人工打撈浮萍削減京杭運(yùn)河徐州主城區(qū)段氮磷

李 朝，吳 濤，王甜甜，曹恩偉，楊 靖，曹 楊，徐肖遙

（1.江蘇省徐州環(huán)境監(jiān)測中心 江蘇 徐州 221018； 2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心 江蘇 南京 210019）

0 引言

浮萍是浮萍科植物的統(tǒng)稱，為水生漂浮植物，包含紫萍屬（Spirodela）、少根紫萍屬（Landoltia）、青萍屬 （Lemna）、扁無根萍屬 （Wolffiella）、 蕪萍屬（Wolffia），共5 個屬，36 種[1]。

關(guān)于浮萍對水中污染物去除的研究多集中于N，P 這2 種能夠引起水體富營養(yǎng)化的元素[2-3]；從實驗采用的方式來看，主要集中于實驗室小型可控容器內(nèi)[4-5]，部分在室外局部水體進(jìn)行[6-7]，缺乏較大尺度利用浮萍治理富營養(yǎng)化水體的實例。

京杭運(yùn)河段徐州主城區(qū)段，經(jīng)常出現(xiàn)浮萍爆發(fā)現(xiàn)象。 哨兵衛(wèi)星能夠及時發(fā)現(xiàn)大范圍水環(huán)境變化情況[8-9]，利用其遙感影像對京杭運(yùn)河徐州主城區(qū)段浮萍爆發(fā)現(xiàn)象回溯及持續(xù)監(jiān)測，并結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，找出浮萍爆發(fā)生長的影響因子。 2020年12月，地方相關(guān)部門組織人工打撈浮萍后，持續(xù)監(jiān)測水質(zhì)，證實浮萍能夠消減富營養(yǎng)化河流水體中的N，P，為以后的富營養(yǎng)化河流治理提供案例支撐。

1 材料與方法

1.1 衛(wèi)星影像獲取及浮萍面積提取

研究區(qū)西起洞山西村，東至解臺閘，該段河流流經(jīng)徐州市主城區(qū)，沿線基本為建設(shè)用地，并且有多條城市內(nèi)河匯入，水質(zhì)經(jīng)常會超過Ⅲ類。2019年10月～2020年12月，逐月從歐空局哥白尼數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站下載sentinel-2 遙感影像，應(yīng)用SNAP Desktop 8.0軟件，目視解譯這一段河流水體中浮萍的生長面積。

1.2 水環(huán)境因子監(jiān)測

在京杭運(yùn)河徐州主城區(qū)段洞山西、 紅旗新村和解臺閘各布設(shè)1 個水質(zhì)監(jiān)測斷面，具體位置見圖1。按照HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[10]逐月采集水樣，現(xiàn)場測定水溫、pH 值、DO 等參數(shù)，帶回實驗室分析氨氮，TN 和TP[11-13]。

圖1 水環(huán)境監(jiān)測斷面

2 研究結(jié)果

2.1 浮萍生長規(guī)律

浮萍生長情況見表1。

表1 京杭運(yùn)河徐州主城區(qū)段浮萍生長面積

結(jié)合遙感影像和現(xiàn)場核查綜合分析，京杭運(yùn)河徐州主城區(qū)段水體中浮萍生長規(guī)律為：每年6 ～8月開始在岸邊零星生長，到9月份開始爆發(fā)生長，10月浮萍覆蓋水面比例最大，11月浮萍面積開始減少，冬季浮萍開始腐敗消亡。事實上，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，5月份浮萍就開始在水體上生長，但是由于哨兵影像的分辨率最多到10 m，在影像上無法分辨。 可以將每年的5 ～8月定義為京杭運(yùn)河徐州段浮萍生長期，9 ～11月為浮萍爆發(fā)期，12 ～次年3月為浮萍腐敗期。

2.2 水質(zhì)變化規(guī)律及與浮萍生長相關(guān)分析

將2019年4月至2020年3月定義為浮萍的自然腐敗周期，該周期內(nèi)未采取任何人工措施控制浮萍生長狀況。2020年12月采取打撈浮萍措施，2020年4月～2021年3月定義為人工打撈周期。 對比2個周期內(nèi)研究區(qū)域內(nèi)水環(huán)境因子變化情況，與浮萍生長相關(guān)性較強(qiáng)的氨氮，TN，TP 和水溫每月監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 水環(huán)境因子在2 個周期的變化情況

