挺水植物與沉水植物組配對北大港水庫水質的影響

常素云，趙靜靜，劉小川，羅 莎，劉 波

(1.天津市水利科學研究院，天津300061;2.天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津300072)

植物修復是利用綠色植物將受污水體中的污染物移除、分解或利用的原位修復技術，相比傳統(tǒng)的水質處理技術，植物修復操作簡便、投資和維護成本低，而且還可以通過資源化利用取得一定的經濟效益[1-2]。水生植物在生長過程中，可以吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質，分解和利用水體有機物，富集重金屬，抑制藻類的生長等[3]，而且在冬季保留一定量的水生植物還可以避免水體水質惡化[4]，所以在水庫、大型湖泊等水體的修復實踐工程中，利用水生植物改善水體水質具有較廣闊的應用前景[5]。

水生植物在水生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的地位，但是如何選擇和配置水生植物是研究重點[6]。挺水植物與其他植物類型的組合種植對水質的凈化效果好于單種挺水植物的配置，特別是對NH3-N和TN有較強的去除，并能長期維持此凈化效果，說明水生植物的協(xié)同凈化對營養(yǎng)物有較好的去除效果[7-10]。北大港水庫由于連年干涸、水庫咸化等原因，水生植物種類較少:①挺水植物主要有香蒲和蘆葦，是鹽堿池塘的優(yōu)勢種，可以在含鹽量和堿度較大的水體中正常生長[11]，其生長和繁殖受到水位的顯著影響，當高水位持續(xù)時間超過30 d時，物種存活率會顯著降低[12-13]。香蒲的適應水位范圍較廣[14]，對受污水體中的COD、NH3-N及TP均具有一定的去除效果，但對TN的去除能力較低[15-17]。②沉水植物指金魚藻和狐尾藻、篦齒眼子菜。在北大港水庫，香蒲的生長水深為0.8～1.2 m之間，此水深同時也較適宜沉水植物的生長。因此，筆者探討了在北大港水庫當?shù)卦型λ参锏幕A上引入沉水植物，研究其對水質凈化效果的影響，最終優(yōu)選出水質凈化效果的水生植物配置。

1 材料與方法

試驗中使用的挺水植物香蒲，沉水植物篦齒眼子菜、金魚藻和狐尾藻均采自天津濱海新區(qū)。將采集到的沉水植物用潔凈自來水沖洗干凈，去除雜質，用濾紙吸干，稱重。

試驗用水采自北大港水庫(原水水質見表1)。試驗裝置采用5個玻璃水槽(600 mm×300 mm×360 mm，容積約60L)，分別編組為A、B、C、D、E 組。玻璃水槽底部鋪設約5 cm的細砂，以固定水生植物，并為水生植物提供扎根的基質。

表1 原水水質指標 mg/L

每個玻璃水槽中蓄水52 L，栽種總質量為260 g的水生植物，試驗設計組配如下:A組(香蒲+篦齒眼子菜)，B組(香蒲+金魚藻)，C組(香蒲+狐尾藻)，D組(單種香蒲)，E組(空白對照組)，見圖1所示。

試驗開始后，每隔一定時間取1次水樣進行分析，分別監(jiān)測 TN、TP、NH3-N、COD 和 DO 的質量濃度，以及監(jiān)測挺水植物與不同的沉水植物組配對水體水質的影響。水中pH 值、NH3-N、TN、TP、COD按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》中提供的方法進行測定。

2 結果與討論

圖1 挺水植物與沉水植物組配試驗

由試驗結果可知，單獨種植香蒲有利于水體中COD、TP、TN、NH3-N濃度的降低，并增加水體 DO濃度。而香蒲與沉水植物組配時，由于沉水植物全部生長在水體中，形成生物膜的比表面積較大，因此有利于水體中有機物降解和營養(yǎng)物質的吸收轉化。特別是香蒲與狐尾藻、香蒲與金魚藻組配，可以大幅度提高COD去除率。然而，由于不同沉水植物形態(tài)及利用N、P的能力不同，香蒲與不同沉水植物組配時對COD、N、P的去除效果不同。

2.1 對水體COD的去除效果

COD濃度是表征水體有機物多少的指標，其濃度值越大，說明水體被有機污染物污染的程度越深，不同水生植物組配對水體COD濃度的影響結果如圖2所示。試驗結束時，空白組COD濃度高于初始值;相比于空白組，D組中的COD濃度有所降低，說明單一種植香蒲對COD具有一定的去除能力，但去除率僅為2.84%;而香蒲與沉水植物組配時，水體中的COD濃度值大幅度降低。A組、B組、C組的去除率分別為5.68%、30.4%、24.1%，比D組分別提高了2.84%、27.6%、21.3%，由此看出沉水植物的加入對水體有機物有明顯的去除作用，香蒲與沉水植物組配可以提高對水體凈化的能力，在增加水生態(tài)環(huán)境多樣性的同時改善水體的水質狀況。由于狐尾藻、金魚藻和篦齒眼子菜的生長特征和形態(tài)不一樣，對有機物的降解能力也不一樣，所以對水體有機物的去除效果不同，與香蒲組配時，對水體COD值有不同程度的影響，其中B組是去除COD的最佳組配方式。

