浮床植物水質凈化能力及其影響因素研究

張 勁，黃 薇，桑連海

（長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

浮床植物水質凈化能力及其影響因素研究

張 勁，黃 薇，桑連海

（長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

比較了12種常用浮島植物的凈水能力，并總結了影響生物浮島凈水能力的影響因素。結果表明：在12種植物中，紅葉甜菜（Beta vulgaris var.cicla）對總氮的去除率最高，可達85.72%；空心菜（Ipomoea aquatica）對總磷的去除率最高，達到95.6%；美人蕉和空心菜對氨氮的去除率均接近100%。在生物浮島技術應用中，應該根據不同水體、不同季節來選擇不同的作物，并且，一般控制浮床的覆蓋率在30%左右會達到最佳效果。研究結果為利用生物浮島進行水體生態修復提供理論依據。

生物浮島；植物；水質；凈水能力；影響因素

人工浮島技術在上世紀70年代開始被德國Bestmann公司運用于水體生態修復，并進行了一系列的推廣應用，取得了很好的效果［1］。1982年，日本首次在滋賀縣琵琶湖運用生物浮島技術，初衷是為了構建鯉魚、鯽魚、諸子等魚類的孵卵場，取得了很好的效果，發展至90年代中期，人工浮島技術逐漸被日本科學家所接受。由于生物浮島占地小、生態環保，且運行穩定，所以其作為富營養化水體生態修復技術被引入中國，并得到廣泛應用。生物浮島技術發展至今，有80余種陸生植物被成功移栽至人工浮島，實現了生物浮島一年四季不間斷發揮作用。作物包括景觀花卉、經濟作物以及園林觀賞植物等。目前，對生物浮島技術的研究主要集中在浮床載體制作［2］、植物遴選［3］、作物生長特性及其對營養物質的吸收量［4，5］等方面，其對水質的影響以及影響其凈水能力的研究則很少。

文章總結了前人對于人工浮島技術對水中總氮、氨氮及總磷去除能力的研究，并對影響人工浮島凈水能力的影響因素作了概括，可為浮島技術應用及凈化機理研究提供參考。

1 人工浮島水質凈化能力研究

不同植物移栽至浮床后，其對水中污染物質的去除率是不一樣的，總結了12種植物對總氮、總磷、氨氮的去除率，所選植物包括景觀作物和經濟作物。具體選取的作物及其對種植周期內營養物質的去除率見表1。

表1 12種浮島植物對污染物的去除率Table 1 Pollutant removal rates by 12 p lants on floating bed

1.1 不同植物對水體中總氮的去除率

資料表明：12種常用的浮島植物對不同水體的總氮去除率，其中去除率最高的是紅葉甜菜，在35 d的種植周期中，紅葉甜菜對魚塘中的總氮去除率達到85.72%；其次是旱傘草和香根草，在60 d的種植周期內，它們對水體中總氮的去除率均達到80%左右。12種植物中，大蒜對總氮的去除率最低，僅為33.3%，其原因主要是由于大蒜在種植周期內生物量增長較少，加之在試驗后期出現了枯黃現象。另外，水芹和多花黑麥草對水體中總氮的去除率也不太理想，分別為46.4%和41%，其余幾種植物在種植周期內，對總氮的去除率均在50%以上（見圖1）。

圖1 12種不同浮島植物對總氮的去除率Fig.1 Total nitrogen removal rates by 12 p lants on floating bed

1.2 不同植物對水體中總磷的去除率

12種植物中，同樣是大蒜和黑麥草對總磷的去除率比較低，均在40%左右；其次，水稻對總磷的去除率也僅為49.1%，要略低于50%；其余幾種植物對總磷的去除率均為50%以上；去除率最高的為空心菜，達到了95.6%，并且去除的磷中，有63.87%的磷被用作空心菜自身的生長。試驗數據說明空心菜在生長過程中對磷的需求比較大，在實際工程應用中，空心菜可被用在磷含量超標的富營養化水體；另外，水芹、美人蕉、香根草在種植周期內均對總磷表現出較高的去除率（見圖2）。

圖2 12種不同浮島植物對總磷的去除率Fig.2 Total phosphorus removal rates by 12 p lants on floating bed

1.3 不同植物對水體中氨氮的去除率

在對氨氮的去除率分析中，除水稻、香根草和旱傘草缺乏數據以及大蒜去除率不理想外，其余幾種作物對氨氮的去除率均在60%以上，而且，空心菜、美人蕉、水芹等接近100%，生菜、莧菜和紅葉甜菜也在80%以上（見圖3）。相對于總氮和總磷2種污染因子來說，氨氮有較高的去除率，其主要原因可能是，試驗數據大多是通過封閉的培養水箱定量研究得來。試驗過程開始后，培養箱內大部分的氨氮會通過硝化作用轉化為硝酸鹽氮。

圖3 12種不同浮島植物對氨氮的去除效率Fig.3 Ammonia nitrogen removal rates by 12 p lants on floating bed

