不同植物對(duì)土壤中氮磷的凈化能力研究

褚丕圖 雷婧張綿綿

（1.河北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 石家莊 050000 2.河北省環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 石家莊 050091）

不同植物對(duì)土壤中氮磷的凈化能力研究

褚丕圖1雷婧2張綿綿2

（1.河北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 石家莊 050000 2.河北省環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 石家莊 050091）

選取黑麥草、水芹、香根草作為研究對(duì)象，對(duì)三種植物吸收和去除土壤中氨氮、總氮及總磷能力進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明：植物在污染物凈化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。其中黑麥草對(duì)氮的吸收總量最高，其氮的吸收總量達(dá)5.26～11.73g/m2，高出水芹0.4～4.9倍，高出香根草3.9～10.8倍。表明黑麥草通過(guò)自身吸收作用對(duì)土壤氮的去除能力高于水芹和香根草。三種植物對(duì)磷的吸收總量在試驗(yàn)地中也均以黑麥草最高，同一植物在3種基質(zhì)試驗(yàn)地的氮、磷吸收量則較接近。試驗(yàn)基地的黑麥草總生物量均高于水芹和香根草。

植物；土壤；氮磷含量；凈化能力

在長(zhǎng)期的土壤發(fā)育和演替過(guò)程中，當(dāng)水域受到污染后，一些污染物隨著水體通過(guò)沉淀或者由顆粒物吸附而蓄積在土壤中。土壤通常是水體內(nèi)氮磷物質(zhì)、難降解有機(jī)物、重金屬等污染物的儲(chǔ)存庫(kù)，受污染土壤大都成為所在水體的主要污染源。在一定條件下，土壤中的污染物可能會(huì)釋放出來(lái)造成二次污染。目前，土壤污染已成為世界范圍內(nèi)的重要環(huán)境問(wèn)題之一。降解污染是土壤演替過(guò)程的生態(tài)功能之一，對(duì)化學(xué)物質(zhì)具有高效的處理和凈化能力。

氮素和磷素是植物生長(zhǎng)過(guò)程中的主要營(yíng)養(yǎng)元素，植物在生長(zhǎng)過(guò)程中能夠不同程度的吸收土壤中氮、磷等元素，進(jìn)而達(dá)到凈化土壤的效果，減少環(huán)境受損的程度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表明，土壤環(huán)境中的氮、磷含量可對(duì)植物體內(nèi)的氮、磷含量進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而可以得出植物對(duì)土壤中氮磷的吸收狀況，但當(dāng)土壤中氮、磷素富集時(shí)，同樣會(huì)對(duì)土壤的造成污染[1]。已有許多關(guān)于植物對(duì)土壤氮或磷吸收的報(bào)道[2～4]，但有關(guān)植物對(duì)土壤氮磷比影響的研究并不多。

本文根據(jù)對(duì)不同土壤的氮磷比的研究分析，探討不同植物對(duì)土壤的氮、磷凈化結(jié)果，為土壤凈化處理提供參考依據(jù)。此研究對(duì)于受氮、磷污染的土壤的改善有很大意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 植物凈化試驗(yàn)

據(jù)研究表明，有80多種高等植物可以凈化土壤中氮、磷的污染，但每種植物對(duì)土壤中的氮磷吸收量各有不同，這些植物以一年生、多年生的草本植物和花卉居多。根據(jù)生態(tài)學(xué)原理，利用植物自身的凈化能力，在植物的選擇上應(yīng)該利用當(dāng)?shù)仄贩N，或者把多種不同的植物進(jìn)行組合，從而更容易保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。同時(shí)，此選擇對(duì)降低成本、美化環(huán)境，也有很大的優(yōu)勢(shì)[5]。

