不同基質(zhì)對苦草凈化水質(zhì)效果的影響

摘要[目的] 研究3種不同基質(zhì)對苦草凈化水質(zhì)效果的影響程度。[方法] 通過靜態(tài)模擬試驗，對苦草在不同基質(zhì)材料（磨石、碎石和鵝卵石）下凈化水體中的NH3N、TP、CODMn和改善水體DO的效果及其生物量變化進行研究。[結(jié)果] 采用磨石時，苦草對水體中NH3N、TP、CODMn的去除效果較好，去除率分別達到了94.45%、94.31%和68.97%。在試驗第18 天和第35 天時，基質(zhì)組的水體中DO濃度均高于對照組。其中，第18 天時苦草+磨石的水體中DO濃度較高，最高達到了14.04 mg/L；第35 d天時苦草+鵝卵石的水體中DO濃度較高，可達到13.52 mg/L，明顯高于苦草對照組的12.72 mg/L。各基質(zhì)組的生物量也均高于對照組，其中鵝卵石組生物量增量最大，達到了4.841 g，其次是磨石，最后是碎石。[結(jié)論] 該研究表明基質(zhì)是影響沉水植物的環(huán)境因素之一，能一定程度地提高沉水植物的凈水效果。

關(guān)鍵詞基質(zhì)；苦草；水質(zhì)凈化效果；生物量

中圖分類號S181.3文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2014）36-13001-04

Abstract [Objective] The research aimed to determine the effect of different substrates on the water purification abilities of Vallisneria natans.[Method] V. natans was planted in three substrates such as millstone， macadam and cobblestone for 45 days. During the growth， NH3N， TP， CODMn ， dissolved oxygen （DO） and the change of biomass was determined.[Result] The results showed that the water purification effect for NH3N， TP， CODMn of V. natans in the millstone is higher than in the other two substrates and the removal efficiency reach 94.45%， 94.31% and 68.97%， respectively. Whether on the 18th day or on the 35th day， the concentration of DO in the water under three different substrates is higher than the control group. On the 18th day， for the DO improvement effects of V. natans under three different substrates， millstone rank first， in which the maximum DO concentration reach 14.04 mg/L. On the 35th day， the concentration of DO in the cobblestone rank first and the maximum DO concentration reach 13.52 mg/L. The biomass of different substrates is all higher than the control group and the biomass increment of cobblestone rank first， in which the maximum biomass increment reach 4.841 g， followed by millstone and macadam.[Conclusion] This study proved that substrate which is one of environmental factors can improve the water purification effect of submerged plants.

Key words Substrates； Vallisneria natans； Water purification effects； Biomass

目前，部分地區(qū)的城市河流出現(xiàn)了富營養(yǎng)化、水質(zhì)嚴重惡化等環(huán)境問題。水生植物修復技術(shù)操作簡單、經(jīng)濟，在水體原位修復中扮演重要角色[1-2]。而沉水植物具有改善水體溶解氧、水下光照強度等優(yōu)勢，是水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分[3-4]。研究表明，沉水植物對營養(yǎng)鹽（氮、磷）、有機物、重金屬等污染物都有一定凈化能力[5-8]，對部分浮游生物也有較好的抑制效果[9]。然而，沉水植物的生長和水質(zhì)凈化效果受到多種環(huán)境因子影響，如水溫、光照、營養(yǎng)鹽、CO2等[10-18]。其中，基質(zhì)是沉水植物根系的固著基礎(chǔ)，是沉水植物生長、繁殖等的基本條件，是重要的環(huán)境影響因素之一。李壘等[19]、陳開寧等[20]、董百麗等[21]研究了不同底質(zhì)或改良后的底質(zhì)對不同沉水植物生長的影響。謝貽發(fā)等[22]還研究了不同基質(zhì)對苦草的生長和形態(tài)特征的影響。然而，基質(zhì)不僅能固定沉水植物，而且是沉水植物的營養(yǎng)來源，還能為微生物提供庇護場所。有關(guān)基質(zhì)條件對沉水植物生長、繁殖的研究較多，而基質(zhì)對沉水植物的水質(zhì)凈化能力的影響研究較少。為此，筆者通過研究不同基質(zhì)對苦草凈水能力的影響，為基質(zhì)的篩選提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

