兩種水生植物對(duì)重富營養(yǎng)化水體修復(fù)效果研究

常會(huì)慶，王世華，徐曉峰，何俊瑜

（1.河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽471003；2貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴陽55002）

近年來，地表水體富營養(yǎng)化的加劇已經(jīng)成為全世界水質(zhì)量最為關(guān)注的問題［1］，中國水體富營養(yǎng)化問題尤為突出，已經(jīng)威脅到人們引用水體的供應(yīng)，即使在水源豐富的地區(qū)，也因?yàn)樗|(zhì)的下降導(dǎo)致淡水的缺乏。植物修復(fù)技術(shù)是處理富營養(yǎng)化水體最具前景的生物技術(shù)之一。生長(zhǎng)快速并有較高去除養(yǎng)分能力的水生植物用于廢水處理和資源化已經(jīng)引起了研究者的關(guān)注。例如水生植物系統(tǒng)可以高效的去除畜禽廢水［2］、生活廢水［3］、工業(yè)廢水［4］、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的養(yǎng)分含量，并可用于處理土壤滲透液［5］。植物修復(fù)技術(shù)還用于處理太湖富營養(yǎng)化水體引用水源工程中［6］。因此本研究選擇漂浮和沉水兩種水生植物，采用漂浮式生長(zhǎng)方式，研究它們?cè)谕画h(huán)境條件下對(duì)富營養(yǎng)化水體養(yǎng)分的去除效果，為確定有效的植物修復(fù)方式和富營養(yǎng)化水體植物深度修復(fù)技術(shù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇兩種水生植物伊樂藻（Elodea nuttallii）和黃花水龍（Jussiaea stipulacea Ohwi）作為試驗(yàn)材料。伊樂藻雖然是沉水植物，但是由于它可以直接從水體中吸收養(yǎng)分，因此可以以漂浮的方式進(jìn)行培養(yǎng)，而且便于收獲。伊樂藻不但生長(zhǎng)較快，而且是水產(chǎn)養(yǎng)殖良好的飼料，水產(chǎn)養(yǎng)殖方面得到了廣泛的應(yīng)用［7］。黃花水龍是一種生長(zhǎng)在淺水湖泊或河道中的漂浮水生植物。這兩種水生植物在太湖流域分布較為廣泛，將收集的兩種植物于試驗(yàn)開始一周前馴養(yǎng)于溫室中。

1.2 試驗(yàn)處理和實(shí)施

試驗(yàn)包括3個(gè)處理，分別為對(duì)照（CK）、沉水植物（Elodea nuttallii）（S）和漂浮植物（Jussiaea stipulacea Ohwi）（F），每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。培養(yǎng)容器體積約為60L，直徑為0.6m，有效深度0.6m，表面積為0.28m2。試驗(yàn)設(shè)在溫室內(nèi)進(jìn)行（其中氣溫為25～35℃，水溫27～32℃）。采用人工模擬的富營養(yǎng)化水體，在試驗(yàn)處理前加入葡萄糖，NH4NO3和NaH2PO4，使得水體中總氮、總磷和氨態(tài)氮濃度分別為40.2，7.99，19.85mg／L；pH 和 COD分別調(diào)整至7.02，41.26mg／L；葉綠素a的濃度為75.46μg／L。第個(gè)處理中加入200g的水生植物，使得水體植物的覆蓋率達(dá)到容器表面積的一半，空白處理在其上漂浮一個(gè)蓋子以阻止藻類的生長(zhǎng)。伊樂藻漂浮于水面下約0.2m處。每個(gè)處理中加入模擬的富營養(yǎng)化水60 L，每隔一天用去離子水補(bǔ)足由于蒸發(fā)而損失的水量，植物生長(zhǎng)的溫室溫度變化為22.4～35.3℃，水溫為23.20～32.6℃，試驗(yàn)處理19d后結(jié)束。

1.3 取樣和分析

分別在0，2，6，12，19d進(jìn)行水樣采集，每次采樣固定在上午8：00，用100ml的量筒在水面下0.35m處的3個(gè)地方進(jìn)行采樣。試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)定根據(jù)水和廢水的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)分析方法［8］。水生植物生物量和養(yǎng)分含量在試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)分別進(jìn)行測(cè)定，植物樣品中的氮含量經(jīng)消煮后用凱氏法測(cè)定，磷含量用比色法測(cè)定［9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 重富營養(yǎng)化水體中總氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化