1.2 植物凈化的成果

劉淑媛等人[5]的實(shí)驗(yàn)研究用無(wú)土栽培水蕹菜、多花黑麥草和水芹等植物來(lái)凈化水體中的氮、磷含量，去除效果較好；王旭明等[6]實(shí)驗(yàn)表明，水芹對(duì)土壤中的氮、磷有較好的去除效果；由文輝等人的實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)去除土壤中的氮、磷可利用水芹和水雍菜，這兩種植物具有很好的去除效果并且成本較低；同時(shí)，馬立珊等人[7]的研究實(shí)驗(yàn)表明去除水體中的氮、磷含量可用浮床香根草且操作簡(jiǎn)單；楊丹箐等人[8]實(shí)驗(yàn)表明，水翁可去除富營(yíng)養(yǎng)化水體氮磷等。Nathalieeta1.等人[9]的實(shí)驗(yàn)研究利用商業(yè)化深液流（NFT）水培系統(tǒng)飄浮栽培毛曼佗羅來(lái)凈化修復(fù)城市生活污水，并取得了較好的成果。以上這些研究為修復(fù)水體、土壤氮、磷污染提供了參考和依據(jù)。

1.3 植物凈化的研究

Shaver及Bedford等人[10]指出，植物組織中的氮/磷比化學(xué)計(jì)量特征是確定植被受氮素還是受磷素限制的指示劑，確定植物生長(zhǎng)受氮素還是磷素限制，當(dāng)?shù)?磷比計(jì)量達(dá)到合理范圍內(nèi)，對(duì)植物的生長(zhǎng)、保持生物多樣性具有重要意義。

植物吸收氮、磷的量受土壤中可利用氮、磷含量的影響，因此，植物體內(nèi)氮/磷的變化直接受土壤中的氮/磷比的變化影響。從理論上推測(cè)，植物體內(nèi)氮、磷比受土壤中供給氮、磷比的影響；shaver等和Mamolos[10]等的研究表明，生境中氮和磷含量的變化直接影響植物體內(nèi)的氮、磷比；Bowman[10]研究表明，土壤氮/磷比不但能夠影響植物氮、磷比，而且前者的變化幅度比后者大，這是由于植物自身存在一定的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制導(dǎo)致的[11]。可見(jiàn)，土壤氮、磷比與植物體內(nèi)氮、磷比密切相關(guān)。

1.4 國(guó)內(nèi)外研究中存在的不足

近幾十年，國(guó)內(nèi)外利用植物凈化土壤中氮、磷的研究在理論研究和實(shí)踐應(yīng)用方面均取得了較大的進(jìn)展，但是仍有不足之處：目前我國(guó)水體修復(fù)工程的研究較多，可用于水體凈化的植物已經(jīng)有四五十種，而這些水生植物大多生長(zhǎng)較快，凈化效果各有不同。但對(duì)于去除土壤中的氮、磷研究相對(duì)較少，雖然這些研究有一定的理論價(jià)值，但仍然存在應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)帶來(lái)外來(lái)物種入侵等生態(tài)問(wèn)題[12]。

針對(duì)目前研究的不足，本文以沿江地區(qū)不同土壤中氮磷比對(duì)不同植物的影響作為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)觀察，在不同的采樣點(diǎn)采集土壤試樣，并研究不同植物凈化土壤效果，綜合比較三種植物凈化能力的排序。

2 材料與方法

樣品采集：選取不同地段的土壤作為實(shí)驗(yàn)基地，分別對(duì)水芹、黑麥草、香根草進(jìn)行培育。

方法原理：K2S2O8氧化紫外分光光度法測(cè)定；NH4+-N采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；NO3-N采用紫外分光光度法測(cè)定；TP采用K2S2O8氧化鑰藍(lán)比色法測(cè)定[13]。植物樣：全N和全P采用H2SO4-H2O2消化測(cè)定。每種植物處重復(fù)取樣5次進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要有 TN、TP。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在深圳沿江選取不同地段的土壤作為試驗(yàn)基地，試驗(yàn)基地選自不同污染的水源地周邊。試驗(yàn)植物選取水芹、黑麥草和香根草在不同試驗(yàn)基地進(jìn)行培育種植，三個(gè)試驗(yàn)基地的N、P情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)基地N、P情況

實(shí)驗(yàn)周期為15d，試驗(yàn)開始后，每15d取三種植物的組織，以測(cè)出植物中氮、磷含量變化的情況，本實(shí)驗(yàn)主要研究的植物種類如表2所示。

