准》中的V类水标准〔p（铵态氮）＜2.0mg-L-1,p（总氮）＜2.0mg・L-1,p（总磷）＜0.4mg・L-1〕，属于污染较严重水体。可见，浮萍对含有高浓度铵态氮、总氮、总磷的污水有较好的适应性，可以利用浮萍处理含高浓度氮、磷的污水。表4生长浮萍的工业区水体pH值及氮、磷含量Table4NandPcontentsandpHofduckweedsgrowingwaterbodiesintheindustrialareasn=5。1)无量纲。地区统计值pH值p/(mg・L-1)铵态氮硝态氮总氮总磷江南平均值7.0221.841.0317.684.55标准差0.026.960.247.021.18范围6.97~7.061.95~39.830.44~1.563.08~41.090.39~9.24中位数7.0216.930.9417.923.51变异系数1)0.010.740.430.790.73江北平均值0.020.600.290.580.267.3820.481.1821.668.99标准差0.055.520.155.621.04范围7.18~7.4711.4~41.450.90~1.6612.82~43.116.83~12.79中位数7.4215.220.9916.128.22变异系数1)调查发现，工业区附近水体中的浮萍并非单种存在，大多以紫萍和青萍共生的方式存在。对于铵态氮污染较严重的东海县工业区水体，更是以紫萍、青萍和芜萍3种浮萍共生的方式存在，这有利于提高水体中污染物的去除率。在实践中，对于污染较严重的水体，往往需要考虑利用几种浮萍共生的方式来处理污水。但在污水处理的不同阶段，选用何种浮萍搭配比例需要进一步研究。2.2.3生活区浮萍种类及水体氮、磷含量关系由表5可知，生活区水体铵态氮含量一般高于硝态氮含量，这是由于人和畜禽粪便中的大量有机物质首先通过微生物的氨化作用转化为铵态氮，好气条件下再经过硝化细菌的硝化作用转化为亚硝酸盐和硝酸盐。铵态氮存在于该系列生物化学反应的初始阶段，铵态氮含量较高表明水体受污染的时间较短，生活区水体每天都会接纳大量的生活污水，所以铵态氮含量较高，这与熊正琴等［9］的研究结果一致。生活区水体中浮萍的存在方式包括单种存在、两两存在和三种共存，尚未发现其存在方式与水体氮、磷含量间的明显联系。表5生长浮萍的生活区水体pH值及氮、磷含量Table5NandPcontentsandpHofduckweedsgrowingwaterbodiesintheresidentialareasn=7。1)无量纲。地区统计值pH值p/(mg・L-1)铵态氮硝态氮总氮总磷江南平均值6.862.091.293.380.29标准差0.120.500.370.620.10范围6.58~7.181.14~4.040.14~2.251.95~5.470.03~0.52中位数6.881.751.442.910.36变异系数1)0.040.530.640.410.79江北平均值0.030.790.330.551.107.192.411.173.582.93标准差0.080.720.150.751.22范围6.95~7.410.98~5.550.63~1.862.02~6.640.10~6.98中位数7.291.641.132.870.55变异系数1)2.2.4农田浮萍种类及水体氮、磷含量由表6可知，农田水体氮、磷含量较高，这与农田土壤长期大量施用氮、磷肥有关。铵态氮肥施入土壤后能很快被土壤吸附固定，而硝态氮易随水流失，所以农田水体中硝态氮含量普遍高于铵态氮［9］。与生活区类似，农田水体中浮萍的存在方式包括单种存在、两两存在和三种共存，也未见其存在方式与水体氮、磷含量之间的必然联系。调查中还发现，连云港、徐州、宿迁、淮安有75%的农田水体总磷含量约为总氮的2~10倍;而盐城、泰州、扬州、南京、常州、无锡、苏州有70%的农田水体总氮含量约为总磷的2~15倍。这除与土壤物质组成不同所致的土壤对氮、磷的吸附特征差异有关外，还与连云港、徐州、宿迁、淮安磷肥施用较多，而盐城、泰州以南地区氮肥施用较多有一定联系。表6生长浮萍的农田水体pH值及氮、磷含量Table6NandPcontentsandpHofduckweedsgrowingwaterbodiesinthefarmingareas江南，n=16;江北，n=28。1)无量纲。地区统计值pH值p/(mg・L-1)铵态氮硝态氮总氮总磷江南平均值6.340.191.201.390.20标准差0.200.050.090.120.06范围4.36~7.240.01~0.600.65~1.950.81~2.550.03~0.79中位数6.460.081.211.340.12变异系数1)0.121.120.290.321.12江北平均值0.041.010.420.411.047.280.130.941.073.99标准差0.050.020.070.080.76范围6.63~7.780.00~0.440.21~2.000.23~2.110.02~12.39中位数7.340.100.891.003.92变异系数1)3结论8月中旬，浮萍多生长在浅水坑、静水坑、静止的河流中以及稻田附近。工业区附近由于污染较为严重，浮萍样本数较少。江苏省夏季最常见的浮萍品种为紫萍和青萍，两者常以共生方式存在;其次是芜萍和少根紫萍;未见稀脉浮萍和品藻。徐州和宿迁的浮萍品种最为丰富，紫萍、青萍、芜萍和少根紫萍均有分布;南通的浮萍品种最为贫乏，只有紫萍和青