4種水生植物對富營養(yǎng)化水體氮磷去除效果的研究

魏東慧，張江汀，魏學智*

(1.山西師范大學生命科學學院，山西臨汾041004;2.山西省水利廳，山西 太原030000)

4種水生植物對富營養(yǎng)化水體氮磷去除效果的研究

魏東慧1，張江汀2，魏學智1*

(1.山西師范大學生命科學學院，山西臨汾041004;2.山西省水利廳，山西 太原030000)

以燈心草、水田芥、菹草和輪藻為試驗對象，研究了其在兩種不同程度富營養(yǎng)化水體中的生長狀況及對水體中總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH4+－N)和化學耗氧量(COD)的凈化效果。結果表明，在輕度富營養(yǎng)化水體中水田芥效果最好，培養(yǎng)20 d后的水田芥對總氮、總磷、氨氮和化學耗氧量的吸收率分別為75.28%、93.00%、76.35%和83.74%，其它3種水生植物對水體也都有較好的凈化效果;在重度富營養(yǎng)化水體中燈心草效果最好，培養(yǎng)20天后的燈心草對總氮、總磷、氨氮和化學耗氧量的吸收率分別為89.30%、83.11%、83.41%和78.56%，但水田芥和輪藻的凈化效果相對較差。

水生植物;富營養(yǎng)化;氮;磷;化學耗氧量;凈化效果

當前湖泊、水庫水體的富營養(yǎng)化是全世界普遍存在的環(huán)境問題之一，水體富營養(yǎng)化水域由于接納了大量的氮、磷等營養(yǎng)性物質(zhì)，使藻類異常繁殖，水體透明度和溶解氧含量降低，從而使水體生態(tài)系統(tǒng)和水功能受到阻礙和破壞，進一步加劇了水資源的短缺［1］。因此如何實施對水體富營養(yǎng)化的有效控制與整治，己成為世人關注的熱點。由于諸多自然和人為的原因，近十幾年來臨汾市一些重點河段和水庫的水體也受到了污染，據(jù)有關調(diào)查研究顯示，汾河、昕水河、澮河、澇洰河等重點河段都遭受了不同程度富營養(yǎng)化污染，其中主要超標項目為總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學耗氧量、溶解氧等，因此治理臨汾地區(qū)水體富營養(yǎng)化的任務迫在眉睫。目前利用水生植物獨特的環(huán)境生物學特征和生態(tài)功能來進行污水凈化已被認為是一種成本低、效率高、可持續(xù)進行的良好方法，所以本課題組對臨汾市龍祠水源水生植物進行了調(diào)查，并選取龍祠泉域及其下游河道分布廣泛的植物針對水質(zhì)進行相關研究，以期尋找有效的水環(huán)境治理措施。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，燈心草(Juncus effuses Linn.)、水田芥(Nasturtium officinale R.Br.)、菹草(Potamogetom crispus Linn.)和輪藻(Chara inconnexa)是龍祠泉域的常見種，因此本研究擬利用這幾種植物通過室內(nèi)栽培試驗，探討其對水體總氮、總磷、氨氮和化學耗氧量的凈化效率，為臨汾地區(qū)水體富營養(yǎng)化的控制提供科學依據(jù)，為今后在野外環(huán)境合理運用水生植物進行水質(zhì)凈化提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料

水生植物燈心草、水田芥、菹草、輪藻均采自山西省臨汾市龍祠泉域，于2011年4月初(18～25℃)在無底泥透明塑料盒中用10%Hoagland營養(yǎng)液進行馴化培養(yǎng)7 d，選取生長良好、長勢一致的植株作為供試材料。

1.1.2 供試水體

供試水體是在10%Hoagland營養(yǎng)液的基礎上配制而成，考慮到植物凈化不同富營養(yǎng)化程度水體所遇到的問題不同，設計了兩個處理：

表1 試驗水體營養(yǎng)成分配比濃度

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

于2011年4月9日上午8：00時分別稱取相同質(zhì)量的供試材料約8 g，移入裝有供試水體的容積為15 L長方形透明塑料盒中，試驗水體體積為9 L。以不含植株的富營養(yǎng)化水體作為對照，每組設3次重復。試驗在山西師范大學通風寬敞，正常光照的實驗室內(nèi)進行，室溫為25℃/18℃，每天供氧8 h以確保水中含氧量。

