不同基質(zhì)下的苦草去污能力研究

史紅玉 賈宇航 向珞寧 羅先強 冼耀強 周勝

摘要?[目的]研究不同基質(zhì)下的苦草去污能力。[方法]開展不同基質(zhì)下的苦草凈水模擬試驗，設(shè)5個處理：T1（對照組）：底泥+水+苦草?（Vallisneria natans）?，T2：底泥+2層無紡布+沙+水+苦草;T3：底泥+2層無紡布+玉米芯+沙+水+苦草;T4：底泥+2層無紡布+生物質(zhì)焦+沙+水+苦草;T5：底泥+2層無紡布+玉米芯+生物質(zhì)焦+沙+水+苦草。[結(jié)果]苦草的5項生理指標(biāo)顯示，基質(zhì)中添加有機物會促進植物的生長，T3和 T5試驗組中苦草的生長狀態(tài)最好。4組試驗組與對照組相比對水體的凈化效果均高于對照組，且T4試驗組的凈水效果最好。在最后一次的凈化速率對比中，T5試驗組的去除速率最快，凈水效果最好。[結(jié)論]基質(zhì)凈水在試驗初期效果比較好，但根本上對水體的凈化還需要依靠沉水植物。

關(guān)鍵詞?基質(zhì);苦草;底泥;凈水

中圖分類號?X52?文獻標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）14-0062-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.017

Abstract?[Objective]To study the decontamination ability of?Vallisneria natants?under different matrix.[Method]Simulation experiments of?V.natans?water purification under different substrates were carried out： T1（control group）： sediment+water+?V.natans，?T2： sediment+two layers of non-woven fabric+sand+water+?V.natans，?T3： sediment+two layers of non-woven fabric+corncob+sand+water+?V.natans，?T4： sediment+two layers of non-woven fabric+activated carbon+sand+water+?V.natans，?T5： sediment+two layers of non-woven fabric+corncob+activated carbon+sand+water+?V.natans.?[Result]According to the five physiological indexes of adding organic substances into the matrix could promote the growth of plants，and the growth state of?V.natans?was the best in T3 and T5 test groups.Compared with the control group，the water purification effect of the four groups of tests was higher than that of the control group，and the T4 test group had the best water purification effect.In the last purification rate comparison，T5 had the fastest removal rate and the best purification effect.[Conclusion]The effect of matrix water purification is better at the beginning of the experiment，but the purification of water body basically depends on submerged plants.

Key words?Substrate;?Vallisneria natans;?Bottom mod;Water purification

水體的基質(zhì)除了是水生植物根的固著基礎(chǔ)，水生植物生長、繁殖等的基本條件及最重要的環(huán)境影響因素之一外，還可以為水生植物提供各類營養(yǎng)元素及微量元素，而且，不同基質(zhì)的物理、化學(xué)、微生物的性質(zhì)會有所差異，同時對水生植物生根、繁殖與生長等也會產(chǎn)生不同程度的影響[1-2]。有研究表明，生物炭可以提高底泥的硝化作用強度，能夠抑制底泥釋放氨氮，同時，可以對水體、底泥氮磷的吸附和生境起到改善作用，可為沉水植物提供適宜的生存環(huán)境，沉水植物與生物炭的結(jié)合能進一步修復(fù)凈化水體，穩(wěn)定水生態(tài)系統(tǒng)，提高水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性[3]。謝貽發(fā)等[4]在2007年通過模擬試驗，對不同基質(zhì)條件下苦草的形態(tài)特征、生物量積累及分配格局進行了研究。結(jié)果表明，基質(zhì)條件對苦草的生長和形態(tài)有較大影響，苦草能在一定程度上適應(yīng)肥沃的基質(zhì)條件，但當(dāng)N、P、有機質(zhì)含量過高時，苦草的生長受到抑制[4]。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

苦草是一種重要的沉水植物，是人工構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是生態(tài)文明建設(shè)的重要材料之一，被認為是緩解水體富營養(yǎng)化程度和重建水生植被的良好材料，在幼苗生長到一定階段后，從根部產(chǎn)生側(cè)向生長的一個或數(shù)個根狀莖，莖上產(chǎn)生新的幼苗，形成無性系分株[5-7]。因此，在植物應(yīng)用上選擇了被人們認可的苦草。