圖2 挺水植物與沉水植物各種組配對水體COD的影響

2.2 對水體TP、TN、NH3-N的去除效果

試驗水體中TP、TN、NH3-N的質量濃度變化如圖3所示，除了空白組N、P濃度變化幅度較小外，其他4組水體中N、P質量濃度均明顯降低。

圖3 挺水植物與沉水植物組配對水體TN、TP以及NH3-N質量濃度的影響

a.對TP的影響如圖3(a)所示。有水生植物反應器中的TP濃度明顯低于空白組，且去除率均在60%以上。說明各組配所選對水體TP的影響很大，能夠有效吸收、利用或轉化TP，降低濃度。有水生植物存在的反應器中，TP的去除率分別為:A組(83.9%)＞B組(65.7%)＞D組(63.4%)＞C組(62.1%)，即香蒲和篦齒眼子菜組配對TP的去除效果最好，相對于香蒲單獨作用于水體時，去除率提高了20%，A組是提高水體TP去除能力的最佳組配方式。

b.對TN的影響如圖3(b)所示。有水生植物的反應器中的TN濃度均低于空白組，TN的去除率分別為:B組(93.3%)＞A組(87.9%)＞D組(72.5%)＞C組(64.4%)。試驗結果表明，香蒲與篦齒眼子菜或金魚藻組配時，對水體中TN的去除效果有不同程度的提高，尤其是香蒲與金魚藻組配，相比于香蒲單獨作用與水體時，水體中TN去除率提高了近21%。

c.對NH3-N的影響如圖3(c)所示。各組配水體中的NH3-N濃度均比空白組的濃度低。A組、C組對NH3-N的去除效果相對較好，去除率分別為62.1%、61.9%，比空白組(32.5%)、B 組(46.3%)、D組(57.5%)的去除率都要高。

從各組配對水體中TN、NH3-N的影響分析可以看出，香蒲分別與狐尾藻、金魚藻、篦齒眼子菜組配時對水體TN的去除效果更好。由于水生植物對氮元素的吸收利用情況與氮存在的形態(tài)有關，所以同一試驗組配對TN和NH3-N的影響程度不一定呈正相關，如香蒲與金魚藻組配(B組)對TN的去除效果是最好的，但對NH3-N的去除率遠低于其他組配。

2.3 對水體DO的影響

挺水植物和沉水植物對水體DO濃度的影響是通過新陳代謝完成的。植物通過光合作用和呼吸作用共同完成對水體理化性質的影響。香蒲與狐尾藻、金魚藻、篦齒眼子菜的組配種植通過光合作用對水體產氧，另外植物的呼吸作用和殘體的分解又消耗水體中的DO。在適宜植物生長的水體中，產氧量大于耗氧量。試驗期間，有水生植物種植的反應器中DO濃度均高于空白組(圖4)。由于挺水植物和沉水植物的光合作用受到光照強度的影響，呼吸作用受到植物體新陳代謝和外界環(huán)境因子如溫度等的影響，當光照充足時，光合作用大于呼吸作用，即水體富氧，當光照較弱時，耗氧量大于產氧量，水體虧氧，所以水體中的DO濃度并不持續(xù)增加。另外，不同溫度下水體中DO濃度的飽和值不同，當DO濃度達到當時溫度的飽和值后會降低，所以水體中的DO濃度并不處于一個穩(wěn)定值，而只是一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

圖4 挺水植物和沉水植物組配對水體DO質量濃度的影響

表征水體DO的恢復能力可以通過DO濃度的增加量來分析。從圖4中可以看出，水體中DO濃度呈周期變化現(xiàn)象，初期逐漸上升，之后略有下降，然后再次呈現(xiàn)上升趨勢，這與前面的分析相一致。試驗期間各實驗組的平均DO值依次為:B組(10.6mg/L)＞D組(10.4mg/L)＞A組(9.0 mg/L)＞C組(9.6 mg/L)＞E組(8.4 mg/L)，說明香蒲與金魚藻組配的DO恢復能力最強。由于水體DO濃度存在一定的周期性，所以可以用試驗期間所測DO值的平均值來表征各組配對水體DO的影響狀況。由于植物的光合作用，增加沉水植物水體中的DO將會增加，但是由于沉水植物表面會附著大量的微生物，這些微生物可以較好地提高水體凈化效果，但與此同時也會消耗一部分DO，因此，本試驗中香蒲與其他沉水植物組配時，DO并無明顯提高。

