刈割对千岛湖生态浮床植物生长与氮素净化效率的影响

倪子怡; 许海; 詹旭; 朱广伟; 程新良; 胡亮; 王裕成; 郑文婷

doi:10.12030/j.cjee.202303013

刈割对千岛湖生态浮床植物生长与氮素净化效率的影响

1.
江南大学环境与土木工程学院，无锡 214122
2.
中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京 210008
3.
杭州市生态环境局淳安分局，杭州 311700
4.
杭州市生态环境监测中心，杭州 310000

作者简介: 倪子怡 (1998—) ，女，硕士，1477582060@qq.com

通讯作者: 詹旭 (1981—) ，男，博士，副教授，xuzhan@jiangnan.edu.cn;

基金项目:
国家自然科学基金资助项目 (42271126) ；江苏省科技厅项目 (BK20220041) ；中国科学院南京地理与湖泊研究所自主部署科研项目 (NIGLAS2022GS03) ；杭州市生态环境局淳安分局委托项目 (ZJCZZF[2021]17号)
中图分类号: X524

Influence of mowing on the growth and nitrogen purification efficiency of ecological floating bed plants in Qiandao Lake

1.
School of Environment and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
2.
State Key Laboratory of Lakes and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
3.
Hangzhou Bureau of Ecology and Environment Chun′an Branch, Hangzhou 311700, China
4.
Hangzhou Center for Ecological and Environmental Monitoring, Hangzhou 310000, China

Corresponding author: ZHAN Xu, xuzhan@jiangnan.edu.cn ;

摘要: 生态浮床是一种净化水体氮磷污染的高效人工强化技术，刈割是生态浮床管理的重要措施。为探究深水水库中刈割管理对生态浮床植物生长及氮素去除效率的影响，以华东地区最大深水水库千岛湖为例，选取沉水植物绿色狐尾藻 (Myriophyllum aquaticum) 和挺水植物水芹 (Oenanthe javanica) 为研究对象，分别对2种植物进行刈割和未刈割处理，构建生态浮床系统，进行水质净化培养实验。结果表明：刈割处理对水芹和绿色狐尾藻生长的影响不同，刈割后水芹相对增长率加快，经25 d生长干重翻了约一倍，未刈割水芹后期观察到部分叶片凋零、株高降低；绿色狐尾藻刈割后干重无明显增加，水下部分萎缩，在此状态和水质背景下很难恢复；刈割处理能明显促进水芹水上部分茎叶对氮素的吸收，占比从13.85%提升至25.37%；绿狐尾藻茎秆的刈割会影响水下根系的正常生长，整体降低氮素去除效率；浮床植物的种植明显增强了水体反硝化脱氮能力，水体溶解性氮气增量 (△[N₂]) 较对照高3.52~6.98 μmol·L⁻¹。但刈割对于植物根系反硝化速率存在负面影响，刈割后水芹和绿狐尾藻水体△[N₂]分别降低约13.74%和21.77%。以上结果表明，生态浮床系统对深水水库水体具有良好的脱氮效果，但针对不同的植物应采取不同的管理方式，选用水芹作为浮床植物时应进行及时刈割，促进植物生长对氮素的吸收；而刈割对绿色狐尾藻可能是一种不可逆的伤害，建议在生长期结束时进行整株收获，中途不宜收割。该研究结果可为深水水库生态浮床的科学应用和管理提供参考。
- 生态浮床 /
- 刈割 /
- 反硝化 /
- 千岛湖
Abstract: Ecological floating bed is a high-efficiency artificial enhancement technology to purify nitrogen and phosphorus pollution in water column, while mowing is the key measure for the management. In order to investigate the influence of mowing management on the growth and nitrogen removal efficiency of ecological floating bed plants in deep-water reservoirs, Qiandao Lake was taken as an example. Submerged plant Myriophyllum aquaticum (M. aquaticum) and emerging plant Oenanthe javanica (O. javanica) were selected as the reserach objects, and the two plants were treated with and without mowing treatment respectively. The ecological floating bed system was constructed and the water purification culture experiment was carried out. The results showed that mowing treatment had different impacts on the growth of M. aquaticum and O. javanica. The relative growth rate of O. javanica accelerated after mowing, and the dry weight doubled after 25 days. Partial leaf withering and plant height reduction were observed in the late stage of uncut O. javanica without mowing. The dry weight increase of M. aquaticum was not obvious after mowing, and the submerged part shrunk, which was difficult to recover in this state and water quality background. Mowing treatment significantly promoted the uptake of nitrogen by the water portion of the stems of O. javanica, from 13.85% to 25.37%, while that of M. aquaticum affected the normal growth of the submerged root system and reduced the overall nitrogen removal efficiency. Planting of floating bed plants significantly enhanced the denitrification and nitrogen removal capacity, and the increment of dissolved nitrogen in the water body (△[N₂]) was 3.52~6.98 μmol·L⁻¹ higher than that of the control. However,mowing negatively affected the denitrification rate of the plant root system, and the △[N₂] of O. javanica and M. aquaticum decreased by about 13.74% and 21.77% respectively after mowing. This study showed that the ecological floating bed system had good denitrification effect on deep-water reservoirs, but different management methods should be adopted for different plants, and watercress should be harvested in time to promote plant growth for nitrogen uptake. When O. javanica was chosen as a floating bed plant, timely harvesting management should be carried out to promote nitrogen uptake by plant growth. While mowing may be an irreversible damage to M. aquaticum, so it was recommended to harvest the whole plant at the end of the growth period, and should not be harvested midway. The results of the study can provide scientific support for the scientific application and management of ecological floating beds in deep-water reservoirs.
- ecological floating bed /
- mowing /
- denitrification /
- Qiandao Lake

邻苯二甲酸酯（phthalate esters，PAEs）作为增塑剂，被大量添加在塑料、涂料、化肥和化妆品等商品中. 根据信息处理服务公司（Information handling services，IHS）的一份报告，2014年全球生产和消费的增塑剂为840万吨，其中PAEs类占了70%^[1]. 预计2017—2022年全球对PAEs的需求将以年均1.3%的速度增长^[2]. 目前，PAEs在中国每年的生产量和消费量大约为130万吨，占全球总量的20%^[3]. 鉴于PAEs不是通过稳定的化学键与产品结合，此类化合物很容易通过多种方式释放到环境中，例如工业和市政废水排放、固体废物处置和浸出、产品使用过程中的迁移和挥发^[4-6]. 研究表明全球大多数人群均已暴露于PAEs中，并且已在人体血清和脂肪中发现PAEs的存在^[7]. 人体暴露于PAEs的主要途径为食物和饮用水的摄入^[8-9]，其中饮用水作为每日必须摄入的介质，其中含有的PAEs对人体的影响近年来受到了广泛关注^[5，10-11].

