不同季節(jié)部分鳶尾屬植物對富營養(yǎng)化水體的凈化研究

原海燕，張永俠，劉清泉，楊永恒，苗 金，黃蘇珍

(江蘇省中國科學(xué)院植物研究所 南京中山植物園， 江蘇 南京 210014)

【研究意義】近年來，隨著城鎮(zhèn)化及工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，水體富營養(yǎng)化已成為日益嚴重的環(huán)境問題[1]。美國的2084個湖泊、河流中由于氮磷營養(yǎng)鹽濃度超標而不能達標的水體占61 %，我國富營養(yǎng)化和超富營養(yǎng)化湖泊也已達湖泊總量的66 %和22 %[2-3]。水生植物在水體生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的生態(tài)位，它不僅能起到凈化水體的作用，還能改善水體生態(tài)環(huán)境，促進退化水體生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[4]。因此，在各種物理、化學(xué)和生態(tài)修復(fù)措施中水生植物修復(fù)凈化污染水體因耗能低、效果好、具有生態(tài)環(huán)保特性而成為極受關(guān)注的一種有效生態(tài)修復(fù)技術(shù)[5]?！厩叭搜芯窟M展】利用水生植物構(gòu)建人工濕地，對農(nóng)村生活污水進行攔截凈化進而降低水體富營養(yǎng)化已成為控制面源污染行之有效的生態(tài)治理措施[6-7]。然而目前在水生植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用中水生植物種類還相對較為單一，觀賞價值不高，影響了城市水體和濕地景觀效果[8-10]，因此，篩選觀賞性強、凈化效率高的景觀生態(tài)植物，已成為濕地生態(tài)治理中亟待解決的問題。鳶尾屬(IrisL.)是鳶尾科中最具有觀賞價值的宿根草本花卉，生態(tài)類型多，分布廣，適應(yīng)性強，在城市綠化中起著非常重要的作用，特別是鳶尾屬中的水生和濕生生態(tài)類型，花姿奇特，花色豐富，加之其繁殖方法簡單，既可分株亦可播種，是水生植物中的佼佼者[11-12]?！颈狙芯壳腥朦c】為此，本研究利用鳶尾屬植物中部分水、濕生生態(tài)類型，通過研究其在不同季節(jié)、不同富營養(yǎng)化水體中生長情況，及其對水體TN、TP和COD去除能力，系統(tǒng)評價不同鳶尾屬植物對不同富營養(yǎng)化水體的凈化效果，以期篩選出凈化效果好，觀賞價值高的水生鳶尾屬植物?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為其在人工濕地或水體富營養(yǎng)化治理中推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為花菖蒲(Irisensatavar.hortensis)、黃菖蒲(I.pseudacorus)、路易斯安那鳶尾(I.hybirds)、紅籽鳶尾(I.foetidissima)、鳶尾(I.tectorum)、蝴蝶花(I.japonica)和德國鳶尾(I.germanica)

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 夏季實驗 本研究于2013年7月在江蘇省中科院植物研究所玻璃溫室進行。供試材料為花菖蒲、黃菖蒲、路易斯安那鳶尾、紅籽鳶尾、鳶尾和蝴蝶花。試驗水體取自南京市農(nóng)科院水塘，西崗村和上壩河地區(qū)農(nóng)村生活污水，水質(zhì)見表1。試驗采用10 L圓形塑料盆(上口徑27 cm，下口徑18 cm，深20 cm)，選取生長狀況基本一致的植物，先用自來水對其根部清洗干凈后，用海綿定植于圓形泡沫板上，放置于盆上，為保證每盆植株栽植密度合理，每盆浮板上栽植3株生物量相似的供試植株，盆內(nèi)水體積為9 L。植株先用自來水預(yù)培養(yǎng)2周，待長出新根后進行水體凈化試驗，不栽植物的作為空白對照，試驗設(shè)置3個重復(fù)，實驗開始后第30天采集水樣，測其pH、總氮(TN)、總磷(TP)和化學(xué)需氧量(COD)。為保證模擬室外條件的真實性，試驗過程中不對水體進行曝氣充氧，試驗中用蒸餾水補充因植物蒸騰和水質(zhì)采集耗損的水分。實驗結(jié)束后收獲植物，并測定植株鮮重的相對增加量。