1.2.2 水質(zhì)指標測定

試驗開始后每隔4 d取水樣進行測定，分別測定 TN、TP、NH4+－N和COD，試驗周期為20 d。試驗溶液中的TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定;TP采用鉬銻抗分光光度法測定;NH4+－N采用納氏試劑光度法測定;COD采用高錳酸鉀氧化法測定［2］。

1.2.3 計算方法

去除率的計算公式為：去除率(%)=(Co·Vo－Ci·Vi)÷(Co·Vo)×100% 。其中Co為初始時的濃度，Vo為初始時的體積，Ci為第i天的濃度，Vi為第i天的水體積。在許多靜態(tài)實驗中，有些通過添加蒸餾水或自來水以保持水體積不變，從而觀察所測指標濃度的降低［3］。這樣人為加水不僅不能反映自然條件下的過程，而且植物的吸收行為也會發(fā)生變化，從而影響凈化效果。所以本實驗模擬自然狀態(tài)下的情況，不添加水量，而是通過稱水重，換算所觀測指標的總量來計算去除率［4］。因此本試驗水中的凈化效果與自然狀態(tài)更符合。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Duncan法進行差異顯著性檢驗，用Excel軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 4種水生植物的生長情況

4種水生植物(燈心草、水田芥、菹草和輪藻)從移栽入試驗箱至試驗結束收獲時，其各自的生長情況有較大的差別?？傮w來說以燈心草的生長情況最佳，兩組處理中植物平均存活率可達98%以上，而且均有新長出的嫩綠的植株。水田芥在輕度處理下平均存活率可維持在90% ～95%之間，而且有新葉長出，葉片色澤鮮亮飽滿;在重度處理下平均存活率可維持在80% ～85%之間，葉片發(fā)黃，而且在試驗后期散發(fā)出濃烈的氣味。菹草在輕度處理下平均存活率可維持在90%～95%之間，而且不斷有新芽冒出;在重度處理下平均存活率可維持在85% ～90%之間，葉片顏色發(fā)黑，但也有新芽冒出;而輪藻在輕度處理下平均存活率可維持在95%以上，顏色發(fā)綠;在重度處理下的生長情況很不理想，顏色發(fā)黃而且在后期出現(xiàn)斷節(jié)現(xiàn)象，平均存活率低于80%。經(jīng)分析，造成這些差異的原因可能是燈心草作為挺水植物，根系發(fā)達，完全靠根部吸收營養(yǎng)，莖葉較少接觸水面，因此植物體死亡或植物代謝都較少;而水田芥、菹草和輪藻分別屬于漂浮植物、沉水植物和高等藻類，它們的共同之處是與污水接觸面積較大，倘若水體流動較少則極易產(chǎn)生植物體死亡或腐爛，從而影響植物存活率［5］。

2.2 4種水生植物對不同濃度TN的吸收效率

4種水生植物在輕度富營養(yǎng)濃度下對TN的吸收都有一定的效果，且其凈化能力隨著處理時間的延長而提高(圖1A)。不同植物對水體中TN的吸收能力有明顯的差異，其中水田芥對水體中TN的吸收能力最強，20 d內(nèi)試驗水體中的TN從1.5 mg/L下降到0.49 mg/L，吸收率為75.28%，其它3種植物的吸收率由高到低依次為燈心草(71.17%)、菹草(69.01%)、輪藻(64.08%)(表2)。4種水生植物在重度富營養(yǎng)濃度下對TN的吸收和輕度有明顯的區(qū)別(圖1B)，其中燈心草對水體中TN的吸收能力最強，20d內(nèi)試驗水體中的TN從15 mg/L下降到2.09 mg/L，吸收率為89.30%，其它3種植物的吸收率由高到低依次為菹草(72.47%)、水田芥(58.48%)、輪藻(41.56%)(表3)，在16天后水田芥和輪藻處理中，TN含量有所升高。方差分析結果顯示，兩種富營養(yǎng)化水體中對照與各處理吸收TN的差異均為顯著，由此可見，4種水生植物對TN的去除作用非常理想。

