苦草對富營養(yǎng)化水體凈化效應(yīng)的示范研究

石正馳，田 丹，鄒序安，楊 李，程 雪，陳 晴，張 友

(1.銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.上海中耀環(huán)保實(shí)業(yè)有限公司，上海 200000)

1 引言

由于居民生活垃圾生活廢水等在人工生態(tài)系統(tǒng)、自然景觀中的排入，出現(xiàn)水體治理較難，水環(huán)境質(zhì)量惡劣的現(xiàn)象，導(dǎo)致水體污染嚴(yán)重、富營養(yǎng)化現(xiàn)象明顯[1]。如何高效、成功地治理水體污染并維護(hù)水體的生態(tài)系統(tǒng)及其所承載的環(huán)境作用成為當(dāng)前水污染治理的研究重點(diǎn)。其中，沉水植物因其不但可以吸收水體中的過量的營養(yǎng)鹽，降低營養(yǎng)鹽化的危害，對富營養(yǎng)化水體具有較好的修復(fù)作用，還可以為水生生物提供生活棲息環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛關(guān)注[2]。在有沉水植物種植的水域中，沉積物中磷主要以無機(jī)磷的形態(tài)存在，可將磷固定在沉積物中而降低向水體中的釋放，可有效控制內(nèi)源營養(yǎng)鹽的釋放[3]。同時(shí)，沉水植物對于水體中總磷、總氮及葉綠素含量都有良好的去除及抑制作用[4]。

為此，本課題組利用沉水植物為研究對象，將其種植于受污染水體，研究其對受污染水體的凈化作用，以期為苦草和金魚藻在受污染水體中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2．1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：本試驗(yàn)以貴州省銅仁市銅仁職業(yè)學(xué)院內(nèi)河道為原位修復(fù)場地，通過種植金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)和苦草(Vallisnerianatans)，兩種常見的水體生態(tài)修復(fù)植物進(jìn)行原位修復(fù)，以研究沉水植物對于水環(huán)境的凈化作用。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間：本試驗(yàn)于2017年10月起，2018年10月止，周期為一年。為比較研究金魚藻和苦草對于水體的凈化作用，分別在不同的河段種植不同的沉水植物。

2.2 測定指標(biāo)與方法

各采樣點(diǎn)分別用A,B,C,D,E表示，其中，A,B,C為種植苦草的區(qū)域，D,E為種植金魚藻的區(qū)域。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)期間水體中總氮總磷含量的變化

由圖1可知，水體中各營養(yǎng)鹽的含量隨著時(shí)間季節(jié)的變化均出現(xiàn)波動(dòng)不定的現(xiàn)象，且不同采樣點(diǎn)中各元素含量差別較大。

水體中的氮元素含量在1.7～11.6 mg/L的范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)范圍較大，就整體而言呈下降趨勢。實(shí)驗(yàn)初期，2017年12月至2018年6月，水體總氮在4.5～8.0的范圍內(nèi)波動(dòng)；在2018年7月出現(xiàn)急劇下降。在試驗(yàn)?zāi)┢冢w總氮在3～5mg/L的范圍波動(dòng)，且苦草種植區(qū)域氮含量降低50.9%，金魚藻種植區(qū)域氮含量降低57.8%。

水體總磷呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢。實(shí)驗(yàn)初期，各采樣點(diǎn)的水體磷含量為0.3 mg/L左右， 2018年2月至2018年6月，水體磷含量總體保持在0.3～0.5 mg/L的水平，2018年7月出現(xiàn)急劇下降，各采樣點(diǎn)的值均在0.3 mg/L以下；從7月到10月出現(xiàn)增高到減小的現(xiàn)象。此外，相較于種植苦草的A，B，C磷的變化，種植金魚藻的D,E采樣點(diǎn)中的含量降低趨勢更明顯，苦草種植區(qū)域磷含量平均降低20.8%，種植金魚藻區(qū)域，磷含量下降27.3%。

圖1 試驗(yàn)期間不同采樣點(diǎn)水體中TN、TP含量變化(A,B,C,D,E代表不同的采樣點(diǎn))

3.2 試驗(yàn)期間水體中氨氮和硝態(tài)氮含量的變化

從圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)水體中氨氮是氮的主要存在形式，約占總氮的63.3%。2017年11月至2018年1月，A,B,C三處樣點(diǎn)中氨氮含量低于D,E處采樣點(diǎn)；2018年春季，各采樣點(diǎn)的氨氮含量變化不大，而在2018年夏季期間，出現(xiàn)A,B,C處的氨氮高于D,E的現(xiàn)象。氨氮含量在2018年7月出現(xiàn)最低值；2018年秋季，水體中氨氮含量相比于2018年7月有所上升，各采樣點(diǎn)的氨氮含量相差不大。總體而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水體中氨氮含量約從5 mg/L下降到2 mg/L，約降低62.9%；其中，苦草種植區(qū)域約下降62.4%，金魚藻種植區(qū)域約下降63.6%。

硝態(tài)氮約占總氮的22.6%。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，A,B,C三處采樣點(diǎn)的硝態(tài)氮含量略高于D,E點(diǎn)；此外，實(shí)驗(yàn)并未降低水體中硝態(tài)氮含量。

圖2 試驗(yàn)期間不同采樣點(diǎn)水體中含量變化(A,B,C,D,E代表不同的采樣點(diǎn))