表1 不同濃度富營養(yǎng)化水體初始水質(zhì)指標

表2 富營養(yǎng)化水體初始水質(zhì)指標

1.2.2 冬季實驗 本研究于2013年12月在江蘇省中科院植物研究所玻璃溫室進行。供試材料為路易斯安那鳶尾、紅籽鳶尾、蝴蝶花和德國鳶尾，試驗用水取自南京市鎖金村生活污水，水質(zhì)見表2。材料種植方法同上，實驗開始后第10和20天各采集1次水樣，測其TN、TP和COD。同時，第20天實驗結(jié)束時收獲植物，并測定植株鮮重的相對增加量。

1.2.3 人工濕地動態(tài)流水試驗 本研究于2015年1月在東南大學(xué)無錫分校污水處理系統(tǒng)人工濕地中進行。供試植物為路易斯安那鳶尾和紅籽鳶尾2種冬季常綠鳶尾。人工濕地由蓄水池和凈化水槽及排水管道構(gòu)成，單個凈化水槽長2.20 m，寬0.2 m，深0.35 m，試驗水深0.15 m。該校區(qū)內(nèi)生活污水經(jīng)過污水處理工藝系統(tǒng)處理后的出水流入人工濕地中作為本試驗的試驗用水。材料種植方法同上，放置36株供試植株于水槽內(nèi)，不栽植物的作為空白對照，試驗設(shè)置3個重復(fù)，實驗開始后第4、8和12天采集各水槽出水口和進水水樣，進水流速設(shè)置為150 mL/min。測其TN、TP和COD。試驗過程中不對水體進行曝氣充氧。

1.3 測定方法

水質(zhì)總氮：采用流動分析和光譜檢測法；水質(zhì)總磷：采用流量分析法；CODCr：采用重鉻酸鉀法。

TN、TP去除率=[(C0-Ci)/C0]× 100 %[13]

式中，C0為試驗開始時水體中的污染物濃度，Ci為第i天水體中的污染物濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，并用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，Duncan法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季不同鳶尾屬植物對富營養(yǎng)化水體的凈化研究

2.1.1 不同鳶尾鮮重變化 從圖1可以看出，黃菖蒲、花菖蒲和路易斯安那鳶尾鮮重增加明顯(P<0.05)。中濃度和高濃度下黃菖蒲的鮮重增加量均最大，每盆分別為0.062和0.042 kg。同時從圖中可看出試驗結(jié)束后紅籽鳶尾、鳶尾和蝴蝶花3種植物的鮮重均下降，部分葉片萎蔫，證明這3種植物不適宜用作夏季污水凈化材料。

圖1 6種鳶尾鮮重增加量Fig.1 Increase of fresh weight of six species of Iris L.

2.1.2 不同鳶尾對富營養(yǎng)化水體TN、TP和COD的凈化能力 從圖2可以看出，低、中、高3種濃度下對照組TN水平均最高(圖 2A)，分別為1.27，4.12，8.69 mg/L，黃菖蒲組水體TN最低，依次為0.52，0.54，0.61 mg/L，去除率分別為91.2 %、94.7 %和95.5 %，與對照組差異顯著(P<0.05)。去除水體自凈化作用對TN的去除率后，高濃度下花菖蒲、黃菖蒲、路易斯安那鳶尾對氮素去除的貢獻分別為47.47 %、59.23 %和39.23 %；中濃度下花菖蒲、黃菖蒲、路易斯安那鳶尾對氮素去除的貢獻分別為15.84 %、34.66 %、23.25 %；低濃度下花菖蒲、黃菖蒲、路易斯安那鳶尾對氮素去除的貢獻分別為10.02 %、12.85 %、13.25 %，可見水體的富營養(yǎng)化程度越高，3種鳶尾對TN的去除作用貢獻越大。圖中還可以看出，隨水體富營養(yǎng)化程度的增加，對照組水體TN去除率呈逐漸下降趨勢，即水體富營養(yǎng)化越低，水體的自凈化能力越強。

