浮床模式下沉水植物凈化富營養(yǎng)化水體效果

趙文婧　賈曉楠　王繁

摘要：采用3種常見沉水植物（金魚藻、穗花狐尾藻、苦草）為試驗(yàn)對象，利用自然池塘自然水體和模擬氮磷水體，通過測定水體中總氮、總磷、氨氮的含量以及藻類含量變化，比較沉水植物種植浮床對自然水體（總氮含量為0.8mg/L，總磷含量為0.05mg/L）和模擬水體（總氮含量為5.0mg/L，總磷含量為2.0mg/L）2種富營養(yǎng)化水體的凈化效果。結(jié)果表明，在人工浮床種植模式下，苦草、穗花狐尾藻和金魚藻對自然水體中總氮的去除率分別為49.4%、55.9%和53.8%，總磷的去除率分別為15.0%、39.6%和47.8%;對模擬水體中總磷和氨氮去除率均達(dá)到了80%以上;對自然水體中藍(lán)藻、硅藻的抑制效果相對較好，綠藻則不太明顯。綜合分析，沉水植物種植浮床生長模式可以有效凈化處理不同程度的富營養(yǎng)化水體，表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：沉水植物;種植浮床;氮;磷;富營養(yǎng)化水體;金魚藻;穗花狐尾藻;苦草

中圖分類號：X524文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）01-0197-05

作者簡介：趙文婧（1994—），女，河南濟(jì)源人，碩士，主要從事濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究。E-mail：zzzhaowenjing@126.com。

通信作者：王繁，博士，副研究員，主要從事環(huán)境污染控制與生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究。E-mail：wangfan@hznu.edu.cn。

氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的累積是造成水體富營養(yǎng)化的主要原因[1]。近年來，植物修復(fù)技術(shù)與物理、化學(xué)等修復(fù)方法相比，具有投資少、處理效果好、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體的修復(fù)[2-3]。目前，用于水體修復(fù)的水生植物包括挺水植物、浮水植物和沉水植物[4-5]，其中沉水植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外的水體治理工程中取得了很好的修復(fù)效果[6-7]。沉水植物可以通過自身生長吸收降低水體的氮、磷含量，并且能增加水體溶解氧含量，抑制底泥再懸浮和污染物質(zhì)釋放等功能。已經(jīng)開展水體修復(fù)研究的沉水植物主要包括苦草[8]、狐尾藻[9]、眼子菜[10]、金魚藻[11]、黑藻[12]等。曹欠欠等開展了苦草、輪葉黑藻、狐尾藻和金魚藻在自然光和避光條件下的復(fù)氧試驗(yàn)，結(jié)果表明，沉水植物對水體氨氮具有較好的去除率，在自然光照條件下苦草、輪葉黑藻、金魚藻和狐尾藻對污染物的去除率分別為95.05%、92.74%、89.45%和88.29%[13]。雷澤湘等研究了太湖梅梁灣流域大型水生植物對湖水富營養(yǎng)化的凈化效果，結(jié)果表明苦草、眼子菜、輪葉黑藻等植物能有效去除水中的氮和磷，去除率達(dá)60%以上[14]。林春風(fēng)等的研究結(jié)果也證明了不同沉水植物對富營養(yǎng)化水體均有較好的凈化效果[15-18]。

目前，沉水植物多以水底固定種植模式為主，但當(dāng)水體底部缺少固定介質(zhì)時(shí)，便會(huì)限制沉水植物的生產(chǎn)。另外，當(dāng)水位太深或水體濁度較高時(shí)，水下光線較弱，植物的光合作用受到抑制，沉水植物生長過程以及富營養(yǎng)化水體的凈化效果也會(huì)受到顯著影響[19-20]。沉水植物的種植浮床模式可以破解水體底部條件以及水體透光度限制，根據(jù)自然水體的深度和透明度調(diào)節(jié)種植浮床的水下位置，創(chuàng)建沉水植物良好的生態(tài)位，促進(jìn)其發(fā)揮對水體的生物修復(fù)與凈化功能。目前，已有一些研究提出了浮床模式下種植沉水植物修復(fù)水體的方法，但是其修復(fù)效果尚未十分明確。本試驗(yàn)以3種沉水植物——苦草、穗花狐尾藻和金魚藻為試驗(yàn)對象，研究在種植浮床模式下沉水植物對自然水體（總氮含量為0.8mg/L，總磷含量為0.05mg/L）和模擬水體（總氮含量為5.0mg/L，總磷含量為2.0mg/L）2種富營養(yǎng)化水體的凈化效果，為拓展沉水植物修復(fù)工程在渾濁水體的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1沉水植物種植浮床的設(shè)計(jì)