苦草和基質(zhì)均在重慶江北區(qū)望?；ㄊ匈徶?，購回后，將其分株、洗凈，隨后將其整體置于盛有清水的塑料桶中預(yù)培養(yǎng)、備用?；|(zhì)材料包括磨石、鵝卵石、人工碎石，各基質(zhì)材料的物理性質(zhì)見表1。購回后洗凈，烘干備用。試驗培養(yǎng)容器為上口徑34 cm，下口徑27 cm，高35 cm的塑料桶，容積為20 L；上口徑20 cm，下口徑14 cm，高7 cm的塑料籃。

1.4測定項目及方法

試驗開始后，每隔5 d從各試驗桶中取出水樣進行測定。測定水體中的NH3N、TP、CODMn指標。NH3N采用納氏試劑分光光度法，TP采用鉬酸銨分光光度法，COD采用高錳酸鹽指數(shù)法。2013年11月7日（陰天）和2013年11月24日（晴天）的11：00～18：00，每隔1 h分別對4組的DO濃度進行測定。DO濃度用HQ30d便攜式溶氧儀直接測定。試驗結(jié)束后，用濾紙吸干苦草表面的水，測定各試驗組中沉水植物的鮮重。

42卷36期錢珍余等不同基質(zhì)對苦草凈化水質(zhì)效果的影響

2結(jié)果與分析

2.1不同基質(zhì)對苦草凈化水體NH3N的影響

氨氮（無機氮）是水生植物生長、繁殖不可或缺的營養(yǎng)之一，沉水植物可直接通過吸收作用去除氨氮。同時，微生物的硝化、反硝化作用也是沉水植物凈化氨氮的主要機制之一[23]。

圖1顯示了不同基質(zhì)下（磨石、鵝卵石、碎石、無基質(zhì)），苦草對水體中的氨氮凈化效果的動態(tài)變化。由圖1可以看出，前期磨石和鵝卵石都對苦草的水質(zhì)凈化能力有提高作用，碎石對苦草的水質(zhì)凈化效果改善不佳。各組均在試驗的第30天時，去除效果達到最好。隨后，由于氣溫逐步降低，部分植物出現(xiàn)了枯黃腐爛現(xiàn)象，各組試驗水體中NH3N濃度呈上升趨勢。隨著苦草逐漸適應(yīng)環(huán)境，各組試驗水體中NH3N濃度又都呈平穩(wěn)的趨勢下降。其中，磨石對苦草的水質(zhì)凈化能力改善效果相對較好，試驗第30天時，其水體中NH3N濃度為0.087 mg/L，去除率達到了95.07%。而對照桶的NH3N濃度為0.191 mg/L，NH3N的去除率為8919%。后期，鵝卵石組水體中氨氮的濃度起伏較大，原因可能是鵝卵石中釋放出部分氨氮[24]。試驗結(jié)束時，磨石組、鵝卵石組和碎石組對NH3N的去除率分別達到了9445%、9389%和93.66%，均高于對照組的92.30%。

2.2不同基質(zhì)對苦草凈化水體TP的影響

水生植物對磷的去除主要通過植物吸收以及植物與聚磷菌等微生物協(xié)同完成[25]，而基質(zhì)不僅能起到固定沉水植物的作用和截留污染物的作用，更為重要的是它能為微生物提供較為穩(wěn)定的附著空間，因此基質(zhì)對水體中磷的去除具有重要意義。

