常見水生植物對(duì)農(nóng)田退水中總氮和總磷的凈化能力研究

劉作云，王雅麗，龔道新，焦雨婷

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005）

農(nóng)田退水是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主體，也是造成水體污染的重要原因之一[1]。為解決水污染問題，建設(shè)污水處理廠雖然是非常有效的措施，但投資巨大。此外，農(nóng)田退水的排放具有一定的時(shí)空分布性，工程治理往往得不到預(yù)期的效果。從世界各國(guó)的經(jīng)驗(yàn)來看，僅靠工程措施仍很難使已惡化的水環(huán)境得以完全修復(fù)，尤其是對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的水體[2]。植物修復(fù)技術(shù)作為一種與污水處理廠互補(bǔ)的水處理技術(shù)[3]，以其投資少、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、沒有二次污染[4-5]，且能夠有效地改善生態(tài)和景觀環(huán)境質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)而日益受到人們的關(guān)注[6-7]。研究通過實(shí)驗(yàn)室模擬，較為系統(tǒng)地探討了6種常見水生植物對(duì)農(nóng)田退水中總氮（TN）和總磷（TP）的凈化作用，同時(shí)對(duì)比研究了這6種水生植物對(duì)農(nóng)田退水中TN和TP凈化能力的差別，以期為農(nóng)田退水進(jìn)行高效、低成本的中端治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試植物的采集與馴化 供試植物：水芹菜、空心菜、紫背浮萍、水浮蓮、三葉浮萍和滿江紅。采集地點(diǎn)：湖南省長(zhǎng)沙縣黃興鎮(zhèn)水稻種植區(qū)邊的小池塘；湖南省長(zhǎng)沙縣泉塘果蔬種植地邊的小池塘；湖南省園藝研究所果樹基地附近的小池塘；湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)研究基地的小池塘。

將從野外采集回來的供試植物分別在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)環(huán)保研究所的生態(tài)模擬池中馴化培養(yǎng)一段時(shí)間。生態(tài)模擬池中加入一定量的農(nóng)田退水，并加入一定量的人工營(yíng)養(yǎng)液，其組成為：20 mg/L NH4NO3，15 mg/L CaCO3（用濃HCl溶解），50 mg/L MgSO4·7H2O，40 mg/L K2HPO4，50 mg/L FeSO4·7H2O，1 mg/L Na2-EDTA，1.42 mg/L H3BO3，1.54 mg/L MnSO4·7H2O，6.59 mg/L ZnSO4·7H2O，2.52 mg/L Na2MoO4·2H2O，0.39 mg/L CuSO4·5H2O，0.09 mg/L CoSO4·7H2O。培養(yǎng)液的pH值用KOH溶液調(diào)至7左右，培養(yǎng)溫度為23~28℃，光照為3 000~5 000 Lx，光暗時(shí)間比為16 h∶8 h，待供試植物大量擴(kuò)增后用作試驗(yàn)材料。

1.1.2 農(nóng)田退水樣品的采集分析與人為模擬 從長(zhǎng)沙縣或湖南省農(nóng)科院水稻、蔬菜及果樹種植區(qū)的周邊，選擇一些小池塘并從中采集水樣分析其中TN和TP的量，在此基礎(chǔ)上配制試驗(yàn)用農(nóng)田退水：從湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研試驗(yàn)基地的小池塘中采集水樣，水樣經(jīng)初次沉淀等預(yù)處理后，分別加入NH4HCO3和K2HPO4，使模擬農(nóng)田退水中TN含量為45.0 mg/L，TP含量為18.5 mg/L，同時(shí)調(diào)節(jié)pH值為7.2左右。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

8月11日選取6種水生植物（水浮蓮、紫背浮萍、水芹菜、三葉浮萍、滿江紅、空心菜）在供試水體中適應(yīng)培養(yǎng)7 d后，分別稱取（用吸水紙吸干水分）200.0 g，移入直徑為75 cm、高度為18 cm的圓心塑料盆中（其內(nèi)裝有供試用農(nóng)田退水），試驗(yàn)用水20 L。試驗(yàn)在玻璃溫室里進(jìn)行，用蒸餾水來補(bǔ)充容器中蒸發(fā)和蒸騰所耗的水分，以保持恒定水位。在培養(yǎng) 1、2、3、5、7 d后，直接測(cè)定水體中 TN 或 TP 的含量，計(jì)算不同處理下水生植物對(duì)TN或TP的凈化率。凈化率（%）=100×培養(yǎng)前后農(nóng)田退水中TN或TP濃度差/培養(yǎng)前農(nóng)田退水中TN或TP濃度。試驗(yàn)重復(fù)3次，并設(shè)對(duì)照處理。

