水生植物對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體中氮磷的修復(fù)效果研究

摘要：以沉水植物黑藻、漂浮植物鳳眼蓮、挺水植物香蒲、浮葉植物睡蓮為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室配置輕、中、重度富營(yíng)養(yǎng)化水體，探究4種植物對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷的修復(fù)差異。結(jié)果表明，與黑藻和睡蓮相比，鳳眼蓮和香蒲對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷均有很好的修復(fù)效果。香蒲對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中總氮（TN）的去除效果最佳，其次為鳳眼蓮；鳳眼蓮對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中總磷（TP）的去除效果最佳，其次為香蒲。4種植物對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)水體中氮磷的修復(fù)效果均表現(xiàn)出“中促高抑”的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：景觀水體；富營(yíng)養(yǎng)化程度；修復(fù)效果；植物優(yōu)選

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加速，人類生活和生產(chǎn)污水排放日益增多，大量氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。水體富營(yíng)養(yǎng)化是當(dāng)今社會(huì)面臨的重要環(huán)境問題之一，特別是一些城市景觀水體，雖具有美化市容、防災(zāi)防旱、改善生態(tài)環(huán)境和調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等多種功能，但大多處于靜態(tài)、封閉或半封閉狀態(tài)，水流緩慢、水循環(huán)薄弱、設(shè)計(jì)不合理、水質(zhì)管理不完善、補(bǔ)給水質(zhì)量控制不嚴(yán)格等是這類水體頻發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[1][2]。

針對(duì)城市景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，常見的修復(fù)方法有3種，即①物理修復(fù)，通過采用源頭控制、底泥清淤、循環(huán)曝氣、機(jī)械除藻等方式控制內(nèi)源污染，增加水體流動(dòng)性；②化學(xué)修復(fù)，通過添加化學(xué)試劑達(dá)到磷的沉淀和消滅藻類的效果；③生物修復(fù)，通過引入動(dòng)植物同化吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，或者使其與浮游藻類等水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)物建立競(jìng)爭(zhēng)、捕食關(guān)系，從而抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)物生長(zhǎng)[1][3～5]。其中，生物修復(fù)因具有成本低、操作簡(jiǎn)單且在治理過程中不會(huì)破壞原有生態(tài)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[4]。

水生植物修復(fù)是生物修復(fù)中的核心組成部分，修復(fù)機(jī)理主要為水生植物的同化吸收及其與微生物的協(xié)同作用[6]。水生植物不僅可以依靠強(qiáng)大的根莖對(duì)水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)化，還能通過最終植物的收割實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的空間轉(zhuǎn)移[7][8]。然而，由于不同水生植物對(duì)水體中氮磷的吸收、降解和固定能力不同，因此水生植物的優(yōu)選是植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體工作中的重點(diǎn)。

在水生植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的研究中，現(xiàn)有文獻(xiàn)多是對(duì)比不同植物或組合植物修復(fù)同種富營(yíng)養(yǎng)化水體的效果。由于各文獻(xiàn)中研究的水體富營(yíng)養(yǎng)化程度不一，植物選擇也有所差異，因此難以對(duì)某種植物修復(fù)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體的效果進(jìn)行比較。本研究通過盆栽實(shí)驗(yàn)探究黑藻、鳳眼蓮、香蒲、睡蓮4種不同類型的水生植物對(duì)輕度、中度、重度富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷的修復(fù)效果，以期為富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體的修復(fù)和植物的選取提供理論參考。

1材料與方法

1.1 植物的選擇

本研究選取陜西省西安市景觀水體中常見的4種不同類型水生植物——沉水植物黑藻、漂浮植物鳳眼蓮、挺水植物香蒲、浮葉植物睡蓮作為研究對(duì)象。

將購(gòu)買的成熟植物放入自來水中，并滴加少量營(yíng)養(yǎng)液；植物在自然光照、20～25℃、空氣濕度70%～85%的環(huán)境中進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)；7d后選擇生長(zhǎng)一致且長(zhǎng)勢(shì)良好的植株，清洗干凈，放入透明水桶中進(jìn)行后期實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)水體的配置

實(shí)驗(yàn)采用的富營(yíng)養(yǎng)化水體為人工配置。實(shí)驗(yàn)水體共設(shè)置3個(gè)濃度梯度，通過添加一定量的NH4NO3與KH2PO4使其達(dá)到特定的富營(yíng)養(yǎng)化程度。其中，輕度富營(yíng)養(yǎng)化水體中總氮（TN）濃度接近1.4mg/L，總磷（TP）濃度接近0.12mg/L；