圖1 水生植物對兩種不同富營養(yǎng)化水中TN的去除效果

2.3 4種水生植物對不同濃度TP的吸收效率

4種水生植物在輕度富營養(yǎng)濃度下對TP的吸收趨勢基本一致，均為隨著植株處理時間的延長，TP吸收率逐漸增高，但升高的幅度減小(圖2A)。但不同植物對水體中TP的吸收能力有明顯的差異，其中吸收效果最好的是水田芥，20d內(nèi)試驗水體中的TP從0.2 mg/L下降到0.02 mg/L，吸收率為93.00%，其它3種植物的吸收率由高到低依次為菹草(86.32%)、輪藻(77.30%)、燈心草(64.32%)(表2)。4種水生植物在重度富營養(yǎng)濃度下對TP的吸收和輕度有明顯的區(qū)別(圖2B)，其中燈心草對水體中TP的吸收能力最強，20 d內(nèi)試驗水體中的TP從 2 mg/L下降到 0.44 mg/L，吸收率為83.11%，其它3種植物的吸收率由高到低依次為菹草(74.83%)、水田芥(53.18%)、輪藻(44.01%)(表3)，在試驗后期水田芥對TP的吸收不明顯，輪藻處理中TP含量有所升高。方差分析結果顯示，兩種富營養(yǎng)化水體中對照與各處理吸收TP的差異均為顯著，由此可見，4種水生植物對TP的去除作用也非常理想。

圖2 水生植物對兩種不同富營養(yǎng)化水中TP的去除效果

2.4 4種水生植物對不同濃度NH4+－N的吸收效率

在輕重兩種富營養(yǎng)化水體中，4種水生植物都是在試驗初期大量吸收NH+－N，使水體中NH+44－N濃度大幅降低(圖3)。在輕度富營養(yǎng)濃度下，水田芥對水體中NH4+－N的吸收能力最強，20 d內(nèi)試驗水體中的NH4+－N從0.32 mg/L下降到0.10 mg/L，吸收率76.35%，其它3種植物的吸收率由高到低依次為燈心草(68.43%)、輪藻(64.60%)菹草(62.45%)(圖3A和表2)。在重度富營養(yǎng)濃度下4種水生植物對NH4+－N的吸收和輕度有明顯的區(qū)別，其中燈心草對水體中NH4+－N的吸收能力最強，20d內(nèi)試驗水體中的從3.2 mg/L下降到0.69 mg/L，吸收率為83.41%，其它3種植物的吸收率由高到低依次為菹草(63.52%)、水田芥(55.96%)、輪藻(38.31%)(圖3B和表3)，在試驗后期在水田芥和輪藻處理中，NH4+－N含量升高。方差分析結果顯示，兩種富營養(yǎng)化水體中對照與各處理吸收的差異均為顯著，由此可見，4種水生植物對NH4+－N也有很好的去除作用。

圖3 水生植物對兩種不同富營養(yǎng)化水中NH4+－N的去除效果

2.5 4種水生植物對不同濃度COD的吸收效率

隨著處理時間的延長，各處理組水體中的COD濃度均呈下降趨勢(圖4)。在輕度富營養(yǎng)濃度下各種植體系對COD去除率由高到低依次為水田芥(83.74%)、燈心草(70.95%)、菹草(64.84%)、輪藻(54.52%)(圖4A和表2);在重度富營養(yǎng)濃度下，各種植體系對COD去除率由高到低依次為燈心草(78.56%)、菹草(61.64%)、水田芥(57.51%)、輪藻(38.08%)，4個處理組對COD的去除率均顯著高于對照，而且各處理組間差異顯著(圖4B和表3)，水田芥和輪藻在試驗后期COD含量升高。