圖2是苦草在不同基質(zhì)條件下對總磷的凈化效果動態(tài)變化。由圖2可以看出試驗初期TP濃度下降較快，中期由于氣溫等原因，部分試驗組中的總磷濃度出現(xiàn)了小幅上升，后期可能由于水樣中總磷濃度較低，各試驗組的總磷濃度呈平緩趨勢下降。磨石對苦草的TP凈化效果提高最大，試驗結(jié)束時水體中的總磷濃度為0.021 mg/L，去除率達到了9431%。其次是碎石，試驗結(jié)束時總磷濃度為0.025 mg/L，其對總磷的去除率達到了93.22%。最后是鵝卵石，試驗結(jié)束時總磷濃度為0.052 mg/L，去除率為85.91%，略高于對照桶的總磷去除率（84.82%）。以上結(jié)果表明，各種基質(zhì)對苦草水質(zhì)總磷凈化能力的改善效果依次為：磨石>碎石>鵝卵石。

2.3不同基質(zhì)對苦草凈化水體CODMn的影響

水生植物主要通過本身的吸收作用、微生物的降解作用、基質(zhì)的物理作用以及三者的協(xié)同作用等達到去除有機污染物的目的[26]。

由于冬季苦草的生長勢減緩，導致其輸氧和光合釋氧能力逐漸降低[27]，微生物所需氧量供應(yīng)不足，并且隨著溫度下降微生物活性降低，因此CODMn去除效果也隨之降低。

圖3為在不同基質(zhì)條件下，苦草對水體中CODMn的凈化效果動態(tài)變化。從圖中可以看出，磨石組中苦草對CODMn的凈化效果較好，試驗結(jié)束時，水體中的CODMn濃度為3.313 mg/L，去除率為68.97%。其次是碎石組，試驗結(jié)束時，水體中的CODMn濃度為3.636 mg/L，去除率為65.95%。鵝卵石組與對照組中，苦草對CODMn凈化趨勢差異不明顯，試驗結(jié)束時水體中的CODMn濃度分別為3.798 mg/L和4.024 mg/L，去除率分別為64.43%和62.31%。上述結(jié)果表明，磨石對苦草水質(zhì)CODMn凈化能力改善效果較好。

2.4不同基質(zhì)對兩種沉水植物提高水體DO的影響

沉水植物通過吸收空氣及水體中的CO2進行光合作用生成O2，從而增加水體中的溶解氧。而沉水植物的產(chǎn)氧量的影響因素包括光照強度、水溫、pH、CO2以及植物自身生理狀況等[28]。因此，在相同試驗環(huán)境條件下，水體中的DO濃度可間接地反映沉水植物的生理生長狀況。

圖4顯示了試驗第18天苦草在各基質(zhì)中和無基質(zhì)條件下，對水體中DO改善效果的動態(tài)變化。試驗期間，天氣陰，水溫為16.0～17.5 ℃。從圖4中可以看出各基質(zhì)組的水體中DO濃度均高于對照組。其中，從14：00到18：00，磨石組中DO濃度相對其他試驗組較高，最大濃度達到了14.04 mg/L。雖然是陰天，但期間風量較大，且水溫較為適宜，使得各試驗組中DO濃度較高且變動較大。

為10.8～11.8 ℃。由于光照強度的增大，苦草的光合作用增強，使得各試驗組的水體中DO濃度呈現(xiàn)上升趨勢。各基質(zhì)組的水體中的DO濃度都不同程度地高于對照桶。其中，從12：00到18：00，鵝卵石組的DO濃度最大，最大DO濃度達到了13.52 mg/L，原因可能是鵝卵石組中的苦草生長勢最好。

可能是由于水溫、光強與水溫的交互作用[29]、苦草的生理及生長狀況等因素的影響，從而使得同一時段，陰天各試驗組水體中的DO濃度高于晴天的。

2.5不同基質(zhì)對苦草生物量的影響

基質(zhì)對于沉水植物能起到固定的基礎(chǔ)作用，使得沉水植物處于較為穩(wěn)定的環(huán)境中生長，而受風、浪等環(huán)境因素的影響較小，從而促進沉水植物的生長、發(fā)育和繁殖。