選取生長良好、生物量相近、長勢相似的苦草進行模擬試驗，試驗用水采用實驗室內(nèi)人工配制的富營養(yǎng)化水體，初始值見下表。

1.2?試驗設(shè)計?采用人工模擬園林水體的室內(nèi)試驗，試驗中所用的苦草收集回來后放置清水中馴化20 d，令其適應(yīng)水生環(huán)境，最后選擇健康有活力、生長態(tài)勢良好、大小相近的苦草每49棵為一組種在試驗裝置中。試驗在仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院試驗大棚內(nèi)進行，通風(fēng)透光。試驗時間為 2019年2月16日至3月15日。

試驗裝置為透明玻璃水箱，水箱尺寸70 cm×70 cm×90 cm，試驗用水濃度為25 cm。試驗共設(shè)置5組單一的處理，每組處理設(shè)3個平行。各試驗組和對照組如下。

T1：底泥（20 cm）+水（25 cm）+苦草，為對照組;

T2：底泥（20 cm）+2層無紡布+沙（5 cm）+水（25 cm）+苦草;

T3：底泥（20 cm）+2層無紡布+玉米芯（2 cm）+沙（5 cm）+水（25 cm）+苦草;

T4：底泥（20 cm）+2層無紡布+生物質(zhì)焦（2 cm）+沙（5 cm）+水（25 cm）+苦草;

T5：底泥（20 cm）+2層無紡布+玉米芯（2 cm）+生物質(zhì)焦（2 cm）+沙（5 cm）+水（25 cm）+苦草。

1.3?試驗測定

水質(zhì)測定方法：根據(jù)研究的需要，試驗對水中NH4+-N、TP、TN、DO、COD 5個指標(biāo)進行取樣測定和分析，試驗測試指標(biāo)和測定方法按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）（國家環(huán)境保護總局，2002）進行。植物生理指標(biāo)只測2019年2月21日（試驗前）和2019年3月15日試驗結(jié)束時的數(shù)據(jù)，分別為：葉綠素、鮮重、根總長、根尖數(shù)、根體積。

1.4?去除率計算和數(shù)據(jù)處理

水體中污染物的去除率計算公式為：去除率（%）=?（C0-Ci）/C0×100%，式中，C0為初始濃度，Ci?為取樣時的濃度。

試驗數(shù)據(jù)處理每組試驗做3個平行，試驗數(shù)據(jù)均取平均值，試驗所獲得的數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2010進行編輯處理及繪制相關(guān)圖表，每個處理組的差異性通過SPSS 19.0軟件進行分析。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同基質(zhì)下的苦草生長狀況?在試驗期間所有植物生長狀況良好，無枯萎或死亡現(xiàn)象。

2.1.1?不同基質(zhì)中苦草根總長的變化。

根總長是衡量苦草根的一個重要指標(biāo)，根總長越大說明苦草根的生長狀態(tài)越好。圖2表明，苦草在不同基質(zhì)下根總長的差別，各處理組之間差異性顯著（?P?<0.05）。苦草的根總長指標(biāo)對照組與試驗組之間有明顯的差別，與初始值相比根總長均有增長。在基質(zhì)中既加生物質(zhì)焦也加玉米芯對苦草的根生長有促進作用;在基質(zhì)中加生物質(zhì)焦或沙對苦草的根生長無影響;在基質(zhì)中只加玉米芯，與其他試驗組相比，會抑制苦草的根生長。

2.1.2?不同基質(zhì)中苦草根體積的變化。由圖3可看出，在基質(zhì)中添加玉米芯極大的提高了根體積，與T1組苦草的根體積相比增加了521%、518%;試驗組的基質(zhì)中均加有沙，試驗組與對照組相比根體積均有增加的趨勢，說明在沙中種植苦草比直接在底泥中種植苦草效果要好;在基質(zhì)中加生物質(zhì)焦對苦草根體積的影響甚微，通過SPSS 19.0軟件進行差異顯著性分析，發(fā)現(xiàn)T5、T3之間差異不顯著，T1、T2、T4之間差異不顯著，T5、T3與T1、T2、T4之間有顯著性差異，這一結(jié)果與基質(zhì)中是否添加有機質(zhì)相符。