2.4 對水體pH值的影響

水生植物改變水體pH值主要是由植物的生命活動實現(xiàn)的。香蒲和狐尾藻、金魚藻、篦齒眼子菜組配種植，通過光合作用促進水體碳循環(huán)，使水體pH值增大。由圖5可知，短時間內空白組水體pH值基本穩(wěn)定，A組、B組、C組在短時間內使水體pH值上升，而只有D組其pH值下降，說明單一種植香蒲的光合作用較弱，而沉水植物篦齒眼子菜、金魚藻、狐尾藻等植株體全部沒在水中，恢復較快，光合作用強于呼吸作用，對水體pH值影響較大。但在試驗后期，各試驗組水體的pH值均有一定幅度的上升，仍是空白組最低，可以發(fā)現(xiàn)，水體pH值可能還受到其他外界條件的影響。pH值的變化規(guī)律與DO值的變化趨勢具有一定的相關性，均與植物的生命活動息息相關。

有研究表明，水體pH值上升可以促進沉水植物對 TN、NH3-N 的去除效果[18]，與圖3(b)(c)結合，可以驗證這一結論。由此看出，水體的水質狀況并不是與各影響因子之間的簡單線性復合關系，各影響因子之間還存在著相互關聯(lián)和耦合，所以需要對水質進行綜合評價。

2.5 對水質綜合影響的評價

2.5.1 不同組配下的水質演化模擬

圖5 挺水植物和沉水植物組配對水體pH值的影響

水體是一個多元的復雜系統(tǒng)，影響水質評價的因素具有很多不確定性，水質與評價因子及各評價因子之間存在著復雜的非線性關系，所以筆者以最大流原理[19-20]為基礎，借鑒已有的水質評價動力學模型[21]，并借助Matlab平臺利用SOM網絡實現(xiàn)模擬，揭示水質在各影響因子干擾下的自組織變化規(guī)律。

選取COD、DO、pH、TP、TN、NH3-N 這6個指標為水質評價因子，即共6個組元，對原始數(shù)據(jù)進行處理并歸一化，得到如表2所示結果。

表2 水質評價指標歸一化數(shù)據(jù)

借助Matlab平臺，將歸一化數(shù)據(jù)代入SOM網絡中進行分析，采取3×2競爭網格數(shù)，400步人工神經網絡訓練，可得到不同組配植物水體的水質特征ξ值，水質演化模擬結果如圖6。

圖6 不同植物組配下水體水質演化模擬

2.5.2 模擬演化分析

圖6是水體系統(tǒng)內部各組元之間不斷地進行競爭、協(xié)作和自組織的模擬演化過程，是各組元(指標)相互作用的結果。演化前期ξ值波動較大，說明水體可呈現(xiàn)出來的水質模式有多種，隨著步數(shù)的增加，ξ值基本穩(wěn)定，系統(tǒng)呈現(xiàn)的模式逐漸穩(wěn)定，最終在內外環(huán)境約束下保持了客觀反映水質狀況的主導模式，這表明水體的各組元相互作用中遵循最大流原理達到了基本穩(wěn)定的狀態(tài)。所以，穩(wěn)定后的ξ值是水體水質在各組元相互耦合的作用和關聯(lián)下最終呈現(xiàn)出來的水質結構表現(xiàn)值，可以代表試驗水體的水質情況，ξ1～ξ5依次表征 A、B、C、D、E 組配組水體的水質表現(xiàn)值，案例中ξ值越大，說明水質情況越好。

表征挺水植物香蒲與不同沉水植物組配的試驗水體水質情況的ξ值分別如下:ξ1=9.145，ξ2=10.109，ξ3=5.457，ξ4=5.197，ξ5=3.171。

可以看出，ξ1、ξ2值較大，說明 A 組、B 組組配時，對水體的水質影響較大，水質改善效果較好。ξ2值最大，說明香蒲和金魚藻組配的水質綜合情況最好。從單因子分析的結果來看，A組對NH3-N、TP的去除效果最明顯，B組對TN、COD的去除更有效，所以選擇適合北大港水庫水體環(huán)境生長和繁殖，并能提高北大港水庫水質的沉水植物，還要根據(jù)水體污染情況而定。若區(qū)域內磷含量較高，可引進篦齒眼子菜與香蒲組配，若有機物污染嚴重，則可引進金魚藻與香蒲組配。

3 結論

挺水植物和沉水植物組配可以不同程度上改善水體的水質狀況，增強水體的自我凈化能力，改善水生態(tài)環(huán)境。其中，香蒲與篦齒眼子菜組配對NH3-N、TP的去除效果最為明顯，香蒲與金魚藻組配對TN、COD的去除最有效，兩種組配方式對水體水質的影響較為明顯，能一定程度上改善水體的水質情況。香蒲是北大港水庫當?shù)氐膬?yōu)勢種，在正常生長的水位范圍內比蘆葦種植相對較廣泛，沉水植物篦齒眼子菜和金魚藻是耐鹽性植物，所以在北大港水庫香蒲生長區(qū)域，可以考慮人為恢復篦齒眼子菜或金魚藻，以提高水庫的自我凈化能力，改善水庫的水生態(tài)環(huán)境。

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