不同水生植物種植模式對富營養(yǎng)化水體的凈化效果研究

曾明穎，顧凡強，王仁睿

（1.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010；2.西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽 621010））

隨著社會經濟的快速發(fā)展，工業(yè)、農業(yè)、城市污水的排放量劇增，我國水體普遍受到污染[1]，氮、磷等營養(yǎng)物質大量進入湖泊、河口海灣等水體，造成水體出現富營養(yǎng)化現象，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，溶解氧濃度降低，水質惡化，魚類大量死亡，已成為最嚴重的水質問題之一[2-3]。水生植物具有克藻效應，并對水體中的氮磷具有吸收、富集、過濾、轉移和沉淀作用，對富營養(yǎng)化水體的凈化起到非常重要的作用[4-6]。不同水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果已有多種研究，狐尾藻、伊樂藻等沉水植物能夠明顯降低水體中的氮磷營養(yǎng)鹽及有機物，改善水體溶解氧和透明度，抑制藻類生長[5]；雨久花、菖蒲等挺水植物對水體中的氮有很好的凈化作用[7]。目前研究主要集中在水生植物對水體的凈化能力，較少考慮景觀效果。篩選水生植物種類及種植模式，并以核心植物為中心，加大不同空間植物配置對于水體凈化和濕地景觀打造具有重要作用。本研究以凈化水質為目的，充分考慮植物配置的效果，結合易成活、病蟲害少、抗倒伏以及美學價值高的原則，從現有報道具有水質凈化能力的挺水植物、浮水植物和沉水植物中各挑選兩種植物，通過設置單獨種植、2種混種和3種混種的種植模式，比較不同種植模式對水質的凈化效果。本研究通過檢測不同水生植物及種植模式下富營養(yǎng)化水體中總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（COD）、氨氮和 pH值的變化，篩選出對富營養(yǎng)化水體凈化效果最佳的水生植物及種植模式，該結果可為水生植物的篩選提供技術指導，并為濕地景觀營造提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 試驗用水

本試驗用水取自西南科技大學污水處理廠二級處理出水口（經30 min靜置沉淀后的上清液）。

1.2 試驗材料及種植模式

從挺水植物、浮水植物和沉水植物中各挑選2種植物進行試驗（表1），采用單獨種植、2種混種和3種混種的種植模式，不放植物的試驗用水作為對照（表2）。試驗前對植物表面進行沖洗，并用自來水進行5 d的預培養(yǎng)。植物經過預培養(yǎng)后，選取長勢良好、大小相近的植株，清洗干凈。選用塑料箱（長寬高為44 cm×33 cm×10 cm）作為栽培容器，體積為14.5 L，倒入2/3體積的試驗用水，每盆稱取240 g植物放入，確保植物的根系完全浸沒在水中，挺水植物用尼龍繩和小卵石進行固定，植物在溫室大棚中（溫度20℃～25℃）生長。

表1 試驗使用的水生植物種類Table 1 The kind of aquatic plants in the experiment

表2 水生植物不同種植模式對水質凈化的影響Table 2 Effect of different configuration modes of aquatic plants on water purification

1.3 試驗設計

每種種植模式設置6個塑料箱，重復3次，不放植物、只加試驗用水的處理作為對照組。試驗每間隔5 d于早上10：00對水樣進行采集和檢測，試驗時間為25 d。

1.4 檢測指標與方法

按照國家環(huán)境保護總局《水和廢水檢測分析方法》測定TN、TP、COD、氨氮和pH值[8]。TN測定采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP測定采用鉬銻抗分光光度法，COD測定采用快速密閉催化消解法，氨氮測定采用納氏試劑分光光度法，pH值測定采用玻璃電極法。

各指標的去除率按以下公式計算：

式中，C0為初始濃度，Ci為處理后的濃度

1.5 數據統計與分析

數據通過SPSS 20.0進行單因素方差分析，數據為平均值±標準誤，同處理中不同字母代表最小顯著性差異P20.05，數據經Sigmaplot軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 試驗用水的水質情況

試驗用水略帶異味，水體顏色偏暗黃，根據檢測，TN、TP、COD 和氨氮分別為 32.088、2.830、37.640和 1.397 mg/L，pH 為 7.560（表 3），根據《地表水環(huán)境質量標準》的相關分類標準[9]，試驗用水的TN、TP濃度遠超類水的標準，屬于富營養(yǎng)化現象[9]。

表3 試驗用水的主要指標Table 3 Major indexes of the experimental water

2.2 水生植物的不同種植模式對水質的凈化效果

25 d后，對照水體及盆壁大量滋生肉眼可見的藻類生物，盆底部沉淀大量雜質（圖1a）。水生植物的不同種植模式下水體與對照相比均有明顯的改善，總的來說，單種水生植物種植的水體中肉眼能觀察到部分藻類生物和雜質，水面有少量漂浮物（圖1b）；兩種水生植物混種的水體沉淀物更少，無肉眼可見的藻類生物，水面有極少量漂浮物（圖1c）；3種水生植物混合的水體水質清澈，水面無漂浮物（圖 1d）。