邻苯二甲酸二甲酯（dinethyl phthalate，DMP）、邻苯二甲酸二乙酯（diethyl phthalate，DEP）、邻苯二甲酸二丁酯（di-n-phthalate，DBP）、邻苯二甲酸丁苄酯（butylbenzyl phthalate，BBP）、邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（di（2-ethylhexyl）phthalate，DEHP）和邻苯二甲酸二辛酯（di-n-octyl phthalate，DNOP）已被联合国列入优先管控污染物^[12]，DMP、DBP和DEHP也已被列入我国水环境优先控制污染物黑名单，但均未列入我国2017年和2020年出台的两批《优先控制化学品名录》中. 我国《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）、《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）、《城市供水水质标准》（CJ/T206-2005）中也规定了部分PAEs的限值. DEHP由于存在最多的健康和环境问题，已被归类为国际癌症研究机构（IARC）确定的可能对人类致癌的物质^[13]. 尽管近几年来，PAEs在各类饮用水环境中的检出引起了人们的重视，研究范围涉及水源水、自来水和瓶装水等样品，但针对江苏省沿江城市居民住宅自来水的研究几近空白.

本研究选取江苏省不同区域居民自来水中的PAEs作为研究对象，分析PAEs的污染特征，检验加热煮沸过程对自来水中的PAEs是否具有去除效果，评估经口摄入的人体健康风险，以期为全省饮用水健康安全管控提供科学支撑.

1. 材料与方法（Materials and methods）

1.1 样品的采集

于2017年3月至4月，分别采集江苏省沿江8市（南京、无锡、常州、苏州、南通、扬州、镇江、泰州）居民住宅自来水，采样点位如图1所示. 每个城市选取5户居民进行取样（n=40），采样体积为2 L，所有水样均置于棕色玻璃瓶中，4 ℃避光保存，并于24 h内运回实验室分析. 为了研究加热煮沸过程对水中PAEs的去除效果，从每个城市选取两份水样在实验室煮沸，冷却至室温后保存待测（n=16）.

图 1 江苏省不同城市居民住宅自来水采样点

Figure 1. Sampling points for residential tap water from different cities in Jiangsu

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1.2 仪器与试剂

超高效液相色谱/串联质谱（Waters Acquity/TQD），Masslynx工作站，ODS液相色谱柱（waters, BEH C18, 50 mm×2.1 mm, 1.7 μm）；Milli-Q超纯水器（美国Millipore公司）；HLB玻璃材质固相萃取柱（200mg/5cc,Waters,美国）.

6种PAEs（DMP、DEP、DBP、BBP、DEHP和DNOP）混合标准品储备液，质量浓度为100 μg·mL⁻¹（德国Dr. Ehrenstorfer公司），纯度在98.5%—99.5%之间;替代标准物氘代邻苯二甲酸二正丁酯（d4-DBP）和内标物氘代邻苯二甲酸二乙酯（d4-DEP），质量浓度均为100 μg·mL⁻¹（美国Accustandard公司），实验用甲醇、正己烷、乙腈、丙酮等试剂均为农药级或LC-MS级.

1.3 样品的前处理

取1L水样，加入回收率指示物（d4-DBP），以10 mL·min^-1的流速通过HLB固相萃取柱. 上样前依次用10 mL乙醚、5 mL乙腈和5 mL超纯水活化萃取柱. 水样过柱后，用高纯氮气吹干HLB小柱，再用体积95:5的乙醚-乙腈溶液进行洗脱，收集洗脱液，氮吹浓缩至近干，用乙腈定容至1 mL，加入内标化合物（d4-DEP）后置于进样瓶中，等待进样.

1.4 仪器分析

本研究采用超高效液相色谱/串联质谱仪（Waters Acquity/TQD）、BEH C18色谱柱（50 mm×2.1 mm，1.7 μm）对目标化合物进行定性和定量分析. 进样量为10 μL，流动相为水（A相，含0.2%甲酸）和甲醇（B相），流速为0.4 mL·min⁻¹，色谱柱温度为40 ℃，流动相梯度设置如下: 0 min，A相比例为90%，保持2 min; 2—12 min，A相比例由90%降为0%，保持4 min; 16—18 min，A相比例恢复至60%. 质谱采用电喷雾离子源（ESI），正离子扫描方式，多离子反应监测（MRM）模式，监测条件见表1. 离子源温度120 ℃，毛细管电压4.0 kV，去溶剂温度400 ℃.

