15種水生景觀植物對磷的去除能力

梁玉婷， 孫宏兵， 任愛萍， 楊蘭芳

(1.武漢市園林科學(xué)研究院， 湖北 武漢 430081； 2.湖北大學(xué)， 湖北 武漢 430000)

0 引言

【研究意義】水體富營養(yǎng)化是21世紀(jì)公認(rèn)的水環(huán)境污染問題之一，已經(jīng)嚴(yán)重危害人類的健康，甚至制約許多國家地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。其中，磷是一種導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的限制性營養(yǎng)元素，磷被確定為藻類過度生長的限制性因素，也是引起水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵元素[2]。修復(fù)水體富營養(yǎng)化，有物理方法、化學(xué)方法和生物方法，其中生物方法既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)，在水體修復(fù)中最為常用。生物方法中植物修復(fù)更為常見，應(yīng)用更廣。水生植物從富營養(yǎng)化水體中吸收磷元素，經(jīng)過吸收轉(zhuǎn)化形成植物的自身組分，這樣既改善了水環(huán)境又完成了自身的生長，只需要定期割乂植物，將植物從水體中移除即可完成磷去除的過程。【前人研究進(jìn)展】李文朝[3]利用蘆葦、茭草、香蒲、菱、菹草、苦菜和馬來眼子菜重建富營養(yǎng)化的五里湖植被發(fā)現(xiàn)，挺水植物整體長勢較好，沉水植物生長受限，但并未關(guān)注不同植物間的凈化能力差異。在后續(xù)的研究中很多學(xué)者開始關(guān)注不同水生植物氮磷的凈化能力，童昌華等[4]研究了金魚藻、狐尾藻2種植物單獨和組合對TN、TP 及NOx-N、COD、DO的吸收能力。鄭潔敏等[5]研究杭州地區(qū)常用的39種觀賞性挺水植物對氮、磷的移除潛力發(fā)現(xiàn)，慈姑、窄葉澤瀉、澤苔、大慈姑和千屈菜對磷的移除能力位居前列，缺乏水體中氮磷含量變化數(shù)據(jù)支撐。也有學(xué)者研究水樣在不同植物停留時間對去除率的影響，75 d時TP去除率為17.40%～28.13%，香蒲、蘆葦?shù)膬艋Ч糜邙P眼藍(lán)、美人蕉、苦草、黃菖蒲、金魚藻和千屈菜等[6]。王洪金[7]在不同富營養(yǎng)化條件下研究5種植物的凈化效果發(fā)現(xiàn)，鳳眼藍(lán)與千屈菜凈化效果均為最好，5種水生植物均對磷有較好的去除效果，且隨著營養(yǎng)物質(zhì)濃度的升高而增強(qiáng)；去除能力由強(qiáng)到弱為千屈菜、鳳眼藍(lán)、慈菇、鳶尾和睡蓮。馮優(yōu)等[8]認(rèn)為，在不同濃度中同種植物去除TP能力不同，鳳眼藍(lán)在較低磷水平(TP 8～16 mg/L)下的去除能力明顯高于其他水生植物；黃菖蒲在較高氮磷水平(TP 30～35 mg/L)下的去除效果較好，并具有良好的適應(yīng)能力；沉水植物中狐尾藻凈化效果較好，而且生物量增加顯著，整體上挺水植物比沉水植物具有更強(qiáng)的除磷能力。可見，已有研究針對單一或者少數(shù)幾個物種的凈化效果比較，或者是不同濃度下幾種植物凈化效果的比較，缺乏同一水平下對不同景觀效果的水生植物的凈化能力比較，導(dǎo)致現(xiàn)在水體修復(fù)的景觀效果不佳，凈化效果不理想，增加企業(yè)成本。【研究切入點】掌握水生植物在同一條件下對磷的凈化能力，篩選生長量大、適應(yīng)性強(qiáng)、凈化效果好且兼具景觀效果的水生植物是污染水體修復(fù)工作的一項重要基礎(chǔ)工作，對節(jié)約成本和水體生態(tài)恢復(fù)和改善具有重要意義。【擬解決的關(guān)鍵問題】為了獲得凈化效果好，景觀效果佳的水生植物，采用室內(nèi)水培法模擬水體富營養(yǎng)化條件，研究華中地區(qū)常見的6種挺水植物、6種沉水植物及3種浮水植物共15種不同生活型的濕地水生植物的生物量變化及其對富營養(yǎng)水體中TP、PO43--P的去除能力，為有效解決水體富營養(yǎng)化問題和篩選具有一定凈化能力又能營造良好景觀效果的濕地水生植物提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 水生植物 6種挺水植物：路易斯安娜鳶尾(Iris hybrids ‘Louisiana’)、紫葉美人蕉(Cannawarscewiczii)、矮生美人蕉(Cannaglauca‘Taney’)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、黃菖蒲(Irispseudacorus)和雨久花(Monochoriakorsakowii)；3種浮葉植物：水鱉(Hydrocharisdubia)、鳳眼藍(lán)(Eichhorniacrassipes)和水罌粟(Hydrocleysnymphoides)；6種沉水植物：小茨藻(Najasminor)、粉綠狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、黑藻(Hydrillaverticillata)、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)和苦草(Vallisneriaspinulosa)，穗花狐尾藻和金魚藻從武漢秀水生態(tài)有限工程購買，其余植物材料從武漢市園林科學(xué)研究院景觀所水生池挖取。