圖1 25 d時水生植物不同種植模式下水體的情況Figure 1 Observation of eutrophic water treated with different configuration modes of aquatic plants on twenty-fifth day

第25天檢測各處理組的水質，可以看出，與對照相比，各處理組的TN、TP、COD和pH均有不同程度的下降，說明水生植物的不同種植模式均對水質具有凈化效果（表2）。

水體中TN濃度最低的是菖蒲[10-11]+鳳眼蓮[12-13]+狐尾藻[14]，為0.86 mg/L；與菖蒲+大 薸[15]+狐尾藻（1.28 mg/L）無顯著性差異，顯著低于其他處理組。對照水體的TN濃度分別是兩個處理組的31倍和21倍，兩個處理組對TN的去除率分別為97.3%和96.0%。

水體中TP濃度最低的是再力花[16-17]+ 薸大 +伊樂藻[18]，為 0.06 mg/L，與菖蒲+ 薸大 +伊樂藻（0.07 mg/L）、菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻（0.07 mg/L）無顯著性差異，顯著低于其他處理組。對照水體的TP濃度分別是3個處理組的15倍、13倍和13倍，3個處理組對TN的去除率分別為97.9%、97.5%和97.5%。

水體中COD濃度最低的是菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻，為 15.99 mg/L，與再力花（16.22 mg/L）、菖蒲（16.68 mg/L） 、大 薸（17.32 mg/L）、菖蒲+鳳眼蓮+伊樂藻（17.49 mg/L）無顯著性差異，顯著低于其他處理組。對照水體的COD濃度分別是5個處理組的1.6倍、1.5倍、1.5倍、1.4倍和1.4倍，5個處理組對COD的去除率分別為57.5%、56.9%、55.7%、53.9%和53.5%。

水體中氨氮濃度最低的是再力花+ 薸大 +伊樂藻，為0.37 mg/L，顯著低于其他處理組。對照水體的氨氮濃度是該處理組的2.6倍，再力花+ 薸大 +伊樂藻對氨氮的去除率為62.2%。各處理組水體中pH值為7.57～8.01，與對照水體相比下降了0.37～0.81。

綜合上述幾個指標，菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻為最佳種植模式，TN為0.86 mg/L，TP為0.07 mg/L，COD為 15.99 mg/L，氨氮為 0.49 mg/L，pH 值為 7.79，根據《地表水環(huán)境質量標準》的相關分類標準，處理后的水質已達到Ⅲ類水的標準。

2.3 菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻最佳種植模式在不同時間段對水質的改善情況

2.3.1 TN濃度的變化

隨著時間的增加，對照水體中TN濃度緩慢下降，0～5 d TP 濃度無顯著性差異，10～20 d TN 濃度顯著性低于0～5 d，25 d時TN濃度進一步降低。菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻水體中TN濃度急劇下降，5 d時，菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻水體中TN的濃度顯著低于對照，為29.2 mg/L；25 d時，菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻水體中TN的濃度降至0.86 mg/L，對照水體中TN濃度（29.65 mg/L）是菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻水體的34倍（圖2）。

圖2 水生植物最佳種植模式對富營養(yǎng)化水中總氮濃度的影響Figure 2 Effect of optimal configuration mode of aquatic plants on total nitrogen （TN）concentration in eutrophic water

2.3.2 TP濃度的變化

5 d時，對照水體中TP濃度顯著低于0 d，隨著時間的延長，TP濃度逐漸下降。菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻水體中TP濃度在5 d時急劇降低，為0.69 mg/L，顯著低于對照水體5～25 d TP的濃度；此后TP濃度隨著時間的延長繼續(xù)降低，20～25 d時，TP濃度趨于平穩(wěn)，分別降至0.08 mg/L和0.07 mg/L，對照水體中TP濃度（1.38 mg/L和0.92 mg/L）是菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻水體的17.3～13.1倍（圖3）。

圖3 水生植物最佳種植模式對富營養(yǎng)化水中總磷濃度的影響Figure 3 Effect of optimal configuration mode of aquatic plants on total phosphorus（TP）concentration in eutrophic water

2.3.3 COD濃度的變化

對照水體中COD濃度在0～10 d無顯著差異，15 d之后開始顯著降低。菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻水體中COD濃度在5 d時急劇降低，為28.61 mg/L，顯著低于對照水體0～15 d COD的濃度；此后COD濃度隨著時間的延長繼續(xù)降低，25 d時，COD濃度降至15.99 mg/L，對照水體中COD濃度（24.87 mg/L）是菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻水體的1.6倍（圖4）。

圖4 水生植物最佳種植模式對富營養(yǎng)化水中COD濃度的影響Figure 4 Effect of optimal configuration mode of aquatic plants on chemical oxygen demand（COD）concentration in eutrophic water

2.3.4 氨氮濃度的變化

對照水體中氨氮濃度從第5天開始明顯下降，5～15 d無顯著差異，之后顯著降低。菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻水體中氨氮濃度在第5天時為0.75 mg/L，顯著低于對照水體0～25 d氨氮的濃度；此后氨氮濃度隨著時間的延長繼續(xù)降低，25 d時，氨氮濃度降至0.49 mg/L，對照水體中氨氮濃度（0.85 mg/L）是菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻水體的1.7倍（圖5）。