圖2B顯示了種植3種鳶尾對水體TP質(zhì)量濃度的影響，低、中、高3種濃度下黃菖蒲和花菖蒲的磷素吸收量均較大，其中黃菖蒲組水體TP最低，依次為0.05、0.11、0.13 mg/L，去除率分別為56.8 %、89.3 %和93.1 %，隨著水體TP濃度的遞增，黃菖蒲對磷的去除量遞增趨勢不如TN明顯?？傮w來看幾種植物對磷素的去除能力從大到小依次為：黃菖蒲>花菖蒲>路易斯安那鳶尾。

圖2C顯示了種植3種鳶尾對水體COD含量的影響。由圖中可知，供試植物對降低水體COD基本上有一定促進作用，但中濃度下花菖蒲和高濃度下黃菖蒲水體COD含量高出空白對照。除了高濃度下路易斯安那鳶尾的COD去除效果優(yōu)于黃菖蒲外，與路易斯安那鳶尾和花菖蒲相比不同濃度富營養(yǎng)化水體下依然是黃菖蒲對COD的去除效果最佳。

2.2 冬季4種常綠鳶尾對富營養(yǎng)化水體的凈化研究

圖2 夏季不同處理組水體TN、TP和COD質(zhì)量濃度比較Fig.2 Comparison of total nitrogen, total phosphorus and COD concentration in eutrophic water with different treatments in summer

2.2.1 不同植物鮮重變化 冬季不同鳶尾對水體凈化效果不盡相同，而已有研究表明根據(jù)生物量增加量的大小可以直接作為選擇去污植物的重要指標[14-15]。圖3為4種常綠鳶尾在富營養(yǎng)化水體生長20 d 后鮮重增加量，可以看出路易斯安那鳶尾鮮重增加量最大，每盆增重0.0325 kg，增加明顯(P<0.05)；其次是蝴蝶花和德國鳶尾，分別為每盆0.0125、0.0113 kg；鮮重增加量最小的是紅籽鳶尾。

2.2.2 不同鳶尾對水體TN、TP和COD的凈化能力 圖4(A、B、C)顯示了4種不同鳶尾對冬季富營養(yǎng)化水體TN、TP和COD的凈化能力。由圖4A可知，隨著試驗的進行，對照組水體的TN質(zhì)量濃度基本保持恒定，而種植了鳶尾的水體TN質(zhì)量濃度均不同程度降低。其中路易斯安那鳶尾對TN凈化效果顯著(P<0.05)，種植10、20 d后其TN質(zhì)量濃度依次為4.754、0.925 mg/L，TN去除率依次為59.2 %、92.1 %，實驗結(jié)束時其TN水質(zhì)指標達到國家Ⅲ類水質(zhì)標準(TN≤1 mg/L)。

圖3 4種鳶尾鮮重增加量Fig.3 Increase of fresh weight of four species of Iris L.

圖4B為不同鳶尾對富營養(yǎng)化水體TP的凈化效果，試驗期間路易斯安那鳶尾對總磷去除效果最為顯著(P<0.05)，種植路易斯安那鳶尾第10天水體TP質(zhì)量濃度為0.318 mg/L，達到我國Ⅴ類水質(zhì)標準(TP≤0.4 mg/L)；試驗第20天路易斯安那鳶尾組水質(zhì)達到Ⅱ類水質(zhì)(TP≤0.2 mg/L)，在不同鳶尾種植水體中效果最好。其次為德國鳶尾和蝴蝶花，其TP去除率分別為42.8 %和41.5 %。對水體TP去除效果較弱的是紅籽鳶尾，試驗結(jié)束時其TP去除率分別為27.9 %。