6 ～9月是京杭運(yùn)河徐州段水溫最高的月份，自然腐敗和人工打撈2 個周期的水溫變化趨勢基本相同，相同月份間差別不大。結(jié)合徐州市氣象局提供的氣象報告，2020年7 ～9月徐州市主城區(qū)降雨量為457.8 mm，同比增加了37.1%，降雨量增加使更多的面源污染物通過地表徑流進(jìn)入到水體中，造成人工打撈周期中，氨氮和TN 在7，8月，TP 在7 ～9月同比顯著升高。高溫加上充足的營養(yǎng)鹽離子，為浮萍的生長和爆發(fā)提供了有利條件[14]。 對比表1 浮萍生長狀況，可知浮萍生長面積最大值出現(xiàn)在10月，相比營養(yǎng)元素最大值出現(xiàn)月份，有一定的滯后性。如果不采用人工干預(yù)措施，次年的1 ～3月，浮萍腐爛后體內(nèi)聚集的營養(yǎng)物質(zhì)又會釋放到水體中，造成水體二次污染。采用人工打撈措施后，水中的TN、氨氮、TP比自然腐敗周期相同月份均出現(xiàn)下降，說明打撈后水體環(huán)境明顯改善。

2.3 水環(huán)境因子相關(guān)性分析

利用SPSS Statistics 20 軟件對水環(huán)境因子間的相關(guān)性進(jìn)行分析，見表2。DO 同水溫顯著負(fù)相關(guān)，氨氮和TN 顯著相關(guān)，TP 同pH 值負(fù)相關(guān)，其余因子相關(guān)性不明顯，環(huán)境因子在浮萍生長爆發(fā)中協(xié)同作用原理需要進(jìn)一步研究。

表2 水環(huán)境因子相關(guān)性分析

3 結(jié)論與應(yīng)用展望

3.1 結(jié)論

未采用人工打撈措施的年份，9 ～11月為京杭運(yùn)河徐州段浮萍爆發(fā)期，2020年10月浮萍覆蓋水面比例為當(dāng)年最大，達(dá)到65.3%。 2020年11月中下旬有關(guān)部門對浮萍進(jìn)行打撈，共打撈了9 000 t 浮萍，按照浮萍體內(nèi)元素含量[15]計算，打撈共計從水體中消減N 22.41 ～24.03 t，P 5.58 ～6.84 t。 采用人工打撈措施后，2021年1～3月，水中的TN、氨氮、TP比去年同期下降了45.3%，28.4%和21.4%。 此案例證明，在合適的季節(jié)采取人工打撈浮萍措施，確實可以作為大規(guī)模水體富營養(yǎng)化治理的一種手段。

3.2 展望

江蘇省夏季浮萍的主要品種為紫萍（Spirodela polyrrhiza） 、 青萍 （Lemma minor） 、 蕪萍（Wolffia arrhiza）和少根紫萍（Spirodela oligorrhiza），其中紫萍和青萍最常見[16]。 這些種類浮萍常在一定區(qū)域內(nèi)共生存在，利用浮萍治理富營養(yǎng)化水體時應(yīng)優(yōu)先選擇當(dāng)?shù)貎?yōu)勢種，以達(dá)到消除N，P 時效率最大。

在N，P 含量差異不大的情況下，N，P 吸收能力取決于葉狀體個數(shù)[17]，因此未來育種應(yīng)以培養(yǎng)更多葉狀體個數(shù)的浮萍作為目標(biāo)。 紫萍全基因組測序工作的完成，有利于進(jìn)一步挖掘參與紫萍吸收N，P 的通路、基因[18-19]，未來在育種中應(yīng)該更多的借用基因工程技術(shù)。 冬季低溫，浮萍生長明顯受到限制，如果能夠篩選出在江蘇冬季低溫情況下仍能有一定生長效率的浮萍品種，對于富營養(yǎng)化的治理將發(fā)揮更大的作用。

浮萍自然生長需要一定的時間，因此，浮萍大規(guī)模生長滯后于N，P 在水體中的最高峰出現(xiàn)時間，未來如果采用工程化措施人工培育一定數(shù)量的浮萍，在N，P 高峰期投入水體，將會起到更好的效果。

雖然其他水生植物也被用作富營養(yǎng)化治理[20-21]，但是浮萍特有的本身生長速度快、 富含生物質(zhì)蛋白和淀粉、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、易管理的特點(diǎn)，具有作為飼用、能源開發(fā)利用、藥用的潛在利用價值[22-23]。