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白洋淀是华北地区最大的淡水湿地,也是我国东部地区典型的浅水型湖泊,被誉为“华北之肾”。当今白洋淀水体富营养化和重金属污染问题日益严重,基于沉水植物具有较强的净化水体的能力,作为水体生态系统中水和底质两大营养库之间的有机接合部,沉水植物生长代谢对水体生态环境的改善起至关重要的作用。 本文首先采用野外调研的方法,将白洋淀区按照其主要功能划分为纳污区(府河影响带和唐河影响带)、生活水产养殖区(水产养殖区和生活旅游区)和淀边缘区,于4月份(冬春季生长型)和9月份(夏秋季生长型)采集白洋淀当季优势沉水植物以及相应水和底泥样品,研究了不同功能淀区水体氮磷和重金属的分布特征及污染状况;其次通过分室生物模拟试验,进一步研究了不同氮磷营养条件下,沉水植物对镉的迁移特征,最终为沉水植物应用于净化白洋淀富营养化和重金属污染水体提供依据。主要研究结果如下: (1)地表水中TN和TP浓度分别为0.77~13.65mg/L和0.05~1.21mg/L,为Ⅲ~劣Ⅴ类水。地表水重金属平均浓度由大到小依次为:As>Se>Pb>Hg,Cd未检出,水中重金属浓度除Hg浓度接近Ⅲ类水标准外,均达到了《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》Ⅰ类水标准。其中重金属和TN,TP浓度均为纳污区最高,淀边缘区最低,生活水产养殖区和淀边缘区浓度差异不显著(P>0.05)。 (2)底泥TN和TP含量分别为316±186g/kg和0.72±0.20g/kg。底泥营养盐综合污染指数为219~5.26,处于严重污染水平,且氮污染(TN标准指数为3.42~9.09)高于磷(TP标准指数为0.93~1.44)。底泥Cd、Pb、As、Hg、Se的平均含量分别为059mg/kg、6040mg/kg、11.34mg/kg、0.08mg/kg、0.91mg/kg,除As外均超出河北土壤背景值,分别为河北土壤背景值的6.32、2.81、0.84、2.16和6.96倍。底泥氮磷和重金属含量均表现为生活水产养殖区最高,地累积指数评价表明重金属为轻度到偏重度污染状态,潜在风险指数处于中度-很强生态危害级别(RI为223~805);纳污区和淀边缘区差异不显著(P>0.05),地累积指数评价表明重金属为轻度到偏中度污染,潜在风险指数为中等生态危害级别(RI为167~275)。重金属污染中Cd、Hg贡献最大。 (3)菹草、金鱼藻和篦齿眼子菜体内的氮磷含量在不同区域差异不显著,穗花狐尾藻在生活水产养殖区显著高于淀边缘区。沉水植物对氮磷的吸收均表现为金鱼藻高于篦齿眼子菜。对五种重金属的吸收均表现为As>Pb>Se>Cd>Hg,其中金鱼藻对Hg、Cd、Se的吸收能力均较强,菹草和穗状狐尾藻对Pb的吸收能力效果较好,而穗状狐尾藻对As的吸收能力最高。 (4)相关性分析显示,水、底泥中TN和TP以及沉水植物TN和TP存在显著或极显著正相关关系,白洋淀氮磷具有一定的同源性。沉水植物体内氮磷含量分别与水中TN和TP浓度存在显著正相关而与底泥TN和TP含量无显著相关(p>0.05)。沉水植物体内五种重金属(除Hg-Cd、Hg-Se)之间存在显著或极显著正相关关系;沉水植物重金属含量和地表水TN浓度之间存在显著或极显著正相关关系,体内Cd、Pb、Se含量和地表水TP存在显著正相关关系。 (5)室内分室模拟试验结果表明:将狐尾藻根系置于15mg/kg Cd含量底泥中处理下(对照),狐尾藻不同部位Cd含量表现为根>叶片>茎,其中根系中Cd主要分布在细胞壁(66%),其次是细胞器和细胞液(分别为22%和12%),由根系向地上部的迁移系数(TF)为973%,迁移到地上部的镉均主要分布在细胞壁;底泥不同浓度氮磷处理之间不同部位Cd含量差异不显著(p>005),但是低、高浓度氮磷处理均能促进Cd由根系向地上部迁移,TF分别比对照增加4543%和35.05%,增加的部分主要集中在茎的细胞器(Cd比例分别比对照增加21%和17%)和叶片的细胞壁(Cd比例分别比对照增加21%和36%)。水中低、中、高浓度氮磷处理均能促进Cd由根系向地上部(尤其是叶片)的迁移,TF分别比对照增加3.22倍、1.23倍和2.72倍,增加的部分主要集中在茎的细胞器(Cd百分比分别比对照增加16%、6%和13%)和叶片细胞壁(Cd比例分别增加了27%、5%和24%)组分,不同氮磷处理间,低浓度处理叶片Cd含量显著高于中浓度处理。水中添加氮磷对狐尾藻Cd向上迁移的促进能力要高于底泥氮磷处理。 综上,白洋淀已呈现地表水富营养化和底泥重金属污染的特征。狐尾藻不同部位Cd含量表现为根>叶片>茎,水和底泥中添加不同浓度氮磷均能促进Cd由根部向地上部的迁移,且促进了镉向茎细胞器与根和叶片细胞壁迁移。