表 1 目标化合物的多反应监测条件

Table 1. MRM parameters for target compounds

化合物Compounds	母离子Precursor ions（m/z）	子离子Product ions （m/z）	解簇电压/VDeclustering potential	碰撞能量/VCollision energy
DMP	195.3	163.0^＊	40	12
DMP	195.3	77.1	40	46
DEP	223.1	177.4^＊	50	25
DEP	223.1	149.3	50	12
BBP	313.3	91.3^＊	68	27
BBP	313.3	205.2	68	12
DBP	279.1	149.3^＊	72	20
DBP	279.1	205.2	72	12
DEHP	391.1	167.0^＊	84	18
DEHP	391.1	149.0	84	32
DNOP	391.3	261.1^＊	60	10
DNOP	391.3	149.0	60	20

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1.5 质量保证与质量控制（QA/QC）

实验过程中发现采用液质联用分析PAEs时，存在较大的系统空白干扰，为解决该问题，参考已有研究方法并进行优化完善^[14]：在液相输液泵和进样阀之间加入一根吸附分配柱，通过六通阀切换，流动相经过该分配柱后，进入定量环，将定量环中样品带入色谱柱进行分离分析; 由于色谱系统产生的干扰经过吸附分配柱后可以进行短暂的吸附保留，再进入色谱柱，而定量环中的样品则直接经过色谱柱被吸附保留. 因此，系统产生的干扰和目标化合物可以产生出峰时间差，从而减少误差干扰.

实验过程中避免使用塑料和橡胶器皿，所使用的玻璃容器均在马弗炉中400 ℃高温烘烤4 h后经正己烷、丙酮和乙腈清洗. 所有水样均添加回收率标样，每5份样品添加1个程序空白. 自来水中6种PAEs的加标回收率范围为86.5%—109%. 以3倍空白水样加标样测定结果的标准偏差计算各种物质的方法检出限（detection limit，DL），6种PAEs化合物的DL范围为0.1—0.5 μg·L⁻¹.

1.6 健康风险评价

本研究采用美国环保署（USEPA）推荐的水环境健康风险评价模型，分别评估了通过饮用水途径暴露的DEHP致癌风险和∑PAEs非致癌风险. 通过饮用水摄入的日均PAEs剂量（CDI）可以通过公式（1）计算:

${\rm{CDI}}=C\times {\rm{IR}}/{\rm{BW}}$

$(1)$

式中， CDI为每天通过饮水摄入的PAEs平均剂量（mg·kg⁻¹·d⁻¹）; C为饮用水中PAEs的含量（mg·L⁻¹）; IR为每日饮用水的摄入量（取2 L·d⁻¹）; BW为人均体重（取60 kg）.

通过饮用水途径暴露的DEHP致癌风险（R_DEHP）通过公式（2）计算:

$R_{{\rm{DEHP}}}={\rm{CDI}}\times {\rm{SF}}$

$(2)$

式中，SF为经口摄入致癌斜率因子，DEHP的SF值为0.014 kg·d·mg⁻¹.

PAEs非致癌风险采用危险指数（HI）进行评估，通过公式（3）计算:

${\rm{HI}}={\rm{CDI}}/{\rm{R}}f{\rm{D}}$

$(3)$

式中，RfD为法规或指南中给出的PAEs非致癌危害的参考剂量（mg·kg⁻¹·d⁻¹），DEP、BBP、DBP、DNOP和DEHP的RfD分别为0.8、0.2、0.1、0.01、0.02 mg·kg⁻¹·d⁻¹，DMP缺少RfD参考剂量数据，HI小于1表示处于安全范围.

2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 江苏城市饮用水中PAEs的含量与组成

江苏省8个城市居民自来水水样中PAEs检出率为100%，PAEs含量如图2所示，∑PAEs检出范围为4.10—14.23 μg·L⁻¹，平均值为（8.43±2.76）μg·L⁻¹，其中镇江市自来水中∑PAEs含量最高，达到（10.76±2.10）μg·L⁻¹，苏州市其次（（9.39±2.08）μg·L⁻¹），泰州市最低（（7.14±3.39）μg·L⁻¹）.

图 2 江苏省不同城市居民自来水中PAEs含量

Figure 2. Concentrations of PAEs in tap water from different cities in Jiangsu

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DBP在所有水样中均有检出，且平均含量最高（（2.10±1.65）μg·L⁻¹），17.5%的自来水样品中DBP浓度超过《生活饮用水规范》（GB5749-2006）限值（3 μg·L⁻¹）. 所有自来水样品中DEHP浓度均未超过《生活饮用水规范》（GB5749-2006）与世界卫生组织（WHO）《饮用水水质准则》限值（8 μg·L⁻¹）或美国瓶装水中的标准限值（6 μg·L⁻¹）^[15]，说明江苏省部分城市居民自来水已受到PAEs污染，存在一定的潜在健康风险，该结论与我国其他已有研究结果相似^[16-17]. 然而，根据美国环保署1997年出台的饮用水法规和健康建议，由于DEHP致癌性，美国对DEHP的最终管理目标是零暴露风险^[18]. 同时有研究表明，长期饮用含有微量PAEs的水，即使其含量满足饮用水标准，也可能对人体健康造成危害^[19-20]. 从组成成分来看，DBP和DMP是造成自来水中PAEs含量差异的最主要因素.

表2列出了全球其他国家和地区饮用水中PAEs的污染情况，本研究结果与沙特阿拉伯（0.2—30.8 μg·L⁻¹）和墨西哥（0.6—45.1 μg·L⁻¹）等国家瓶装水中PAEs的含量相近^[5]，比葡萄牙（0.02—0.35 μg·L⁻¹）、法国（0.03—0.35 μg·L⁻¹）和伊朗（0.07—0.52 μg·L⁻¹）等西方国家自来水中浓度高近两个数量级^[11，21-22]，比我国天津市居民饮用水（（2.41±0.39）μg·L⁻¹）高一个数量级^[23]，但低于河南省的研究结果（0.24—82.2 μg·L⁻¹）^[24]，这与河南饮用水取样点位受到污染河流水平扩散、垂直渗透和雨水溶解有关. 已有研究表明江苏居民自来水中PAEs来源广泛，包括水源水赋存、生产过程带入和塑料管道析出等^[25].