在不同基質(zhì)條件下，苦草的生物量變化情況見表3。在不同基質(zhì)條件下，苦草的生物量都有所增加。其中，鵝卵石組的苦草生物量增加最大，增加幅度也是最大的，達到了9.67%。對照組的苦草由于生長狀況不佳，部分葉片出現(xiàn)枯黃腐爛現(xiàn)象，生物量增加最小。由此證明，基質(zhì)的存在更有利于苦草的生長。磨石的生物量增加幅度雖然小于鵝卵石，但是其對苦草凈水效果提高卻最大，由此說明磨石能有效促進苦草凈化水體中的污染物。

3結(jié)論

（1）不同的基質(zhì)（磨石、鵝卵石、碎石）均能不同程度地提高苦草對水體中NH3N、TP、CODMn的凈化效果，且磨石組對NH3N、TP、CODMn的水質(zhì)凈化效果較好。

（2）試驗第18天和試驗第35天各試驗組（磨石、鵝卵石、碎石）的水體中DO濃度改善效果均好于苦草對照組。

（3）苦草在各基質(zhì)組中的生物量均高于對照組的，基質(zhì)的存在能促進苦草的生長、發(fā)育等，并且能一定程度地提高苦草的凈水能力。

4討論

基質(zhì)是沉水植物生長、繁殖、凈化水質(zhì)的重要影響因子之一?；|(zhì)不僅能為植物的生長提供穩(wěn)定的固著基礎(chǔ)，而且可能為參與水體凈化的重要成員——微生物提供必要的生存空間，以提高沉水植物凈化水質(zhì)的效率。不同的基質(zhì)有不同的物理特性，如孔隙率、空隙率等，導致它們的污染吸附能力、為微生物提供的空間能力等不同，從而使得不同基質(zhì)對沉水植物的水體凈化能力的改善效果有所不同。李金中等[30]研究發(fā)現(xiàn)頁巖、陶粒、麥飯石和礫石的物理性質(zhì)各不相同，它們對水體的凈化能力也各不相同。王穎等[31]也研究發(fā)現(xiàn)植物+基質(zhì)組對受污水體的凈化效果比基質(zhì)組、植物組和空白組都好。程南寧等[32]研究發(fā)現(xiàn)建筑砂、普通壤土、棕毛基質(zhì)等不同基質(zhì)對沉水植物凈水效果的改善能力各不相同。

在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究了在不同基質(zhì)條件下（磨石、鵝卵石、碎石、無基質(zhì)），苦草對苦溪河河水水質(zhì)NH3N、TP、CODMn和DO的改善效果。在為期45 d的試驗研究結(jié)束時，磨石對改善苦草凈化水質(zhì)NH3N、TP和CODMn均有較好效果，去除率分別為94.45%、94.31%和68.97%。碎石組對苦草凈化水質(zhì)NH3N、TP和CODMn也有一定改善作用，去除率分別為93.66%、93.22%和65.95%，部分僅次于磨石。最后是鵝卵石，對NH3N、TP和CODMn的去除率為93.89%、85.91%和64.43%。試驗前期，各試驗組水體中的NH3N、TP和CODMn濃度下降較快，原因可能是苦草的吸收、基質(zhì)吸附、微生物降解和污染物自身沉降等的作用。在試驗中期，各試驗組水體的水質(zhì)都出現(xiàn)了一定程度的波動，該現(xiàn)象主要出現(xiàn)在試驗第30天以后，其中最為明顯的就是鵝卵石組對NH3N和CODMn的去除效果，其去除率從試驗第30天的9479%和58.38%降低到了試驗第35天的85.80%和5489%。其原因可能是氣溫的下降影響了苦草的自身生理及生長、微生物活性等或者可能是基質(zhì)釋放出部分NH3N和CODMn。同時，可以看出各試驗組的苦草對低溫環(huán)境的適應(yīng)能力較強（該結(jié)果與王陽陽等[33]的研究結(jié)果一致），使得試驗后期各試驗組水體中的NH3N、TP和CODMn濃度呈平穩(wěn)下降趨勢。

