北京市典型挺水植物凈化能力研究

梁晶，趙福榮，徐勤濤，張夢(mèng)丹，呂玟萱

1.北京金都園林綠化有限責(zé)任公司；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院

富營養(yǎng)化水體中過高的氮磷含量容易誘發(fā)藻類大量繁殖，導(dǎo)致水體含氧量低，造成水生生物大面積死亡，使得水體污染、水資源短缺問題進(jìn)一步加重[1]。水生植物憑借凈化水體效果好、無污染、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在治理城市景觀水體中備受青睞[2]。其中挺水植物不僅具有良好的凈化效果，還能起到美化環(huán)境的作用[3]。楊帆等[4]選用10種水生植物在劣V類水質(zhì)條件下進(jìn)行室內(nèi)靜水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明水蔥、蘆葦、菰和千屈菜的凈化效果最好；李斌等[5]運(yùn)用綜合評(píng)定法發(fā)現(xiàn)紫芋、水生美人蕉和水蔥的綜合效果較好，蘆葦較弱。可見不同研究者在不同地區(qū)、不同污染濃度條件下，得到的挺水植物凈化水體能力有較大差異。因此，精確量化挺水植物的凈化效果，篩選出具有良好凈化效果的挺水植物是治理富營養(yǎng)化水體的關(guān)鍵。

本研究在調(diào)查北京市公園后發(fā)現(xiàn)，部分公園水體水質(zhì)富營養(yǎng)化嚴(yán)重且植物種類豐富度較低。為此，本試驗(yàn)選擇北京市內(nèi)6種挺水植物進(jìn)行水質(zhì)凈化試驗(yàn)，通過監(jiān)測(cè)挺水植物形態(tài)指標(biāo)變化以及對(duì)污染指標(biāo)的去除效果，篩選凈化效果良好的挺水植物，以期為城市景觀水體工程構(gòu)建和富營養(yǎng)化水體的生物治理提供參考。

一、材料與方法

（一）試驗(yàn)材料

試驗(yàn)植物為北京市公園6種挺水植物—菖蒲（Acorus calamus L.）、水蔥（Scirpus validus Vahl）、蘆葦（Phragmites australis (Cav.)Trin.ex Steu）、再力花（Thalia dealbata Fraser）、紫芋（Colocasia tonoimo Nakai）、黑三棱（Sparganium stoloniferum (Graebn.) Buch.-Ham.ex Juz），6種挺水植物皆購自北京水生植物苗圃基地。試驗(yàn)前先將6種挺水植物在自來水中靜水培養(yǎng)一周。

試驗(yàn)供試用水根據(jù)前人文獻(xiàn)關(guān)于富營養(yǎng)化等級(jí)分級(jí)表[6]，按照霍格蘭營養(yǎng)液配置TN濃度（12.6 mg/L）、TP濃 度（1.5 mg/L）、NH3-N濃度（5.5 mg/L）、COD濃度（100 mg/L）的嚴(yán)重富營養(yǎng)化供試水體。

（二）試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2020年9月在北京市東北旺苗圃進(jìn)行，試驗(yàn)容器為長×寬×高=60cm×80cm×60cm的方形培養(yǎng)桶。培養(yǎng)桶內(nèi)先鋪上10cm厚的細(xì)沙，再將自行配置的富營養(yǎng)化水體加至15cm處并標(biāo)記好水位線，最后在每個(gè)塑料桶內(nèi)栽植初始生物量為500g左右的成熟苗。6種植物各設(shè)3個(gè)重復(fù)，同時(shí)設(shè)3個(gè)無植物的空白對(duì)照，共計(jì)21個(gè)試驗(yàn)桶。栽植試驗(yàn)植物后每2天取一次水樣，10天后每5天取一次水樣，共計(jì)25天，在早上9點(diǎn)左右取樣。試驗(yàn)期間通過添加蒸餾水至標(biāo)記水位線補(bǔ)充水分。

