人工浮床栽植黃花鳶尾對水體富營養(yǎng)化的抑制作用

鄭紅芳，趙瑜佳，周浩宇，郭 鴻，王 杰，楊翔宇

(長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

人工浮床栽植黃花鳶尾對水體富營養(yǎng)化的抑制作用

鄭紅芳，趙瑜佳，周浩宇，郭 鴻，王 杰，楊翔宇

(長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

本文利用人工浮床無土栽培黃花鳶尾，進(jìn)行小型池塘水質(zhì)凈化實驗。實驗表明：在栽植面積為整個池塘面積10%的情況下，黃花鳶尾對于其核心保護(hù)區(qū)的水質(zhì)有著明顯的保護(hù)和緩沖作用，其根系能夠明顯吸收和吸附水中的有機物和氮、磷營養(yǎng)元素；同時，其對于水中藻類的爆發(fā)也有著明顯的抑制作用。黃花鳶尾的存在能夠使得核心保護(hù)區(qū)水質(zhì)始終處于富營養(yǎng)化水平之下。

黃花鳶尾；富營養(yǎng)化；人工浮床

利用生物法對污水進(jìn)行凈化處理具有成本低的優(yōu)勢，其包括微生物處理和植物修復(fù)兩個方面，微生物可以顯著降低水中膠體態(tài)有機物的含量，而植物則能迅速吸收水中氮、磷營養(yǎng)元素[1]。近年來，利用挺水植物，如蘆葦、香蒲、黃花鳶尾、千屈菜等進(jìn)行水質(zhì)凈化已經(jīng)成為熱點[2-3]。挺水植物具有生物量大、能夠迅速提取水中營養(yǎng)元素的特點，其根系釋放的化感物質(zhì)能夠抑制藻類的生長[4-6]，特別是千屈菜、黃花鳶尾等還具有一定的觀賞價值，所以利用挺水植物對富營養(yǎng)化水體進(jìn)行凈化已經(jīng)成為了新的研究熱點。

1 實驗試劑與儀器

1.1 實驗試劑

過硫酸鉀(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，AR)；重鉻酸鉀(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，AR)；磷酸二氫鉀(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，AR)；硝酸鈉(北京化學(xué)試劑三廠，AR)；磷酸二氫鉀氫氧化鈣(北京化學(xué)試劑三廠，AR)；蘆丁(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，AR)。

1.2 實驗儀器

紫外可見分光光度計(752，上海菁華科技儀器有限公司)；電子天平(FA1604，上海雷韻試驗儀器制造有限公司)；高壓滅菌器(YXQ-LS-100SII，中國博迅)。

2 實驗方法

2.1 供試植物的采集、修剪與馴化

供試挺水植物選擇黃花鳶尾，于長春市北湖濕地公園采集而得，采集時平均株高16.9 cm。將采集到的黃花鳶尾根系修成直徑為10 cm的近乎圓形形狀，座落于人工浮床的孔隙中。人工浮床為80 cm×80 cm的方形泡沫板材，每塊浮床上有16個直徑為15 cm的圓形孔隙。將裝滿植物的人工浮床置于模擬實驗的小型水體中進(jìn)行無土栽培的馴化，馴化持續(xù)兩周時間，待黃花鳶尾重新開始生長并發(fā)出須根。模擬試驗場為長春師范大學(xué)院院內(nèi)的一處小型池塘。

圖1 池塘中采樣點設(shè)置

2.2 實驗設(shè)計

將24塊栽植了黃花鳶尾的浮床拼接成4 m×4 m的方形，中心處空缺不栽種植物，設(shè)置為核心保護(hù)區(qū)域(采樣點1)，如圖1所示。將連接好的浮床置于池塘北側(cè)，在采樣點1正西方向設(shè)置采樣點2，在采樣點1正南方向設(shè)置采樣點3和采樣點4。以周為采樣周期，在開始實驗后，連續(xù)四周對4個采樣點進(jìn)行水樣采集。對采集后的水樣分別進(jìn)行如下5項水質(zhì)指標(biāo)的檢測：COD(化學(xué)需氧量)、TP(總磷)、TN(總氮)、葉綠素、黃酮類物質(zhì)。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 黃花鳶尾對水中富營養(yǎng)化元素的控制

導(dǎo)致富營養(yǎng)化的主要物質(zhì)基礎(chǔ)是水中氮、磷元素，但水中有機物的存在也會刺激藻類的爆發(fā)。從圖2中可以看出，隨著時間推移，4個采樣點COD均有所下降，其原因有二：一是實驗期間降水量較大；二是隨著實驗期間水溫的升高，微生物將水中還原性有機物消耗、分解。但隨著植物的成長，采樣點1(核心保護(hù)區(qū))的COD與其他三個采樣點的COD差值越來越大，說明植物對水中有機物的緩沖以及植物根系對有機物的吸附作用十分明顯。