表 2 世界其他国家和地区自来水中PAEs含量

Table 2. Concentrations of PAEs in other countries and regions around the world

国家和地区Country and region	BBP/（μg·L⁻¹）	DBP/（μg·L⁻¹）	DEP/（μg·L⁻¹）	DMP/（μg·L⁻¹）	DNOP/（μg·L⁻¹）	DEHP/（μg·L⁻¹）	∑PAEs/（μg·L⁻¹）	参考文献Reference
江苏省Jiangsu	nd—7.39（0.71）	0.34—7.40（2.01）	nd—6.41（1.40）	nd—8.40（1.93）	nd—5.23（1.23）	nd—6.87（1.93）	4.10—14.23（8.43）	本研究
天津市Tianjin	0.44—0.71	0.38—0.68	—	—	—	1.10—1.78	1.92—2.78（2.41）	[23]
河南省Henan	nd	0.93	44.04	38.19	—	12.49	—	[24]
武汉市Wuhan	—	0.60	0.90	nd	—	—	—	[26]
葡萄牙Portugal	0.03	0.52	0.19	0.04	—	0.06	0.02—0.35	[21]
德国Germany	0.05	0.64	0.16	—	—	0.06	0.02—0.60	[27]
西班牙Span	nd	nd—0.91	nd—0.38	nd—0.03	—	nd	0.38—0.73	[10]
西班牙Span	nd	nd	0.19	nd	—	nd	nd—0.19	[28]
法国France	nd	0.04	0.03	nd	—	0.35	—	[22]
希腊Greece	—	1.04	0.30	—	—	0.93	0.30—1.04	[29]
捷克Czech	0.002	0.05	0.07	0.08	nd	0.66	—	[30]
越南Vietnam	0.20—4.21	0.01—2.56	nd—2.57	nd—0.54	nd—1.93	1.01—14.50	2.10—18.00（11.2）	[31]
伊朗Iran	0.05—0.15（0.10）	nd—0.14（0.09）	nd—0.09（0.05）	0.08—0.67（0.37）	nd—0.11（0.01）	nd—0.38（0.15）	0.07—0.52	[11]
注：nd，未检出，not detected；—，未参与检测，not included；（），平均值，mean level

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图3比较了自来水与煮沸后冷却至室温的水样中PAEs的浓度，结果与其他研究类似^[32]，加热或煮沸后的自来水中，PAEs含量有所下降，但下降程度有限，其中DBP平均降低程度最高（21.6%），其次是BBP（18.6%），DNOP最低（9.1%）. 值得注意的是，有研究报道，若将开水立刻倒入塑料杯，高温会加速塑料中PAEs的析出，导致饮用水中PAEs含量显著升高^[23].

图 3 自来水和煮沸水中PAEs含量变化

Figure 3. Changes of concentrations of PAEs in tap water and boiled water

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2.2 PAEs健康风险评价

2.2.1 致癌风险评估

江苏省不同地区通过饮用水摄入导致的DEHP致癌风险如图4所示，所有自来水和煮沸冷却水中DEHP的致癌风险均低于USEPA推荐的健康风险可接受最大水平（1×10⁻⁶），其中苏州、南通和泰州水样中DEHP致癌风险较高. 煮沸后的自来水在一定程度上降低了DEHP的致癌风险，降幅达到78%. 但在高温情况下DEHP会从塑料包装中迁移至水体，导致DEHP的致癌风险有超过1×10⁻⁶的可能^[23，33]，另外随着储存时间的增加，水中DEHP的含量也会随之上升^[22]. 因此，长期饮用存放在高温环境中的瓶装水，例如高温天气车内长时间放置的瓶装水，对人体健康危害极大，应引起高度重视.

图 4 自来水和煮沸水中DEHP的致癌风险

Figure 4. Carcinogenic risks of DEHP via tap water and boiled water

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2.2.2 非致癌风险评估

5种PAEs（DEP、BBP、DBP、DNOP和DEHP）的非致癌风险采用危险指数如图5和表3所示. 结果显示，江苏省8个城市自来水中∑PAEs的HI范围在8.26×10⁻³（无锡市）—3.25×10⁻²（南通市），均远小于1，表明江苏省不同地区自来水中PAEs摄入对人体造成的非致癌健康风险可忽略不计. 煮沸后的自来水PAEs非致癌风险与致癌风险变化情况类似，均有不同程度的降低，该结果与Wang^[23]和Li^[20]在天津市和黄海沿海城市的研究结果一致. DBP在自来水中占总非致癌风险的47.3%，而BBP和DEHP仅占1.60%和1.58%，该结果与天津市自来水中PAEs的非致癌风险占比（DEHP占比最大）有较大差别^[23]，主要原因是尽管DEHP毒性最大，但在江苏省8个城市自来水样中DEHP的含量相对较低，因此对∑PAEs非致癌风险贡献较小.

Figure 5. Non-carcinogenic risks of PAEs via tap water and boiled water

图 5 自来水和煮沸水中PAEs非致癌风险

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除了通过饮用水的暴露方式，PAEs还可以通过食物摄入和皮肤接触等途径对人体健康造成负面影响. 此外，自来水中可能存重金属、农药、消毒副产物和个人护理产品等多种污染物，它们之间的协同效应可能会对人体健康产生多重负面影响. 因此，建议进一步研究并持续监测这些化学物质在不同条件下的自来水和瓶装水中的赋存特征，以期更好地管控生态环境健康风险.