2 人工浮島凈水能力的影響因素

2.1 處理時間

處理時間長短的不同，植物對水體中營養物質的去除率以及自身生物量的增長速度也不一樣。前人試驗表明，水芹菜在移栽之后20 d內總氮的去除率不斷上升，但是到了20 d后會逐步下降；而空心菜則不同，其總氮的去除率在50 d內會不斷上升，50 d后會持續在一定的水平上下波動，但不會出現大的下降，直至生長結束。浮島種植水稻，同樣也有類似規律，在水面種植40 d內，水稻的干物質累積量會不斷上升，但是，40 d后會逐步下降，直至試驗結束［14］。馬立珊等人用浮床香根草對南京的秦淮河、金川河一級玄武湖等水體進行生態修復發現，在試驗的60 d內，3種水體的總氮去除率不斷上升，但是總磷的去除率卻在試驗50 d后趨向平緩［11］。對生菜和莧菜的試驗研究也發現，在試驗開始的14 d內，植物對營養物質的去除率不斷上升，但是14 d以后，逐漸下降［7］。

2.2 受試水體

受試水體中營養物質含量不同，也會直接影響浮島作物的凈水能力。陳紅兵等用3種植物對4種不同濃度的生活污水進行處理，試驗結果表明：浮島植物對水體中總磷的去除率與污水中營養物質濃度成正比；但是，對總氮的去除率卻以受試水體總氮含量在3 mg／L時效果最佳［15］。

2.3 栽培季節

在不同季節，生物浮島發揮的凈水作用也不一樣，如在圖1中，水芹、多花黑麥草和大蒜均為冬季種植作物，其總氮去除率明顯小于其他幾種作物。同一種作物，在不同的栽培季節，對污染物質的去除率也不一樣。孫連鵬等對不同季節美人蕉對水體氮素去除率進行研究后發現，雖然美人蕉在秋季仍起到凈化水體的作用，但是相比春季而言，其凈化速度有所減慢，并且氮素的去除率有所降低，但是對COD的去除率在不同季節卻差異不明顯。同樣，旱傘草在秋季種植時，其對總氮的去除率分別達到77%和72%，但是在冬季種植時僅為43%和45%［16］。對美人蕉和旱傘草在低溫下對水體中營養物質去除率的研究表明，在秋季水溫高于10℃時，美人蕉的去除率大于旱傘草；但是到了水溫低于10℃的冬季，旱傘草的凈化效果要優于美人蕉［17］。

2.4 種植密度

浮床在水面的覆蓋率不同，也會導致其對水體中營養物質去除率不一樣。郭沛涌等人用不同覆蓋率的黑麥草對富營養化水體進行了試驗，試驗分為15%，30%，45%，60%這4個不同的覆蓋率。試驗結果顯示：當黑麥草覆蓋率處在30%時，其生長情況最好，且對總氮的去除率最高；當覆蓋率在60%時，其對總氮的去除率反而最低［18］。同樣，在對風車草、香根草和菖蒲進行不同去除率與覆蓋率之間的關系研究發現，覆蓋率以30%為分界點，營養物質的去除率與覆蓋率之間的關系有明顯的變化；當覆蓋率小于30%時，營養物質去除率隨覆蓋率增加顯著；而當覆蓋率超過30%時，覆蓋率增加對提高去除率的貢獻則十分有限［19］。

3 結 論

（1）浮島植物對不同營養物質的去除效率不同。在總結的12種植物中，紅葉甜菜對總氮的去除率最高；空心菜對總磷的去除率最高；美人蕉和空心菜對氨氮的去除效率均接近100%。在運用浮島進行水體生態修復時，可針對不同污染水體選用不同植物，以達到最佳凈化效果。

（2）影響生物浮島凈化能力的因素很多，主要影響因素有：處理時間長短、受試水體水質、栽培季節、種植密度。其中，不同植物可在一定時間內達到污染物質去除率的最高值，隨后可能下降；不同植物對受試水體中營養物質的含量要求不一，處理率也不同；不同植物有不同的適宜種植季節，浮島作物遴選時應根據季節需要來選取；一般來說，作物對受試水面的覆蓋率在30%左右時能達到最佳的處理效果。

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（編輯：曾小漢）

The W ater Purification Ability of Plants on Floating Bed and Its Influencing Factors

ZHANG Jin，HUANGWei，SANG Lian-hai
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The water purification ability of 12 plants commonly used on floating island are compared，and factors that influence the ability are summarized.The results reveal that red leave beet（Beta vulgaris var cicla）has the highest total nitrogen removal rate amounting to 85.72%，whilewater spinach（Ipomoea aquatica）keeps the highest total phosphorus removal rate of 95.6%，and water spinach（Ipomoea aquatica）and Canna（Canna indica）both are able to remove nearly all the ammonia nitrogen in the water.Moreover，the water body and the season should be considered when selecting plants on the floating bed，and a 30%floating bed coverage could help achieve the besteffect.The results could provide theoretical basis for applying biological floating island towater ecological restoration.

floating island；plant；water quality；purification ability；influencing factor

X171.4

A

1001－5485（2011）12－0039－04

2011-10-20

科技部農業科技成果轉化資金項目（2009GB23320484）

張 勁（1982-），男，湖北黃岡人，碩士，主要從事水體生態修復工作，（電話）15926353488（電子信箱）zj67c＠163.com。