PVC管浮床包括矩形PVC管框架、上層網(wǎng)片和下層網(wǎng)片。由圖1可知，矩形PVC管框架采用管徑為50mm的PVC管，并在框架上分散打孔，以減少PVC管的浮力。其中上層網(wǎng)片為網(wǎng)孔邊長1.5cm的涂塑鐵絲硬網(wǎng)，下層網(wǎng)片為網(wǎng)孔邊長0.5cm的軟網(wǎng)。將上下網(wǎng)片包裹PVC浮床框架用扎帶將四周縫合。

1.2沉水植物種植浮床模擬凈化試驗(yàn)

1.2.1沉水植物種類

本試驗(yàn)選取3種本土常見沉水植物，分別為金魚藻、穗花狐尾藻、苦草[21-22]。

1.2.2富營養(yǎng)化水體

試驗(yàn)富營養(yǎng)化水體設(shè)置了自然水體和模擬水體2種。自然水體為西溪濕地某池塘原水，總氮含量約為0.8mg/L，總磷含量約為0.05mg/L。模擬水體由池塘原水、氯化銨和磷酸鉀溶液配制而成，模擬富營養(yǎng)化的總氮含量約為5.0mg/L，總磷含量約為2.0mg/L。

1.2.3沉水植物種植方法

采用方形聚丙烯材質(zhì)水槽和自制的種植浮床進(jìn)行模擬種植試驗(yàn)。水槽容積約300L，深約60cm，水槽使用前用池塘原水浸泡3d。使種植浮床正好固定在水槽底部以上10cm處，保證沉水植物完全沒入水中。沉水植物由上層網(wǎng)片的網(wǎng)孔植入浮床，合適的上層網(wǎng)孔大小可以保證沉水植物固定在浮床上。參照同類研究結(jié)果[23]，設(shè)置沉水植物的種植密度為1000g/m2鮮草，每種植物試驗(yàn)組設(shè)3個(gè)重復(fù)，另設(shè)1組空白對照。

1.2.4水質(zhì)指標(biāo)與測試方法

種植試驗(yàn)于2019年6月在杭州師范大學(xué)室外溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)周期約15d。試驗(yàn)過程中每隔3d采集1次水樣，測定水樣的氮、磷含量（表1）;利用浮游植物熒光儀（Phyto-PAM）測定自然水體中浮游植物藍(lán)藻、綠藻、硅藻的含量。

2結(jié)果與分析

2.1沉水植物種植浮床對富營養(yǎng)化水體中TN的去除效果

3種沉水植物種植床對水體總氮（TN）的去除效果如圖2和圖3所示。可以看出，各試驗(yàn)組TN濃度下降趨勢基本一致。試驗(yàn)前期自然水體TN含量下降較快，后期水體中TN含量略有升高。原因是自然水體本身總氮濃度較低，試驗(yàn)前期各沉水植物不斷生長，對總氮的吸附較快，試驗(yàn)后期水體無機(jī)養(yǎng)分負(fù)荷較低，植物生長受到限制，部分植物組織枯萎未及時(shí)處理，導(dǎo)致其腐爛于水體中，水體TN含量有所升高。試驗(yàn)前期模擬水體TN濃度下降較快，后期基本趨于平穩(wěn)。這是由于植物處于試驗(yàn)初期的快速營養(yǎng)生長期，對氮的吸收利用較快，可快速降低水體中的總氮濃度。由于恢復(fù)時(shí)間的延長，試驗(yàn)后期水體氮負(fù)荷降低，且植物營養(yǎng)生長相對緩慢，減少了植物對氮的吸收，導(dǎo)致水體總氮的去除速率緩慢[24]，去除效率降低。

從表2可以看出，3種沉水植物試驗(yàn)組對水體中TN均有較好的去除效果，但同時(shí)也存在一定的差異。在自然水體中，金魚藻種植床和穗花狐尾藻種植床對水體中TN的去除率要高于苦草種植床;在模擬水體中，苦草種植床和金魚藻種植床對水體中TN的去除率要高于穗花狐尾藻。