2.1.3?不同基質(zhì)中苦草總根尖數(shù)的比較。由圖4可看出，所有處理組中根尖數(shù)量分別為：193.67、500.33、304.33、394.67、503.33個，根尖數(shù)的差別量與根總長和根體積的變化量一致，均是T5、T3試驗組的檢測數(shù)值高，各組根尖數(shù)的顯著差異性與根體積的顯著差異性變化一致（?P?<0.05）。各處理組之間比較，T3、T5組提高苦草總根尖數(shù)效果最好，其效果遠優(yōu)于其他處理組合的原因可能是因為玉米芯的快速分解，使其營養(yǎng)物質(zhì)迅速釋放到土壤中，提升了土壤生物活性，更有利于苦草根系的生長和根尖數(shù)的增加。

2.1.4?不同基質(zhì)中苦草鮮重的比較。有研究顯示，根據(jù)植物生物量的變化可以判斷植物的凈水能力[8-9]。圖5顯示，T5試驗組中的苦草鮮重增加量最大，與初始值相比增加了11.29 g，其次是T4試驗組中的苦草，增加了4.90 g。

2.1.5?不同基質(zhì)中苦草葉綠素的比較。

植物中的葉綠素含量直接影響植物的光合作用，間接影響植物的生長狀態(tài)。由圖6可看出，苦草在不同基質(zhì)下葉綠素的差別，且各處理組之間的差異顯著（?P?<0.05）。T5、T3組中苦草葉綠素檢測值明顯高于其他組，說明基質(zhì)中添加有機質(zhì)可以促使植物中葉綠素的提升，T5與T3組相比無顯著差異，但檢測結(jié)果有差異，T5組中苦草的葉綠素含量明顯高于T3組。

2.2?水質(zhì)狀況分析

2.2.1?不同處理中溶解氧的變化。由圖7可見，在水中植物相同的情況下，水體中溶解氧的差別依然很大，這說明水體中溶解氧的變化不僅與水生植物有關(guān)，也與水體基質(zhì)有關(guān)。沉水植物在進行光合作用時會使水中溶解氧濃度增加，因此水中溶解氧濃度也可以間接反應(yīng)沉水植物狀態(tài)。由圖7可看出，在5組試驗中，水中溶解氧濃度均為先下降后增長，其中第3組試驗的這種表現(xiàn)最為明顯。在首次的檢測結(jié)果中，第2組和第4組試驗檢測結(jié)果與初始值相比變化不明顯，而第3組試驗的變化最明顯，說明沙和生物質(zhì)焦對水中溶解氧無較大影響，玉米芯作為水體基質(zhì)會對水中溶解氧有較大的影響。

2.2.2?不同處理中NH4+-N的變化。

由圖8可知，試驗期間各組NH4+-N濃度呈現(xiàn)不同的變化趨勢，試驗結(jié)束時，各組基質(zhì)處理的水體與對照組差異顯著，且各組指標(biāo)均超過公園Ⅴ類水2.0 mg/L的用水標(biāo)準(zhǔn)。各組的NH4+-N濃度在試驗期間除第3組試驗外，其他4組一直呈現(xiàn)下降趨勢，第3組試驗水中NH4+-N濃度在第6天檢測時，檢測值顯示比初始NH4+-N濃度還要高，因為基質(zhì)中玉米芯向水體中釋放了N元素;而T5組的去除效果比T3組要好，是因為在第5組試驗中的基質(zhì)中加入了生物質(zhì)焦，從而證明了生物質(zhì)焦對NH4+-N具有去除作用。在試驗結(jié)束時，各組NH4+-N濃度均小于初始值。

2.2.3?不同處理中TN的變化。

如圖9所示，在試驗期間時間越長，處理效果越好，對照組及其他處理TN濃度呈下降趨勢。TN濃度與NH4+-N濃度在試驗期間有相似的變化趨勢，對照組TN濃度在第3次檢測時的濃度為：10.315、9.458、7.785 mg/L，總?cè)コ蕿椋?0.92%。其他4組不同基質(zhì)的配置模式中，只有T3組的第2次檢測值高于對照組，其他均低于對照組，第3組TN濃度相對高的原因可能為玉米芯分解出的物質(zhì)導(dǎo)致水體TN濃度高于其3組。

2.2.4?不同處理中TP的變化。

各處理對TP的去除效果如圖10所示，試驗進行到第6天時，與初始值相比，各組的TP濃度均呈下降趨勢，與對照組相比，T2、T3、T4組的TP濃度均為上升狀態(tài)，T5組的TP濃度與對照組相同;試驗進行到第12天時，各處理組與對照組相比，水中TP的去除效果有了明顯差異，T3、T5試驗組TP濃度（11.05、9.85 mg/L）高于對照組TP濃度9.81 mg/L，T2、T4試驗組TP濃度（8.85、9.01 mg/L）低于對照組TP濃度;試驗進行到第18天時，除T3組的TP濃度高于對照組外，其他3組均低于對照組。