圖5 水生植物最佳種植模式對富營養(yǎng)化水中氨氮濃度的影響Figure 5 Effect of optimal configuration mode of aquatic plants on ammonia nitrogen in eutrophic water

3 討論

本研究證明水生植物的不同種植模式對富營養(yǎng)化水體的凈化效果不同，總體趨勢為3種混種3兩種混種3單種種植，該結果與劉明文、陳小運和白雪梅等[12，16，19]的研究一致。本研究篩選到菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻為最佳種植模式，此外菖蒲+鳳眼蓮+伊樂藻這個組合也表現良好，而菖蒲+鳳眼蓮兩種混種的種植模式對富營養(yǎng)化水體的凈化效果明顯較差，這代表在菖蒲+鳳眼蓮的基礎上，再加入狐尾藻或伊樂藻兩種沉水植物均大大提升對水體的凈化能力。沉水植物可通過與浮游植物競爭光照和營養(yǎng)物質來達到凈化富營養(yǎng)化水體的作用[20]。已證實沉水植物能夠降低富營養(yǎng)化水體的營養(yǎng)負荷，促進懸浮物沉積，改善水體的COD抑制浮游植物生長，提高水體透明度和水體觀感[21]。本研究中應用狐尾藻和伊樂藻后可明顯觀察到水體清澈、表面無表漂浮物的現象。下一步研究需要驗證菖蒲+鳳眼蓮+其它藻類植物是否對富營養(yǎng)水體均具有良好的凈化作用，如果證實這種種植模式確實有效，這將在濕地景觀的營造上提供多種植物選擇。

本研究中水生植物最佳種植模式下在0～25 d，隨著時間的延長，TN、TP、COD和氨氮與對照相比均有顯著下降，這與周 玥 、王瑋等[11，22]，結論一致。25 d時，所有種植水生植物的水體pH處于7～8偏堿水平，與對照相比均有不同程度的下降，證明植物對水體酸堿度具有調節(jié)作用，這與王 珺 、柳世襲和Xu L.等[23-24]的研究結果一致，這種pH值有利于微生物的硝化和反硝化作用的進行。

利用水生植物凈化富營養(yǎng)化水體的研究在早期多使用單種水生植物，并未考慮到功能性和景觀性，現在這方面的研究已逐漸往多種水生植物的種植模式上進行深入。本研究結果已于2018年應用在甘肅省隴南市武都區(qū)白龍江濱江步道段灘地生態(tài)修復項目，本著以鄉(xiāng)土植物為主建四時有景，三季有花的植物造景原則[25]，在試驗篩選出菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻混合種植方式的基礎上，在灘地配置各類鄉(xiāng)土植物，垂柳、碧桃、櫻花和楓楊等喬木，金葉繡線菊和金禾女貞等灌木，大花萱草、香蒲、水蔥、蘆葦和狼尾草等濕生草本植物。經過2年的驗證，這種植物配置形式既保證對白龍江濱江步道段的富營養(yǎng)化水體起到良好的凈化效果，又提高城市濱水景觀的美學觀賞價值。楓楊樹冠廣展、枝葉茂密、生長快速且根系發(fā)達，是河床兩岸低洼濕地的良好綠化樹種，還可防治水土流失。垂柳枝條長而柔軟，喜水濕，將人的視線引向水面，碧桃花色鮮艷，花量大，兩者交相輝映，形成春季桃紅柳綠的優(yōu)美景觀。隴南市武都區(qū)全年光照充足，櫻花不僅春季可以觀花，秋季紅葉也具有很高的觀賞價值，金禾女貞色澤鮮亮。金葉繡線菊葉色有豐富的季相變化，新葉橙紅，冬季紅葉，花期長，花量多，是花葉俱佳的小灌木。大花萱草、香蒲、水蔥、蘆葦和狼尾草均為多年生，耐寒，抗性強，適合種植在水邊、沼澤地或濕地草叢，保持水土，不僅能讓灘地展現生態(tài)自然的鄉(xiāng)野風光，而且歲歲枯榮輪回，景觀季相更加明顯。

4 結論

本研究基于功能性、生態(tài)性和景觀效果3個方面從常用的挺水、浮水和沉水中共挑選出6種適合西南地區(qū)生長的水生植物，通過設置單獨種植、挺水+浮水兩種混種、挺水+浮水+沉水3種混種的種植模式，驗證水生植物不同種植模式對富營養(yǎng)化水體的凈化效果，結果顯示，不同種植模式均對水體有不同程度的凈化，其中菖蒲+鳳眼蓮+狐尾藻對水體的凈化效果最佳，25 d時，水體的TN為0.86 mg/L，TP為0.07mg/L，COD為15.99 mg/L，氨氮為0.49 mg/L，pH值為7.79，該種植模式下的水體水質已達到Ⅲ類水的標準。