不同類型水生植物組合去除氮磷效果

鄧鴻楊

摘要：于2017年3～8月在萬州典型區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測重點站，選用當(dāng)?shù)爻Ｒ姼∑肌④住⒔痿~藻、黃花鳶尾、睡蓮5種水生植物，分別組成“挺水十浮漂”、“挺水十浮葉”、“挺水十沉水”3種植物組合，設(shè)置了3種氮磷濃度，開展了水生植物組合去除水體中氮磷人工模擬試驗。并運用連續(xù)流動分析法對各觀測池內(nèi)水質(zhì)進行了分析。

關(guān)鍵詞：水生植物;凈化水質(zhì);植物組合;三峽庫區(qū);生態(tài)恢復(fù)

中圖分類號：S967. 38

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）10-0073-05

1引言

水體富營養(yǎng)化是三峽庫區(qū)目前最突出的水環(huán)境問題之一，2016年三峽庫區(qū)長江主要支流監(jiān)測的24個地表水基本項目中總氮、總磷超標(biāo)率分別達到89.5%和79.1%。富營養(yǎng)化水體的修復(fù)通常有物理、化學(xué)等方法，但傳統(tǒng)方法等凈水方式成本高、耗時長、易造成二次污染等缺陷。水生植物在水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量循環(huán)中具有重要作用，農(nóng)業(yè)面源污染，城市污水處理，以及富營養(yǎng)水體治理中普遍采用中水生植物修復(fù)技術(shù)，具有投資省、見效快、極少再次污染、管理維護方便的優(yōu)勢，并可以同時兼顧生態(tài)效益與經(jīng)濟利益。

目前大多數(shù)研究是配置試驗水池，選擇黑藻、金錢草、美人蕉等水生植物進行去除氮、磷和重金屬的的人工模擬試驗。Zhoux認為水生植物對氮磷的去除途徑包括硝化與反硝化、植物吸收、沉淀、吸附作用和微生物固定，RN Tian、何海成研究了黑藻、菖蒲等去除氮、磷凈化效果，周寧暉、葛坤則對水生植物去除重金屬能力進行研究。這些研究主要集中在單種植物對氮磷和重金屬的去除，對于水生植物組合去除氮、磷效果研究較少，而單一水生植物凈化效果不如水生植物組合。開展單一水生植物凈化模擬試驗具有其自身局限性，自然界中極少孤立的單植物生態(tài)環(huán)境，單一的凈化環(huán)境現(xiàn)實中難以存在，多植物系統(tǒng)更貼近自然生態(tài)環(huán)境。水生植物組合類試驗多集中于東部平原和云南高原的天然湖泊，對三峽庫區(qū)內(nèi)富營養(yǎng)水環(huán)境修復(fù)的研究較少。本研究選取三峽庫區(qū)常見且具有一定觀賞或經(jīng)濟價值的水生植物，在室外自然光溫條件下進行更貼近自然環(huán)境的水生植物組合凈水試驗，研究不同水生植物組合對氮磷去除效果，為三峽庫區(qū)水環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程提供理論依據(jù)。

2材料與方法

2.1試驗地概況

本次試驗選址于三峽庫區(qū)萬州區(qū)長領(lǐng)鎮(zhèn)長嶺大道（30°46'04"N，108°29'39"E），試驗地屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，降水充沛，多年平均降水量1290mm，降水季節(jié)性明顯，集中于夏季。年平均溫度為17.7℃，區(qū)域內(nèi)無霜期為183～260d。底層基巖分布有中生代侏羅系沙溪廟組（J2s）和自流井組巖層（Jlz）。成土母質(zhì)以紫色成圖母質(zhì)為主，耕地土地類型以紫色土為主，水田內(nèi)土壤以水稻土為主。河谷地區(qū)為亞熱帶常綠闊葉林，山地多松、柏、檀、栗、欒等混交林。主要農(nóng)作為有水稻（Oryzasativa）、玉米（Zea mays）、小麥（Triticum aestivum）等。水域類型主要為五橋河流域、農(nóng)田、塘庫等，濕地環(huán)境多樣，環(huán)境開發(fā)度高。

