水生植物對富營養(yǎng)化水體去除氮磷研究

劉建英，劉玉華，劉國華，馬愛軍

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

目前我國水體富營養(yǎng)化已成普遍現(xiàn)象[1]，水體富營養(yǎng)化不僅會嚴(yán)重破壞水環(huán)境的景觀效果，還會帶來藻類過度增長引起的水源污染[2-3]。研究證明水生植物可以有效吸收、富集富營養(yǎng)化水體中的氮磷元素,具有克藻效應(yīng)[4]，提高水體的自凈能力[5-9]。同時，水生植物還具有重要的景觀意義[10]，具有環(huán)境友好、投資低、便于應(yīng)用等優(yōu)點[11]。雖然學(xué)者們進(jìn)行了關(guān)于水生植物對水體氮磷的凈化研究，但是水生植物種類和組合類型眾多，目前尚沒有選擇菖蒲(Acoruscalamus)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、旱傘草(CyperusinvolucratusRottboll)、水葫蘆(Eichhorniacrassipes)、黑藻(Hydrillaverticillata)等5種植物進(jìn)行富營養(yǎng)化水體中氮磷凈化作用的對比研究。為了對它們進(jìn)行目的性篩選，相應(yīng)研究就顯得非常有意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

挺水植物：菖蒲、千屈菜、旱傘草；漂浮植物：水葫蘆；沉水植物:黑藻。試驗原水均取自江蘇句容農(nóng)博園附近水塘的生活污水。由于水塘水體的流動性差，水體缺乏治理，水體觀感渾濁，呈富營養(yǎng)化狀態(tài)。另外由于不同水塘的水體中，植物的生長狀況及微生物的含量有所差異，為了能準(zhǔn)確評估水體中總氮、總磷的含量，取水時從不同水塘進(jìn)行多點選取，將所取水體攪拌混勻，并對原水質(zhì)的富營養(yǎng)化水平進(jìn)行檢測分析。根據(jù)水體富營養(yǎng)水平評價標(biāo)準(zhǔn)，本試驗的水體總氮、總磷質(zhì)量濃度設(shè)定為中富營養(yǎng)的水平。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案 試驗共設(shè)6個處理，包括5個植物種類的種植單元，以及1個空白對照單元，每個處理重復(fù)3次。其中1—3號為千屈菜，5—7號為旱傘草，9—11 號為菖蒲，13—15號為水葫蘆，17—19 號為黑藻，4，8，12號為空白對照組。將每個處理設(shè)為獨立的富營養(yǎng)化水體處理系統(tǒng),分別測定水生植物及水體總氮、總磷質(zhì)量濃度。

試驗于2019年9月25日開始，持續(xù)30 d。在江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)博園基地進(jìn)行。試驗培養(yǎng)塑料箱容器規(guī)格為60 cm×40 cm×38 cm，塑料箱處理水體體積為60 L，植物的蓋度為33%左右。

試驗開始前用自來水對供試植物進(jìn)行7 d的預(yù)培養(yǎng)。經(jīng)預(yù)培養(yǎng)后，選取長勢良好、大小一致的植株，清洗干凈，栽植于供試水體中，挺水植物用聚苯乙烯泡沫打孔栽植固定在供試水體中。試驗每個處理中放入初始生物量(鮮質(zhì)量)相等的水生植物。植物在自然光照、避雨的條件下生長。試驗期間用蒸餾水補(bǔ)充蒸騰損失的水分。試驗每隔10 d測定水體氮、磷質(zhì)量濃度，在試驗開始和結(jié)束時分別采取植物樣品，試驗?zāi)┓Q量生物量(鮮質(zhì)量)，烘干后測定植株體內(nèi)的N，P含量。

