不同水生植物組合對(duì)富營養(yǎng)化水體中氮磷去除效果的研究

邢春玉 胡馨月 李景

(天津天獅學(xué)院，天津 301700)

水體富營養(yǎng)化是當(dāng)今世界環(huán)境熱點(diǎn)問題之一，工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染及生活污水的過度排放超過了河流、湖泊的可容納量，導(dǎo)致水體中氮、磷元素超標(biāo)，水體在短時(shí)間內(nèi)迅速富營養(yǎng)化[1,2]。富營養(yǎng)化水體導(dǎo)致藍(lán)藻爆發(fā)，給人類健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成威脅。因此，如何有效控制水體中的氮、磷仍是當(dāng)前亟待解決的水環(huán)境問題。富營養(yǎng)化水體修復(fù)可以采用物理、化學(xué)、生物方法[3,4]，其中植物修復(fù)技術(shù)具有成本低、效果好、美化環(huán)境等優(yōu)勢(shì)[5]。水生植物是水體生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，在眾多的污染水體治理中，可以采用水生植物原位修復(fù)的方法[6,7]，其具有技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，已成為國內(nèi)外污染水體治理的研究熱點(diǎn)。

水生植物對(duì)富營養(yǎng)化水體中氮磷的凈化能力受自身生理特性的影響，不同種類的植物對(duì)污水的凈化能力不同，單種植物和不同植物組合對(duì)水體的凈化效果也存在差別[8]。因此，本研究選取分布廣泛、凈化效果好且具有一定觀賞價(jià)值的水生植物進(jìn)行組合，研究其對(duì)富營養(yǎng)化水體中總氮、總磷的去除效果，以及對(duì)水體pH、溶解氧的影響，同時(shí)監(jiān)測(cè)水生植物生物量的變化，以期篩選出凈化效果最佳的植物組合，為富營養(yǎng)化水體凈化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水生植物：金魚藻(Ceratophyllum demersum)、黑藻(Hydrilla verticillata)、苦草(Vallisnerianatans)、穗狀狐尾藻(Myriophyllum spicatum L.)；水鱉(Hydrocharis dubia(Bl.)Backer)、荇菜(Nymphoides peltatum(Gmel.)O.Kuntze)均購于水族市場(chǎng)。

采集海河富營養(yǎng)化水體，初始總氮含量為4.32mg·L-1，總磷含量為0.37mg·L-1，溶解氧含量為8.77mg·L-1，pH為9.65。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇長勢(shì)良好的植物，構(gòu)建不同植物組合的試驗(yàn)單元。植物組合分別為水鱉加金魚藻、水鱉加苦草、苦草加穗狀狐尾藻、荇菜加穗狀狐尾藻。在16L培養(yǎng)桶中鋪上一層經(jīng)過反復(fù)清洗、高溫滅菌后的河沙，將4個(gè)組合的水生植物分別種在培養(yǎng)桶中，每個(gè)培養(yǎng)桶中分別加入12L的富營養(yǎng)化水體，同時(shí)設(shè)空白對(duì)照。在光照強(qiáng)度為2000lx，光周期12L∶12D，平均溫度為25℃的培養(yǎng)室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，每隔3d監(jiān)測(cè)水體總氮(TN)、總磷(TP)、pH、溶解氧等指標(biāo)變化，同時(shí)監(jiān)測(cè)水生植物生物量、株高等指標(biāo)的變化。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法

TN的測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP的測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法，溶解氧(OD值)的測(cè)定采用碘量法測(cè)定[9]。pH的測(cè)定采用PHS-3CW型pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用SigmaPlot 12.5進(jìn)行繪圖。水體中總氮、總磷去除率公式：

R=(S0-S)/S0

式中，R為去除率；S0為初始濃度；S為終濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 水體指標(biāo)的變化

2.1.1 不同植物組合對(duì)富營養(yǎng)化水體TN的影響

從圖1可以看出，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中4種不同水生植物組合所在水體中總氮與空白對(duì)照相比呈顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)，4種水生植物組合對(duì)水體總氮均具有清除能力，差異不顯著，對(duì)水體總氮去除貢獻(xiàn)率分別為78.70%、73.84%、85.18%、86.57%。荇菜加穗狀狐尾藻群落對(duì)總氮的去除貢獻(xiàn)率最大，植物生長旺盛，自凈能力較強(qiáng)，群落穩(wěn)定性較好。