2.2沉水植物種植浮床對富營養(yǎng)化水體中NH+4-N的去除效果

無機(jī)氮是植物的主要氮源，以硝酸鹽和銨鹽為主。植物吸收銨鹽后，可直接用于合成氨基酸。因此，植物可通過陽離子交換吸附來吸收水體中的NH+4-N，從而去除水體中的NH+4-N。從圖4和圖5可以看出，3種植物的種植床對自然水體和模擬水體中的氨氮均有較高的去除效果，但試驗(yàn)前期，穗花狐尾藻和苦草種植床對水體中NH+4-N的吸附速度要優(yōu)于金魚藻種植床。

從表3可以看出，自然水體中3種種植床的氨氮去除率為穗花狐尾藻>苦草>金魚藻;模擬水體中3種種植床去除率依次為苦草>金魚藻>穗花狐尾藻。由此得出，當(dāng)修復(fù)低NH+4-N含量的水體時(shí)，可以選取狐尾藻達(dá)到較好的快速凈化效果;當(dāng)修復(fù)中高NH+4-N含量的水體時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，可選擇苦草等耐寒、營養(yǎng)負(fù)荷高的植物，以達(dá)到穩(wěn)定的凈化效果。

2.3沉水植物種植床對富營養(yǎng)化水體中TP的去除效果

磷是核酸、核蛋白、磷脂、腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）以及多種酶等的重要組成成分。磷參與植物的各種代謝過程，對植物的正常生長起著重要作用。在試驗(yàn)期間，3種沉水植物種植床試驗(yàn)水體總磷（TP）含量隨試驗(yàn)時(shí)間的變化情況如圖6和圖7所示。自然水體在試驗(yàn)開始前期的TP含量普遍變化不大，在試驗(yàn)后期3種沉水植物生長加速，試驗(yàn)水體的TP濃度均下降較快。

模擬水體試驗(yàn)開始后，苦草種植床試驗(yàn)組水體TP濃度保持穩(wěn)定的下降趨勢，另外2種植物種植床試驗(yàn)組水體TP濃度迅速下降。試驗(yàn)初期，環(huán)境、溫度和光照等適宜，水體無機(jī)養(yǎng)分充足，金魚藻和穗花狐尾藻植物生長較快，故該階段對于TP的吸收較快;而苦草試驗(yàn)初期適應(yīng)較慢，在試驗(yàn)后期植物生長加速，水體中TP濃度下降迅速。在試驗(yàn)后期，由于水中氮負(fù)荷較低，植物生長受到限制，因此對TP的吸收變緩。

在自然水體和模擬水體中，3種沉水植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收程度不同。由表4可知，當(dāng)修復(fù)TP含量較低的水體時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)先選取金魚藻或者穗花狐尾藻能達(dá)到較好的凈化效果;當(dāng)修復(fù)TP含量較高的水體時(shí)，可以優(yōu)先選取苦草等耐高養(yǎng)分負(fù)荷的植物，以達(dá)到較好的凈化修復(fù)效果。

2.5沉水植物種植床對富營養(yǎng)化水體中藻類的抑制效果

水體富營養(yǎng)化會(huì)導(dǎo)致大量浮游植物和藻類的生長，而沉水植物的存在可通過與浮游藻類競爭水體中的營養(yǎng)物質(zhì)以及光熱條件從而抑制藻類的生長。同時(shí)，沉水植物還能夠分泌抑制藻類生長的化感物質(zhì)，通過破壞藻類正常的生理代謝功能，致使藻類死亡[22]，控制富營養(yǎng)化水體藻類水華暴發(fā)。圖8為試驗(yàn)自然水體中的葉綠素a含量總體變化情況。在沉水植物浮床種植試驗(yàn)前期，藻類葉綠素含量呈快速下降趨勢，后期則略有回升并逐漸穩(wěn)定。

圖8中的葉綠素a含量表現(xiàn)為3種沉水植物對池塘原水中不同藻類的綜合抑制結(jié)果，但是3種沉水植物對于不同藻類的抑制能力存在明顯差異。從表5可以看出，相對空白對照水體，3種沉水植物均表現(xiàn)出良好的抑藻效果，其中穗花狐尾藻對水體中藍(lán)藻和綠藻的抑制效果較好，而金魚藻對硅藻的抑制效果較好。不同沉水植物抑藻能力的差異，可能是由于沉水植物具有抑藻效果的化感物質(zhì)類型和產(chǎn)量不同。