研究結(jié)果顯示，試驗中各基質(zhì)組水體中的DO濃度均高于對照組。上述結(jié)果表明，雖然苦草的光合產(chǎn)氧量受水溫、光照強度等因素的影響，但是基質(zhì)的存在能一定程度地提高苦草的產(chǎn)氧量，原因可能是基質(zhì)的存在能促進苦草的生長、發(fā)育。各基質(zhì)組的生物量也均高于對照組，該試驗結(jié)果也證明了上述結(jié)論。其中，雖然苦草在磨石組的生物量不及在鵝卵石組的大，但是磨石組對NH3N、TP和CODMn的去除率卻是最高的，間接地說明磨石對苦草的水質(zhì)凈化能力改善效果較好。以上試驗結(jié)果表明：相比于鵝卵石和碎石，采用磨石時，苦草對水質(zhì)改善效果相對較好。

大量研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同的基質(zhì)材料有不同的物理化學性質(zhì)，如孔隙率、空隙率、透水性、強度等；其次，它們對不同的污染物質(zhì)凈化效果也不盡相同。該研究僅涉及了3種基質(zhì)，這3種基質(zhì)強度都較高，但都存在容重較大的問題，且其凈化機制還不清楚。因此，還需進一步探索研究更多孔隙率大、透水性強、強度高、比重小、凈水能力好、對水體無污染、成本低等的基質(zhì)材料并研究其凈化機制。

該試驗僅進行的是相對穩(wěn)定的靜態(tài)試驗，與實際環(huán)境存在差異，但研究結(jié)果對城市污染河流凈化的沉水植物基質(zhì)選擇具有一定指導意義，可通過合理選擇基質(zhì)種類，來提高沉水植物凈化水質(zhì)的能力。

參考文獻

[1]

任照陽，鄧春光.新興綠色技術(shù)——水生植物修復技術(shù)[J].節(jié)水灌溉，2007（4）：17-19.

[2] 李金中，李學菊.人工沉床技術(shù)在水環(huán)境改善中的應(yīng)用研究進展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2006，25（S1）：825-830.

[3] 程南寧，朱偉，張俊.重污染水體中沉水植物的繁殖及移栽技術(shù)探討[J].水資源保護，2004（6）：8-11.

[4] XU F，YANG Z F，CHEN B，et al.Impact of submerged plants on ecosystem health of the plant-dominated Baiyangdian Lake，China[J].Ecological Modelling，2013，252：167-175.

[5] DAI Y R，JIA C R，LIANG W，et al.Effects of the submerged macrophyte Ceratophyllum demersum L.on restoration of a eutrophic waterbody and its optimal coverage[J].Ecological Engineering，2012，40：113-116.

[6] GAO J Q，XIONG Z T，ZHANG J Q，et al.Phosphorus removal from water of eutrophic Lake Donghu by five submerged macrophytes[J].Desalination，2009，242（1/3）：193-204.

[7] CHI J，YANG Q.Effects of Potamogeton crispus L.on the fate of phthalic acid esters in an aquatic microcosm[J].Water Research，2012，46（8）：2570-2578.

[8] HARGUINTEGUY C A，CIRELLI A F，PIGNATA M L.Heavy metal accumulation in leaves of aquatic plant Stuckenia filiformis and its relationship with sediment and water in the Suquía River （Argentina）[J].Microchemical Journal，2014，114：111-118.

[9] ELLEN V D.Impact of submerged macrophytes including charophytes on phyto- and zooplankton communities：allelopathy versus other mechanisms[J].Aquatic Botany，2002，72（3/4）：261-274.

[10] MD H，IRFANULLAH B M.Factors influencing the return of submerged plants to a clear-water，shallow temperate lake[J].Aquatic Botany，2004，80（3）：177-191.