圖4C顯示了對照組和植物組水體COD質(zhì)量濃度的變化，試驗第10天時，路易斯安那鳶尾和紅籽鳶尾對COD的凈化效果較為明顯，但試驗第20天時，植物組和對照組COD質(zhì)量濃度基本無明顯差異。

2.3 路易斯安那鳶尾和紅耔鳶尾在冬季人工濕地動態(tài)流水試驗中的凈化效果

圖5A為路易斯安那鳶尾和紅籽鳶尾對流動污水TN的去除情況，試驗期間進水TN濃度變化范圍12.60～23.69 mg/L，其中第4天進水TN質(zhì)量濃度最高。3次數(shù)據(jù)顯示，路易斯安那鳶尾在流水實驗中表現(xiàn)較好，其TN去除率 46.0 %～67.8 %，紅籽鳶尾TN去除率39.5 %～55.9 %。而未經(jīng)植物處理的空白水槽TN去除率13.3 %～17.3 %。試驗期間進水TP濃度變化范圍1.54～1.64 mg/L，其中第8天進水TP質(zhì)量濃度最高，路易斯安那鳶尾在流水實驗中表現(xiàn)最好，其TP去除率54.3 %～67.9%，紅籽鳶尾28.6 %～52.5 %，未經(jīng)植物處理的空白水槽TP去除率11.9 %～37.5 %(圖5B)。試驗期間進水COD濃度變化范圍41.07～61.0 mg/L，其中第12天進水COD質(zhì)量濃度最高。3次數(shù)據(jù)顯示，路易斯安那鳶尾、紅籽鳶尾和對照組對水體COD的去除均有效果，但是路易斯安那鳶尾和紅耔鳶尾對水體COD的去除效果不穩(wěn)定?？赡艿脑蚴鞘艿皆囼灂r的水溫、光照等因素影響較大[16]。

圖4 冬季不同處理組水體TN、TP和COD質(zhì)量濃度比較Fig.4 Comparison of total nitrogen, total phosphorus and COD concentration in eutrophic water with different treatments in winter

圖5 冬季流動污水TN、TP和COD質(zhì)量濃度比較Fig.5 Comparison of total nitrogen, total phosphorus and COD concentration in flowing eutrophic water in winter

3 討 論

水生植物因在生長過程中對水體氮、磷等元素的營養(yǎng)吸收，當其從水生生態(tài)系統(tǒng)移出時，被吸收的營養(yǎng)元素也隨之被帶走，因此可利用其凈化富營養(yǎng)化水體，降低了水體富營養(yǎng)化程度[17-19]。本研究中夏季生長在富營養(yǎng)化水體中的紅籽鳶尾、鳶尾和蝴蝶花植株根部均出現(xiàn)不同程度腐爛，并最終導(dǎo)致地上部干枯死亡，因此認為這3種鳶尾均不適合作為夏季富營養(yǎng)化水體凈化植物材料；而富營養(yǎng)化水體中生長良好的黃菖蒲、花菖蒲和路易斯安那鳶尾對水體TN、TP也具有良好的凈化效果，經(jīng)過在不同程度富營養(yǎng)化水體種植3種鳶尾1個月后，水體中的TN、TP含量均顯著低于空白對照，特別是花菖蒲和黃菖蒲，其中黃菖蒲對TN的去除率高達95.5 %，在供試植物中凈化效果最佳。路易斯安那鳶尾相對凈化效果較低，可能是由于路易斯安那鳶尾在夏季處于休眠期，但與對照相比，其對TN、TP的去除效果依然明顯。從不同鳶尾對富營養(yǎng)化水體中COD的凈化效果來看，黃菖蒲組COD含量最高，甚至高于空白對照，原因可能是由于實驗水體體積較小而限制了黃菖蒲根系的生長，在高溫和營養(yǎng)脅迫的環(huán)境下根系處于腐爛和再生的動態(tài)變化中，并在這一過程中向水體中釋放的還原性物質(zhì)造成水體化學(xué)需氧量的上升[16]。綜合看來在夏季所有供試植株中黃菖蒲對富營養(yǎng)化的凈化效果最好，因此最適合作為夏季水體凈化材料，其次為花菖蒲，路易斯安那鳶尾具有潛在的凈化能力。