總氮濃度除了對(duì)照隨試驗(yàn)處理的過程而降低外，其它處理呈波動(dòng)變化。有水生植物的培養(yǎng)系統(tǒng)中，總氮在第6天時(shí)，由于此時(shí)培養(yǎng)的水生體植物部分碎屑腐爛呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；此后總氮在漂浮植物處理中呈下降趨勢(shì)。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)總氮含量最低的出現(xiàn)在漂浮植物（F）處理中，此時(shí)總氮的水平為（2.59±0.88）mg／L，并且與其它處理呈顯著性差異（P＜0.05）（圖1）。

氨態(tài)氮濃度在試驗(yàn)中呈下降趨勢(shì)，兩種水生植物的氨態(tài)氮濃度都比對(duì)照低。有漂浮植物（F）處理要比有沉水植物（S）處理去除的氨態(tài)氮更多。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，3個(gè)處理氨態(tài)氮的濃度分別為（10.96±1.04）mg／L，（1.82±0.17）mg／L，（0.52±0.02）mg／L。

硝態(tài)氮的變化與總氮的變化趨勢(shì)相似，經(jīng)過19d后3個(gè)處理的硝態(tài)氮濃度分別降低到（0.31±0.22）mg／L，（9.1±0.16）mg／L，（0.11±0.01）mg／L。與有沉生植物（S）的處理相比，對(duì)照總是可以減少更多的硝態(tài)氮。沉水植物處理中硝態(tài)氮的濃度與其它處理呈顯著性差異。

圖1 不同處理對(duì)富營養(yǎng)化水體總氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮的影響

2.2 重富營養(yǎng)化水體中總磷的變化

各培養(yǎng)系統(tǒng)中TP的變化過程見圖2。在第2天時(shí)，總磷在各處理中由于pH的上升導(dǎo)致TP的下降。而且總磷濃度在有漂浮植物的處理中要比沉水植物降低的快。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)漂浮植物與其它兩個(gè)處理相比較，總磷濃度的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）?？偭自?個(gè)處理中的值分別為（3.94±0.71）mg／L，（2.30±0.15）mg／L，（0.81±0.13）mg／L。

2.3 重富營養(yǎng)化水體中COD和葉綠素a的變化

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)照處理的COD降低了56.39%。沉水植物（S）處理對(duì)COD降低能力最低，其值為43.33%。COD的降低主要是依靠系統(tǒng)中微生物和藻類的生長(zhǎng)對(duì)其中碳源的利用，還有植物根系對(duì)其顆粒有機(jī)物的過濾作用。水體中葉綠素a的含量與水體中藻類的含量成正相關(guān)，種植水生植物可以有效的抑制藻類的生長(zhǎng)繁殖。對(duì)照與其它處理相比較水體中的葉綠素含量最高。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)漂浮植物（F）對(duì)葉綠素a的降低最高為58.34%。類似于COD的變化，植物系統(tǒng)更有效的降低了葉綠素a的含量（圖3）。

2.4 各處理中養(yǎng)分去除效率

試驗(yàn)各處理在19d試驗(yàn)期間總氮、總磷和氨態(tài)氮的去除率見圖4。在第19天時(shí)漂浮植物（F）處理中總氮去除率最高，沉水植物的處理對(duì)總氮的降低率最低。與伊樂藻相比較黃花水龍可以去除較多的氮素，在第19天時(shí)比沉水植物多去除31%。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)氨態(tài)氮在各處理都達(dá)到最低的水平，在F處理中氨態(tài)氮的降低量為97.38%。對(duì)照與其它處理相比，氨態(tài)氮降低效果不明顯。然而沉水植物和漂浮植物對(duì)氨態(tài)氮的去除在第19天時(shí)為95%～100%?？偭椎慕档驮谟兴参锾幚碇信c對(duì)照相比顯著降低，在F處理達(dá)到了97.75%，比有沉水植物的處理要高出約25%。