2.2試驗設(shè)計

本次實驗設(shè)置低、中、高三種氮磷濃度，每種濃度觀測池各3個，TN、TP設(shè)置濃度分別為20mg/L和10mgjL、11.5mg/L和6mg/L、2mg/L和0.5mg/L，另設(shè)置中茭白池、浮萍池、金魚藻池、睡蓮池、黃花鳶尾單種池各一個，總共14個觀測池。4月11日取磷肥（P2 05≥12%）若干，使用1/100電子秤在低、中、高濃度分別稱取2.08g、25.00g、41.67g，取氮肥（TN≥46.4%）若干，低、中、高濃度分別稱取1.04g、5.96g、10.36g，隨流水緩慢注入對應(yīng)觀測池，4d后取水樣測定TN、TP原始值，為原始數(shù)據(jù)。TN水樣需經(jīng)循環(huán)水真空泵濾除雜志后稀釋至原水樣1/20后加過同等體量硫酸鉀，使用立式壓力蒸汽滅菌器在110℃下加熱30mm后，取10mL入小管等待連續(xù)流動分析儀分析，TP水樣則需濾除雜志后稀釋至原水樣1/20后待測。每月l號、16號采樣，至8月16日實驗結(jié)束，共取9次水樣，9組數(shù)據(jù)。

8月16日取最后一次水樣，測定TN、TP值。連根拔出所有水生植物，洗凈根部泥土，陰干，分類稱取所有水生植物生物量，試驗完成。4月5日在萬州花鳥市場挑選強健幼苗，洗凈根部稱取每株重量，按實驗需求進行分配組合，減少每池初始生物量差，記錄后種入觀測池并扶正。水生植物的種植點按照“米”字形布置，隨機種植于四邊、四角與中心（中心處并列2處）共10點，黃花鳶尾、茭白、金魚藻每池共5簇，睡蓮每池4個塊莖，浮萍若干，每池配置同類水生植物生物量基本相等。

本次實驗于2017年3月底至8月中旬在中國科學(xué)院、水利部成都災(zāi)害與環(huán)境研究所萬州典型生態(tài)環(huán)境重點站進行并完成。3月27日選定同坡向水池共14個，規(guī)格為1m×1m×1m，取同地底泥混合、平鋪于池底至15cm加入自來水沒浸透鋪平，再加少量清水保持底土濕潤。3月31日再次整理底土，鋪平，底土厚度縮至約12cm。

于4月11日配置氮肥（TN≥46.4%）分別稱取10.36g、5.96g、1.04g;磷肥（P205≥12%）分別稱取41.67g、25.00g、2.08g對應(yīng)配置后隨流水緩慢注入觀測池對應(yīng)配置后隨流水緩慢注入觀測池，5日后取初始水樣化驗，得初始數(shù)據(jù)，循環(huán)水真空泵濾除雜質(zhì)后，使用德國產(chǎn)全自動連續(xù)流動分析儀（AA3）測定TN、TP，此方法為管道化的連續(xù)流動分析法，經(jīng)試樣溶液注入載流、試樣溶液與載流混合反應(yīng)、試樣溶液隨載流恒速人檢測器被監(jiān)測三個過程后，能快速測出所需數(shù)值。

水樣采集頻次為每月1日、16日，觀測時間從4月15日至8月16日，歷時4個月，共9組數(shù)據(jù)。試驗場地為露天，為保持水深統(tǒng)一，每日使用水位尺測量水位，增補去離子水保持水深，同時，為避免降水對試驗影響，降雨時使用聚氯乙烯膜遮擋并保持通風(fēng)，每日巡查拾出雜物。

3結(jié)果與分析

3.1金魚藻十黃花鳶尾組合對TN、TP去除效果

金魚藻十黃花鳶尾組合在三個濃度下去除效果有一定差別，中低濃度下去除效果相差不大，TN、TP去除量分別為0.966、0.437mg/L和1.086、0.454mg/L，僅相差o.12、o.17mg/L，高濃度下金魚藻于5月上旬死亡，且無野生金魚藻生長，TN、TP去除效果較差，為0.696、0.382mg/L，為所有植物組合中去除效果最差，金魚藻十黃花鳶尾三個濃度TN、TP去除量之間具有一定差異但不顯著。