表2 植物種類

2.2 不同植物在試驗(yàn)基地的生長(zhǎng)情況

試驗(yàn)期間，在三種實(shí)驗(yàn)基地中的植物：水芹的植物增長(zhǎng)率為4.36，黑麥草的植物增長(zhǎng)率為12.00，香根草的增長(zhǎng)率為6.79，因此，黑麥草的生長(zhǎng)在三種植物中最為旺盛。植物的生長(zhǎng)會(huì)受外界環(huán)境的影響，8、9月份外界環(huán)境氣溫偏高，因?yàn)楹邴湶莺拖愀輰儆谙矞刂参?，因受外界氣溫影響，所以黑麥草和香根草的增長(zhǎng)速度較快，而水芹屬于喜涼植物，所以，受外界溫度偏高影響，其生長(zhǎng)速度較慢。因此，植物的生長(zhǎng)快慢與外界溫度有直接關(guān)系。

表3 不同植物增長(zhǎng)率平均值

2.3 植物生物量的測(cè)定

經(jīng)過(guò)2個(gè)月的試驗(yàn)，測(cè)量生長(zhǎng)在試驗(yàn)基地內(nèi)三種植物的總生物量在121.8～557.4g/m2之間，試驗(yàn)基地的黑麥草總生物量均高于水芹和香根草。同一植物在不同生長(zhǎng)系統(tǒng)中的總生物量存在差異，因此，引起植物生物量間差異的主要原因是植物種類和生長(zhǎng)環(huán)境的不同。

三塊試驗(yàn)基地中黑麥草、水芹和香根草的生物量分配也明顯不同。水芹的地上生物量比平均為143；黑麥草的地上生物量比平均為427；香根草與其他兩種植物相比較有更為發(fā)達(dá)的根系，所以其地上生物量比其他兩種植物低，平均值為3.3。

表4 試驗(yàn)基地內(nèi)各植物的生物量干重

2.4 試驗(yàn)基地中植物的N、P含量

表5的數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)8、9月份各植物地上部分的氮、磷含量。經(jīng)過(guò)對(duì)各試驗(yàn)基地中植物地上部分的氮、磷含量測(cè)量，并對(duì)其計(jì)算氮、磷含量的平均值。由表5可知，在不同的月份，受氣溫、水溫等環(huán)境變化的影響，黑麥草、水芹和香根草地上部的氮、磷含量不同。受不同氣溫、環(huán)境等變化影響，各實(shí)驗(yàn)基地黑麥草地上部磷含量處升高的態(tài)勢(shì)，而水芹的磷含量處于降低態(tài)勢(shì)。

在三種試驗(yàn)地內(nèi)植物地上部分的氮、磷含量均是水芹＞黑麥草＞香根草。水芹、黑麥草和香根草在三種試驗(yàn)基地內(nèi)的氮、磷平均 含 量 分 別 為 26.33mg/g，3.33mg/g；24.34mg/g，2.64mg/g 和12.39mg/g，1.41mg/g。因此，不同植物的氮、磷含量有所不同，與植物自身的生理特性和生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)。

表5 試驗(yàn)基地內(nèi)各植物地上部分的N、P含量

2.5 試驗(yàn)基地中植物N、P的吸收量

依據(jù)各試驗(yàn)基地不同植物生物量和植物體內(nèi)氮、磷含量的測(cè)定，計(jì)算三種植物中的氮、磷吸收量，并相加求得各植物的氮、磷吸收總量。各實(shí)驗(yàn)基地中，黑麥草對(duì)氮的吸收總量最高，其氮的吸收總量達(dá) 5.26～11.73g/m2，高出水芹 0.4～4.9 倍，高出香根草 3.9～10.8倍。表明黑麥草通過(guò)自身吸收作用對(duì)土壤氮的去除能力高于水芹和香根草。三種植物對(duì)磷的吸收總量在試驗(yàn)地中也均以黑麥草最高，同一植物在三種基質(zhì)試驗(yàn)地的氮、磷吸收量則較接近。

