水生植物對(duì)富營養(yǎng)化水體凈化效果的初步研究

相　晨，盧劍波，劉　芳，李偉東

(1.杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州 310036；2. 杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

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水生植物對(duì)富營養(yǎng)化水體凈化效果的初步研究

相晨1，盧劍波1，劉芳2，李偉東1

(1.杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州 310036；2. 杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

通過室內(nèi)水箱種植，設(shè)置S1(大薸)、S2(大薸+金魚藻)和S3(狐尾藻+金魚藻+大薸)3種水生植物組合在重度富營養(yǎng)水體中進(jìn)行水培試驗(yàn)，并連續(xù)測定水體TN、TP、CODMn、電導(dǎo)率、DO和pH等指標(biāo)。結(jié)果表明：S3對(duì)富營養(yǎng)化水體具有較強(qiáng)的凈化能力，對(duì)TN、TP的吸收效果良好；對(duì)TN的去除率S1>S2>S3，對(duì)TP的去除率S2>S3>S1； S2、S3與S4(空白對(duì)照組)之間的差異都極顯著； S1、S2與S4之間的CODMn降低率差異都極顯著，在處理效果最佳時(shí)期，CODMn降低率S3>S1>S2；S1、S2與S4之間的DO差異都極顯著。試驗(yàn)前水體渾濁，試驗(yàn)結(jié)束后，水體清澈見底。大薸、狐尾藻和金魚藻3種水生植物可作為長江中下游地區(qū)，特別是浙江省“五水共治”工程中河道富營養(yǎng)化水體治理的優(yōu)選水生植物材料。

水生植物；富營養(yǎng)水體；水體治理；水質(zhì)指標(biāo)；凈化效果

0　引言

隨著人類對(duì)環(huán)境資源開發(fā)利用活動(dòng)日益加劇，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模地迅速發(fā)展，使得大量含有N、P營養(yǎng)物質(zhì)的生活污水排入附近的湖泊、水庫和河流[1-6]，增加了這些水體營養(yǎng)物質(zhì)的負(fù)荷量，這極大地縮短了水體由貧營養(yǎng)向富營養(yǎng)過渡所需要的時(shí)間[7-8]。水體富營養(yǎng)化不僅對(duì)水體水質(zhì)有嚴(yán)重影響，還會(huì)影響到周邊環(huán)境和人文景觀，甚至通過水生態(tài)系統(tǒng)危害到人類的健康。水體富營養(yǎng)化已成為日趨嚴(yán)重的全球性環(huán)境問題,目前在河道、湖泊濕地系統(tǒng)利用水生植物凈化水體、水生植物選擇和措施方面已經(jīng)開展了大量研究和實(shí)踐[9-13]。部分水生植物對(duì)N、P去除效果明顯[14-15]，并通過水生植物光合作用，增加水質(zhì)DO含量[16-17]，從而改善水質(zhì)。本研究篩選大薸(Pistiastratiotes)、狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)和金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)3種水生植物為研究對(duì)象，重點(diǎn)觀測在富營養(yǎng)水體狀態(tài)下，水生植物生長狀況、其對(duì)TN、TP的去除效果和其它水質(zhì)指標(biāo)的變化情況，分析不同植物組合對(duì)富營養(yǎng)化水體不同指標(biāo)改善能力的優(yōu)劣及種植技術(shù)，為富營養(yǎng)化水體治理優(yōu)選高效、適宜的水生生物提供科學(xué)支撐，以期為長江中下游地區(qū)，特別是浙江省“五水共治”工程中河道富營養(yǎng)化水體治理的水生植物物種優(yōu)選提供依據(jù)。

1　試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2015年7—9月進(jìn)行，地點(diǎn)為杭州師范大學(xué)下沙校區(qū)2號(hào)試驗(yàn)樓，前期因高溫天氣將試驗(yàn)地點(diǎn)安排室內(nèi)，后期試驗(yàn)在陽光照射良好、通透的走廊進(jìn)行。

2　試驗(yàn)材料

2.1樣品采集

依據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，本研究通過查閱大量資料，深入實(shí)地調(diào)查和比較，本著本土性、適應(yīng)性和強(qiáng)凈化性的原則，選擇了大薸(Pistiastratiotes)、狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)和金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)3種對(duì)富營養(yǎng)化水體修復(fù)效果好的水生植物。