表 3 江苏省不同城市居民自来水中PAEs非致癌风险

Table 3. Non-carcinogenic risks of PAEs in residential tap water from different cities in Jiangsu Province

城市 City	HI_BBP	HI_DBP	HI_DEP	HI_DMP	HI_DNOP	HI_DEHP	∑HI
南京Nanjing	1.67×10⁻⁵	4.67×10⁻³	9.36×10⁻⁵	na	4.77×10⁻³	4.17×10⁻⁵	9.59×10⁻³
无锡Wuxi	1.27×10⁻³	4.72×10⁻³	2.66×10⁻⁴	na	1.07×10⁻³	9.36×10⁻⁴	8.26×10⁻³
常州Changzhou	1.67×10⁻⁵	2.48×10⁻³	1.23×10⁻⁴	na	5.02×10⁻³	1.64×10⁻³	9.28×10⁻³
苏州Suzhou	1.67×10⁻⁵	8.69×10⁻³	4.17×10⁻⁵	na	8.33×10⁻⁵	3.60×10⁻³	1.24×10⁻²
南通Nantong	1.67×10⁻⁵	1.58×10⁻²	4.17×10⁻⁵	na	1.26×10⁻²	3.09×10⁻³	3.15×10⁻²
扬州Yangzhou	3.97×10⁻⁴	1.15×10⁻²	4.17×10⁻⁵	na	6.66×10⁻³	1.97×10⁻³	2.06×10⁻²
镇江Zhenjiang	1.55×10⁻⁴	8.65×10⁻³	2.86×10⁻⁴	na	8.33×10⁻⁵	1.18×10⁻³	1.04×10⁻²
泰州Taizhou	3.24×10⁻⁴	1.60×10⁻²	4.17×10⁻⁵	na	5.91×10⁻³	2.73×10⁻³	2.50×10⁻²
注：na，无参考数据，no reference data

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3. 结论（Conclusion）

（1）江苏省8个城市40份居民自来水中均检出了PAEs，检出范围为4.10—14.23 μg·L⁻¹，其中镇江市自来水中PAEs的含量最高. 与其他国家和地区相比，本研究区域自来水中PAEs含量处于中等偏上水平，其污染来源有待进一步明确.

（2）与自来水相比，煮沸后冷却至室温的水样在一定程度上降低了PAEs浓度和此类化合物的致癌风险与非致癌风险.

（3）研究区域内DEHP致癌风险指数小于最大可接受风险水平（1×10⁻⁶），∑PAEs的非致癌风险指数远小于1，但部分水样中DBP含量超过《生活饮用水规范》（GB5749-2006）限值，存在潜在的生态环境健康风险.

图 1 研究区域方位图

Figure 1. Location map of the study area

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图 2 水体无机态氮浓度变化

Figure 2. The variation of inorganic nitrogen concentration

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图 3 水体TN及去除率变化

Figure 3. The variation of TN concentration and removal rate

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图 4 培养8 h后水体△[N₂]

Figure 4. The variation of △[N₂] in the water column after 8h incubation

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表 1 两个周期初始水质指标

Table 1. Initial water quality indicators of two cycles

周期	水温/ ℃	DO/(mg·L⁻¹)	pH	SPC	TN/(mg·L⁻¹)	TP/(mg·L⁻¹)	DOC/(mg·L⁻¹)
第一周期	19.9	12.3	10.5	125.1	1.82	0.07	2.4
第二周期	20.0	12.4	9.8	123.4	1.87	0.06	2.4

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表 2 单株植物生长情况

Table 2. The growth paremeters of single plant

植物种类	株高/cm			干重/g
植物种类	初始	结束	P值	初始	结束	P值
未刈割狐尾藻	35.32±3.89	47.43±6.10	<0.01	0.68±0.17	1.54±0.19	<0.05
刈割狐尾藻	13.02±2.10	16.33±3.58	<0.01	0.32±0.02	0.41±0.02	>0.05
未刈割水芹	44.12±5.72	40.59±6.87	<0.05	1.55±0.04	2.72±0.18	<0.01
刈割水芹	13.47±1.27	16.45±3.11	<0.01	0.81±0.10	1.60±0.15	<0.01

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表 3 不同处理TN净去除效率

Table 3. Net TN removal efficiency of different treatments mg·(m²·d)⁻¹

植物种类	第一周期	第二周期	均值
未刈割狐尾藻	4.37±0.98b	10.95±2.37b	7.66±3.95b
刈割狐尾藻	5.35±0.29b	8.28±2.10b	6.81±2.20b
未刈割水芹	27.13±1.21a	27.24±5.43a	27.19±3.52a
刈割水芹	26.27±2.59a	27.66±2.22a	26.97±2.29a
注：各列字母表示统计分析上的显著性，相同字母表示不显著，不同字母表示在P=0.05水平上显著。

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表 4 氮净化途径计算

Table 4. Nitrogen purification pathway calculation mg

植物种类	系统TN去除量	植物同化作用		反硝化及其他作用
植物种类	系统TN去除量	总吸收量	水上部分吸收量	反硝化及其他作用
未刈割狐尾藻	246.56±9.12b	23.23±10.46b	18.12±10.57c	223.33±18.55a
刈割狐尾藻	242.78±4.72b	12.30±5.53b	16.43±3.58c	230.48±7.43a
未刈割水芹	410.25±30.37a	199.16±21.66a	56.80±19.23b	199.40±31.82a
刈割水芹	409.03±16.22a	215.81±13.42a	103.77±9.44a	193.21±10.84a
注：各列字母表示统计分析上的显著性，相同字母表示不显著，不同字母表示在P=0.05水平上显著。

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表 5 不同脱氮途径的贡献率

Table 5. Contribution of different nitrogen removal pathways

植物种类	植物同化作用		反硝化及其他作用
植物种类	总吸收占比	水上部分占比	反硝化及其他作用
未刈割狐尾藻	9.42%	7.35%	90.49%
刈割狐尾藻	5.07%	6.77%	94.93%
未刈割水芹	48.54%	13.85%	49.92%
刈割水芹	52.76%	25.37%	47.25%

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1. 材料与方法（Materials and methods）
1.1 样品的采集
1.2 仪器与试剂
1.3 样品的前处理
1.4 仪器分析
1.5 质量保证与质量控制（QA/QC）
1.6 健康风险评价
2. 结果与讨论（Results and discussion）
2.1 江苏城市饮用水中PAEs的含量与组成
2.2 PAEs健康风险评价
3. 结论（Conclusion）