1.2.2 試驗數(shù)據(jù)測定方法與儀器 水體總氮(TN)含量測定： 采用連續(xù)流動-鹽酸萘乙二胺分光光度法測定[12]。

水體總磷(TP)含量測定：采用流動注射-鉬酸銨分光光度法測定[13]。

植物樣品總氮(TN)含量測定：采用硫酸-雙氧水消解，微量凱氏定氮法測定植物氮含量[14]。

植物樣品總磷(TP)含量測定：用鉬銻抗比色法測定植物全磷含量[14]。

主要儀器：水樣全氮、全磷主要用分光光度UV2700和流動分析San++；植物N測定主要用紫外分光光度計(T1910普析通用)；植物P測定主要用自動定氮儀(瑞士步琦)。

1.2.3 試驗數(shù)據(jù)分析與計算 試驗主要分析3個指標(biāo)，分別是水體中的氮磷去除率、植物的氮磷累積率、植物去除氮磷貢獻(xiàn)率。具體計算方法如下。

(1)S(%)= [(A0-A) /A0]×100[15]

式中，S為氮磷去除率；A0為氮磷初始質(zhì)量濃度；A為氮磷終期質(zhì)量濃度。

(2)氮磷累積率(%)=[ (試驗后植物體內(nèi)氮磷含量 - 試驗前植物內(nèi)氮磷含量)/試驗前植物體內(nèi)氮磷含量]×100[16]

(3)a(%)= [ (Ae-Ack) /Ae]×100[15]

式中，a為植物去除氮磷貢獻(xiàn)率；Ae為試驗組的去除率；Ack為對照組的去除率。

測定數(shù)據(jù)均用 SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 富營養(yǎng)化水體總氮(TN)的質(zhì)量濃度變化

5種水生植物對模擬富營養(yǎng)化水體生態(tài)系統(tǒng)中總氮的質(zhì)量濃度都有一定的降低作用(如圖1)，并且與對照組相比，5種植物系統(tǒng)最終氮含量均與對照組有極顯著性差異(P<0.01)。其中千屈菜的去除率53.03%，旱傘草的去除率67.6%，菖蒲的去除率64.19%，水葫蘆的去除率84.43%，黑藻的去除率74.49%，對照空白組的相應(yīng)值為20.28%。5種水生植物對總氮的去除率依次為水葫蘆>黑藻>旱傘草>菖蒲>千屈菜，水葫蘆的去除效果最好，千屈菜的去除效果相對較差。旱傘草與菖蒲對總氮的去除率差異不顯著，其余差異具有顯著性(如表1)。5種植物均在試驗前10 d去除總氮的速度較快，中間10 d去除總氮的速度逐漸變慢，最后10 d去除總氮的速度繼續(xù)變慢，在試驗結(jié)束時，5種植物均達(dá)到整體最大的總氮去除率。

圖1 富營養(yǎng)化水體總氮變化

2.2 富營養(yǎng)化水體總磷(TP)的質(zhì)量濃度變化

5種水生植物對模擬富營養(yǎng)化水體生態(tài)系統(tǒng)中總磷的質(zhì)量濃度都有一定的降低作用(如圖2)，并且與對照組相比，5種植物系統(tǒng)最終磷含量均與對照組有極顯著性差異(P<0.01)。其中千屈菜的去除率52.27%，旱傘草的去除率80.8%，菖蒲的去除率61.64%，水葫蘆的去除率91.07%，黑藻的去除率66%，對照空白組的相應(yīng)值為28.4%。5種水生植物對總磷的去除率水葫蘆與旱傘草的去除效果較好，并且水葫蘆與旱傘草之間的差異不顯著，千屈菜的去除效果相對較差，黑藻的去除效果居中，菖蒲與黑藻和千屈菜比較都沒有顯著性差異(如表1)。5種植物均在試驗前10 d去除總磷的速度較快，中間10 d去除總磷的速度逐漸變慢，最后10 d去除總磷的速度繼續(xù)變慢，在試驗結(jié)束時，5種植物均達(dá)到整體最大的總磷去除率。