圖4 水生植物對兩種不同富營養(yǎng)化水中COD的去除效果

表2 4種植物對輕度富營養(yǎng)化水體中總氮、總磷、氨氮、和化學需氧量去除率的比較

表3 4種植物對重度富營養(yǎng)化水體中總氮、總磷、氨氮、和化學需氧量去除率的比較

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，挺水植物(燈心草)、漂浮植物(水田芥)、沉水植物(菹草)和高等藻類(輪藻)4種水生植物對富營養(yǎng)化水中TN，TP，NH4+－N，和 COD都有不同程度的吸收凈化作用。4種植物的試驗水體中TN和NH4+－N的下降趨勢表明，隨著試驗時間的延長，氮含量都有所下降，對照組由于氨或氨氮的揮發(fā)也會使氮含量下降，可見氮的去除不僅主要依靠植物吸收去除作用，還有部分通過微生物的硝化和反硝化作用來實現(xiàn)。植物對不同形態(tài)氮的吸收具有一定的選擇性，通常認為，有機氮最先被植物吸收［6］，對于無機氮有研究發(fā)現(xiàn)植物優(yōu)先吸收氨氮和其他還原態(tài)氮，因而對氨氮的去除率較高，去除速率較快［7－8］。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，氨氮下降速率明顯快于總氮，在試驗前期植物就使NH4+－N濃度大幅降低，這主要是因為水中的一部分通過植物吸收和揮發(fā)作用而去除，大部分則是通過硝化作用和反硝化作用的連續(xù)反應而去除，這種反應過程會增加水體中NO3－－N的量，從而使TN的降解幅度變小。但隨著NH4+－N濃度下降并趨于穩(wěn)定值后，它轉(zhuǎn)變?yōu)镹O－－N的量減少，植物開始以吸收NO－33－N為主，從而不斷降低水體TN含量，導致試驗后期植物對TN的吸收率逐漸高于NH4+－N。在重度富營養(yǎng)化水體中水田芥和輪藻在試驗后期有植物死亡或植物代謝發(fā)生，死亡植物或代謝物會向水體釋放有機氮，這可能是它們氮去除率較低的原因之一。

磷素去除主要依靠植物吸收、根系吸附和沉降等作用共同完成［9］。水生植物對去除磷素發(fā)揮重要作用，一方面水生植物通過同化作用去除磷，即通過植物根系吸收可溶性活性磷(SRP)，合成核酸、核苷酸、磷脂及糖磷酸酯等植物細胞組成;另一方面，水生植物表面為聚磷菌等微生物提供附著空間，聚磷菌在好氧條件下通過主動輸送的方式將水體中的H3PO4攝入體內(nèi)合成ATP和聚磷酸鹽去除［10］。本試驗結果表明隨著試驗時間的延長，對照組由于磷素的沉淀也逐步降低，但植物組的下降幅度更大，證明磷素的去除是多種作用下共同完成的。在重度富營養(yǎng)濃度中，燈心草處理組中水體中磷含量下降最明顯，而且反復情況較小，這可能是由于挺水植物燈心草主要靠根部吸收營養(yǎng)，死亡植物或代謝物進入水體較少的緣故。水田芥和輪藻在試驗16～20 d，少部分植物出現(xiàn)死亡，死亡植物進入水體后使得水體磷含量升高，因此，它們在試驗中承受的磷負荷較大，磷去除率也相對減小。

水體中COD濃度下降是由于水體中的有機物在自然狀況下受到微生物的作用而逐步轉(zhuǎn)化為無機物所致［11］，因而對照組水體中的COD隨著試驗時間的延續(xù)也逐步降低，但植物組下降幅度更大，去除率顯著提高。這是由于植物一方面可以直接吸收小分子有機物，另一方面水生植物還可以通過向根區(qū)輸送氧［12－13］使根區(qū)附近變?yōu)楹醚醐h(huán)境，有利于污水中有機物的好氧分解。在重度富營養(yǎng)濃度下，試驗后期水田芥和輪藻處理水體中COD含量升高，其原因可能是由于老根的腐爛、老葉脫落引起，生長前期水生植物能降低COD，但后期又有所反彈，這主要是由于水生植物雖然去除了水中的營養(yǎng)物質(zhì)，但整個系統(tǒng)中的有機物并沒有消除，只是發(fā)生了轉(zhuǎn)化，后期水生植物的老葉分解會產(chǎn)生新的有機物質(zhì)［14］，因此COD又回升。