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水库是淡水生态系统的重要组成部分，在供水、发电、航运和水资源利用等方面发挥着重要作用^[1]。据统计，我国人工水库由1980年的86 822座增加到2020年的98 566座，对于保障城市生活饮用水安全起到越来越重要的作用。近年来，随着点源污染逐步得到有效治理和控制，面源污染逐渐成为水库水环境的主要污染类型，成为水库安全运营和经济发展所必须面对的关键“瓶颈”。其中人类活动引起的淡水系统中氮含量的增加往往比磷素更甚^[2]，因此深度净化由流域面源进入水库的氮污染迫在眉睫。

近几十年来，生态浮床已被证实是一种成本低、净化效率高且无需额外土地的人工强化水生态处理技术^[3]。其基本原理是在水面构建稳定、环保、美观的水上漂浮载体，运用水上植物无土栽培技术，筛选根系发达、维护简单的水生或陆生植物，实现水体氮、磷净化的目的。浮床上生长的植物是生态浮床系统的核心，对氮素的去除起着很大的作用。直接作用是植物自身同化吸收氮以满足生理代谢需要^[4]。间接作用包括：交错的根际为微生物硝化-反硝化过程提供附着基质以及释放氧气形成好氧-缺氧-厌氧的微环境。此外，根系分泌物可作为电子供体为反硝化作用提供碳源^[5]。然而，保持生态浮床长期有效的处理性能和可持续运行仍是一个挑战。植物的生长特性和作用不仅会受到营养盐、气候条件等因素的影响，还会受到植物种植和管理策略的影响^[6]。

刈割是生态浮床规模化管理的主要方式之一，若没有在植物腐烂前收获，植物组织中的营养物质可能会重新进入水中。然而，针对具体的刈割方式，包括多次刈割和年度刈割，整株和水上部分刈割等，仍是个有争议的问题。ZHOU等^[7]指出由于植物仅作为污染物短暂的储存介质，且在吸收营养结束后就进入衰亡阶段，故需定期刈割提高净化效率。而SUN等^[5]认为频繁的地上刈割没有给植物充足的时间吸收养分，从而减缓植物的生长。过早收获嫩枝可能会致使明年养分去除率的降低^[8]。此外，有关于植物刈割是聚焦于水上部分还是直接整株收割，研究者也持有不同的态度。部分学者认为尽管根组织中储存的营养物质相对较少，但仅地上部分刈割会低估植物的吸收能力^[9]，并且部分植物根部也贮存着一半以上的营养物质^[10-11]。CHANC等^[9]指出如若将生态浮床的应用作为全流域养分管理的一部分，那么植物的整株收割是至关重要的，因为评估净化效果是基于去除的总生物量和组织浓度。其他研究则认为植物在不同生长季节或状态下具有不同的养分吸收及生长特性，整株收割的方式会忽视植株器官间的营养分配和生长问题，且根茎往往嵌入于生长介质中，难以分离，故整株收割的方法更为激进和不可持续^[12]。总的来说，刈割方式应基于植物种类、水质环境、气候条件等多种因素综合考量、因地制宜。

千岛湖又名新安江水库，是我国华东地区最大的人工淡水水体，属于典型的深水山谷型水库，营养盐达标问题长期困扰着水库的环境治理^[13-14]。水库治理工作困难重重，一方面较高的水深致使自然植被难以生长来净化水质，另一方面土地资源紧张，缺乏湿地净化空间。此外，水体碳浓度较低，湖体反硝化自净能力较弱。已有研究证实在千岛湖构建生态浮床是氮磷削减的一种可行技术，后期可通过刈割带走湖体中的氮磷^[15]。并且，多项研究指出植物刈割对于低营养盐浓度系统的重要性^{[11, 16, 17]}。然而目前多集中于探讨刈割对于人工湿地中植物净化高浓度废水效果的影响，缺乏对于较清洁型水体中生态浮床植物具体刈割管理措施的研究。

水芹 (Oenanthe javanica) 属伞形科多年生挺水植物，在我国中南部地区广泛分布，适应性强，生长迅速，具有发达的通气组织，须根繁茂。赵慧君等^[18]发现水芹对N、P的吸收积累能力很强，甚至高于凤眼莲，是浮床植物修复的优良品种。绿色狐尾藻 (Myriophyllum aquaticum) 系多年生沉水或浮水植物，资源化利用潜力高，养分吸收能力强。常见的净水植物普遍存在生长周期短等缺陷，而绿色狐尾藻在南亚热带地区可全年生长，针对富营养化水体的修复具有天然优势^[19]。本研究以水芹和绿色狐尾藻这两种不同类型的典型植物构建模拟生态浮床，对其采取刈割和未刈割处理，来揭示刈割对千岛湖浮床植物生长及氮素去除机制的影响，以期为水库中生态浮床的应用及管理提供参考。

3. 讨论

3.1. 刈割对植物生长的影响

刈割是一种常见的收获方式，会对植物的生长及生物量的分配产生一定影响^[27]。当植物刈割后，往往进行补偿性生长。这种补偿生长现象是植物在受到阈值内的胁迫压力后，在具有恢复因子和过程条件下，产生的一种有利于植物生长发育和产量形成的能力^[28]。植物的补偿性生长包含多种方面：如生物量补偿、生长速率补偿、资源再分配等^{[29- 30]}。补偿性生长取决于刈割强度和资源可获得性，与恢复时间和生境条件也密切相关^[31]。不同的植物由于生长特性不同，同样的刈割强度带来的影响差异可能很大。张树楠等^[32]选取5种植物通过比较刈割与未刈割区域发现，刈割对穗花狐尾藻的生物量无明显影响，美人蕉和灯心草却降低。本研究中绿色狐尾藻和水芹对于此种胁迫产生的生理反馈明显不同。实验发现水芹刈割后相对生长率更高，出现补偿性生长现象，主要表现在水上部分生物量的增加。刈割能去除植物顶端的老叶，投入更多的资源用于水上部分以尽快恢复光合作用，提高剩余叶片的光合速率，从而促进植株生长^[33]。