試驗(yàn)前后測(cè)量每個(gè)處理組中挺水植物的根長、株高與生物量，二者之間的差值即為每種挺水植物的根長增量、株高增量與生物量增量。

試驗(yàn)期間采用的水樣按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）[7]中的測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)定。

（三）數(shù)據(jù)分析與處理

運(yùn)用隸屬函數(shù)值法[8]綜合評(píng)價(jià)挺水植物在富營養(yǎng)化水體中的凈化效果并對(duì)其進(jìn)行排序。

運(yùn)用EXCEL 2016、SPSS 25、Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析及繪圖。

二、結(jié)果與分析

（一）挺水植物對(duì)污染指標(biāo)凈化能力比較

結(jié)合圖1挺水植物對(duì)污染標(biāo)的去除率可知，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)挺水植物組的凈化效果明顯優(yōu)于無植物對(duì)照組，挺水植物對(duì)總氮的去除率為89.53-96.51%，高出對(duì)照組22.49%-24.97%，其中菖蒲的去除率高于其他挺水植物。

試驗(yàn)結(jié)束后6種挺水植物對(duì)氨氮的去除率為94.5-97.58%，高出對(duì)照組18.78-21.84%，其中黑三棱對(duì)氨氮凈化效果最好，紫芋凈化效果最差。

根據(jù)圖1可知，6種挺水植物對(duì)總磷的去除效果極好，去除率在96.66%-99.19%之間，高出對(duì)照組24.03-26.56%。

試驗(yàn)結(jié)束后6種挺水植物對(duì)化學(xué)需氧量的去除率在76.72-90.35%之間，高出對(duì)照組18.78-21.84%。其中菖蒲對(duì)化學(xué)需氧量去除率最高，紫芋最低。

（二）挺水植物形態(tài)指標(biāo)變化與污染指標(biāo)去除率間的相關(guān)性

由圖2可知挺水植物株高、根長、生物量等均有顯著增加。生物量變化是判定植物是否具有良好去污能力的重要指標(biāo)，6種挺水植物中再力花在生物量增量上具有顯著優(yōu)勢(shì)，而紫芋生物量增量最低；再力花和水蔥具有極強(qiáng)的生長能力，株高增量具有顯著優(yōu)勢(shì)；菖蒲、再力花和蘆葦具有極強(qiáng)的生根能力，在根長增量上具有顯著優(yōu)勢(shì)。成活率能反映植物在富營養(yǎng)化水體中的適應(yīng)能力，其中菖蒲、再力花適應(yīng)性最好，成活率為100%，水蔥成活率為90%，黑三棱成活率為80%，蘆葦因?yàn)樵馐懿∠x害緣故，成活率僅為67%，紫芋成活率為50%。

（三）挺水植物凈化能力分析

以挺水植物的凈去除率、生物量的變化量以及達(dá)到《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》V類水標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間，進(jìn)行隸屬函數(shù)值分析。由表1可知菖蒲、再力花是凈化效果最好的植物，紫芋凈化效果最差。菖蒲的凈化效果最好，最適合公園推廣種植，再力花凈化效果僅次于菖蒲且自身具有較高的觀賞價(jià)值，可以推廣種植，進(jìn)一步增加公園內(nèi)水生植物多樣性，使得公園湖泊生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。蘆葦對(duì)污染指標(biāo)具有較快的凈化速率，能將污染水體在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。黑三棱具有藥用經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在收割黑三棱時(shí)不僅能帶走水體中的氮磷還可以作為藥物二次利用，可以選擇性種植。

表1 挺水植物凈化能力排序

三、討論

依靠挺水植物直接吸收水體中的氮磷、微生物吸收利用及自然沉淀作用，水體中氮磷濃度下降明顯[9]。挺水植物將所吸收的氮磷轉(zhuǎn)換為可供利用的有機(jī)物以供自身生存生長的需要，并將剩余部分再存儲(chǔ)在植物有機(jī)體內(nèi)，作為備用營養(yǎng)物質(zhì)。所以當(dāng)挺水植物到達(dá)衰老期后應(yīng)盡快對(duì)挺水植物進(jìn)行收割，以除去水體中的氮磷，并防止造成水體的二次污染。