低濃度下金魚藻十黃花鳶尾TP去除率達到92.78%，為所有植物TP去除率中最高值，這是因為一方面黃花鳶尾除磷效果較好，另一方面金魚藻為沉水植物，扎根于底泥后可削弱水面空氣流動的干擾，有利于磷元素沉降，莖葉亦可吸收部分磷元素，加上該池水體初始磷濃度較低，使得該池去TP去除率最高。中濃度下金魚藻十黃花鳶尾TN、TP去除效果略微上升0.120、0.170mg/L，總生物量也較低濃度高191g。高濃度下雖去除效果較差.但黃花鳶尾生物量較高達603g，為黃花鳶尾生物量最高值，說明黃花鳶尾在較高氮磷濃度下生長更好。由圖l可知，7月中旬前中濃度下TN、TP去除量低于中濃度，8月16日中濃度去除效果高于低濃度，可能是7～8月中濃度下水生植生物量增加較快，對水體中氮磷需求較大所致。

金魚藻十黃花鳶尾組合中，3種購買于市場的金魚藻全部死亡，可能是因為氮磷濃度過高對金魚藻生長產(chǎn)生脅迫性。5月自然生長的野生金魚藻能適應(yīng)低、中兩種濃度水環(huán)境，高濃度無自生金魚藻。

3.2睡蓮十黃花鳶尾組合對TN、TP去除效果

睡蓮十黃花鳶尾組合低、中、高濃度下TN、TP降低0.967mg/L和0.386mg/L、1.011mg/L和0.400mg/L、1.073mg/L和0.524mg/L，中、低濃度下睡蓮十黃花鳶尾組合與金魚藻十黃花鳶尾組合去除特點類似，三個濃度下TN與TP去除效果無顯著性差異。4月15日至7月1日低濃度TN去除效果、4月15日至7月16日TP去除效果好于中濃度，后期TN、TP去除速率增加，試驗結(jié)束時中濃度TN、TP去除效果大于低濃度0. 044、0.094 mg/L，可能是中濃度下睡蓮生長更好、植株更粗壯，吸收能力較強。高濃度下TN、TP去除量較低、中濃度高0.106 mg/L和0.138 mg/L、0.062 mg/L和0.124 mg/L。可能是因為7月前高濃度睡蓮生長很好，除氮效果較好。7月后由于病蟲害出現(xiàn)枯黃現(xiàn)象后人為打撈，完成氮磷轉(zhuǎn)移，加之該池黃花鳶尾在7～8月生長較快，除磷效率提升。高濃度下去除TN效果最好階段并不在7～8月生長旺季，而是5月1日到7月1日，為0. 730 mg/L，占總?cè)コЧ?8. 03%，這與該池水生植物生長有關(guān)，7月前睡蓮生長好，除氮效果較好，7月后病蟲害導(dǎo)致除氮效果降低，這與水生植物生長情況密不可分（圖2）。

3.3浮萍十茭白組合對TN、TP去除效果

浮萍十茭白在三個濃度下去除效果去除效果差別較大，TN、TP去除效果為中濃度（3. 628、0.879 mg/L）>高濃度（1. 914、0.585 mg/L）>低濃度（1. 781、0.538mg/L），由圖3.11可以看出，中等濃度水體中TN去除遠高于其他兩個濃度，比高濃度和低濃度分別高出1. 714、1.847 mg/L，高濃度與中濃度TN去除具有顯著性差異（P<0.05），而TP去除量在中濃度水體中比低濃度和高濃度高0. 294、0.341 mg/L，各濃度之間TP去除相差較小，未達到顯著差異。

