水生植物收割管理對水質(zhì)凈化效果的影響

劉長娥， 付子軾， 周勝*， 孫會峰

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)科技信息研究所， 上海 201403； 2.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所， 上海 201403；3.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心， 上海 201415)

水體富營養(yǎng)化是我國江河、湖泊面臨的重要水環(huán)境問題之一，而恢復(fù)與建立水生高等植物系統(tǒng)是治理富營養(yǎng)化水體的重要內(nèi)容。水生植物在水質(zhì)凈化等方面起著重要的作用，在生態(tài)修復(fù)、人工濕地、富營養(yǎng)化以及景觀水體中被廣泛應(yīng)用，不但能直接吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，而且能輸送氧氣到根區(qū)為微生物的生長、繁殖和污染物降解創(chuàng)造適宜條件。利用水生植物凈化污染水體因成本低、效率高、改善景觀及生物多樣性、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境等特點(diǎn)而發(fā)展十分迅速。我國利用水生植物凈化水質(zhì)的研究始于20世紀(jì)70年代中期，包括靜態(tài)條件下單一物種及多種植物配植對污染物濃度較高的污水凈化作用及動態(tài)方法研究水生植物對污水的處理效果[1-2]。

雖然水生植物凈化污水有很多優(yōu)點(diǎn)，但在其凈化污染水過程中，隨著體內(nèi)養(yǎng)分的飽和及植物生長的減弱、枯黃和死亡，部分養(yǎng)分重返于水體中，導(dǎo)致二次污染。植物收割是目前被普遍認(rèn)為能夠減少二次污染并將污染物移除水體外的主要措施之一，而適宜的收割頻率和時機(jī)很重要。不同植物吸收積累養(yǎng)分的特征不同，為了解不同植物適宜的收割頻率及飽和養(yǎng)分吸收量，本試驗(yàn)選取8種生態(tài)凈化中常用的水生高等植物，分析收割與不收割對水中N、P含量的影響，為凈化污染水體植物的管理與選種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地位于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的莊行生態(tài)環(huán)境試驗(yàn)區(qū)，面積約1 500 m2。2012年根據(jù)低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)綜合體系研究中心的研究規(guī)劃，建立了不同處理的水生植物小區(qū)，每小區(qū)面積約35 m2，種植密度為4株叢·m-2，各處理同種植物按收割與不收割設(shè)置對照。其中，收割是每年植物枯黃時期進(jìn)行齊地面刈割，移除植物地上部分。

選取常見挺水植物蘆葦、茭草、水蔥、美人蕉、香蒲、再力花、黃菖蒲和菖蒲8種水生植物系統(tǒng)作為研究對象，按收割與不收割進(jìn)行相關(guān)研究。

1.2 采樣與分析

1.2.1 植物樣品采集

10月下旬植物枯黃前，對8種水生植物的地上與地下部分進(jìn)行取樣。為減少對植物生長的破壞，保證后續(xù)研究的正常進(jìn)行，根據(jù)植物的大小，每處理選取1～3個典型分蘗枝連根挖出，洗凈根系，分割為地上與地下部分，分別對應(yīng)掛上相應(yīng)處理的植物名稱，按一定長度捆綁放入105 ℃烘箱，殺青15 min，然后調(diào)整為80 ℃烘干至恒量，最后根據(jù)單位面積中植物的分蘗數(shù)，換算為單位面積植物的地上與地下部分的生物量，重復(fù)3次。將烘干后的植物樣品粉碎，送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行總氮(TN)、總磷(TP)的測定。植物樣品用H2SO4-H2O2消煮制備成溶液，TN用納氏比色法測定，TP用鉬銻抗比色法測定。

1.2.2 水樣品采集

用抽水泵對25個處理小區(qū)的表層(0 cm)和10 cm深的底層水進(jìn)行取樣，每個樣品重復(fù)3次，分別裝入0.5 L塑料瓶中，注明相應(yīng)名稱編號與重復(fù)號，立即送入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行TN和TP的測定。TN用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

植物N、P積累量=植物N、P濃度×植物生物量。利用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與繪圖，采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析各特征指標(biāo)值間的相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

植物對污染物的凈化效果與植物的種類、生長速度、生長階段、植物生物量、植物自身N、P累積量及植物根際微生物的作用有關(guān)，不同水生植物對污染物質(zhì)的去除能力有較大的差異[3-6]。

2.1 不同植物種類對水質(zhì)的影響

利用水生高等植物治理富營養(yǎng)化水體的工程中，植物種類的選取非常重要，不同植物種類對水中N、P去除效果存在差異。

由圖1可知，8種水生植物對0～10 cm水體中N的凈化效果由高至低依次為美人蕉>菖蒲>水蔥>香蒲>蘆葦>黃菖蒲>茭草>再力花；對0～10 cm水體中P的凈化效果由高至低依次為美人蕉>茭草>水蔥>蘆葦>香蒲>黃菖蒲>再力花>菖蒲。美人蕉的水體凈化效果較好；再力花對水體中N的凈化效果較差，菖蒲對水中P的凈化能力較弱；空白對照的水質(zhì)相比植物系統(tǒng)處于中上等，具體原因還有待進(jìn)一步研究。