中度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN濃度接近2.6mg/L，TP濃度接近0.23mg/L；重度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN濃度接近15mg/L，TP濃度接近1.4mg/L。其它微量元素參照霍格蘭氏營(yíng)養(yǎng)液配置。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置5組，分別為黑藻組、鳳眼蓮組、香蒲組、睡蓮組、空白對(duì)照組；每組設(shè)置3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)；所有實(shí)驗(yàn)均在相同的環(huán)境條件下進(jìn)行。

將長(zhǎng)勢(shì)相當(dāng)?shù)?種植物，分別取100g，放入透明水桶中，水桶有效容積為4L。計(jì)劃以植物移植到培養(yǎng)箱的當(dāng)天為第1次取樣時(shí)間，之后每3d取樣1次，為保證采樣條件一致，采樣時(shí)間均選擇10：00～11：00，每次取50mL；實(shí)際實(shí)驗(yàn)持續(xù)25d（其中2022年3月11～20日每3d取樣1次，第5次取樣與第4次取樣間隔5d，第8次取樣與第7次取樣間隔5d，采樣于2022年4月4日結(jié)束）。為保證實(shí)驗(yàn)期間水桶中水位一致，每次采樣結(jié)束后均采用自來水補(bǔ)充，本次實(shí)驗(yàn)不添加任何底泥基質(zhì)。

1.4 水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定

水樣采集后放置于4℃冰箱內(nèi)保存，并在24h內(nèi)完成水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定，各指標(biāo)的測(cè)定按照水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[9]，污染物的去除率采用平均去除率進(jìn)行表征。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS17.0和Origin9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作。

2結(jié)果與分析

2.1 輕度富營(yíng)養(yǎng)化水平下不同植物對(duì)TN、TP的去除效果

不同植物配置下輕度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN、TP變化曲線如圖1所示。實(shí)驗(yàn)期間各植物組水體中TN濃度下降趨勢(shì)基本一致，均為前17d下降較快（降低了0.72～0.90mg/L），后8d趨于平穩(wěn)（僅降低了0.04～0.13mg/L）。

實(shí)驗(yàn)期間各植物組水體中TP濃度的下降趨勢(shì)也基本一致，且與TN濃度的變化趨勢(shì)相似，在前17d中TP濃度均下降了55.08%～73.68%，后8d逐漸減緩，僅下降了11.63%～26.09%。主要原因?yàn)閷?shí)驗(yàn)前期各組植物正處于快速生長(zhǎng)階段，對(duì)于水中氮磷元素的吸收利用較快，而隨著修復(fù)時(shí)間的增長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)后期水體氮磷負(fù)荷降低，植物對(duì)于氮磷的吸收減少，對(duì)TN、TP的去除速率逐漸變緩[10]。

如表1所示，實(shí)驗(yàn)期間，4植物組水體中TN、TP變化與空白對(duì)照組相比呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.05），TN、TP去除率均達(dá)到60%以上。其中，對(duì)TN的去除率表現(xiàn)為香蒲組最高（75.18%），鳳眼蓮組次之（70.64%），但兩組無(wú)明顯差異（P＞0.05）；對(duì)TP的去除率表現(xiàn)為鳳眼蓮組最高（77.19%），其次為香蒲組（71.90%）；黑藻組對(duì)TN、TP的去除效果相對(duì)較差。

2.2 中度富營(yíng)養(yǎng)化條件下不同植物對(duì)TN、TP的去除效果

不同植物配置下中度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN、TP變化曲線如圖2所示。相較于空白對(duì)照組，各植物組在實(shí)驗(yàn)期間對(duì)水體中氮磷有顯著的去除效果（P＜0.05），4組待修復(fù)水體中TN、TP濃度均呈現(xiàn)出穩(wěn)定下降趨勢(shì)，如表2所示。就TN去除效果而言，4植物組水體中TN的去除率均達(dá)到了87%以上，排序?yàn)橄闫呀M＞鳳眼蓮組＞睡蓮組＞黑藻組，其中香蒲組與鳳眼蓮組的去除效果差異不顯著（P＞0.05），其余各植物組之間均存在顯著差異（P＜0.05）。4植物組水體中TP的去除率均達(dá)到了83%以上，去除效果最好的是鳳眼蓮組，其水體中TP從0.22mg/L下降到了0.02mg/L，去除率達(dá)到了92.2%；香蒲組次之；隨后是睡蓮組和黑藻組。4組實(shí)驗(yàn)之間，除鳳眼蓮組與香蒲組的去除差異顯著外（P＜0. 05），其余各組之間差異不明顯（P＞0.05）。

通過對(duì)比不同水生植物對(duì)TN、TP的去除率發(fā)現(xiàn)，其對(duì)TP的去除率均大于對(duì)TN 的去除率。原因可能是吸附作用對(duì)磷在水體中的歸趨有重要影響，磷酸鹽能夠快速通過吸附作用沉淀至底泥，或者通過植物吸收而被去除[11]。

