浮床植物水質(zhì)凈化能力及其影響因素研究

張 勁，黃 薇，桑連海

（長(zhǎng)江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

浮床植物水質(zhì)凈化能力及其影響因素研究

張 勁，黃 薇，桑連海

（長(zhǎng)江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

比較了12種常用浮島植物的凈水能力，并總結(jié)了影響生物浮島凈水能力的影響因素。結(jié)果表明：在12種植物中，紅葉甜菜（Beta vulgaris var.cicla）對(duì)總氮的去除率最高，可達(dá)85.72%；空心菜（Ipomoea aquatica）對(duì)總磷的去除率最高，達(dá)到95.6%；美人蕉和空心菜對(duì)氨氮的去除率均接近100%。在生物浮島技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)不同水體、不同季節(jié)來(lái)選擇不同的作物，并且，一般控制浮床的覆蓋率在30%左右會(huì)達(dá)到最佳效果。研究結(jié)果為利用生物浮島進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

生物浮島；植物；水質(zhì)；凈水能力；影響因素

人工浮島技術(shù)在上世紀(jì)70年代開(kāi)始被德國(guó)Bestmann公司運(yùn)用于水體生態(tài)修復(fù)，并進(jìn)行了一系列的推廣應(yīng)用，取得了很好的效果［1］。1982年，日本首次在滋賀縣琵琶湖運(yùn)用生物浮島技術(shù)，初衷是為了構(gòu)建鯉魚、鯽魚、諸子等魚類的孵卵場(chǎng)，取得了很好的效果，發(fā)展至90年代中期，人工浮島技術(shù)逐漸被日本科學(xué)家所接受。由于生物浮島占地小、生態(tài)環(huán)保，且運(yùn)行穩(wěn)定，所以其作為富營(yíng)養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)被引入中國(guó)，并得到廣泛應(yīng)用。生物浮島技術(shù)發(fā)展至今，有80余種陸生植物被成功移栽至人工浮島，實(shí)現(xiàn)了生物浮島一年四季不間斷發(fā)揮作用。作物包括景觀花卉、經(jīng)濟(jì)作物以及園林觀賞植物等。目前，對(duì)生物浮島技術(shù)的研究主要集中在浮床載體制作［2］、植物遴選［3］、作物生長(zhǎng)特性及其對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收量［4，5］等方面，其對(duì)水質(zhì)的影響以及影響其凈水能力的研究則很少。

文章總結(jié)了前人對(duì)于人工浮島技術(shù)對(duì)水中總氮、氨氮及總磷去除能力的研究，并對(duì)影響人工浮島凈水能力的影響因素作了概括，可為浮島技術(shù)應(yīng)用及凈化機(jī)理研究提供參考。

1 人工浮島水質(zhì)凈化能力研究

不同植物移栽至浮床后，其對(duì)水中污染物質(zhì)的去除率是不一樣的，總結(jié)了12種植物對(duì)總氮、總磷、氨氮的去除率，所選植物包括景觀作物和經(jīng)濟(jì)作物。具體選取的作物及其對(duì)種植周期內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除率見(jiàn)表1。

表1 12種浮島植物對(duì)污染物的去除率Table 1 Pollutant removal rates by 12 p lants on floating bed

1.1 不同植物對(duì)水體中總氮的去除率

資料表明：12種常用的浮島植物對(duì)不同水體的總氮去除率，其中去除率最高的是紅葉甜菜，在35 d的種植周期中，紅葉甜菜對(duì)魚塘中的總氮去除率達(dá)到85.72%；其次是旱傘草和香根草，在60 d的種植周期內(nèi)，它們對(duì)水體中總氮的去除率均達(dá)到80%左右。12種植物中，大蒜對(duì)總氮的去除率最低，僅為33.3%，其原因主要是由于大蒜在種植周期內(nèi)生物量增長(zhǎng)較少，加之在試驗(yàn)后期出現(xiàn)了枯黃現(xiàn)象。另外，水芹和多花黑麥草對(duì)水體中總氮的去除率也不太理想，分別為46.4%和41%，其余幾種植物在種植周期內(nèi)，對(duì)總氮的去除率均在50%以上（見(jiàn)圖1）。