圖2 富營養(yǎng)化水體總磷變化

表1 不同水生植物的氮磷去除率 %

2.3 植物凈化水體氮磷的累積率

試驗證明5種水生植物在模擬富營養(yǎng)化水體的生態(tài)系統(tǒng)中都能夠正常生長。試驗周期內(nèi)，5種植物的生物量(鮮質(zhì)量)都有明顯的增加，與試驗初始生物量相比較，千屈菜增加了150 g，旱傘草增加了154 g，菖蒲增加了126 g，水葫蘆增加了245 g，黑藻增加了188 g。5種植物對富營養(yǎng)化水體中的氮均有一定程度的吸收作用，千屈菜對氮的累積率為19.94%，旱傘草對氮的累積率為17.08%，菖蒲對氮的累積率為10.49%；水葫蘆對氮的累積率為60.73%，黑藻對氮的累積率為46.26%。5種植物對氮的累積率依次為水葫蘆>黑藻>千屈菜>旱傘草>菖蒲，水葫蘆的累積率最高，菖蒲的累積率相對較差。千屈菜與旱傘草對氮的累積率差異不顯著(如表2)。

表2 不同水生植物的氮磷累積率 %

5種植物對富營養(yǎng)化水體中的磷均有一定程度的吸收作用，千屈菜對磷的累積率為19.3%，旱傘草對磷的累積率為13.45%，菖蒲對磷的累積率為40.5%；水葫蘆對磷的累積率為43.55%，黑藻對磷的累積率為29.82%。5種植物對磷的累積率依次為水葫蘆>菖蒲>黑藻>千屈菜>旱傘草，水葫蘆的累積率最高，旱傘草的累積率相對較差。5種水生植物對磷的累積率差異顯著(如表2)。由相關(guān)性分析可知，水體氮的去除率和植物氮的吸收累積率呈極顯著正相關(guān)的關(guān)系(r=0.831，P<0.01)；水體磷的去除率和植物磷的吸收累積率呈極顯著正相關(guān)(r=0.249，P<0.01)。

2.4 植物去除氮磷的貢獻(xiàn)率

5種植物單元都對富營養(yǎng)化水體中的氮和磷具有較好的去除作用(貢獻(xiàn)率如表3)，5種植物對氮的去除貢獻(xiàn)率最大的是水葫蘆，最小的是千屈菜。5種植物對磷的去除貢獻(xiàn)率最大的是水葫蘆與旱傘草，最小的是千屈菜。

表3 不同水生植物的去除氮磷的貢獻(xiàn)率 %

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

通過對試驗數(shù)據(jù)比較3種挺水植物的去除氮、磷的能力，總氮去除率為旱傘草>菖蒲>千屈菜,總磷去除率也是旱傘草>菖蒲>千屈菜， 其中旱傘草對總磷的去除率高于對總氮的去除率；總氮累積率為千屈菜>旱傘草>菖蒲，總磷累積率菖蒲>千屈菜>旱傘草，其中菖蒲的總磷累積率高于總氮累積率；去除總氮和總磷的貢獻(xiàn)率為旱傘草>菖蒲>千屈菜，3種植物的去除總氮的貢獻(xiàn)率都高于去除總磷貢獻(xiàn)率。

通過對試驗數(shù)據(jù)比較3種生活型植物去除氮、磷的能力，總氮去除率為漂浮植物>沉水植物>3種挺水植物，總磷去除率為漂浮植物>挺水植物(旱傘草)>沉水植物>挺水植物(千屈菜、菖蒲)，水葫蘆、旱傘草的總磷去除率高于總氮去除率；總氮累積率為漂浮植物>沉水植物>3種挺水植物，總磷累積率漂浮植物>挺水植物(菖蒲)>沉水植物>挺水植物(千屈菜、旱傘草)，菖蒲的總磷累積率高于總氮累積率；去除總氮貢獻(xiàn)率為漂浮植物>沉水植物>3種挺水植物，去除總磷貢獻(xiàn)率為漂浮植物>挺水植物(旱傘草)>沉水植物>挺水植物(千屈菜、菖蒲)，5種植物去除總氮貢獻(xiàn)率都高于去除總磷貢獻(xiàn)率。