3結(jié)論

在浮床種植模式下，比較了3種沉水植物對中高程度富營養(yǎng)化水體的凈化效果。研究結(jié)果表明，苦草、金魚藻和穗花狐尾藻3種常見沉水植物種植浮床對水體中的氮、磷均具有明顯的凈化效果，而且對水體中的藍(lán)藻、硅藻和綠藻均具有一定的抑制效果。沉水植物種植浮床生長模式可以有效凈化處理不同程度富營養(yǎng)化水體，通過調(diào)節(jié)浮床深度可以破解水體底質(zhì)和透光條件對于沉水植物生長的限制，需要優(yōu)化沉水植物浮床種植密度進(jìn)一步提高凈化效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王昭洋.城市湖庫水體富營養(yǎng)化評價(jià)與水華治理決策方法研究[D].北京：北京工商大學(xué)，2016.

[2]MadsenTV，CedergreenN.Sourcesofnutrientstorootedsubmergedmacrophytesgrowinginanutrient-richstream[J].FreshwaterBiology，2002，47（2）：283-291.

[3]曹萃禾.水生維管束植物在太湖生態(tài)系統(tǒng)中的作用[J].生態(tài)學(xué)雜志，1987（1）：37-39.

[4]趙德鋒.北京市河湖富營養(yǎng)化成因分析及治理技術(shù)的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2005.

[5]李雄清.水生植物先鋒種組合凈化富營養(yǎng)化水體模擬試驗(yàn)研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.

[6]藺芳.4種耐低溫沉水植物對富營養(yǎng)化水體除磷去氮的研究[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2018，24（22）：108-109.

[7]張飲江，劉曉培，金晶，等.沉水植物對水體凈化的研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2012，30（27）：72-79.

[8]石正馳，田丹，鄒序安，等.苦草對富營養(yǎng)化水體凈化效應(yīng)的示范研究[J].綠色科技，2019（6）：87-90.

[9]馬永飛.粉綠狐尾藻對富營養(yǎng)化水體氮的去除作用及機(jī)制研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

[10]張楠.用于高鹽度再生水富營養(yǎng)化控制的蓖齒眼子菜克藻效應(yīng)與機(jī)理研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[11]劉俊，張清東，馬蕓瑩，等.金魚藻對富營養(yǎng)化水體營養(yǎng)源的凈化作用[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，25（1）：257-260.

[12]WangS，JinX，ZhaoH，etal.EffectsofHydrillaverticillataonphosphorusretentionandreleaseinsediments[J].WaterAirandSoilPollution，2007，181（14）：329-339.

[13]曹欠欠，于魯冀，呂翠美，等.四種沉水植物對城市污染水體的凈化效果研究[J].人民黃河，2017，39（5）：76-80.[HJ2.05mm]

[14]雷澤湘，謝貽發(fā)，徐德蘭，等.大型水生植物對富營養(yǎng)化湖水凈化效果的試驗(yàn)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（3）：553-554.

[15]林春風(fēng)，曹國軍，武鵬，等.四種沉水植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（10）：6083-6085.

[16]吳強(qiáng)亮，謝從新，趙峰，等.沉水植物苦草對沉積物中磷賦存形態(tài)的影響[J].湖泊科學(xué)，2014，26（2）：228-234.

[17]姚瑤，黃立章，陳少毅，等.不同沉水植物對水體氮磷的凈化效果[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（4）：789-792.

[18]童昌華，楊肖娥，濮培民.富營養(yǎng)化水體的水生植物凈化試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（8）：1447-1450.

[19]柳驊.水生植物的凈化作用及其在水體景觀生態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2003.

[20]濮培民，王國祥，李正魁，等.健康水生態(tài)系統(tǒng)的退化及其修復(fù)——理論、技術(shù)及應(yīng)用[J].湖泊科學(xué)，2001，13（3）：193-203.

[21]李威.6種湖南常見沉水植物對富營養(yǎng)化廢水凈化效果研究[D].長沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2018.

[22]邊歸國，趙衛(wèi)東，達(dá)來.沉水植物化感作用抑制藻類生長的研究與應(yīng)用[J].北方環(huán)境，2012，24（1）：59-64.

[23]田琦，王沛芳，歐陽萍，等.5種沉水植物對富營養(yǎng)化水體的凈化能力研究[J].水資源保護(hù)，2009，25（1）：14-17.

[24]高巖，馬濤，張振華，等.不同生長階段鳳眼蓮凈化不同程度富營養(yǎng)化水體的效果研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33（12）：2427-2435.