圖1 不同植物凈化水體N、P含量對比

圖2顯示，各植物系統(tǒng)表層中N、P含量普遍顯著高于底層水，這可能與根際效應(yīng)有關(guān)。根區(qū)是植物去除污染物的活性區(qū)，根際是土壤微生物活動非?；钴S的微生態(tài)環(huán)境，也是“植物—土壤”系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)的界面。水生植物系統(tǒng)是植物、動物、微生物與環(huán)境要素之間密切聯(lián)系、相互作用，通過物質(zhì)、能量交換所構(gòu)成的具有一定功能的生態(tài)系統(tǒng)[7]。植物在這個系統(tǒng)中除吸收和吸附污染物質(zhì)外，還將光合產(chǎn)物以根系分泌物的形式為根際微生物提供養(yǎng)分和能源，根際微生物不僅自身參與循環(huán)過程，并影響植物對污染物質(zhì)的吸收和利用，同時也是系統(tǒng)污染物質(zhì)去除的主要執(zhí)行者之一[8]。

不同大小寫字母分別表示處理間在0.01和0.05水平差異顯著。圖2 植物凈化不同水位N、P含量對比

2.2 植物收割對水質(zhì)的影響

水生植物凈化污水過程中，若植物枯黃仍不收割，自然凋落會導(dǎo)致部分植物殘體在水體中滯留，殘體溶出并釋放C、N(以有機(jī)氮和氨氮的形式)和P，導(dǎo)致水體惡化。因此，采用收割方式將植物殘體移出水體外是目前凈化污水過程中常用的植物管理措施。通過收割植物移除水體N、P量的多少，取決于植物收割的頻率和時期、進(jìn)水負(fù)荷、氣候條件和植物物種等因素[9-10]。

表1顯示，不同植物種類收割后的污染物去除效果不同。相比未收割，收割菖蒲的表層水N、P含量分別減少43.4%、75.3%，底層水分別減少51.1%、95.3%；收割再力花的表層水N、P含量分別減少44.0%、60.8%，底層水分別減少62.9%、83.9%；收割蘆葦?shù)腘、P含量表層水分別減少22.1%、18.2%，底層水分別減少37.7%、12.5%；收割黃菖蒲表層水N含量增加5.5%、P含量減少55.6%，底層水N、P含量分別減少44.0%、68.0%；收割美人蕉N、P含量表層水分別減少51.6%、22.2%，底層水分別減少14.9%、33.3%。茭草、水蔥和香蒲收割對水體的凈化作用不大，收割后其水體中N、P含量普遍高于未收割處理，香蒲收割后水中N含量較未收割僅減少3%左右。

表1 植物收割對水質(zhì)的影響

綜合而言，8種水生植物系統(tǒng)中，除茭草、水蔥和香蒲外，其他5種植物收割后的水質(zhì)普遍好于未收割，水體中N、P含量大幅降低。

2.3 植物收割移除污染物量與水質(zhì)凈化相關(guān)因子

水生植物對污染物的去除能力與植物種類、植物凈生長量、單位生物量的污染物蓄積強(qiáng)度有關(guān)，植物還可通過根系分泌物影響系統(tǒng)中微生物的特性，進(jìn)而影響對污染物的凈化效果[11-13]。分析表明，植物收割移除的N、P量與水體中去除的N、P量呈正相關(guān)，但均不顯著。其中，通過植物收割對表層水水質(zhì)的影響略高于底層水(表2)。

表2 植物收割移除N、P量與水中去除N、P量相關(guān)分析

有關(guān)研究表明，通常生物量大、N、P積累量高的植物對污染水體中N、P吸收能力較大[3,14-15]。通過植物適時收割可以徹底將污染物移除水體，并且減少凋落物腐爛造成的二次污染，這也是收割對表層水水質(zhì)影響較大的其中一個原因，植物收割有利于污染水的凈化。

3 小結(jié)與討論

研究中的8種水生植物通過適度收割管理具有良好的凈化能力，植物收割前0～10 cm水體平均N含量普遍為地表水GB3838—2002中Ⅲ～Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，P含量為Ⅲ～Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，個別種類(再力花)水質(zhì)為劣Ⅴ類水。植物收割后，除茭草外，0～10 cm水體平均N含量達(dá)到Ⅱ-Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，P含量達(dá)到Ⅲ～Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

有研究認(rèn)為，N、P主要集中在植物的地上部[16]，也有研究認(rèn)為大部分植物地下部分N、P含量與地上部分基本相當(dāng)[17]。本研究中，75%水生植物地上部分N含量高于地下部分，50%植物地上部分P含量高于地下部分，具體依植物種類而定。年末對植物地上部分收割，經(jīng)過一個生長期后，大部分水體水質(zhì)可提高1～2個等級，單次移除的植物N、P積累量對凈化水質(zhì)的貢獻(xiàn)較小，與其去除的N、P量相關(guān)不顯著，因此，需要掌握適宜的收割頻率和時機(jī)。

水生植物在水環(huán)境治理中起著重要的作用，一方面是自身可以吸納同化大量污染物，另一方面，通過發(fā)達(dá)的根系為微生物提供良好的生存環(huán)境，進(jìn)而提高系統(tǒng)對污染物的吸收與利用能力，其中通過植物生長吸收去除的量很小，研究表明，植物通過吸收去除N、P一般占5%～10%[18-19]，而根系微生物的硝化與反硝化作用是N去除的主要途徑[20-23]。因此，在利用水生植物凈化污染水的過程中，除了選取適宜的植物種類外，根據(jù)不同植物的養(yǎng)分積累特征、再生能力等對植物地上部分進(jìn)行及時收割，以保證水生植物系統(tǒng)長效凈化效能。