2.3 重度富營(yíng)養(yǎng)化條件下不同植物對(duì)TN、TP的去除效果

不同植物配置下重度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN、TP變化曲線見圖3。實(shí)驗(yàn)期間，4植物組水體中TN、TP濃度均呈現(xiàn)出均勻下降趨勢(shì)，且與空白對(duì)照組存在顯著差異（P＜0. 05），如表3所示。各植物組水體中TN、TP下降趨勢(shì)與其在中度富營(yíng)養(yǎng)化水體實(shí)驗(yàn)中的下降趨勢(shì)基本一致。其中，TN濃度從14.60～14.92 mg/L下降到了4.65～7.23mg/L，去除率為51.42%～68.82%；TP濃度從1.38～1.40mg/L下降到了0.20～0.38mg/L，去除率為77.04%～86.36%。4種植物對(duì)重度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN、TP均有一定的去除效果。

對(duì)比各組水體中TN、TP的去除率可以發(fā)現(xiàn)，4植物組水體中TN、TP的去除效果與其在中度富營(yíng)養(yǎng)化水體實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)一致，TN去除率同樣為香蒲組＞鳳眼蓮組＞睡蓮組＞黑藻組。就數(shù)據(jù)間的差異性而言，除黑藻組與其它3組間存在顯著差異外（P＜0. 05），其余各組間差異不明顯。各植物組水體中TP去除率為鳳眼蓮組＞香蒲組＞睡蓮組＞黑藻組，排名靠前的鳳眼蓮組與香蒲組數(shù)據(jù)間差異不明顯（P＞0.05）。

雖然4種植物對(duì)重度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN、TP的去除效果與其在中度富營(yíng)養(yǎng)化水體中表現(xiàn)相似，但從去除率來看，均低于中度富營(yíng)養(yǎng)化水體的水平。原因主要是在重度富營(yíng)養(yǎng)化條件下，水生植物吸收氮、磷的能力受到了抑制，這與張志勇等[12]的研究結(jié)果相似。此外，通過對(duì)比不同富營(yíng)養(yǎng)化程度水體中植物對(duì)氮、磷的去除率可以看出，在重度富營(yíng)養(yǎng)化條件下，植物對(duì)氮、磷的吸收均受到影響，且就抑制程度來說，重度富營(yíng)養(yǎng)化水體對(duì)植物吸收TN的抑制明顯高于吸收TP的抑制。

2.4 同種植物對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN、TP的去除效果

從不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體的空白對(duì)照組實(shí)驗(yàn)可以看出，在未栽種任何水生植物的水體中，TN、TP濃度均會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，原因主要是水體中存在著氮的揮發(fā)、反硝化和磷的沉降吸附[13]。為了更好地比較同種植物對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN、TP的去除效果，需排除水體自身的氮磷損失（即空白對(duì)照組實(shí)驗(yàn)中氮磷的去除率）帶來的影響，修正后的結(jié)果如表4所示。差異性結(jié)果表明，同種植物對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)效果均具有顯著差異（P＜0. 05）。

分析表4中數(shù)據(jù)可知，適宜濃度的氮磷負(fù)荷能提升實(shí)驗(yàn)植物的吸收去除能力，而濃度過高則會(huì)抑制實(shí)驗(yàn)植物對(duì)于水體中氮磷的吸收，導(dǎo)致凈化效果降低。4種植物對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TP的去除效果均表現(xiàn)出中度＞重度＞輕度的特點(diǎn)，這與李燕[14]的研究結(jié)果一致。植物在高負(fù)荷氮濃度的影響下，對(duì)氮的去除率會(huì)大幅降低，4種植物對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN的去除效果表現(xiàn)出中度＞輕度＞重度的特點(diǎn)。

