常綠水生植物冬季對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化效果研究

居 萍，徐順飛，李良俊，盧 燕，宋天賜

(1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225002；2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009)

氮磷超標(biāo)引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化是目前普遍面臨的問題，水生植物對(duì)于水體中氮、磷的富集有明顯的效果。近年來，利用水生植物和陸生植物浮床等植物修復(fù)技術(shù)治理富營(yíng)養(yǎng)化水體已取得一定效果。但已有的研究多為冬季枯死或休眠植物，而且多為單一種植，常綠植物單一種植以及常綠植物組合種植對(duì)冬季富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化的研究較少，至今鮮見研究某一植物單獨(dú)種植和其他植物混合種植凈化效果的比較。該研究選用冬季常綠型水生植物分別單獨(dú)種植和混合種植，比較分析其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果，以期為解決植物修復(fù)水體的周年循環(huán)問題和滿足濕地植物景觀冬季觀賞提供一定參考。

1 材料與方法

選用香菇草()和石菖蒲()2種常綠水生植物。試驗(yàn)材料洗凈根系后在自來水中馴化7 d，栽培用水和底泥取自揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)校園池塘中。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)于2020年10月26日—11月30日在揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)園林園藝生態(tài)實(shí)訓(xùn)基地自然條件下進(jìn)行，但對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了避雨處理。

試驗(yàn)設(shè)4組(3個(gè)處理，1個(gè)對(duì)照)，處理1(T)為香菇草單獨(dú)種植，處理2(T)為石菖蒲單獨(dú)種植，處理3(T)為香菇草+石菖蒲組合種植，以不栽植植物的底泥和水樣為對(duì)照組。將馴化好的植物用蒸餾水洗凈并用吸水紙吸干水分后稱重，其中T稱重香菇草60 g，T稱重石菖蒲60 g，T稱重石菖蒲和香菇草各30 g。種植容器為50 cm×30 cm的塑料桶，每桶裝入底泥6 kg，植物種入后放入取自池塘的水，每桶放水5 L，每組設(shè)3個(gè)重復(fù)。

采樣。10月26日種植，14 d植物恢復(fù)生長(zhǎng)后開始取樣，每7 d取樣一次，取樣時(shí)間為當(dāng)天08：00，取得的水樣立即帶入實(shí)驗(yàn)室分析水樣中的TN、TP，每7 d一次用蒸餾水補(bǔ)充蒸發(fā)和植物蒸騰所散失的水分。底泥在試驗(yàn)開始和試驗(yàn)結(jié)束各取樣一次，風(fēng)干后分析測(cè)定TN和TP，在試驗(yàn)結(jié)束后，將植物全部取出洗凈，用吸水紙吸干水分后稱重。

指標(biāo)測(cè)定。水樣濁度用SGZ-200BS便攜式濁度計(jì)測(cè)定，水樣TN用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定，水樣TP用鉬酸銨分光光度法測(cè)定，底泥中的TN用凱氏定氮法測(cè)定，TP用鉬銻抗比色法測(cè)定。去除率計(jì)算公式為去除率=[(-)]×100，式中，為試驗(yàn)開始時(shí)水體中污染物的濃度；為第天時(shí)水體污染物濃度。

所有數(shù)據(jù)經(jīng)Excel和SPSS 16.0軟件進(jìn)行處理分析并用Duncan進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

濁度是水質(zhì)測(cè)定的一項(xiàng)重要物理指標(biāo)，濁度越高，水越渾濁，水質(zhì)越差。不同植物種植方式水體的濁度變化見圖1。從圖1可以看出，10月26日—11月30日3個(gè)處理組和對(duì)照組水體的濁度都出現(xiàn)下降趨勢(shì)，但對(duì)照組水體濁度的下降趨勢(shì)慢于3個(gè)處理組。至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照組水體的濁度仍有71.9 NTU，T、T、T的濁度分別為32.0、54.3、48.0 NTU，3個(gè)處理對(duì)水體濁度凈化作用分別為T>T>T，分別比初始濁度(108.5 NTU)降低70.5%、55.8%、50.0%。