沉水植物对外界干扰极为敏感，不恰当的刈割方式会对植株造成伤害^[34]。刈割后的绿色狐尾藻只存留光秃秃的主茎，主干很难继续生长，生物量无明显增加，且实验后期随着温度上升狐尾藻的根系逐渐萎缩。这与LUO等^[35]结果不一致，多种因素造成此差异的形成：首先在于植物的生长状态，当刈割时绿色狐尾藻处于生长缓慢的季节，植物恢复很慢^[36]。本研究中绿色狐尾藻已处于成熟期，光合作用积累的能量不足以弥补呼吸消耗，生长速率减缓。其次，刈割后植物体内资源向水上部分转移，往往是以牺牲水下生物量的生长为代价^[27]。此外，水体外源营养负荷较低及对于绿色狐尾藻而言过大的刈割强度，使得这种代价在绿色狐尾藻身上更为致命。俞新慧等^[37]同样发现高强度刈割下的粉绿狐尾藻一直未恢复甚至出现烂根现象。刈割可能打破了整个植株体生理上的平衡，还会显著影响狐尾藻无性繁殖产生小体^[38]，没有足够的营养和内源动力去支撑自身恢复。综上所述，不同类型的植物对刈割形成的生理反馈明显不同。在千岛湖水体中，刈割能促进水芹补偿性生长，对于绿色狐尾藻可能是一种致命伤害。

3.2. 刈割对植物氮素净化途径的影响

氮素作为植物生长发育需求量最大的矿质营养元素^[39]，也与植物的生理代谢活动密切相关^[40]。植物对于水体氮素的净化能力也与多种因素有关，比如植物种类、生长期、生长速率、水体本底氮含量、温度等。与其他研究比较发现，本研究中水芹和绿色狐尾藻这2种植物对水体氮素的净去除效率普遍偏低，分析可能的原因一方面在于供试水体养分较低并且受试水质氮素组成以NO₃⁻-N为主，[NH₄⁺-N]很低。虽然大部分植物均能主动吸收NO₃⁻-N、NH₄⁺-N及其混合物，但植物对NO₃⁻-N的吸收是逆电化学势梯度的，需要额外消耗更多能量^[41]。另一方面，实验所选的2种植物均处于成熟期，此时植物需要的养分不多，对水体营养元素的吸收作用变弱^[42]，体内营养浓度也随植物的衰老而降低^[43]。进一步对比这2种植物的氮素净化效果发现，水芹对于污染物的吸纳能力明显更强。营养的吸收和储存由生物量生长率和组织中的营养浓度介导，并受到物种最大积累潜力的限制^[44]。绿色狐尾藻是矮小的须根植物^[45]，水芹属于快速生长的大型植物，根茎粗壮，具有发达的根系结构。本研究在保证初始株数相同的情况下，水芹单株生物量是绿色狐尾藻的约2倍，净增生物量明显更高，净增生物量是决定植物水质净化能力的一个重要因素，与TN去除率相关性高达0.994^[46]。值得关注的是，水芹在实验开始后即能稳定高效地吸收水体中的污染物，植物同化作用是其重要的脱氮途径。反观绿色狐尾藻，初期净化效率较低，可能是绿狐尾藻对于外界环境的变化需要一个适应的过程^[47]。且绿色狐尾藻对于水体氮素的同化吸收占比不足10%，这和金树权等^[46]结果一致，发现沉水植物氮吸收贡献率仅为1.5%~13.3%，但沉水植物本身带来的水质净化增效作用不容小觑，往往大于植物的直接吸收。

刈割是生态浮床规模化管理的主要方式之一。胡秋香等^[48]研究发现植物地上器官贮存的氮、磷大于地下部分，通过刈割地上部分能有效去除系统中大部分的营养物质。姜义帅等^[49]进一步发现刈割能促进植物再生长以吸收更多氮磷，还可有效防止植物死亡腐烂反而成为氮、磷的内污染源，从而达到控制水体富营养化的目的。本研究中刈割在短时间内会略微降低水芹的TN去除能力，但很快能恢复到植物刈割前的水平，实验结束时甚至略微高于未刈割区域，这与SUN等^[5]的发现一致。实验后期，明显观察到未刈割水芹有部分凋落叶片漂浮于水面上，少量的植物体残留不会在短时间内明显恶化水质^[50]，但从长期角度来看对水生态系统的健康存在很大威胁。刈割明显提高了水芹水上部分的净增氮量，促进了水芹水上部分对于氮素的同化吸收能力。一方面，这是植物水上部分生物量和氮含量均增加共同作用的结果，叶片氮含量的增加能提高植物的光合补偿能力，这也是刈割后植物恢复生长的关键因素^[27]；另一方面，刈割后的植物将资源优先分配给竞争部位 (水上部分) 以适应外界环境的变化，而处于衰亡期的未刈割水芹器官中的营养物质会向根系转移。绿色狐尾藻与之相反，刈割明显抑制了水下根系的生长，同化氮量降低、难以恢复。

根系反硝化作用是生态浮床脱氮的主要途径之一。本研究发现刈割会明显降低2种植物的根系反硝化速率，可归因于以下原因。1) 植物是一个整体协调的生命系统，刈割对于地上部分器官的损伤势必会影响根系的生长，导致总根长、总根表面积和平均根直径等形态参数明显降低，植物根系活力也显著下降^[51]，本研究中刈割对绿色狐尾藻根系生长的抑制作用更为明显，水下生物量降低。2) 植物生长过程中根系释放的多种有机及无机物质可以通过改变根际的pH、提供细菌消耗的碳源、改变微生物群落结构等来影响反硝化速率。环境胁迫，包括干旱、植物组织损伤 (刈割) 等，都可能导致根系分泌物的变化^[52]。根系分泌物含量和根际微生物密度一般与植物生物量呈正相关^[52]。刈割在短时间内降低了生物量，从而也限制了反硝化过程。不过随着水上部分的恢复，水下根系也会逐渐表现出补偿性生长效应^[51]，因此，刈割对于植物根系长期反硝化作用的影响还需进一步研究。