1.1.2 試劑 硝酸鉀和磷酸二氫鉀購于上海國藥。

1.1.3 儀器設(shè)備 UV-1800分光光度計，翱藝儀器(上海)有限公司；試驗用桶容積70 L，上口直徑49 cm，下底直徑38 cm，高48 cm；鐵絲網(wǎng)，直徑大于桶口，網(wǎng)格孔徑0.036 m2。

1.2 方法

1.2.1 材料預(yù)處理 用硝酸鉀和磷酸二氫鉀配置TP 0.497 mg/L、PO43--P 0.477 mg/L，pH 8.12，溶解氧為9.52 mg/L的富營養(yǎng)水體，根據(jù)《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[9]，配制的水體已達(dá)Ⅴ類水級別；在武漢市園林科學(xué)研究院內(nèi)水生池采集15種水生植物，每桶栽植單獨一種植物500 g，直接栽植于水里。為防挺水植物倒伏，在桶口放置鐵絲網(wǎng)并將植物固定于其上。每種植物種3桶(3次重復(fù))。2018年6月21至2018年7月1日進(jìn)行緩苗培養(yǎng)11 d后備用。

1.2.2 試驗設(shè)計 2018年7月2日，在武漢市園林科學(xué)研究院圃地開展預(yù)試驗，2018年7月23日至8月27日正式試驗。每個容器內(nèi)加入50 L配置的溶液，以不種植物為對照(CK)，每種植物3次重復(fù)，整個試驗在武漢市園林科學(xué)研究院的大棚中開展，每2 d用蒸餾水補(bǔ)充由于蒸發(fā)而喪失的水分至上一次取樣后高度，整個試驗持續(xù)40 d。

1.2.3 指標(biāo)測定 1) 植物鮮重。只在試驗正式開始時和試驗結(jié)束時進(jìn)行，以統(tǒng)計植物的鮮重增長率(由于葉片枯萎掉落水中，所以撕掉枯葉不計入鮮重)。2) TP和PO43--P去除率。每隔10 d即在處理0 d、10 d、20 d、30 d和40 d時采集水樣，取樣時間為當(dāng)日10:00左右。每次取樣時上下輕輕攪動盡量使水混勻，混勻后在水面下10 cm取樣；參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[10]測定水體TP和PO43--P，TP和PO43--P采用鉬酸銨分光光度法取平均值作為監(jiān)測值。

WR=(WC1-WC2)/WC1×100%

式中，WR為水體磷(TP和PO43--P)的去除率(%)，WC1為試驗開始時水體磷(TP和PO43--P)的含量，WC2為試驗結(jié)束時水體磷(TP和PO43--P)的含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，并采用Sigmplot作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物的生長情況

觀察發(fā)現(xiàn)，15種植物在預(yù)試驗階段生長良好，待正式試驗開始后1周，氣溫迅速升高，中午室外溫度高達(dá)40℃，水溫在14：00時達(dá)42℃，在此高(水)溫情況下狐尾藻生長不良，一些植株開始死亡、腐爛；紫葉美人蕉葉片大片焦枯，路易斯安娜鳶尾、黃菖蒲葉尖略有枯黃；其余11種植物表現(xiàn)較好，尤其是粉綠狐尾藻和鳳眼藍(lán)，長勢非常好，萌發(fā)新葉和新根。后續(xù)5周時間，試驗中的植物漸漸適應(yīng)環(huán)境，出現(xiàn)萌發(fā)的新芽和新根，葉色漸漸恢復(fù)正常顏色。