圖1 不同處理水體濁度的變化Fig.1 Change of turbidity in different treatment water

從圖2可以看出，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理的TN濃度均有不同程度下降，T、T、T水體中TN濃度始終低于對(duì)照，且3個(gè)處理在11月9日測(cè)定的水體中TN濃度明顯低于10月26日的濃度，由最初的8.990 1 mg/L分別下降為2.752 3、3.526 5、3.125 3 mg/L，此后水體中TN濃度下降緩慢，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，3個(gè)處理水體中的濃度分別為1.097 4、2.697 1、1.554 3 mg/L；對(duì)照組中，由于各種微生物及其他因素作用，水體中TN濃度也由8.990 1 mg/L下降至6.863 7 mg/L。

圖2 不同處理水體中TN濃度的變化Fig.2 Change of TN concentration in different treatment water

從表1可以看出，3個(gè)處理在不同階段對(duì)水體中TN均有去除效果，尤其在植物恢復(fù)生長(zhǎng)后的第一次測(cè)定，T、T、T水體中TN去除率分別為69.4%、60.7%和65.2%。分析比較3個(gè)處理最終對(duì)水體中TN去除率發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過35 d的處理后，T的去除率最高，達(dá)87.8%，其次是T和T，去除率分別為82.7%和70.0%；對(duì)照組水體中的TN濃度雖有緩慢下降，但變化不大；對(duì)于水體中TN的去除率，除了T和T之間差異不顯著，其余處理之間差異均達(dá)極顯著水平。

表1 不同處理對(duì)水體中TN的去除率

從圖3可看出，3個(gè)處理中水體的TP濃度變化趨勢(shì)與TN濃度變化趨勢(shì)相似，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，TP濃度均有不同程度下降，T和T下降趨勢(shì)較明顯，由最初的1.005 0 mg/L分別下降為0.208 8、0.218 8 mg/L，其次為T，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水體中的TP濃度下降至0.339 8 mg/L，3個(gè)處理水體中的濃度均低于對(duì)照處理水體的濃度(0.765 1 mg/L)。

圖3 不同處理水體中TP濃度的變化Fig.3 Change of TP concentration in different treatment water

從表2可以看出，3個(gè)處理在不同階段對(duì)水體中TP均有一定的去除作用，與對(duì)TN的去除率不同的是，植物恢復(fù)生長(zhǎng)后的第一次測(cè)定，T、T、T去除率不高，分別僅為34.8%、51.4%和43.7%，而后多次取樣測(cè)定并計(jì)算，去除率不斷上升，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，T、T、T對(duì)水體中TP的去除率分別為78.8%、67.0%和79.2%，與對(duì)照都達(dá)到極顯著差異，T和T間差異不顯著，但T和T、T和T之間均差異顯著。

表2 不同處理對(duì)水體中TP的去除率

在富營(yíng)養(yǎng)化水體中，一般來說，底泥與上覆水中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，因此研究水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化作用時(shí)，底泥中的TN和TP也是重要的分析指標(biāo)。

從圖4可以看出，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，T、T、T底泥中的TN含量分別由初始時(shí)的2.059 g/kg分別降為0.629、1.289、1.092 g/kg，降低幅度為69.5%、37.4%和47.0%;對(duì)照組底泥中的TN含量降至1.563 g/kg，降低24.1%。說明水生植物在冬季生長(zhǎng)期間利于降低底泥中的TN含量。從各處理對(duì)底泥中TP含量的影響(圖5)可以看出，T底泥中TP含量由最初的40.396 g/kg上升為40.612 g/kg，增幅為0.53%；T和T底泥中的TP含量雖然下降，由最初的40.396 g/kg分別下降為39.831 和40.126 g/kg，但下降幅度很小，分別為1.40%和0.67%。

圖4 不同處理底泥中TN含量的變化Fig.4 Change of TN content in sediment with different treatment

圖5 不同處理底泥中TP含量的變化Fig.5 Change of TP content in sediment with different treatment

經(jīng)過35 d的試驗(yàn)，用于凈化水體的植物在感官形態(tài)上有了較大的變化，所栽培植物全部成活，且長(zhǎng)勢(shì)旺盛，總生物量明顯增加。從圖6可看出，在試驗(yàn)結(jié)束后，T植物鮮重增加最大，由最初的60 g增加至426 g，凈增加366 g，增加了6.10倍；其次是T，由60 g增加到326 g，凈增加266 g，增加了4.43倍；T由60 g增加至121 g，凈增加61 g，增加了1.02倍。