1.3 測(cè)定方法與步驟

TN測(cè)定采用GB11894-89《堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》[8]。吸取水樣10 mL于25 mL具塞比色管中，加5 ml堿性過硫酸鉀溶液，塞緊磨口塞，用紗布及紗繩裹緊管塞，將比色管置于壓力蒸汽滅菌鍋中，調(diào)節(jié)溫度至120～124℃，保持30 min，自然冷卻，開閥放氣后，取出比色管，冷卻至室溫，加入HCl（1∶9）1 mL，用無氨水稀釋至25 mL標(biāo)線，移取部分溶液至10 mm石英比色皿中，以無氨水為參比，分別測(cè)定其在波長(zhǎng)220 nm和275 nm處的吸光度。用無氨水代替水樣進(jìn)行空白校正，用硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液配制標(biāo)準(zhǔn)系列，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線定量。試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

TP測(cè)定采用GB11893-89《鉬酸銨分光光度法》[9]。吸取水樣25 mL于50 mL具塞比色管中，加入4 mL過硫酸鉀溶液，塞緊磨口塞，用紗布及紗繩裹緊管塞，將比色管置于壓力蒸汽滅菌鍋中，調(diào)節(jié)溫度至120℃，保持30 min，自然冷卻，開閥放氣后，取出比色管，冷卻至室溫，再加入1 mL抗壞血酸溶液，混勻，30 s后加入2 mL鉬酸鹽溶液，混勻，放置15 min，移取部分溶液至30 mm石英比色皿中，以蒸餾水為參比，測(cè)定其在波長(zhǎng)700 nm處的吸光度。用蒸餾水代替水樣進(jìn)行空白校正，用磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液配制標(biāo)準(zhǔn)系列，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線定量。試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田退水中總氮的動(dòng)態(tài)變化

6種供試水生植物對(duì)農(nóng)田退水中TN的凈化率見表1?？梢姡寒?dāng)有水生植物存在時(shí)，農(nóng)田退水中TN的凈化率大為提高，這說明6種供試水生植物對(duì)農(nóng)田退水中TN的凈化能力很強(qiáng)。在試驗(yàn)1~3 d時(shí)供試水體中的TN濃度急速下降，到5 d時(shí)水體中的TN濃度趨于平穩(wěn)，5~7 d后水體中的TN濃度變化不大；在試驗(yàn)進(jìn)行5 d后，6種供試水生植物對(duì)農(nóng)田退水中TN的凈化能力的大小順序?yàn)椋嚎招牟?水芹菜>紫背浮萍>水浮蓮>三葉浮萍>滿江紅。在處理20 d后，供試水生植物對(duì)農(nóng)田退水中TN的凈化率達(dá)85.8%~95.6%，凈化率大小順序?yàn)椋嚎招牟?水芹菜>水浮蓮≈紫背浮萍>滿江紅≈三葉浮萍。但是在試驗(yàn)早期（前3 d），三葉浮萍和滿江紅對(duì)農(nóng)田退水中TN的凈化能力較強(qiáng)，而在后期（3 d以后）則逐漸減弱；水芹菜、紫背浮萍和水浮蓮則正好相反，它們?cè)谠囼?yàn)早期對(duì)農(nóng)田退水中TN的凈化能力相對(duì)較弱，而在后期則逐漸加強(qiáng)。導(dǎo)致這種差異的主要原因是三葉浮萍和滿江紅的根系較短、單位體積的重量較小，相同質(zhì)量的水生植物的個(gè)體數(shù)量多；而水芹菜、空心菜、紫背浮萍和水浮蓮的根系較長(zhǎng)，單位個(gè)體的重量較大，相同質(zhì)量的水生植物的個(gè)體數(shù)量少。而且，滿江紅和三葉浮萍等還可吸收固定大氣中的氮，導(dǎo)致其后期對(duì)農(nóng)田退水中TN的凈化作用減弱。