圖1 12種不同浮島植物對(duì)總氮的去除率Fig.1 Total nitrogen removal rates by 12 p lants on floating bed

1.2 不同植物對(duì)水體中總磷的去除率

12種植物中，同樣是大蒜和黑麥草對(duì)總磷的去除率比較低，均在40%左右；其次，水稻對(duì)總磷的去除率也僅為49.1%，要略低于50%；其余幾種植物對(duì)總磷的去除率均為50%以上；去除率最高的為空心菜，達(dá)到了95.6%，并且去除的磷中，有63.87%的磷被用作空心菜自身的生長(zhǎng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明空心菜在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)磷的需求比較大，在實(shí)際工程應(yīng)用中，空心菜可被用在磷含量超標(biāo)的富營(yíng)養(yǎng)化水體；另外，水芹、美人蕉、香根草在種植周期內(nèi)均對(duì)總磷表現(xiàn)出較高的去除率（見(jiàn)圖2）。

圖2 12種不同浮島植物對(duì)總磷的去除率Fig.2 Total phosphorus removal rates by 12 p lants on floating bed

1.3 不同植物對(duì)水體中氨氮的去除率

在對(duì)氨氮的去除率分析中，除水稻、香根草和旱傘草缺乏數(shù)據(jù)以及大蒜去除率不理想外，其余幾種作物對(duì)氨氮的去除率均在60%以上，而且，空心菜、美人蕉、水芹等接近100%，生菜、莧菜和紅葉甜菜也在80%以上（見(jiàn)圖3）。相對(duì)于總氮和總磷2種污染因子來(lái)說(shuō)，氨氮有較高的去除率，其主要原因可能是，試驗(yàn)數(shù)據(jù)大多是通過(guò)封閉的培養(yǎng)水箱定量研究得來(lái)。試驗(yàn)過(guò)程開(kāi)始后，培養(yǎng)箱內(nèi)大部分的氨氮會(huì)通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。

圖3 12種不同浮島植物對(duì)氨氮的去除效率Fig.3 Ammonia nitrogen removal rates by 12 p lants on floating bed

2 人工浮島凈水能力的影響因素

2.1 處理時(shí)間

處理時(shí)間長(zhǎng)短的不同，植物對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除率以及自身生物量的增長(zhǎng)速度也不一樣。前人試驗(yàn)表明，水芹菜在移栽之后20 d內(nèi)總氮的去除率不斷上升，但是到了20 d后會(huì)逐步下降；而空心菜則不同，其總氮的去除率在50 d內(nèi)會(huì)不斷上升，50 d后會(huì)持續(xù)在一定的水平上下波動(dòng)，但不會(huì)出現(xiàn)大的下降，直至生長(zhǎng)結(jié)束。浮島種植水稻，同樣也有類似規(guī)律，在水面種植40 d內(nèi)，水稻的干物質(zhì)累積量會(huì)不斷上升，但是，40 d后會(huì)逐步下降，直至試驗(yàn)結(jié)束［14］。馬立珊等人用浮床香根草對(duì)南京的秦淮河、金川河一級(jí)玄武湖等水體進(jìn)行生態(tài)修復(fù)發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)的60 d內(nèi)，3種水體的總氮去除率不斷上升，但是總磷的去除率卻在試驗(yàn)50 d后趨向平緩［11］。對(duì)生菜和莧菜的試驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)開(kāi)始的14 d內(nèi)，植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除率不斷上升，但是14 d以后，逐漸下降［7］。

2.2 受試水體

受試水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量不同，也會(huì)直接影響浮島作物的凈水能力。陳紅兵等用3種植物對(duì)4種不同濃度的生活污水進(jìn)行處理，試驗(yàn)結(jié)果表明：浮島植物對(duì)水體中總磷的去除率與污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度成正比；但是，對(duì)總氮的去除率卻以受試水體總氮含量在3 mg／L時(shí)效果最佳［15］。

2.3 栽培季節(jié)