試驗(yàn)物種介紹：

(1)大薸(Pistiastratiotes)

大薸屬生飄浮草本。全球熱帶及亞熱帶地區(qū)廣布種。本種喜歡高溫多雨的環(huán)境，適宜于在平靜的淡水池塘、溝渠中生長。在溫暖的南方是水田中常見的雜草(中國植物物種信息數(shù)據(jù)庫)。

(2)狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)

多年生粗壯沉水草本。為世界廣布種，中國南北各地池塘、河溝、沼澤中常有生長，常與穗狀狐尾藻混在一起。夏季生長旺盛,冬季生長慢，能耐低溫，一年四季可采收，可為養(yǎng)豬、養(yǎng)魚、養(yǎng)鴨的飼料(中國植物物種信息數(shù)據(jù)庫)。

(3)金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)

金魚藻是金魚藻科金魚藻屬、多年生草本的沉水性水生植物，分布于中國、蒙古、朝鮮、日本、馬來西亞、印度尼西亞、俄羅斯及其它一些歐洲國家、北非及北美，為世界廣布種(中國植物物種信息數(shù)據(jù)庫)。

水生植物的種苗由杭州天景水生植物園提供。

試驗(yàn)水體由杭州下沙之江東路錢塘江邊濕地水體與來自浙江杭州蕭山舒蘭農(nóng)業(yè)蔬菜基地的沼液3∶1自行配制，依據(jù)《GB3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值評(píng)判，屬于嚴(yán)重富營養(yǎng)化的劣V類水體[18]。

表1　試驗(yàn)所用植物分組配比

2.2水生植物培養(yǎng)

本試驗(yàn)采用人工控制的方法，選取經(jīng)馴養(yǎng)適應(yīng)一段時(shí)間后生長狀況基本一致的健康幼苗移栽入16個(gè)45cm×41cm×31cm(長×寬×高)敞口塑料培養(yǎng)箱，箱底預(yù)置約6cm厚的底泥。底泥取自杭州師范大學(xué)下沙校區(qū)花房土壤，使用旱地土壤的目的是降低土壤內(nèi)水草繁殖體對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。

各處理重復(fù)4次。試驗(yàn)過程中定期添加待純水至箱內(nèi)水線以補(bǔ)給蒸發(fā)造成的水分損失。

2.3測定指標(biāo)與測定方法

測定指標(biāo)包括DO、pH、水溫、電導(dǎo)率、TN、TP、CODMn。其中DO、pH、水溫、電導(dǎo)率采用HACH HQ40D測定儀測定；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)測定；TP采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)測定；CODMn使用CODMn法(GB11892-89)測定。從試驗(yàn)開始，連續(xù)記錄植物生長狀況并測定相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)，每3d分析測定DO、pH、水溫、電導(dǎo)率；每7d分析測定TN、TP、CODMn。試驗(yàn)開始前先測定污水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，之后每7d取水樣1次測定，每個(gè)水樣進(jìn)行3次平行測定。取樣時(shí)間均為上午8∶00—9∶00，以減少試驗(yàn)誤差。

2.4數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)通過SPSS19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯著性水平設(shè)置為0.05，相關(guān)圖標(biāo)制作在Excel中完成。

3　結(jié)果與分析

3.1水生植物對(duì)試驗(yàn)水體DO的改善效果

經(jīng)過長達(dá)7 周的試驗(yàn)，利用SPSS19.0分析可以看出：S1、S2各組與S4空白對(duì)照組之間的差異都極顯著，其P(Sig)<0.01；S3與S4之間的差異顯著，其P(Sig)<0.05。結(jié)合圖4可以看出，3個(gè)植物組合對(duì)污水的DO均有良好的改善，效果明顯。各組合植物對(duì)試驗(yàn)水體DO的改善效果在前12d較不穩(wěn)定，之后效果逐漸顯現(xiàn)，在后15d效果非常明顯。這可能由于：①后期生物量明顯增加；②水質(zhì)在前期試驗(yàn)過程中已有所改善，更適合水生植物生長；③從高溫天氣轉(zhuǎn)為非高溫天，溫度條件的改善也促進(jìn)了水生植物的生長。比較各組合對(duì)試驗(yàn)水體DO的改善效果，DO的增加值S2>S3>S1，而S1組合不穩(wěn)定，這與大薸在人工環(huán)境中生長狀況不佳，常萎蔫死亡，植物凋落物向水體提供了大量的有機(jī)物質(zhì)有關(guān)。另外，也與試驗(yàn)時(shí)間過長，超過植物生長周期導(dǎo)致其死亡有關(guān)。