表1 6種供試水生植物對(duì)農(nóng)田退水中TN的凈化率（%）

2.2 農(nóng)田退水中總磷的動(dòng)態(tài)變化

6種供試水生植物對(duì)農(nóng)田退水中TP的凈化率見表2?？梢姡寒?dāng)有水生植物存在時(shí)，農(nóng)田退水中TP的凈化率大為提高，遠(yuǎn)高于對(duì)照組，尤以水芹菜對(duì)水體中TP的凈化率最高；處理7 d后，6種供試水生植物對(duì)農(nóng)田退水中TP的凈化率大小為：水芹菜>空心菜>水浮蓮>紫背浮萍>三葉浮萍>滿江紅。處理20 d后，TP的凈化率達(dá)95.3%~97.2%，凈化率大小順序?yàn)椋核鄄?空心菜>水浮蓮>紫背浮萍≈三葉浮萍≈滿江紅。在試驗(yàn)處理7 d后對(duì)照處理組中TP的去除率僅為41.2%，而有水生植物的處理組則在85%以上，這說明水生植物的種植可以顯著地加快對(duì)農(nóng)田退水中TP的凈化作用。

表2 6種供試水生植物對(duì)農(nóng)田退水中TP的凈化率（%）

3 討論

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水芹菜、空心菜、紫背浮萍、水浮蓮、三葉浮萍和滿江紅都能有效地加速凈化農(nóng)田退水中的TN和TP，利用這些常見的水生植物及其群落組合系統(tǒng)凈化農(nóng)田退水中的TN和TP是農(nóng)業(yè)面源污染治理的一個(gè)可行途徑。不過，試驗(yàn)所選擇的6種水生植物僅是湖南地區(qū)常見的很少一部分植物，在不同地區(qū)的生態(tài)環(huán)境條件下還有更多的植物可供選擇，今后還應(yīng)擴(kuò)大范圍在更廣的區(qū)域篩選出更多的對(duì)農(nóng)田退水中的TN和TP等有良好凈化作用的植物。

由于研究目前尚局限于實(shí)驗(yàn)室的模擬研究階段，目的在于篩選對(duì)農(nóng)田退水中氮、磷等具有凈化能力的植物，研究時(shí)間有限，所得到的數(shù)據(jù)也不是長(zhǎng)期穩(wěn)定的，僅進(jìn)行了初期的分析，對(duì)以后的實(shí)地推廣應(yīng)用還應(yīng)深入系統(tǒng)地研究。此外，由于影響污染物質(zhì)在水體及植物組織體內(nèi)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的因素較多，而本研究是在玻璃溫室中進(jìn)行的，所設(shè)計(jì)的環(huán)境條件均處于一種較為理想的狀態(tài)（pH=7左右，溫度為23~28℃，光照為3 000~5 000 Lx，光暗時(shí)間比為16 h∶8 h），適合于植物生長(zhǎng)，因而試驗(yàn)效果也是一種較為理想的狀態(tài)；而且研究的目的重在觀察和分析對(duì)模擬農(nóng)田退水的處理效果，而對(duì)污染物去除的機(jī)制缺乏深入的探討，還需要進(jìn)一步的分析。

4 小結(jié)

6種供試水生植物（水浮蓮、紫背浮萍、水芹菜、三葉浮萍、滿江紅、空心菜）可以大量吸收利用農(nóng)田退水中的TN和TP等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。利用水生植物凈化20 d后，其中TN的凈化率達(dá)85.8%～95.6%，TP的去除率達(dá)95.3%～97.2%，均遠(yuǎn)高于對(duì)照組的55.6%（TN）和58.9%（TP）。而且，生物方法處理后，水生植物及其產(chǎn)品可以作為肥料、飼料或蔬菜，這樣不僅可以有效凈化農(nóng)田退水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物，又可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的循環(huán)利用。

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[8]GB 11894-89.堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[S].

[9]GB 11893-89.鉬酸銨分光光度法[S].