三個濃度下浮萍十茭白組合去除效果均很好，因自身獨特的優(yōu)勢：①試驗檢測的氮磷為可溶性氮磷，浮萍為浮漂植物，體積小，數(shù)量多，分株速度快，根系直接深入水中吸收水中氮磷;②根系比表面積大，為硝化與反硝化提供生發(fā)空間，提高氮類去除速率;③密集根系為以氮磷為食的微生物提供生長空間，促進氮磷去除;④浮萍生長過程中，加入人工干預(yù)，4～6月浮萍生長極快，鋪滿觀測池即收割半池，客觀上氮磷轉(zhuǎn)移。而其余水生植物或組合，根系部分扎根于底泥中，依靠部分根系、莖干、葉柄、葉片，吸收與吸附氮磷能力有限，去除能力不如浮萍十茭白組合。高等濃度下水生植物組合去除TN、TP過程與低濃度下類似，TN去除率總體表現(xiàn)為先減后增，最后逐漸減少趨勢，第15，75 d和120 d去除分別為0. 52%、8.16%、10. 00%。TP去除速率呈現(xiàn)先增后減趨勢，第75d，120d分別為4.45%，5.71%，TN、TP的去除皆存在較明顯的時間階段性（圖3）。

3.4結(jié)論與討論

各種水生植物組合對TN、TP效果存在差異，浮萍十茭白組合的TN去除量與金魚藻十黃花鳶尾、睡蓮十黃花鳶尾TN去除具有顯著性差異（P<0.05），浮萍十茭白組合與金魚藻十黃花鳶尾TP去除具有顯著性差異（P<0.05）。金魚藻十黃花鳶尾和睡蓮十黃花鳶尾的去除差異性較小浮萍十茭白組合中，中濃度下去除TN、TP效果最好，分別比低、高濃度高1.714、0.294mg/L和l_847、0.341mg/L。金魚藻十黃花鳶尾組合中，中濃度下去除效果最好，TN、TP去除總量分別比低、高濃度高0.120、0.017mg/L和0.390、0.072mg/L。睡蓮十黃花鳶尾組合中，高濃度下去除效果最好，TN、TP去除量分別比中、高濃度高0.065、0124mg/L和0.106、0.138mg/L。睡蓮十黃花鳶尾組合池中，睡蓮葉片浮于水面，易對黃花鳶尾幼苗時期造成影響，使部分幼苗其長期無法伸出水面無法發(fā)生光合作用生長緩慢或死亡，但高濃度下病、黃蓮葉摘除，實際上也完成了氮磷轉(zhuǎn)移。浮萍十茭白組合池中，低濃度池中氮磷量在4～6月上旬已去除絕89%以上，雖6月份仍是浮萍生長旺季，但該池浮萍生長速度明顯減緩，僅收割3～4次，可能是是池中氮磷不足，若該池補充足量氮磷，浮萍很可能會繼續(xù)生長，持續(xù)消耗水體中氮磷至6月底。金魚藻十黃花鳶尾組合池中，中、低濃度下金魚藻十黃花鳶尾去除效果更好，TN、TP去除量分別為1.086、0.454mg/L和0.966、0.437mg/L，5月后高濃度下僅剩黃花鳶尾，凈化效果在組合中最差。

由圖4可知，總體上去除氮效果較好的植物組合去磷效果也較好，TN與TP去除效果呈顯著正相關(guān)（P<0.05），同時又具有各自的特點。金魚藻十黃花鳶尾除磷效果較好，是因為該組合黃花鳶尾生長旺盛，除磷效果較好，金魚藻除根吸收外，莖葉也能發(fā)揮吸收吸附作用。高濃度金魚藻十黃花鳶尾為所有植物組合去除效果最差，原因是該組合金魚藻較早死亡，實際上與單一植物去除效果無明顯差異。氮、磷是植物生長基本物質(zhì)構(gòu)成，合理氮磷濃度有利于水生植物生長，過低的氮磷使水生植物缺乏物質(zhì)補充。試驗中高濃度下浮萍十茭白去除效果并不如中濃度，4月21日至6月24日共收割3次，生物體生長較慢，過高的氮磷對水生植物產(chǎn)生氮脅迫和磷脅迫，阻礙水生植物健康生長。金魚藻十黃花鳶尾、睡蓮十黃花鳶尾在去除TN果上相差較小。

綜合比較得出，TN去除效果上，浮萍十茭白、金魚藻十黃花鳶尾在中濃度下，睡蓮十黃花鳶尾在高濃度下去除效果最好。TP去除效果上，浮萍十茭白、金魚藻十黃花鳶尾在中濃度下去除效果最好，睡蓮十黃花鳶尾在高濃度下去除效果最好。

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