在各組合總生物量一樣的情況下，狐尾藻和金魚藻對(duì)增加水體DO含量具有良好的效果。S2和S3在前期水體DO增加較慢，主要是由于金魚藻生長與光照關(guān)系密切，試驗(yàn)初期水質(zhì)過于渾濁，水中透入光線較少，金魚藻生長狀況不佳?？瞻讓?duì)照組的DO值的增加效果與各組合表現(xiàn)為趨勢一致性，是由于空白組與其他組合在試驗(yàn)過程中都處在同一溫度、光照等相同外界條件下，水體中都存在有對(duì)DO值有增加效果的微生物，這些微生物可能來自沼液和水樣。

3.2水生植物對(duì)試驗(yàn)水體電導(dǎo)率的改善效果

利用SPSS19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可以看出：S1、S2、S3各組與S4之間的差異都極顯著，其P(Sig)<0.01；S3與S2及S1之間差異也極顯著，其P(Sig)<0.01。說明水生植物對(duì)水中導(dǎo)電離子有很大的吸附作用。電導(dǎo)率降低率S3>S1>S2，分別為37.46%、35.1%和31.88%，S3、S1與S4比較分別高出2.62%和0.67%。由圖5可以看出，試驗(yàn)水體 4個(gè)組合的電導(dǎo)率均有下降趨勢。各組合植物對(duì)試驗(yàn)水體的電導(dǎo)率改變?cè)谠囼?yàn)前期效果明顯，之后趨于平緩，在試驗(yàn)中期出現(xiàn)第二次效果明顯后重新趨于平緩。

3.3水生植物與試驗(yàn)水體pH的關(guān)系

pH影響試驗(yàn)水體碳酸鹽平衡體系，影響水生生物對(duì)水中CO2的吸收作用，對(duì)水生生物初級(jí)生產(chǎn)力有顯著影響。由SPSS19.0分析可知： S3與S4之間的差異顯著，其P(Sig)=0.026<0.05，這是由于S3種植了3 中水生植物，而S4沒有種植植物。由圖6可以看出， 4個(gè)組合的試驗(yàn)水體的pH均有一定的變化。各組合試驗(yàn)水體的pH值在前15d穩(wěn)中有降，12～15d急劇下降后有所回升。比較各組合試驗(yàn)水體pH的變化情況，下降率S3>S1>S2，分別為7.17%、6.17%和4.87%，與S4比較各高出6.49%、5.49%和4.19%。在各組合總生物量一樣的情況下，S3(狐尾藻+金魚藻+大薸)植物組合對(duì)試驗(yàn)水體pH的改變能力最強(qiáng)。植物生長良好時(shí)期，水體pH比較高，這與水生生物光合作用吸收水中CO2有關(guān)。從第12d氣溫開始快速上升，伴隨部分生物開始枯黃，生長代謝明顯變慢，使pH明顯下降。

3.4水生植物對(duì)試驗(yàn)水體TP的去除效果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析：S2、S3與S4之間的差異都極顯著，其P(Sig)<0.01，對(duì)磷的去除率S1>S3>S2，其去除率分別為89.89%、84.36%和82.5%，與S4比較各高出15.81%、10.28%和8.51%。從圖7可以看出，4個(gè)試驗(yàn)組合對(duì)TP均有一定的去除效果。各組合試驗(yàn)水體的TP濃度變化趨勢均是第1周明顯下降后稍有回升，第3、4 周明顯下降，后半段時(shí)期TP濃度略有增加。在處理效果最佳的時(shí)期，各組合對(duì)TP的去除率從高到低依次為：S2>S3>S1, 與S4比較各高出43.86%、14.41%和12.11%。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在處理效果最佳的時(shí)期，大薸和金魚藻組合對(duì)試驗(yàn)水體的TP的處理能力較強(qiáng)，達(dá)到91.95%。一方面說明水生生物通過同化作用去除磷，另一方面本組合沉水植物金魚藻的莖、葉、表皮與根一樣具有對(duì)磷的吸收作用，在此發(fā)揮了除磷效果。