圖2 不同處理對(duì)富營養(yǎng)化水體中總磷影響

圖3 不同處理對(duì)富營養(yǎng)化水體中COD和葉綠素a影響

圖4 不同處理試驗(yàn)時(shí)期養(yǎng)分去除效果

2.5 重富營養(yǎng)化水體中pH和DO的變化

pH在試驗(yàn)開始時(shí)約為7.0，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)在各處理中都有不同程度的增加。有沉水植物（S）的處理與對(duì)照相比pH的增加約為兩個(gè)單位（圖5）。而有漂浮植物（F）的處理與對(duì)照相比變化較小，約增加了0.7個(gè)單位。較高的pH有利于降低磷的可溶性和生物有效性，同時(shí)也阻止了硝化和反硝化作用的進(jìn)行。有漂浮植物（F）的處理，pH總是小于8.02，因此與有伊樂藻的處理相比較，在這樣的pH范圍內(nèi)適合硝化和反硝化作用的進(jìn)行。

溶解氧的濃度在試驗(yàn)開始為2.64mg／L，有S的處理可以增加90%的水體溶解氧，S與漂浮植物（F）的處理相比，有較高濃度的溶解氧（圖5）。這些結(jié)果表明，沉水植物在白天可以增加光合作用的產(chǎn)氧量。

圖5 不同處理對(duì)富營養(yǎng)化水體中pH和DO的影響

3 結(jié)論

該研究表明沉水植物伊樂藻不但可以漂浮生長(zhǎng)在水面上，而且可以對(duì)水質(zhì)起到一定的凈化作用。因此在富營養(yǎng)化程度低的水體中可以嘗試用漂浮栽培的方式進(jìn)行，這樣不但便于植物的收獲，而且對(duì)養(yǎng)分去除和藻類的生長(zhǎng)起到了抑制作用。就養(yǎng)分的去除而言，黃花水龍可以更好去除養(yǎng)分提高水質(zhì)。在試驗(yàn)過程中黃花水龍要比伊樂藻生長(zhǎng)快速，生長(zhǎng)的根系較長(zhǎng)較密。試驗(yàn)期間對(duì)總氮，氨態(tài)氮，硝態(tài)氮，總磷，COD，葉綠素a的去除分別達(dá)到了93.56%，97.38%，99.44%，97.74%，52.49%，58.34%。因此漂浮植物黃花水龍更適用于重富營養(yǎng)化水體中養(yǎng)分的去除，而伊樂藻更適合修復(fù)富營養(yǎng)化程度較低的污水水體并對(duì)其水質(zhì)起到維持作用，而且收獲的伊樂藻具有較高的營養(yǎng)價(jià)值可直接作為水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼料使用。

4 討論

本研究的結(jié)果表明：漂浮植物黃花水龍對(duì)水質(zhì)的提高效果最為明顯。伊樂藻對(duì)水質(zhì)的影響表明：選取植物進(jìn)行修復(fù)富營養(yǎng)化水體時(shí)，要針對(duì)不同的水體特性來合理的進(jìn)行植物的選取和培養(yǎng)，如當(dāng)處理水體中有較低的pH和DO時(shí)，則可以選用伊樂藻，并把它培養(yǎng)在水體的表面，這樣有利用二者的提高，然后再鑲嵌其它的水生植物將會(huì)有較好的修復(fù)水體的效果。

在各系統(tǒng)中溶解氧DO水平不同，主要是由于各體系中具有不同的產(chǎn)氧率，以及氧氣在輸氧組織和根區(qū)交換造成的。Moorhead等［10］的研究表明，水生植物根系的量越少，輸氧效率越高，主要由于根系多的水生植物由于根系呼吸作用會(huì)消耗掉更多的氧氣。本研究中也證實(shí)了這一結(jié)論。

本試驗(yàn)漂浮植物處理體系中，由于生物量增加而去除的總氮和總磷最高為36.32%和34.68%。而Taylor研究的水生植物處理系統(tǒng)中由植物吸收和收獲而去除的總氮僅為3%，這個(gè)差異可能與他們種植的植物處于低的生產(chǎn)率時(shí)期有關(guān)。由于體系中總氮和總磷的質(zhì)量平衡可以根據(jù)體系中輸入和輸出的量進(jìn)行推導(dǎo)［11－12］。其中在一些植物系統(tǒng)中通常把反硝化作用去除對(duì)氮素作為不能加以定量計(jì)算而損失的部分，約占到總氮去除對(duì)10%～20%［13－14］，因此這些機(jī)理仍然需要進(jìn)一步研究。

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