圖2 不同采樣點COD隨時間的變化

圖3 不同采樣點TP隨時間的變化

不同采樣點TP隨時間的變化見圖3。各采樣點總磷隨著時間的推移有所上升，其原因在于池塘中內(nèi)源磷的釋放，即底泥所吸附的磷元素在水溫升高和池塘被降水酸化后，向水中釋放。但同樣很明顯的是，采樣點1(核心保護(hù)區(qū))在植物根系的保護(hù)下，磷元素含量明顯低于其他采樣點，說明黃花鳶尾根系對磷元素有著極強的吸收能力。

池塘中各采樣點總氮變化不十分顯著(圖4)，其原因有二：一是外源氮隨著降水不斷進(jìn)入，二是此小型池塘中水體富營養(yǎng)化的限制因子是磷元素的含量，而并非氮元素，即氮元素含量是相對過剩的。但是仍然可以觀察到，采樣點1(核心保護(hù)區(qū))的氮元素含量明顯低于其他各采樣點。

圖4 不同采樣點TN隨時間的變化

圖5 不同采樣點黃酮類物質(zhì)隨時間的變化

3.2 黃花鳶尾對水中浮游植物的抑制

挺水植物除了能夠吸收水中的氮磷營養(yǎng)元素，還能夠通過釋放化感物質(zhì)的方式抑制水中藻類的爆發(fā)。挺水植物能向水中釋放的黃酮類物質(zhì)就是能夠抑制浮游植物生長的化感物質(zhì)，但其對浮游動物的影響較小。從圖5可以看出，黃花鳶尾所釋放的黃酮類物質(zhì)以浮床為中心向池塘其他方向擴(kuò)散，采樣點1(核心保護(hù)區(qū))的酮類物質(zhì)含量約為其他采樣點的5倍，一方面說明黃花鳶尾釋放黃酮類物質(zhì)十分明顯，另一方面說明這種化感物質(zhì)在小型水體中擴(kuò)散能力是有限的，這可能與其從植物體內(nèi)釋放出來之后參與的水化學(xué)反應(yīng)相關(guān)，有待進(jìn)一步證明。但黃酮類物質(zhì)對藻類的抑制作用十分明顯。在4周的培養(yǎng)時間內(nèi)，采樣點1(核心保護(hù)區(qū))的水質(zhì)葉綠素始終保持在6 mg/L以下，處于較低水平；而距離植物區(qū)最遠(yuǎn)的采樣點4，葉綠素水平在第4周達(dá)到24.90 mg/L，達(dá)到了富營養(yǎng)化的水平(圖6)。

圖6 不同采樣點葉綠素隨時間的變化

4 結(jié)論

在栽植面積為整個池塘面積10%的情況下，黃花鳶尾對于其核心保護(hù)區(qū)的水質(zhì)有著明顯的保護(hù)和緩沖作用，其根系能夠明顯吸收和吸附水中的有機物和氮、磷營養(yǎng)元素；同時，其對于水中藻類的爆發(fā)也有著明顯的抑制作用，黃花鳶尾的存在能夠使水體始終處于富營養(yǎng)化水平之下。

[1]徐德福,李映雪,方華,等.4種濕地植物的生理性狀對人工濕地床設(shè)計的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2009,28(3):587-591.

[2]李冰,舒艷,李科林,等.人工濕地寬葉香蒲對重金屬的累積與機理[J].環(huán)境工程學(xué)報,2016,10(12):2099-2108.

[3]趙慧,郁東寧,孫譞,等.黃菖蒲的組織培養(yǎng)與快速繁殖[J].北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報,2011,26(1):73-75.

[4]閆志強,未本如, 劉黽,等.5種沉水植物對斜生柵藻的化感作用[J].應(yīng)用于環(huán)境生物學(xué)報,2015,21(1):75-79.

[5]孫志偉,邱麗華,段舜山,等.化感作用抑制有害藻類生長的研究進(jìn)展[J].生態(tài)科學(xué),2015,34(6):188-192.

[6]孔垂華.植物化感作用研究中應(yīng)注意的問題[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,1998,9(3):332-336.

Inhibition of Eutrophication by Iris Wilsonii Cultivated on Floating Bed

ZHENG Hong-fang,ZHAO Yu-jia,ZHOU Hao-yu,GUO Hong, WANG Jie, YANG Xiang-yu

(Faculty of Chemistry ,Changchun Normal University,Changchun Jilin 130032,China)

Water purification by Iris wilsonii cultavated on floating beds was carried out in a small pond. Tests illustrate that protection and buffering action were supplied by Iris wilsonii when its coverage ratio is only 10%. The nutrient, N and P in this case, was strongly absorbed by its root. Iris wilsonii can keep the core area under eutrophication by its inhibition of algae.

Iris wilsonii; eutrophication; floating bed

2016-10-14

吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“基于人工浮床建立小型可移動濕地的研究”(201610205058)。

鄭紅芳(1997- )，女，長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院學(xué)生，從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。

X703

A

2095-7602(2017)02-0188-04

[通訊簡介]楊翔宇(1983- )，男，講師，從事水污染防治理論與技術(shù)方面的研究。

注：本研究為吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。項目組成員：鄭紅芳，趙瑜佳，周浩宇，郭鴻，王杰；指導(dǎo)教師：楊翔宇。