3.5水生植物對(duì)TN的去除效果

分析結(jié)果顯示：S1、S2和S3與S4之間的差異并不顯著，其P(Sig)>0.05，可能與試驗(yàn)時(shí)間過長，試驗(yàn)過程中植物體死亡向水體提供了大量的氮有關(guān)。有試驗(yàn)研究表明，水生植物在枯黃死亡后，隨著植物的腐爛分解會(huì)釋放出氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，其分解釋放的影響因素包括植物生理和環(huán)境多重因子的相互作用[19-20]。本試驗(yàn)進(jìn)行了45d左右，氣溫隨氣候有所波動(dòng)，高溫時(shí)伴隨著部分植物的枯黃，水生植物的生長代謝也相對(duì)變慢，對(duì)TN 的吸收速率也較小。另外，枯萎死亡的植物向試驗(yàn)水體中釋放N元素，這使得試驗(yàn)水體的TN濃度隨時(shí)間呈現(xiàn)不穩(wěn)定變化趨勢。

由圖8可以看出，各組合對(duì)試驗(yàn)水體的TN有一定去除效果。各組合均在試驗(yàn)進(jìn)行到第2周和后3周時(shí)表現(xiàn)出較好的去除效果。第1周TN明顯升高，可能是由于部分植物不適應(yīng)高濃度富營養(yǎng)化水體發(fā)生死亡及沼液自身進(jìn)一步發(fā)酵；第2周時(shí)表現(xiàn)出較好的去除效果；隨后第3周各組合試驗(yàn)水體中TN濃度都有一定的增加；試驗(yàn)后3周各組合植物均表現(xiàn)出良好去氮效果，TN穩(wěn)步下降。比較各組合后3周對(duì)試驗(yàn)水體TN的去除效果，其中S1去除效果最好，TN 的去除率達(dá)72.30%，S2、S3對(duì)TN的去除率分別為59.94%和66.79%。但與S4相比各組合對(duì)TN的去除優(yōu)勢并不大，可能與試驗(yàn)時(shí)間過長，試驗(yàn)過程中植物體死亡向水體提供了大量的氮有關(guān)。

3.6水生植物對(duì)CODMn的改善效果

統(tǒng)計(jì)分析顯示：S1、S2與S4之間的差異都極顯著，其P(Sig)<0.01，S3與S4之間的差異顯著，P(Sig)<0.05， S2與S3之間的差異顯著，其P(Sig)<0.05。由圖9可以看出，4個(gè)組合試驗(yàn)水體的CODMn均有一定下降。各組合試驗(yàn)水體的CODMn變化趨勢均是第1周明顯下降后有所回升，第3、4 周明顯下降，后2周略有上升。在處理效果最佳的時(shí)期，各組合對(duì)CODMn的降低率：S3>S1>S2,與S4比較各高出27.75%、25.36%和19.39%。各組合CODMn降低率S3>S1>S2，分別為56.21%、53.70%和40.71%，與S4相比優(yōu)勢不大。這與試驗(yàn)時(shí)間過長，試驗(yàn)過程中植物體死亡向水體提供了大量的有機(jī)物質(zhì)有關(guān)，在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)清晰了解植物的生長規(guī)律，及時(shí)收割，保證處理效果。在各組合總生物量一樣的情況下，處理效果最佳的時(shí)期，S3(狐尾藻+金魚藻+大薸)組合對(duì)于試驗(yàn)水體的CODMn的處理能力最強(qiáng)，達(dá)到46.91%。

4　討論

4.1前期波動(dòng)大

大薸在人工環(huán)境中生長狀況不佳，常萎蔫死亡，植物凋落物向水體提供了大量的有機(jī)物質(zhì)。

4.2后期去除效果穩(wěn)定

在后15d效果非常明顯。這可能由于：①后期生物量明顯增加；②水質(zhì)在前期試驗(yàn)過程中已有所改善，更適合水生植物生長；③從高溫天氣轉(zhuǎn)為非高溫天，溫度條件的改善也促進(jìn)了水生植物的生長。