在不同季節(jié)，生物浮島發(fā)揮的凈水作用也不一樣，如在圖1中，水芹、多花黑麥草和大蒜均為冬季種植作物，其總氮去除率明顯小于其他幾種作物。同一種作物，在不同的栽培季節(jié)，對(duì)污染物質(zhì)的去除率也不一樣。孫連鵬等對(duì)不同季節(jié)美人蕉對(duì)水體氮素去除率進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，雖然美人蕉在秋季仍起到凈化水體的作用，但是相比春季而言，其凈化速度有所減慢，并且氮素的去除率有所降低，但是對(duì)COD的去除率在不同季節(jié)卻差異不明顯。同樣，旱傘草在秋季種植時(shí)，其對(duì)總氮的去除率分別達(dá)到77%和72%，但是在冬季種植時(shí)僅為43%和45%［16］。對(duì)美人蕉和旱傘草在低溫下對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除率的研究表明，在秋季水溫高于10℃時(shí)，美人蕉的去除率大于旱傘草；但是到了水溫低于10℃的冬季，旱傘草的凈化效果要優(yōu)于美人蕉［17］。

2.4 種植密度

浮床在水面的覆蓋率不同，也會(huì)導(dǎo)致其對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除率不一樣。郭沛涌等人用不同覆蓋率的黑麥草對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)分為15%，30%，45%，60%這4個(gè)不同的覆蓋率。試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)黑麥草覆蓋率處在30%時(shí)，其生長(zhǎng)情況最好，且對(duì)總氮的去除率最高；當(dāng)覆蓋率在60%時(shí)，其對(duì)總氮的去除率反而最低［18］。同樣，在對(duì)風(fēng)車草、香根草和菖蒲進(jìn)行不同去除率與覆蓋率之間的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋率以30%為分界點(diǎn)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除率與覆蓋率之間的關(guān)系有明顯的變化；當(dāng)覆蓋率小于30%時(shí)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除率隨覆蓋率增加顯著；而當(dāng)覆蓋率超過(guò)30%時(shí)，覆蓋率增加對(duì)提高去除率的貢獻(xiàn)則十分有限［19］。

3 結(jié) 論

（1）浮島植物對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效率不同。在總結(jié)的12種植物中，紅葉甜菜對(duì)總氮的去除率最高；空心菜對(duì)總磷的去除率最高；美人蕉和空心菜對(duì)氨氮的去除效率均接近100%。在運(yùn)用浮島進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)時(shí)，可針對(duì)不同污染水體選用不同植物，以達(dá)到最佳凈化效果。

（2）影響生物浮島凈化能力的因素很多，主要影響因素有：處理時(shí)間長(zhǎng)短、受試水體水質(zhì)、栽培季節(jié)、種植密度。其中，不同植物可在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到污染物質(zhì)去除率的最高值，隨后可能下降；不同植物對(duì)受試水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量要求不一，處理率也不同；不同植物有不同的適宜種植季節(jié)，浮島作物遴選時(shí)應(yīng)根據(jù)季節(jié)需要來(lái)選??；一般來(lái)說(shuō)，作物對(duì)受試水面的覆蓋率在30%左右時(shí)能達(dá)到最佳的處理效果。

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（編輯：曾小漢）

The W ater Purification Ability of Plants on Floating Bed and Its Influencing Factors

ZHANG Jin，HUANGWei，SANG Lian-hai
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The water purification ability of 12 plants commonly used on floating island are compared，and factors that influence the ability are summarized.The results reveal that red leave beet（Beta vulgaris var cicla）has the highest total nitrogen removal rate amounting to 85.72%，whilewater spinach（Ipomoea aquatica）keeps the highest total phosphorus removal rate of 95.6%，and water spinach（Ipomoea aquatica）and Canna（Canna indica）both are able to remove nearly all the ammonia nitrogen in the water.Moreover，the water body and the season should be considered when selecting plants on the floating bed，and a 30%floating bed coverage could help achieve the besteffect.The results could provide theoretical basis for applying biological floating island towater ecological restoration.

floating island；plant；water quality；purification ability；influencing factor

X171.4

A

1001－5485（2011）12－0039－04

2011-10-20

科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目（2009GB23320484）

張 勁（1982-），男，湖北黃岡人，碩士，主要從事水體生態(tài)修復(fù)工作，（電話）15926353488（電子信箱）zj67c＠163.com。