水體中的氨氮在pH低于8.5時(shí)，其揮發(fā)途徑可以不考慮在內(nèi)[10]，在本研究中水體的pH值始終保持在8.5。所以本試驗(yàn)中氨氮的去除途徑主要為微生物作用與植物作用。依靠微生物的硝化作用與植物根系吸收，使得水體中氨氮含量快速下降，達(dá)到去除水體中氨氮含量的效果[11]。

挺水植物根部的呼吸作用，為水體中微生物的生命活動(dòng)形成了便利條件，其龐大的根系為微生物的附著提供條件，在根系周圍為微生物提供了生活環(huán)境，促進(jìn)微生物吸收水體中的有機(jī)物質(zhì)，而植物根系則吸收利用微生物降解后的有機(jī)物質(zhì)，最終達(dá)到去除化學(xué)需氧量的目的[12]。

6種挺水植物中菖蒲、再力花的凈化能力最強(qiáng)，這與前人研究[4,13]大體一致，但與張倩妮等[14]人的研究有些出入。張倩妮研究發(fā)現(xiàn)蘆葦在所有植物中的凈化能力最強(qiáng)，而本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)菖蒲、再力花的凈化能力強(qiáng)于蘆葦。分析認(rèn)為蘆葦在試驗(yàn)中期遭受病蟲害導(dǎo)致部分蘆葦苗枯萎、長勢(shì)不佳。菖蒲對(duì)氮、氨氮與化學(xué)需氧量的凈化效果最好，適合凈化以氮污染為主的水質(zhì)，黑三棱對(duì)磷的凈化效果最好，適合凈化以磷污染為主的水質(zhì)。

以上可見，除植物吸收外，微生物降解作用在凈化富營養(yǎng)化水質(zhì)中扮演重要作用。菖蒲、再力花主根大且細(xì)根多，形成較為龐大的根系網(wǎng)絡(luò)，生物量增加明顯，給微生物創(chuàng)造生活生存的環(huán)境，植物吸收作用與微生物作用相輔相成，極大地降低了水體中污染指標(biāo)的濃度。紫芋在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)或許因?yàn)槌苫盥实偷仍驅(qū)е抡w凈化效果不佳。蘆葦對(duì)氮、磷、氨氮、化學(xué)需氧量的凈化速率最快，在最短的時(shí)間達(dá)到《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水標(biāo)準(zhǔn)，這與蘆葦?shù)耐饨M織發(fā)達(dá)有關(guān)[15]，使得蘆葦根部與其他挺水植物相比獲得更多的氧氣，比其他植物更早地繁殖微生物，短時(shí)間內(nèi)形成穩(wěn)定的微生物群落，從而提高蘆葦凈化速率。

四、結(jié)論

（1）從植物的形態(tài)指標(biāo)與成活率來看，再力花生物量增量最高，菖蒲、黑三棱次之，紫芋生物量增量最少；再力花與菖蒲的存活率皆為100%，能很好地適應(yīng)富營養(yǎng)化水體，其次為水蔥，蘆葦、紫芋成活率不高，其中蘆葦受病蟲害嚴(yán)重。

（2）從凈化效果來看，菖蒲對(duì)總氮、總磷與化學(xué)需氧量的凈化效果最好，黑三棱對(duì)氨氮的凈化效果最好；挺水植物整體對(duì)總磷的凈化效果好，去除率范圍在96.66%-99.19%間，對(duì)化學(xué)需氧量的凈化效果差，去除率范圍在76.72-90.35%間。

（3）通過隸屬函數(shù)值法綜合評(píng)價(jià)得出菖蒲、再力花、蘆葦是凈化效果最好的三種植物，黑三棱對(duì)污染指標(biāo)具有較高的去除率并且具有藥用價(jià)值，但凈化速率較慢，可作為經(jīng)濟(jì)作物選擇性栽植。