3討論

相比于沉水植物黑藻和浮葉植物睡蓮，漂浮植物鳳眼蓮和挺水植物香蒲對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷有很好的修復(fù)效果，特別是在中度富營(yíng)養(yǎng)化水體中，氮磷的去除率均可達(dá)到70%以上，這與汪文強(qiáng)[10]、陳志超等[15]、徐寸發(fā)等[16]的研究結(jié)果基本一致。鳳眼蓮對(duì)水體中氮磷的良好修復(fù)能力已在多個(gè)文獻(xiàn)中被證實(shí)[17][18]。主要是由于鳳眼蓮具有強(qiáng)大的繁殖能力和磷富集能力，且作為漂浮植物，鳳眼蓮的根系不生于泥土，葉片浮于水面，根系和葉片能直接從水體中吸收大量的氮磷并合成自身物質(zhì)，因此對(duì)于水體的凈化效果明顯優(yōu)于其它水生植物。另外，鳳眼蓮在生長(zhǎng)過程中，其葉片遮住水面，減少了大氣復(fù)氧，可強(qiáng)化反硝化過程，促進(jìn)氮元素的脫除。高巖等[19]的研究結(jié)果同樣證實(shí)了這一現(xiàn)象，鳳眼蓮根系共生的硝化、反硝化菌的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水體中，是鳳眼蓮促進(jìn)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮去除的主要貢獻(xiàn)者。在本文的研究結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，雖然鳳眼蓮有著強(qiáng)大的氮磷去除能力，但脫氮效率卻略低于香蒲，這可能是由于除了植物同化作用和根系微生物的協(xié)同作用外，較高的光合速率和蒸騰速率也能促進(jìn)植物對(duì)水體中TN的去除[20]。研究還發(fā)現(xiàn)，香蒲對(duì)磷的去除效果低于鳳眼蓮，這可能與植物的生態(tài)類型有一定關(guān)系，漂浮植物生長(zhǎng)于水中，理論上會(huì)優(yōu)先利用水中的營(yíng)養(yǎng)元素，而挺水植物則會(huì)優(yōu)先利用底泥中的營(yíng)養(yǎng)元素[16]。

同種植物對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷的修復(fù)效果均表現(xiàn)出“中促高抑”的特點(diǎn)。一般而言，植物對(duì)水體中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效率與水體中氮磷的濃度負(fù)荷密切相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，去除率會(huì)隨著氮磷濃度負(fù)荷的增加而升高，但若氮磷濃度負(fù)荷太高，超過了植物本身的吸收速率，那么去除效果反而會(huì)下降。如，張志勇等[12]在研究中發(fā)現(xiàn)，鳳眼蓮對(duì)水中TN的去除率隨TN初始濃度的升高而降低，二者間呈極顯著負(fù)相關(guān)；而對(duì)TP的去除率則隨TP初始濃度的升高而升高，二者間呈極顯著正相關(guān)。此外，許多研究表明，在低氮磷負(fù)荷的凈化系統(tǒng)中，植物吸收對(duì)氮磷的去除起主要作用；而在高氮磷負(fù)荷的凈化系統(tǒng)中，雖然植物吸收的絕對(duì)量比低負(fù)荷系統(tǒng)大，但所占比例低，一般不超過10%。因此，在本研究中可以發(fā)現(xiàn)，重度富營(yíng)養(yǎng)化水體中較高的氮磷負(fù)荷對(duì)植物吸收氮磷均有抑制，且抑制作用表現(xiàn)為TN高于TP，主要原因可能是植物根系附著的硝化反硝化菌更容易受到高氨氮負(fù)荷的影響。

結(jié)論

相比于沉水植物黑藻和浮葉植物睡蓮，漂浮植物鳳眼蓮和挺水植物香蒲對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷有很好的修復(fù)效果。對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體中TP的去除效果而言，鳳眼蓮最佳，在輕、中、重3個(gè)程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中的TP去除率分別為77.19%、92.20%、86.36%；其次為香蒲，在輕、中、重3個(gè)程度富營(yíng)養(yǎng)供水體中的TP去除率分別為71.90%、91.11%、85.38%。對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN的去除效果而言，香蒲最佳，在輕、中、重3個(gè)程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中的TN去除率分別為75.18%、95.30%、68.82%；其次為鳳眼蓮，在輕、中、重3個(gè)程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中的TN去除率分別為70.64%、91.71%、61.91%。4種植物對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)水體中氮磷的修復(fù)效果，均表現(xiàn)出“中促高抑”的趨勢(shì)，但也略有差異，表現(xiàn)為4種植物對(duì)不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體中 TN的修復(fù)效果依次是中度＞輕度＞重度；而對(duì)TP的修復(fù)效果依次是中度＞重度＞輕度。

西安市典型景觀水體中TN、TP的濃度較低（尤其是TP），在修復(fù)過程中應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)氮素的脫除。香蒲作為挺水植物，扎根于底泥中，不僅能發(fā)揮凈水的功能，還能固定底泥，減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的內(nèi)源輸入，同時(shí)香蒲耐寒氣溫在5℃以上環(huán)境均可種植，適應(yīng)性強(qiáng)，且回收后可用于編織、造紙、醫(yī)藥等，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。鳳眼蓮屬于外來侵入物種，如果管理疏忽容易引發(fā)生態(tài)災(zāi)害。因此，在實(shí)際工程中，優(yōu)先推薦香蒲作為修復(fù)植物。

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作者簡(jiǎn)介

王春陽(yáng)（2001—），女，漢族，陜西西安人，本科，研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)保護(hù)。

通信作者

姚倩（1990—），女，漢族，陜西西安人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)閺U水生物處理及土壤污染修復(fù)。