圖6 不同處理植物鮮重的變化Fig.6 Change of fresh weight of plants with different treatment

3 討論

該試驗(yàn)研究常綠水生植物冬季對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化作用，并比較水生植物單獨(dú)種植和混合種植的凈化效果。從植物造景的藝術(shù)性角度來看，香菇草較為鋪散的橫向性生長(zhǎng)和石菖蒲直立生長(zhǎng)特性形成了方向和質(zhì)感上的對(duì)比，而香菇草葉片淺綠色和石菖蒲深綠色又形成了顏色上的對(duì)比，符合植物造景形式美法則。

生長(zhǎng)旺盛、鮮重增加較快是決定水生植物水質(zhì)凈化能力的一個(gè)十分重要的因素，水生植物旺盛生長(zhǎng)，光合作用強(qiáng)，使水中溶解氧濃度保持充足，能加快懸浮物的分解，從而使水體富營(yíng)養(yǎng)化下降。在35 d中香菇草的鮮重凈增366 g，增加了6.10倍，這與金樹權(quán)等將水質(zhì)氮、磷去除率與水生植物凈增生物量的相關(guān)性分析研究結(jié)果一致，金樹權(quán)等研究的香菇草對(duì)水體TN、TP的去除率分別為91.8%和79.1%，高于該研究的去除率，這與冬季溫度低、植物代謝慢有關(guān)。徐秀玲等在不同水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體氮磷去除效果比較研究中也發(fā)現(xiàn)水生植物生長(zhǎng)旺盛、生物量大對(duì)氮、磷的去除效果好。

底泥是富營(yíng)養(yǎng)化水體主要的內(nèi)源污染源，內(nèi)源污染指的是在阻止了外部污染后，水體與水體沉積物之間的物質(zhì)交換過程中，沉積物在擾動(dòng)情況下再次向水體釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)改變水質(zhì)產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)象。該研究中，香菇草單獨(dú)種植使栽植底泥的TN下降、TP 上升，是因?yàn)橄愎讲萃⑸L(zhǎng)，根系非常發(fā)達(dá)，可直接從與底泥吸收氮素營(yíng)養(yǎng)，從而降低了TN；TP上升是因?yàn)樗w中懸浮物慢慢沉積并被植物根系固定，從而導(dǎo)致底泥中TP含量增加。由于石菖蒲鮮重增加量比香菇草小，因此對(duì)底泥中TN的吸收效果不如香菇草明顯，香菇草和石菖蒲混合種植對(duì)底泥中TN的效果介于2種單獨(dú)植物之間。

在該試驗(yàn)的3個(gè)處理中，通過分析各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)，以香菇草對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化效果為最好，其次為香菇草和石菖蒲混合種植，但考慮水體造景的美學(xué)性以及植物選擇多樣性，建議選擇香菇草和石菖蒲混合種植作為冬季水體富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化植物的選擇。

4 結(jié)論

(1)從凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體效果看，以香菇草單獨(dú)種植效果為最好，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，使水體濁度下降70.5%，對(duì)水體中TN、TP的去除率分別為87.8 %和78.8%；其次是香菇草+石菖蒲混合種植，使水體濁度下降55.8%，對(duì)水體中TN、TP去除率分別為82.7%和79.2%；而石菖蒲單獨(dú)種植，使水體濁度下降50.0%，對(duì)水體中TN、TP去除率分別為70.0%和67.0%。

(2)水生植物生長(zhǎng)旺盛、生物量增加快對(duì)水體中氮、磷的去除效果好，在35 d中香菇草的鮮重凈增366 g，增加了6.10倍。

(3)底泥也是富營(yíng)養(yǎng)化水體污染源之一，植物根系可直接從底泥吸收營(yíng)養(yǎng)，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，植物根系固定營(yíng)養(yǎng)從而會(huì)導(dǎo)致底泥中TP含量增加，因此需要及時(shí)剪除一部分水生植物，一是防止植物將營(yíng)養(yǎng)固定于底泥中，二是防止植物生長(zhǎng)過密影響造景效果。

(4)考慮水生植物造景的美學(xué)性以及植物選擇多樣性，優(yōu)選香菇草和石菖蒲混合種植作為冬季水體富營(yíng)養(yǎng)化造景材料。