[11] KURTZ J C，JOHN D F Y.Effects of light reduction on growth of the submerged macrophyte Vallisneria americana and the community of root-associated heterotrophic bacteria[J].Journal of Experimental Marine Biology and Ecology，2003，291（2）：199-218.

[12] DEPEW D C，HOUBEN A J，OZERSKY T，et al.Submerged aquatic vegetation in Cook's Bay，Lake Simcoe：Assessment of changes in response to increased water transparency[J].Journal of Great Lakes Research，2011，37：72-82.

[13] ZAMAN T，ASAEDA T.Effects of NH+4N concentrations and gradient redox level on growth and allied biochemical parameters of Elodea nuttallii（Planch.）[J].FloraMorphology，Distribution，F(xiàn)unctional Ecology of Plants，2013，208（3）：211-219.

[14] 黃玉源，雷澤湘，何柳靜，等.不同磷濃度對水生植物苦草的影響研究[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2011，34（2）：12-16.

[15] 葉春，鄒國燕，付子軾，等.總氮濃度對3種沉水植物生長的影響[J].環(huán)境科學學報，2007，27（5）：739-746.

[16] MALHEIRO A C E，JAHNS P，HUSSNER A.CO2 availability rather than light and temperature determines growth and phenotypical responses in submerged Myriophyllum aquaticum[J].Aquatic Botany，2013，110：31-37.

[17] 李益健，任南，嚴國安，等.環(huán)境因子對東湖幾種沉水植物生理的影響研究[J].武漢大學學報：自然科學版，1996，42（2）：213-218.

[18] 曹昀，胡紅，時強.沉水植物恢復的透明度條件研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40（3）：1710-1711.

[19] 李壘，廖日紅，牛影，等.不同特性底質(zhì)對沉水植物恢復生長的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報，2010，19（11）：2680-2685.

[20] 陳開寧，陳小峰，陳偉民，等.不同基質(zhì)對四種沉水植物生長的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2006，17（8）：1511-1516.

[21] 董百麗，秦伯強，龔志軍，等.三種沉積物改良措施比較及其對苦草生長的影響[J].生態(tài)學雜志，2011，30（12）：2726-2731.

[22] 謝貽發(fā)，李傳紅，劉正文，等.基質(zhì)條件對苦草（Vallisneria natans）生長和形態(tài)特征的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2007，26（4）：1269-1272.

[23] 吳建強，黃沈發(fā)，丁玲.水生植物水體修復機理及其影響因素[J].水資源保護，2007，23（4）：18-22.

[24] 廖曉數(shù)，賀鋒，成水平，等.選定因素下濕地基質(zhì)中氨氮釋放的正交試驗研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2008，27（1）：291-294.

[25] 左奇麗，李子燕，楊曉玲，等.沉水植物對水中氮、磷的去除效果[J].化工進展，2012，31（1）：217-221.

[26] 程天行，陳季華，鄭向勇，等.人工濕地去污機理的研究進展[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2008（21）：290-292.

[27] 李金中，李學菊，劉學功，等.人工沉床對COD的凈化效果及其影響因素研究[J].海河水利，2010（5）：38-42.

[28] 陳開寧，強勝，李文朝.蓖齒眼子菜的光合速率及影響因素[J].湖泊科學，2002，14（4）：357-362.

[29] 朱丹婷.光照強度、溫度和總氮濃度對三種沉水植物生長的影響[D].金華：浙江師范大學，2011.

[30] 李金中.人工沉床改善水質(zhì)技術(shù)研究[D].天津：南開大學，2010.

[31] 王穎，馬凡凡，侯迪，等.植物基質(zhì)對受污水體凈化效果的研究[J].環(huán)?？萍迹?013（1）：1-3.

[32] 程南寧.漸沉式沉床恢復沉水植物的生長條件研究[D].南京：河海大學，2005.

[33] 王陽陽，吳海龍，霍元子，等.冬季苦草與伊樂藻對貢湖水源地水質(zhì)凈化效果研究[J].上海海洋大學學報，2012，21（1）：73-77.