2.2 15種植物的生物量變化及對TP、PO43--P的去除率

2.2.1 生物量變化 從圖1看出，試驗結(jié)束時15種植物的生物量較試驗開始時增值-168.77～169.90 g，生物量增加值依次為鳳眼藍(lán)>粉綠狐尾藻>輪葉黑藻>小茨藻>雨久花>千屈菜>水鱉>路易斯安娜鳶尾>金魚藻>狐尾藻>苦草>矮生美人蕉>黃菖蒲>紫葉美人蕉>水罌粟，其中，鳳眼藍(lán)的生物量增長最多，水罌粟生物量相對試驗前減少很多。其中紫葉美人蕉和花菖蒲焦枯死亡的葉片摘除并未計算至最終生物量中，狐尾藻腐爛的部分從水中移走，并未計算至最終生物量中，這些原因?qū)е缕渖锪吭鲋灯汀？傮w看，植物長勢越好，生物量增加越大。

圖1 15種植物的生物量增長量

2.2.2 對TP和PO43--P的去除率 從圖2看出，試驗結(jié)束時15種植物對TP和PO43--P的去除率存在差異。

1) TP去除率。試驗結(jié)束時15種植物對TP的去除率為53.05%～86.59%，表現(xiàn)為金魚藻>紫葉美人蕉>千屈菜>狐尾藻>鳳眼藍(lán)>黃菖蒲>矮生美人蕉>粉綠狐尾藻>輪葉黑藻>雨久花>小茨藻>苦草>水罌粟>水鱉>路易斯安娜鳶尾。CK的TP去除率與15種植物均存在明顯差異；植物間路易斯安娜鳶尾與千屈菜、金魚藻、狐尾藻具有顯著差異。

2) PO43--P去除率。試驗結(jié)束時15種植物對PO43--P的去除率為62.96%～99.86%，表現(xiàn)為黃菖蒲>紫葉美人蕉>狐尾藻>金魚藻>千屈菜>水罌粟>鳳眼藍(lán)>雨久花>粉綠狐尾藻>輪葉黑藻>小茨藻>矮生美人蕉>苦草>水鱉>路易斯安娜鳶尾。CK的PO43--P去除率與路易斯安娜鳶尾無顯著差異，與另外14種植物均存在明顯差異；不同植物之間黃菖蒲、紫葉美人蕉與其他植物具有顯著差異。

綜合比較15種植物對TP和PO43--P的去除能力，沉水植物狐尾藻和金魚藻的凈化能力最強(qiáng)；挺水植物紫葉美人蕉的凈化能力最強(qiáng)；浮葉植物鳳眼藍(lán)的凈化能力較強(qiáng)，水罌粟的凈化能力較弱。

2.3 不同處理各取樣時間水體的TP和PO43--P含量變化

從圖3看出，隨取樣時間延長，各處理水體的TP和PO43--P含量變化趨勢不盡相同。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

圖3 不同處理各取樣時間水體的TP和PO43--P含量

2.3.1 TP含量 各處理水體的TP含量第10天時迅速下降至0.4 mg/L以下；之后各時期有的處理繼續(xù)下降，有的則不同程度上升，但均低于0.3 mg/L。其中，路易斯安娜鳶尾、雨久花、苦草、小茨藻和輪葉黑藻等處理的TP含量呈先降后升趨勢，水罌粟、鳳眼藍(lán)、粉綠狐尾藻、水鱉、矮生美人蕉和千屈菜等的TP含量呈先降后升再降趨勢，紫葉美人蕉和狐尾藻的TP含量呈先降后升再降趨勢，黃菖蒲的TP含量呈先降后升再降再升趨勢，金魚藻的TP含量呈下降趨勢。試驗結(jié)束時CK的TP含量為0.23 mg/L，遠(yuǎn)低于初始值(0.497 mg/L)；而15種植物的TP含量明顯低于對照。

2.3.2 PO43--P含量 各處理水體的PO43--P含量第10天時迅速降至0.1 mg/L以下；之后各時期有的處理繼續(xù)下降，有的則不同程度上升，但均低于0.3 mg/L。其中，金魚藻和水罌粟處理的PO43--P含量呈先降后升再降趨勢，紫葉美人蕉呈先降后升再降趨勢，黃菖蒲呈先降后升再降再升趨勢，狐尾藻呈下降趨勢，其余處理則均呈先降后升趨勢。總體看，試驗結(jié)束時CK的PO43--P含量為0.23 mg/L，遠(yuǎn)低于初始值(0.477 mg/L)；15種植物的PO43--P含量明顯低于對照。表明，15種植物對PO43--P均有明顯的去除效果。在沒有底質(zhì)的情況下，水體中的PO43--P也處于動態(tài)變化，呈現(xiàn)高低往復(fù)的變化趨勢。