4.3空白對(duì)照組的凈化效果與各組合表現(xiàn)較為一致

(1)空白組合與其他組合試驗(yàn)水體中都在同一溫度、光照等外界條件下，水體中都存在有凈化效果的微生物——來自沼液。

(2)水中本身有小浮萍。

(3)沉淀作用。

5　結(jié)論

(1)狐尾藻、大薸、金魚藻3種植物通過不同組合組成的水生生態(tài)系統(tǒng)對(duì)富營養(yǎng)化水體具有較強(qiáng)的凈化能力，對(duì)TN、TP的吸收效果良好。對(duì)TN的去除率S1>S2>S3，分別為72.30%、66.79%和59.94%；對(duì)TP的去除率S2>S3>S1，其去除率分別為89.89%、84.36%和82.5%；CODMn降低率S3>S1>S2，其各自的去除率分別為56.21%、53.70%和40.71%；S2(大薸+金魚藻)組合DO的增加明顯，DO從試驗(yàn)前0.2mg/L增至7.61mg/L。試驗(yàn)前水體渾濁，試驗(yàn)結(jié)束后，水體清澈見底。大薸和金魚藻組合對(duì)于試驗(yàn)水體的TP的處理能力較強(qiáng), 且對(duì)降低CODMn濃度和提升DO顯效較快；大薸對(duì)TN的去除率較高。

(2)在水生植物組合處理水體的生態(tài)系統(tǒng)中，水生植物死亡釋放N和P對(duì)水質(zhì)影響較大，甚至短時(shí)內(nèi)嚴(yán)重影響水質(zhì)。隨著溫度、生長周期、環(huán)境狀態(tài)等的變化應(yīng)及時(shí)打撈枯黃和死亡的水生植物，防止死亡的水生植物釋放N和P。

(3)植物生長良好時(shí)期，水體pH比較高，N、P去除率較高。南方夏季高溫(尤其在通風(fēng)條件欠佳的室內(nèi))對(duì)水生生物生長有抑制作用。從試驗(yàn)第2周氣溫開始快速上升，部分水生植物開始枯黃、生長代謝相對(duì)變慢，使pH明顯下降，TN、TP去除效率降低。

(4)狐尾藻、大薸、金魚藻3種植物對(duì)富營養(yǎng)化水體具有較強(qiáng)的凈化能力，都適合作為長江中下游地區(qū)，特別是浙江省“五水共治”工程中河道富營養(yǎng)化水體治理的優(yōu)選植物物種，但它們對(duì)富營養(yǎng)化水體的凈化功能存在一定差異。

(5)水生植物對(duì)富營養(yǎng)化水體的凈化作用是以水生植物為主體的整個(gè)水生生態(tài)系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果。

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Effects of Aquatic Plants on Purifying Eutrophic Water

XIANG Chen1,LU Jian-bo1,LIU Fang2,LI Wei-dong1

(1. Qianjiang College, Hangzhou Normal University, Hangzhou Zhejiang 310036, China)

This study analyzed the effects ofPistiastratiotes,CeratophyllumdemersumL.,Myriophyllumaquaticum,andtheircombinationstoclean nitrogen and phosphorous from eutrophic water. Through indoor Water tank,thecombinationsofthree kinds of aquatic plants for water cultureexperiment in severelyeutrophic water were set, which respectively includedthree groups of S1 (Pistiastratiotes), S2 (Pistiastratiotes+CeratophyllumdemersumL.), andS3 (Pistiastratiotes+CeratophyllumdemersumL.+Myriophyllumaquaticum). The concentration of TN, TP, CODMn,conductivity, pHandDO were test continually. The results showed that the S3 (Pistiastratiotes+Myriophyllumaquaticum+CeratophyllumdemersumL.) aquatic ecosystem was of strong purifyingability for the entropic water, and its absorption effects of TN and TP were best. The removal rate of TN was in the order of S1, S2, and S3. The removal rate of TP was S2> S3> S1. The difference between S2 and S3 and S4 (blank group) was significant.Meanwhile,the difference between S1 and S2 and S4 are significant. In the best treatment effect period, the decreased rate of CODMnwas S3> S1> S2. The difference of DO between S1 and S2 and S4 was significant. Before the experiment，the water was turbid. After the experiment, the water became crystal clean.Pistiastratiotes,CeratophyllumdemersumL. andMyriophyllumaquaticumcould be preferred optimization for entropic water control in the Middle and lower reaches of Yangtze River,particularly in the rivers in Zhejiang Province, where “five water governance” project isin force.

water quality index; purification; aquatic plants; eutrophication; water treatment

2016-03-21

2015年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃(No.2015R423033)。

相晨(1995- )，女，浙江杭州人，杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)生。

盧劍波，杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院教授,博士,副院長。

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A

1673-9655(2016)05-0032-05