3.3 試驗(yàn)期間水體中COD及BOD5的變化

由圖3可知，實(shí)驗(yàn)初期，植株發(fā)育較小，對水體中COD的去除并未有明顯效果。整體而言，水體中COD的含量呈現(xiàn)下降趨勢，實(shí)驗(yàn)?zāi)┢冢N植苦草的A,B,C三處COD平均約降低55.3%，種植金魚草D,E兩處平均約下降47.8%。

水體中BOD5的變化趨勢與COD相似，初期BOD5較高，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，水體中BOD5整體呈現(xiàn)下降趨勢，試驗(yàn)?zāi)┢? 苦草種植區(qū)(A,B,C)約下降36.8%，金魚藻種植區(qū)(D,E三處)約下降29.1%。

3.4 試驗(yàn)期間水體葉綠素含量的變化

水體葉綠素含量常被用來衡量水體中藻類的繁殖情況。圖4表示在實(shí)驗(yàn)期間每月水體中葉綠素含量的平均值，由圖可知，實(shí)驗(yàn)初期水體中葉綠素含量較低且平穩(wěn)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，葉綠素的含量出現(xiàn)兩次較大跳躍，分別是2018年4月及7月，分別上月增長了27.6%及29.3%；而且，水體中的葉綠素含量最高值出現(xiàn)在2018年7月，在7月之后，在8月，9月，10月又出現(xiàn)逐漸下降趨勢，整體來說，水體中葉綠素含量在實(shí)驗(yàn)期間呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

4 討論

4.1 苦草對于水體營養(yǎng)鹽和污染物的凈化作用

沉水植物常被用來作為先鋒植物對富營養(yǎng)化及污染的河流進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，能夠通過吸收、吸附、沉降、過濾等方式來凈化水體[6～15]。在本實(shí)驗(yàn)中，初期由于植物幼苗較小，對水體的凈化作用較弱，水體中種植苦菜和金魚藻的區(qū)域內(nèi)氮磷營養(yǎng)鹽以及COD、BOD5等污染物含量均較高；隨著試驗(yàn)的推進(jìn)，水體中總氮和總磷含量均有所降低，且種植金魚藻的區(qū)域內(nèi)總磷、總氮含量降低效果更為明顯，即金魚藻對于水體氮含量有良好的去除效果，該現(xiàn)象同樣被Fang Y X等人報(bào)道[11]。

圖3 水體中COD、BOD5的變化情況(A,B,C,D,E代表不同的采樣點(diǎn))

圖4 水體中葉綠素的變化

在本實(shí)驗(yàn)中，氨氮占總氮的63.3%，水體中氨氮和硝態(tài)氮是氮的主要存在形式，水體中氨氮含量過高會(huì)嚴(yán)重?fù)p害水生植物的生長，會(huì)造成植物體內(nèi)葉綠素及蛋白含量的降低，同時(shí)，會(huì)使脯氨酸和抗氧化酶的活性升高，對植物產(chǎn)生脅迫作用[12]。相較于實(shí)驗(yàn)初期，試驗(yàn)?zāi)┢诎钡档挖厔菝黠@，可能與植株的生長狀況及季節(jié)有關(guān)。植株在水體中的生長繁殖均有大范圍增長，可加強(qiáng)對營養(yǎng)鹽的吸收與去除。且由于苦草的過濾與沉降作用，沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放及懸浮物的上升都得到一定的控制，增強(qiáng)了水體生態(tài)系統(tǒng)的緩沖能力及自我凈化的能力[13]。

4.2 水體中藻類的生長狀況

水體中葉綠素含量常被用來衡量藻類的生長情況，當(dāng)水體中氮磷營養(yǎng)鹽的含量超過其生長的營養(yǎng)限值時(shí)就會(huì)對其產(chǎn)生抑制作用。有研究表明，當(dāng)水環(huán)境在總氮總磷的濃度分別超過5.4 mg/L和0.3 mg/L時(shí)，就會(huì)對其中藻類的生長產(chǎn)生抑制，而低于這個(gè)值則會(huì)促進(jìn)太湖水體中藻類的生長[14]。

在本實(shí)驗(yàn)中，試驗(yàn)初期水中污染物、營養(yǎng)鹽含量較高，葉綠素含量較低，隨著實(shí)驗(yàn)推進(jìn)，2017年6、7月時(shí)水體各營養(yǎng)鹽均出現(xiàn)顯著的降低，而葉綠素的含量急劇上升，出現(xiàn)藻類爆發(fā)繁殖的現(xiàn)象。同時(shí)，水體中藻類的大量繁殖吸收水體中的營養(yǎng)鹽，又促使水體營養(yǎng)鹽的含量降低。

5 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)表明，沉水植物對河道水體中營養(yǎng)鹽及污染物的去除會(huì)隨著時(shí)及季節(jié)的推移出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。植株幼苗期，幼苗生長較慢，且溫度較低，對水體的凈化作用較弱，隨著溫度的升高，苦草及金魚藻發(fā)育的增快，水體中營養(yǎng)鹽的含量及污染物含量整體均出現(xiàn)明顯的下降趨勢。此外，在水體營養(yǎng)鹽含量較低的環(huán)境下，葉綠素的含量隨著營養(yǎng)鹽的升高而升高，藻類的繁殖會(huì)促進(jìn)水體中污染物質(zhì)的吸收。

致謝：感謝貴州喀斯特地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境的生態(tài)修復(fù)與重建項(xiàng)目組、銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院微生物資源開發(fā)與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。