不同生活型水生植物混合種植對氮磷等營養物質的去除研究

曾嘉敏，鄒任炯，姚家敏，吳畫屏，黎楚婷，郭玉娟

（肇慶學院 生命科學學院，廣東 肇慶 526061）

水體富營養化研究一直是水生態系統修復的熱門領域之一[1]，隨著人類對自然環境的開發，N、P等營養鹽流入湖泊、河流，造成水體富營養化.目前富營養化水體的治理方法主要包括：物理、化學和生物手段.其中，利用水生植物凈化水體的方法具有技術簡單、效果良好等優點.朱斌研究認為水生植物在生長過程中會吸收大量的氮磷等營養物質合成自身結構，一方面通過根系吸收，另一方面通過莖葉等器官的體表吸收[2].水生植物本身對富營養化水體凈化就有綜合吸附沉淀、吸收代謝和富集濃縮等作用[3].李龍山利用蘆葦作為凈化污水的凈化原料研究表明，蘆葦對污水的N、P具有很好的凈化效果[4].另外，張志勇等認為將水生植物進行合理搭配能夠取得優勢互補、共同促進等效果，還能增加景觀觀賞價值[5].國內外對于不同生活型水生植物混合種植的研究較少，因此通過實驗室條件下研究不同生活型水生植被對水體的修復凈化效果，以探討混合配植不同生活型水生植物對水體中N、P去除的可行性，關注植物營養鹽去除機理層面，為水體的富營養化修復提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 材料

實驗所用的2種水生植物均采自肇慶學院生命科學學院生物園的自然水體，其中挺水植物選用蘆葦，屬于禾本科蘆竹亞科蘆葦屬，是多年水生或濕生的高大禾草，具有生態、觀賞價值等.實驗共挑選了54株蘆葦，平均生物量為4.7±0.5g，株高為13±2cm.沉水植物選用苦草，是多年生無莖沉水草本，具有藥用、觀賞和生態等價值.實驗共挑選了54株苦草，平均生物量為3.5±0.8g，株高為5±0.5cm.

1.2 實驗方法

選用相同規格的12個90 L的塑料箱，規格為66 cm×45 cm×36 cm，分別加入30 L自來水.將蘆葦和苦草的根部用定植籃固定后放入塑料箱，試驗箱包括各3箱蘆葦、苦草及組合型，每個箱子放12株水生植物，株間距10 cm，另外設置3個無水生植物的空白對照組，對塑料箱進行編號.用硝酸鉀、磷酸二氫鉀作為實驗的N源和P源進行配置，分別向塑料箱添加不同濃度梯度的氮磷營養鹽，分別為水樣1：TN：5.0 mg/L、TP：0.5 mg/L；水樣2：TN：3.0 mg/L、TP：0.3 mg/L；水樣3：TN：1.0 mg/L、TP：0.1 mg/L，每種水樣設置3個重復，每3天為一個周期測定水體中的氮磷濃度.另外，實驗于溫棚中進行，實驗期間，溫棚溫度在20～25℃之間，溫度測量采用直立式采水器內置溫度計，測量實驗過程中濕地植物種植的溫度，并進行比較.采用碘量法測定溶解氧的含量.

1.3 水質監測指標

1.3.1 總氮含量測定

測定方法采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894-89）測定.氮含量CN（mg/L）可按下式計算：

其中：m—測出的含氮量，mg；V—測定所用的試樣體積，L.1.3.2 總磷含量測定

測定方法采用鉬銻抗分光光度法（GB 11893-89）測定.磷含量Cp（mg/L）按以下公式計算：

其中：m—試樣測出的含磷量，mg；X—樣品稀釋倍數；V—測定用試樣體積，L.

1.3.3 去除率計算

水體中氮磷去除率計算公式為：去除率（%）=(C0-C1)/C0×100%

式中C0為初始水體中污染物的濃度，mg/L；C1為水體中污染物的濃度，mg/L.

2 結果與分析

2.1 濕地植物種植對水樣TN的去除效果

從圖1～3可以看出，試驗植物在3種不同富營養化水體中均表現出一定的凈化能力.在試驗第一個周期，3種水體中總氮濃度下降的幅度最大，各試驗組的去除效率均顯著高于空白組（P＜0.05），其中水樣1中的試驗植物表現出最強的凈化能力；在水樣2以及水樣3中，水生植物在第一個水質測定周期中對總氮的去除能力均表現為苦草＞組合型＞蘆葦.

在第一個測定周期以后，植物在3種水樣中對總氮的去除速率均趨于平緩，且水體中總氮的濃度略有上升.可能原因如下：由水體自身硝化、反硝化作用的相對強弱所引起的，若水體中的硝化作用強度大于反硝化作用強度，硝態氮將累積，反之則降低[6]；試驗后期，植物的生長狀況變差，葉子出現發黃和腐爛等現象，對水體中的總氮含量產生了影響.