2.2.5?不同處理中COD的變化。

化學(xué)需氧量 （chemical oxygen demand，COD） 是指在一定條件下，經(jīng)重鉻酸鉀氧化處理時，水樣中的溶解性物質(zhì)和懸浮物所消耗的重鉻酸鹽相對應(yīng)的氧的質(zhì)量濃度[10]。因此，化學(xué)需氧量（COD）往往作為衡量水中有機物質(zhì)含量多少的指標(biāo)?；瘜W(xué)需氧量越大，說明水體受有機物的污染越嚴(yán)重。

由圖11可看出，試驗進行到第6天時，與初始值相比，T3、T5試驗組水體的COD濃度與初始值相比呈上升狀態(tài)，其原因可能是玉米芯中的有機物釋放到了水中，從而導(dǎo)致了COD濃度的增加，其他3組試驗水中COD濃度與初始值相比下降了23.10%、10.58%、10.58%。試驗進行到第12天時，各處理組與對照組相比，T3、T5處理組的COD濃度依然很高，其他3組COD去除率的增加速率趨于穩(wěn)定狀態(tài)，原因可能是這時基質(zhì)對水中COD的吸收能力達到了飽和狀態(tài)，每組處理組中種植的植物幾乎都在后2次檢測中表現(xiàn)出了不符合方差齊性檢驗，無明顯差異性。

3?小結(jié)

綜合上述的各項指標(biāo)來看，組別1的8項指標(biāo)在3次檢測中NH4+-N、TN、TP和COD的去除趨勢與去除速率幾乎一致，在試驗結(jié)束時，NH4+-N、TN、COD和TP的去除率分別為：39.57%、30.92%、40.16%和40.08%;DO的變化與色度的變化趨勢相似，從最低值5.7上升到了9.5mg/L。NH4+-N、TN、TP、COD 4項指標(biāo)的濃度因配制時的初始濃度過高，在試驗結(jié)束時其濃度依然超出了景觀用水標(biāo)準(zhǔn);組別3的8項指標(biāo)在3次檢測中變化比較多變，在第6天的檢測值中有6項檢測值與初始值相比變的更高，說明這時水體富營養(yǎng)化程度更嚴(yán)重，原因可能為玉米芯向水中釋放了N、P等元素;組別4的8項指標(biāo)在3次檢測中顯示隨時間的變化，基質(zhì)與植物的凈化吸收各項指標(biāo)濃度均呈下降趨勢， NH4+-N、TP、COD的去除率均為5組試驗的最高值，說明生物質(zhì)焦在水體凈化過程中起到了促進作用;組別5在基質(zhì)的配置上結(jié)合了組別3和組別4，基質(zhì)中既加入了玉米芯也加入了生物質(zhì)焦，同時試驗數(shù)據(jù)也說明了在基質(zhì)中加入玉米芯會導(dǎo)致水質(zhì)在近期內(nèi)變差，但隨著時間的推移由于加入玉米芯的同時也加入了生物質(zhì)焦，因此，在試驗結(jié)束時水質(zhì)的變化與組別4相差無幾。

有研究表明，沉水植物的根系可以從基質(zhì)中吸收營養(yǎng)物質(zhì)，比如N、P等營養(yǎng)元素;但也有研究表明，沉水植物的根系只有固定植株的作用，沉水植物的葉子可以直接從水中吸收各種無機物質(zhì)，因而認為沉水植物根的營養(yǎng)吸收功能較弱[11-12]?？嗖莸?項生理指標(biāo)顯示，基質(zhì)中添加有機物會促進植物的生長，但在水體基質(zhì)中加入有機質(zhì)會導(dǎo)致水中N、P等元素的增加。從植物生長的趨勢與水體凈化的速率顯示，在基質(zhì)中添加少量有機質(zhì)，在有機質(zhì)上面鋪與有機質(zhì)等量的生物質(zhì)焦，這種基質(zhì)的配置方式，水質(zhì)的各指標(biāo)會呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。基質(zhì)凈水在試驗初期效果比較好，但根本上對水體的凈化還是需要沉水植物。

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