圖1 不同植物組合處理總氮的變化

2.1.2 不同植物組合對(duì)富營養(yǎng)化水體TP的影響

由圖2可知，4個(gè)植物組合所在富營養(yǎng)化水體中TP含量均有明顯下降，對(duì)總磷的去除率分別為70.27%、83.78%、89.19%和81.08%。其中，苦草加穗狀狐尾藻組合TP含量的去除效果最好，水體中TP含量由最初的0.37mg·L-1降低到0.06mg·L-1，去除效果尤為顯著。

圖2 不同植物組合處理總磷的變化

2.1.3 不同植物組合水體中溶解氧的變化

水體溶解氧含量的變化受水生植物與浮游藻類光合作用的共同影響，較高的溶解氧含量是水質(zhì)得以改善的主要特征之一[10]。從圖3可以看出，各處理中溶解氧含量均有升高，水質(zhì)得以改善。浮葉植物的葉片大面積覆蓋在水面，阻礙大氣中氧氣進(jìn)入水體，不利于水體溶解氧的穩(wěn)定。沉水植物通過光合作用產(chǎn)生氧氣，將氧氣釋放到水體中，從而提高水體的溶解氧含量。水環(huán)境中溶解氧含量提高，可以促進(jìn)氨氮進(jìn)行硝化作用，轉(zhuǎn)化為利于植物吸收的硝酸鹽[11]。

圖3 不同植物組合對(duì)水體溶解氧含量的影響

2.1.4 不同植物組合水體中pH的變化

從圖4可以看出，與對(duì)照組相比，4個(gè)植物組合水體pH值下降明顯，各個(gè)處理pH值相差不大，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)pH值分別為7.36、7.67、7.35和7.57。在富營養(yǎng)化水體中由于浮游植物進(jìn)行光合作用降低了水體中的CO2含量，導(dǎo)致水體pH升高。水生植物可以抑制藻類生長，從而使水體保持中性狀態(tài)。

圖4 不同植物組合水體中pH的變化

2.2 水生植物生長情況

圖5、圖6顯示了4種植物組合中水生植物生物量及株高的變化。其中，苦草加穗狀狐尾藻生物量?jī)粼隽孔疃?，?0.6%；其次為荇菜加穗狀狐尾藻、水鱉加苦草，分別為16.7%、15.3%；水鱉加金魚藻的凈增量最低，為12.5%。通過結(jié)果分析得出，生物量增長較多的水生植物對(duì)氮、磷去除率相對(duì)較高，而增長量較低的植物對(duì)氮、磷去除率相對(duì)降低。這表明水生植物生物量增加與其吸收水體中氮、磷存在一定的關(guān)系[12]。

圖5 不同組合植物生物量的變化

圖6 不同組合植物株高的變化

3 結(jié)論

4種水生植物組合經(jīng)過30d的培養(yǎng)，荇菜加穗狀狐尾藻組對(duì)TN的去除能力最強(qiáng)，水體中的TN由4.32mg·L-1下降到0.58mg·L-1，其去除率達(dá)到86.57%。其它3個(gè)組合對(duì)TN的去除率由高到低依次為苦草加穗狀狐尾藻、水鱉加苦草、水鱉加金魚藻。

4種植物組合對(duì)水體TP的去除能力表現(xiàn)出差異。其中，苦草加穗狀狐尾藻組合對(duì)總磷的去除率為89.19%，其它3個(gè)組合對(duì)總磷去除率依次為水鱉加苦草83.78%、荇菜加穗狀狐尾藻81.08%、水鱉加金魚藻70.27%。

培養(yǎng)30d后，4種植物組合所在水體pH均趨于中性，所在水體溶解氧均有一定程度增加，水生植物的生物量和株高有明顯增加趨勢(shì)，進(jìn)一步說明水生植物可以吸收水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)從而起到凈化水體作用。