圖1 水樣1中總氮濃度的動態變化

圖2 水樣2中總氮濃度的動態變化

圖3 水樣3中總氮濃度的動態變化

從表1可見，在水樣1中，試驗材料對總氮的去除率在52.95%～67.33%之間，其中去除能力最強的為苦草，最弱的為蘆葦；在水樣2中，植物對水體的凈化能力下降，蘆葦與苦草的組合型對總氮的去除率最高，其次為苦草，最低為蘆葦；在水樣3中，水生植物對污水的凈化能力不佳，去除率均在10%以下，其中蘆葦和組合型的去除率沒有明顯差異，苦草的去除率最低.可見，隨著水體中總氮濃度的增加，水生植物對總氮的去除率也相應提高，即植物對總氮的去除能力表現為水樣1＞水樣2＞水樣3.

另外，水樣3中苦草對總氮去除率較低，為1.84%，這是由于過低的氮濃度會限制沉水植物的生長，導致苦草在不容易生長的同時也容易死亡，從而分解更多的氮元素進入水體，導致水體的去除率降低[7].

表1 植物對不同富營養化水體中總氮的去除率

2.2 濕地植物種植對水樣TP的去除效果

圖4～6表明，實驗結束時，不同水體中的含磷變化量不同，不同水體中蘆葦水箱、苦草水箱、組合型水箱的含磷變化量差距細微，且圖中反應了蘆葦、苦草、組合型對3種濃度的水體中總磷的處理效果.水樣1總磷濃度在前2個水質測定周期迅速下降，水樣1中各試驗組的去除能力顯著高于空白組（P＜0.05），后面的周期去除速度逐漸下降.其中，組合型總磷濃度下降較為平緩，而蘆葦，苦草單一組總磷濃度下降較快.水樣2中不同植物對磷的去除存在相似的去除規律.圖6中的數據波動較大，有多個水質測定周期均出現總磷濃度上升的情況，可能原因如下：水樣3中的植物在實驗之前沒有完全沖洗干凈，葉子上或莖上帶有某些藻類等，實驗的第二個周期開始，苦草部分葉子尖端發黃枯萎，蘆葦幼苗基部有輕微腐爛現象，影響水體營養物質的含量.已有研究表明，植物對水體污染物的去除效果與植物的生長狀態密切相關[8].但從總體上看.總磷含量趨于減少.

圖4 水樣1中總磷濃度的動態變化

圖5 水樣2中總磷濃度的動態變化

圖6 水樣3中總磷濃度的動態變化

從表2可見，水生植物在不同水體中對總磷都有一定的去除作用，去除率均在40%以上.在水樣3中，蘆葦對水體中總磷去除能力最強，去除率達到67.64%，去除能力最弱的是苦草.在水樣2中，植物對總磷去除能力沒有顯著差異，去除效果在82%～90%之間.在水樣1中，蘆葦，苦草和組合型對水體中總磷去除率依次為：91.81%、81.08%、90.09%.可以看出，植物對水樣1總磷的去除能力強弱依次為：蘆葦＞組合型＞苦草.綜合上述分析可知.蘆葦在3種水體中都表現出最強的去除能力.隨著水體中總磷濃度的增加，蘆葦和組合型對總磷的去除率也相應升高；而苦草的去除率則表現為：水樣2＞水樣1＞水樣3.

單一型和組合型對水體中總氮、總磷去除效果表現出差異性，這是由于組合型中的植物生長較快，對總氮、總磷的凈化效果更好，分析原因可能是不同濕地植物的根系泌氧能力及氮磷吸收性能不同[9]，不同的水生植物，會有不同的功能和特點，有的可以更快地吸收氮，有的能更好地富集磷元素，不同水生植物組合種植時會有利于植物之間取長補短，形成互補關系，保持較為穩定的凈化效果.

表2 植物對不同富營養化水體中總磷去除率

3 結論

本研究在室內靜水條件下通過水體氮、磷含量及去除率等多方面分析，對不同水生植物的氮、磷吸收和水質凈化能力進行比較研究，結果顯示：蘆葦和苦草及其組合型對同濃度模擬污水中氮磷具有去除能力.高中低3種氮磷濃度水體中總氮和總磷含量均隨時間出現下降趨勢，且下降過程都會經歷2個時期即迅速下降期和緩慢下降期.在總氮濃度為5 mg/L的水體下，苦草對總氮的去除率最高，為67.33%，其次是組合型，去除率為63.74%，總氮濃度為3 mg/L、1 mg/L的水體中，組合型對總氮的凈化效果最好，去除率分別為38.81%、6.34%；在對總磷的去除效果比較中，在總磷濃度為0.5 mg/L、0.3 mg/L、0.1 mg/L的水體下,蘆葦的去除能力均是最強的，去除率分別為91.81%、89.21%、67.64%.這表明，從植物對氮的去除率來看，選用苦草處理效果較好；從磷的去除率來看，則選用蘆葦處理效果較好，但水生植物混合種植對去除水體中的氮、磷的效果與單一種植的效果并無顯差異.另外，濕地植物種植的溫度也發生了變化，每個水樣雖存在差異，但溫差都較小，不超過2℃.另外實驗前后溶解氧發生了變化，蘆葦的3個水樣中的溶解氧平均值是1.980 mg/L，苦草的溶解氧平均值為5.409 mg/L，蘆葦和苦草混合種植中的溶解氧平均值為3.107 mg/L，其中苦草的溶解氧最高，與溶解氧最低的相比，高3.429 mg/L.實驗研究表明：針對不同污水總氮總磷情況與特點進行苦草和蘆葦合理搭配種植，對治理富營養化水體具有較好凈化效果.