本試驗中5種植物都表現(xiàn)出一定的除氮去磷的能力，說明水生植物的栽植是影響富營養(yǎng)化水體氮、磷質(zhì)量濃度的重要因素。同時水生植物對富營養(yǎng)化水體氮、磷的凈化機(jī)制是多方面的，氮、磷質(zhì)量濃度的降低，除了植物的吸收作用，還受到植物的吸附作用、沉淀作用、以及微生物作用的影響[17-18]。5種不同水生植物顯示出不同的去氮除磷的能力，這是由于不同的植物種類對氮、磷的吸收作用不同，同時相應(yīng)植物種類的微生物群落作用不同。本試驗中，植物的氮、磷累積率和植物對水體的氮、磷去除率呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)的狀態(tài)。說明5種水生植物都能夠通過吸收水體中的氮、磷元素實現(xiàn)自身的正常生長，植物氮、磷的累積率與植物自身生物量的增長量密切相關(guān)[19]。

另外本試驗開展時間為水生植物生長旺盛季節(jié)，對于其他時間段植物相關(guān)指標(biāo)的試驗還有待于進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)論

富營養(yǎng)化水體氮的去除率區(qū)間為53.03%—84.43%，最大的是水葫蘆，最小的是千屈菜；水體磷的去除率區(qū)間為52.27%—91.07%，最大的是水葫蘆，最小的是千屈菜。3種挺水植物中，總氮和總磷去除率最高的是旱傘草。3種生活型的植物中，總氮和總磷去除率最高的是漂浮植物水葫蘆，沉水植物黑藻總氮的去除率高于3種挺水植物，總磷的去除率高于2種挺水植物(菖蒲、千屈菜)。

5種植物對氮的累積率區(qū)間為10.2%—61.02%，最大的是水葫蘆，最小的是菖蒲；5種植物對磷的累積率區(qū)間為19.3%—43.55%，最大的是水葫蘆，最小的是旱傘草。3種挺水植物中，總氮累積率最高的是千屈菜，總磷累積率最高的是菖蒲。3種生活型的植物中，總氮和總磷的去除率最高的是漂浮植物水葫蘆，沉水植物黑藻總氮的累積率高于3種挺水植物，總磷的累積率高于2種挺水植物(旱傘草、千屈菜)。

與對照組相比較，5種植物去除總氮貢獻(xiàn)率為61.55%—75.93%，去除總磷貢獻(xiàn)率為45.66%—68.81%。3種挺水植物中，去除總氮和總磷貢獻(xiàn)率最高的是旱傘草，3種生活型的植物中，去除總氮和總磷貢獻(xiàn)率最高的是漂浮植物水葫蘆，沉水植物黑藻總氮去除貢獻(xiàn)率高于3種挺水植物，總磷去除貢獻(xiàn)率高于2種挺水植物(菖蒲、千屈菜)。

總之，5種水生植物的應(yīng)用是降低富營養(yǎng)化水體中氮磷含量的關(guān)鍵因素。在這5種植物中，水葫蘆的凈化效果是最好的，但是由于水葫蘆繁殖能力太強(qiáng)，如果不能有效控制，容易造成2次污染和水生態(tài)的破壞[20]，因此大面積種植需要慎重，同時水葫蘆可以進(jìn)行無害化處理和利用，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益[21]。其余幾種植物也都具有一定的凈化能力，并且挺水植物具有很好的景觀效應(yīng)，在今后具體的應(yīng)用中，可以綜合植物的景觀效應(yīng)和生態(tài)凈化能力以及經(jīng)濟(jì)效益，合理選擇和搭配不同植物進(jìn)行運用，可以綜合運用挺水、浮水和沉水植物形成立體凈化水體的層次，更好發(fā)揮水生植物在凈化富營養(yǎng)水體領(lǐng)域的綜合效益。