總之，本試驗選用的4種水生植物，在輕度富營養(yǎng)濃度中均生長良好，去除氮磷能力強，尤其是水田芥去除效果更是突出，而且輪藻對TP的去除也表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢;在重度富營養(yǎng)濃度中燈心草各方面去除效果表現(xiàn)最好，但水田芥和輪藻不適宜在污染嚴重的水體中生長，去除效果不太理想;菹草對水域富營化有較強的適應能力，在輕重兩個處理中都表現(xiàn)出較強的吸收效果，在今后臨汾地區(qū)富營養(yǎng)化水體治理中可以針對不同水質(zhì)選擇不同的植物。試驗中所選用的水生植物不僅具有凈化作用，而且在經(jīng)濟價值和景觀效果方面也有發(fā)展前景，菹草是很好的飼料和綠肥［15］，燈心草可以用來造紙，水田芥不僅是造景材料而且具有很好的食用和藥用價值［16］，利用這些水生植物一方面可以吸收富營養(yǎng)化水體中氮、磷等元素，另一方面也可以用于飼養(yǎng)動物或生產(chǎn)行業(yè)，這樣不僅可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，還有利于生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷循環(huán)向良性方向轉(zhuǎn)化，形成一個氮磷良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)。

本研究顯示，不同植物在不同富營養(yǎng)化水體的濃度范圍有不同的凈化效果，并且外部條件對植物生長發(fā)育及其凈化效果也有不可忽視的影響［17］。因此在水體凈化中，要合理選擇和搭配植物，適時打撈，使治理效果達到最佳，還應針對不同地區(qū)加強不同植物凈化效果影響因素的比較研究，為植物治理富營養(yǎng)化水體技術提供更多參考。同時在挑選植物時要綜合考慮植物的凈化能力，景觀效果和經(jīng)濟價值等方面，使生態(tài)價值和經(jīng)濟價值共同發(fā)展。

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N and P Removal from Eutrophicated Water with Four Hydrophytes

Wei Donghui1，Zhang Jiangting2，Wei Xuezhi1*
(1.College of Life Science，Shanxi Normal University，Linfen 041004，China;2.Department of Water Resources of Shanxi Province，Taiyuan 030000，China)

Effects on the removal of total nitrogen(TN)，total phosphorus(TP)，ammonia nitrogen(NH4+－N)and chemical oxygen demand(COD)and growth situation of four hydrophytes in two kinds of eutrophicated water were studied.The hydrophytes including Juncus effuses Linn.，Nasturtium officinale R.Br.，Potamogetom crispus Linn.and Chara inconnexa.The results indicated that in low degree eutrophicated water，N.officinale R.Br.had the best effect，after incubation of 20 days，the removal rates of TN，TP，NH4+－N and COD were 75.28%，93.00%，76.35%and 83.74%，respectively.The other three plants had a better purifying effect as well.While in high degree eutrophicated water，J.effuses Linn.had the best effect，after incubation of 20 days，the removal rates of TN，TP，NH4+－N and COD were 89.30%，83.11%，83.41%and 78.56%，respectively.But N.officinale R.Br.and C.inconnexa don’t have a better purifying effect.

hydrophytes;eutrophication;nitrogen;phosphorus;chemical oxygen demand;purifying effect

X52

A

1006－9690(2012)05－0012－06

10.3969/j.issn.1006－9690.2012.05.0003

2012－02－15

山西省水利廳

魏東慧(1985－)，女(漢)，在讀碩士研究生，主要從事植物學研究。E－mail：494562084@163.com

*通訊作者：魏學智，教授，碩士生導師，主要從事植物學研究 。E－mail：wxz3288@163.com