3.3. 对其管理的启示

可持续的植物收获管理对于维持生态浮床的长期使用寿命是必要的。一般而言，对于低营养负荷系统，通过刈割植物去除的营养量可能很大^[43]，如LUO等^[35]对经1∶2比例稀释的养猪废水中生长的植物进行刈割后发现去除的TN占比高达100%，故刈割能去除轻度富营养化水体中大部分的营养物质^[53]。刈割方式的确定应基于经济、高效、可持续的理念^[5]，综合考虑植物的生长规律、区域气候特征和水质变化状况等。此外，张洋意等^[17]提出刈割对于氮磷削减的有效性取决于植物直接吸收作用是否占氮素去除的主要地位。基于本次实验结果，可认为水芹对于外界胁迫的适应性较强，直接吸收氮量约为总氮去除的一半左右，刈割水芹对于永久移除水体污染物具有重要意义。此外，刈割还能促进水芹补偿性生长和对氮素的同化吸收。千岛湖生态浮床中水芹的种植时期一般在10月至次年5月，余红兵等^[54]发现多次刈割的植物生物量和总氮量分别是一次刈割的3.62和3.78倍，并且水上部分往往在生长期具有最高的营养浓度^[43]，本研究发现刈割后明显增加了水芹水上部分的氮含量，定期刈割水上部分能最大限度地移除水芹体内污染物，故建议每45 d左右对水芹水上部分进行刈割。水芹是典型的药食两用型蔬菜，人民的消费观随着生活水平的提高，由最初的“生存型”向“发展型”和“健康型”转变，崇尚绿色、健康、有机食品^[55]，在千岛湖上种植不添加农药，绿色无公害，故水芹有着广阔的市场前景和价值，通过售卖水芹可抵消部分建造管理成本，在长期运行下能带来一定的经济效益。绿色狐尾藻在亚热带地区四季常青，全年都能正常生长发育，但在不更新植株的情况下，连续栽培不宜超过6个月，并且考虑到植物营养物质积累是有限的，故建议每4个月对绿狐尾藻进行整株收割。众所周知，淳安县为中国名茶生产和全国重点产茶县，全县有茶园总面积约12 700 hm^2[56]。收获后的绿狐尾藻可资源回收，植株直接覆盖于土壤表面，增加表层有机质和氮磷钾等营养的同时，还能提高茶叶品质和产量^[57]。因此，千岛湖浮床种植水芹应及时刈割售卖，绿色狐尾藻建议在生长期结束时整株收获并进行资源化利用，中途不宜刈割。

4. 结论

1) 成熟期水芹和绿色狐尾藻对刈割呈现出明显不同的生理反馈。刈割能促进水芹补偿性生长，未刈割水芹后期明显观察到发黄枯萎，株高降低；相反，刈割后绿色狐尾藻生长不明显，水下部分甚至出现萎缩趋势，植株难以恢复。2) 浮床种植水芹和绿色狐尾藻均能明显提升千岛湖水体的脱氮能力，其中水芹的氮素净化能力显著高于绿色狐尾藻。水芹对于外界环境变化及胁迫的适应性很强，TN净去除效率一直稳定为约27.1 mg·(m²·d)⁻¹，其中同化吸收氮量占比约50%。刈割能明显促进水芹水上部分对氮素的同化，提高约83%。而绿色狐尾藻后期TN去除速率提高，脱氮途径以反硝化作用为主。3) 刈割在短期均会对2种植物的根系反硝化作用产生一定程度上的抑制，刈割后水芹和绿色狐尾藻水体溶解性氮气增量分别降低2.51和1.72 μmol·L⁻¹。4) 在千岛湖生态浮床的管理中建议每45 d左右对水芹水上部分刈割，绿色狐尾藻每4个月整株收割。

参考文献 (57)

刈割对千岛湖生态浮床植物生长与氮素净化效率的影响

作者简介: 倪子怡 (1998—) ，女，硕士，1477582060@qq.com

通讯作者: 詹旭 (1981—) ，男，博士，副教授，xuzhan@jiangnan.edu.cn;

Influence of mowing on the growth and nitrogen purification efficiency of ecological floating bed plants in Qiandao Lake

Corresponding author: ZHAN Xu, xuzhan@jiangnan.edu.cn ;

1. 材料与方法（Materials and methods）

1.1 样品的采集

1.2 仪器与试剂

1.3 样品的前处理

1.4 仪器分析

1.5 质量保证与质量控制（QA/QC）

1.6 健康风险评价

2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 江苏城市饮用水中PAEs的含量与组成

2.2 PAEs健康风险评价

2.2.1 致癌风险评估

2.2.2 非致癌风险评估

3. 结论（Conclusion）

计量

出版历程

刈割对千岛湖生态浮床植物生长与氮素净化效率的影响

通讯作者: 詹旭 (1981—) ，男，博士，副教授，xuzhan@jiangnan.edu.cn;

English Abstract

Influence of mowing on the growth and nitrogen purification efficiency of ecological floating bed plants in Qiandao Lake

Corresponding author: ZHAN Xu, xuzhan@jiangnan.edu.cn ;

全文HTML

1.1. 研究区域

1.2. 实验方案

1.3. 样品采集与分析

1.4. 根系反硝化潜力测定培养实验

1.5. 数据处理

2.1. 实验植株生长情况

2.2. 水体无机氮的去除效果

2.3. 水体TN的净化效率

2.4. 氮净化途径分析

3.1. 刈割对植物生长的影响

3.2. 刈割对植物氮素净化途径的影响

3.3. 对其管理的启示

目录

全文HTML

1.1. 研究区域

1.2. 实验方案

1.3. 样品采集与分析

1.4. 根系反硝化潜力测定培养实验

1.5. 数据处理

2.1. 实验植株生长情况

2.2. 水体无机氮的去除效果

2.3. 水体TN的净化效率

2.4. 氮净化途径分析

3.1. 刈割对植物生长的影响

3.2. 刈割对植物氮素净化途径的影响

3.3. 对其管理的启示