就水體氮去除途徑已有相關(guān)研究表明，水體中氮素去除主要存在3種途徑，植物體同化吸收、氨氮揮發(fā)和硝化反硝化過程，其中，植物吸收對TN的去除作用較小，僅占TN去除量的0.6 %～17.3 %，氨氮的揮發(fā)途徑需在pH>8的條件下才能進行[20-22]。本研究夏季試驗中隨著水體TP濃度的遞增，黃菖蒲對磷的去除量遞增趨勢并不如TN明顯，其原因可能是由于水體中絕大多數(shù)氮素是通過硝化和反硝化作用去除，根系直接吸收的氮只占很小一部分，而磷素?zé)o法通過氣態(tài)揮發(fā)離開水體，絕大部分磷以不溶性磷酸鹽形式存在，本試驗結(jié)束時低、中、高濃度富營養(yǎng)化水體中對照組TP去除率為8.51 %～11.8 %，而種植黃菖蒲的水體TP去除率在56.8 %～93.1 %，因此磷素主要的去除途徑可能來自于黃菖蒲根系的直接吸收，其原因仍有待進一步研究。

另外，4種冬季常綠鳶尾對冬季富營養(yǎng)化水體凈化的研究中，路易斯安那鳶尾對TN、TP的凈化效果最為顯著(P<0.05)，種植 20 d后水體達到國家Ⅲ類水質(zhì)標準。冬季植物對氮的去除途徑與夏季有所不同，由于硝化細菌和反硝化細菌的數(shù)量和活躍程度與溫度有密切關(guān)系，因此，冬季水體氨氮的去除效果會相對弱些[23]，因此，冬季路易斯安那鳶尾對TN的高效去除機制仍有待進一步研究。冬季四種常綠鳶尾對降低水體COD有一定作用，尤其是第10天時路易斯安那鳶尾組和紅籽鳶尾組水體COD含量與對照組差異顯著，但20 d 時所有植物組與對照組差異不顯著，說明實驗?zāi)┢?，隨著污水中容易降解的還原性物質(zhì)濃度的下降，還原性物質(zhì)的降解速率降低，水中COD的去除速度也隨之減緩[24]。冬季人工濕地動態(tài)流水試驗也顯示，與紅籽鳶尾相比，路易斯安那鳶尾表現(xiàn)最好，其TN去除率46.0 %～67.8 %，TP去除率54.3 %～67.9 %；而紅籽鳶尾TN去除率39.5 %～55.9 %，TP去除率28.6 %～52.5 %。

4 結(jié) 論

夏季高溫季節(jié)水生鳶尾黃菖蒲因生長旺盛，植株高大，適應(yīng)繁殖能力強，且對水體TN、TP凈化效果優(yōu)于其他鳶尾屬植物，因此非常適于夏季富營養(yǎng)化水體的修復(fù)。而路易斯安那鳶尾在4種常綠鳶尾屬植物中對冬季水體TN、TP去除效果最佳。

綜合來看，盡管黃菖蒲夏季對水體TN、TP凈化效果優(yōu)于其他鳶尾屬植物，但黃菖蒲美中不足之處在于其花色單一、冬季地上部枯萎休眠，觀賞效果欠佳；而水生路易斯安那鳶尾與黃菖蒲相比，生物量雖然相對小，夏季TN、TP去除率相對低，但路易斯安那鳶尾因品種極為豐富，花色五顏六色，水體景觀效果極佳，且四季常綠，因此具有綠化，美化、凈化水體的三重功效，可直接引植于污染水體沿岸地帶，也可在人工生物浮床、人工濕地中應(yīng)用，在城市景觀水體生態(tài)修復(fù)中具有更大的實際應(yīng)用前景。

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