表6 試驗(yàn)基地內(nèi)各植物的N、P吸收量

2.6 試驗(yàn)基地中對(duì)土壤N、P的去除

圖1所示為黑麥草、水芹和香根草三種植物的吸收作用對(duì)各試驗(yàn)基地中N，P的去除貢獻(xiàn)。黑麥草自身吸收的N分別約占1、2、3基地TN去除量的59.4%，56.2%和39.3%；實(shí)驗(yàn)表明。黑麥草吸收的磷占各系統(tǒng)TP去除量的比率均高達(dá)88.0%以上。因此，種植黑麥草的各實(shí)驗(yàn)基地，土壤的氮、磷去除效果較好，所以，植物的吸收作用為土壤中去除氮、磷的做了重大貢獻(xiàn)，也成為去除氮、磷的主要機(jī)制。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，水芹吸收的氮量占總?cè)コ康谋嚷蕿?0.2～37.6%。因此，水芹吸收土壤中氮的含量不多，效果不佳。水芹吸收的磷量占總?cè)コ康谋嚷蕿?6.8～34.5%，水芹吸收土壤中磷的含量不多，效果一般；所以，水芹的去除貢獻(xiàn)并不大。香根草在各基地中吸收的氮量占總?cè)コ康谋嚷?.8～17.6%，其對(duì)土壤中氮的吸收也不能起到主要去除作用。有數(shù)據(jù)可知，香根草對(duì)土壤中磷的去除率也很小。

圖1 3種植物的吸收作用對(duì)各試驗(yàn)基地中N，P的去除貢獻(xiàn)

2.7 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)研究表明，植物生物量差異主要取決于植物自身的生理特性、對(duì)環(huán)境營(yíng)養(yǎng)的吸收及對(duì)周圍生長(zhǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。試驗(yàn)期間，對(duì)黑麥草進(jìn)行了兩次收割后，黑麥草的生物量明顯增加。所以，兩次收割刺激了其自身的生長(zhǎng)。黑麥草、水芹和香根草在各試驗(yàn)基地不同土壤內(nèi)的正常生長(zhǎng)也說(shuō)明了三種植物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。

3 結(jié)論

本文針對(duì)目前研究的不足，以深圳沿江地區(qū)土壤中N、P比對(duì)不同植物的影響作為研究對(duì)象，通過(guò)觀察分析，在不同的土壤中N、P比情況，針對(duì)不同種植物凈化土壤效果，綜合比較植物凈化能力序列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：黑麥草對(duì)土壤中的氨氮、總氮及總磷的去除效果明顯，水芹其次，而香根草的效果最差。其次三種植物對(duì)土壤中的的總磷去除效果不明顯。

[1]史家梁，徐亞同，張圣章.環(huán)境微生物學(xué)[M].上海：華東大學(xué)出版社，1995.

[2]韓瀟源，畢繼勝，宋志文.水生植物在水污染控制中的應(yīng)用與發(fā)展[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，26（6）：88～91.

[3]孫軍，劉東艷，陳宗濤，等.不同氮磷比率對(duì)青島大扁藻、新月柱鞘藻和米氏凱倫藻生長(zhǎng)影響及其生存策略研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，5（11）：2122～2126.

[4]Drenovsky R E，Richards J H.Critical N：Pvalues：Predicting nutrient deficieneie shrublands[J].Plantandsoil，2004，259：59～69.

[5]劉淑媛，任久長(zhǎng)，由文輝.利用人工基質(zhì)栽培經(jīng)濟(jì)植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體的研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，35（4）：518～521.

[6]王旭明，匡 晶.水芹菜對(duì)污水凈化的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1999，18（1）：34～35.

[7]唐世榮.污染環(huán)境植物修復(fù)的原理與方法[M]．北京：科學(xué)出版社，2006：70～99.

[8]袁東海，高士祥，任全進(jìn)，等.幾種植物凈化污染源中總氮和總磷效果的研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2004，18（4）：77～80.

[9]楊玉海，陳亞寧，李衛(wèi)紅，等.準(zhǔn)噶爾盆地西北緣新墾綠洲土地利用對(duì)土壤養(yǎng)分變化的影響[J].中國(guó)沙漠，2008，28（1）：94～100.

[10]Nathalie V，F(xiàn)abien M，Huguete S，et al.Treatment of domestic waste water by an hydroponic NET system[J].C hem osphere.2003，50：121～129.

[11]王曉月，常杰.不同程度富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)植物凈化能力比較研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19（6）：690～692.

[12]王秉璽，曹先.西寧曹家堡機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)土壤養(yǎng)分特征的初步研究[J].中國(guó)沙漠，2008，28（1）：137～141.

[13]閻恩榮，王希華，周武.天童常綠闊葉林演替系列植物群落的N：P化學(xué)計(jì)量特征[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，32（1）：13～22.

X173

A

1005-7897（2016）16-0094-03

2016-8-13