2.4 不同生活型植物對富營養(yǎng)化水磷的去除率

由圖4可見，各生活型植物對TP的去除率呈沉水植物>挺水植物>浮葉植物>CK，對PO43--P的去除率呈沉水植物>浮葉植物>挺水植物>CK。3類植物對TP和PO43--P的去除率均以沉水植物較挺水植物和浮葉植物高，浮葉植物和挺水植物對TP和PO43--P的去除率差異不大，三者均顯著高于CK。

注：同類處理不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 討論

有研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地中水生植物的生物量與植物磷累積量存在顯著相關(guān)[11-12]，水生植物只有在生物量增加時才能有效地吸收磷等營養(yǎng)物質(zhì)[13]；黃菖蒲、千屈菜和美人蕉在富營養(yǎng)水體中生長具有優(yōu)勢，且生物量與其他植物相比都較高，其中美人蕉的長勢最好，生物量高于黃菖蒲和千屈菜[12，14-17]。由于試驗在夏季開展，植物在高溫下葉片枯萎，故未計入總生物量，導(dǎo)致生物量漲幅不高。鄭足紅等[17]在研究狐尾藻、菖蒲和蘆葦3種水生植物的凈化效果時發(fā)現(xiàn)，狐尾藻生物量的增長遠(yuǎn)大于菖蒲和蘆葦。劉海琴等[18]研究鳳眼藍(lán)、水浮蓮、黃菖蒲和輪葉黑藻4種植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果時發(fā)現(xiàn)，其生物量凈增長率分別為550.5%、418.8%、210.6%和80.3%，鳳眼藍(lán)增長率顯著高于黃菖蒲和輪葉黑藻，而輪葉黑藻的凈增長率最小。黃菖蒲最后的鮮重變少是因為去除了其枯黃葉子，導(dǎo)致試驗結(jié)束時其生物量偏低；而鳳眼藍(lán)對環(huán)境適應(yīng)性高，生長勢好，生物量增長最高。可見，植物內(nèi)在的生長特性決定其對水體磷的移除效果[19]。

富營養(yǎng)水體的修復(fù)是一個重要問題。目前，對既具景觀效果又具有一定適應(yīng)性的美人蕉、千屈菜、黃菖蒲等挺水植物的研究很多，在眾多的挺水植物中，美人蕉、千屈菜、黃菖蒲優(yōu)異的除磷能力脫穎而出，其中，美人蕉的除磷效果優(yōu)于千屈菜、黃菖蒲，但是由于試驗條件不同其去除率為66%～98%[17，20-22]，同時美人蕉的除磷能力也優(yōu)于鳳眼藍(lán)[20]，該試驗結(jié)果也顯示美人蕉除磷能力強(qiáng)于鳳眼藍(lán)。研究結(jié)果表明，不同植物對主要污染物TP的凈化效果有較大差異，以金魚藻的除磷能力最強(qiáng)，與劉足根等[19]的研究結(jié)果一致，與錢珍余等[21]研究不一致。在高濃度氮磷的極富營養(yǎng)水體中，金魚藻對氮磷的吸收和耐受能力高于苦草[23]。羅虹[23]以沉水植物金魚藻、菹草、黑藻和鐵皇冠為研究對象進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，金魚藻、黑藻和鐵皇冠對總磷和磷酸鹽均有較好的去除能力，金魚藻對總磷去除率最高。與本試驗結(jié)論一致，沉水植物中金魚藻的除磷能力最強(qiáng)。

該研究中磷含量呈現(xiàn)高低起伏的動態(tài)變化，可能是因為當(dāng)水體中磷含量高時，植物去除就強(qiáng)，反之則弱，當(dāng)水體中氮磷含量變低時，植物枯葉或者微生物以及動物的分解能力就變強(qiáng)，以快速補(bǔ)給到水體中，供植物使用[24]，因此，植物具有凈化能力，但凈化效果可能是相對的。楊洪云等[25]研究發(fā)現(xiàn)，試驗前期3個玻璃缸內(nèi)TP濃度均不斷下降，處理24 d時有個小高峰，之后又開始下降，千屈菜對TP去除率為86.8%，黃菖蒲為82.3%，空白對照為76.7%，較該研究的去除率高。徐恒戩等[22]研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)植物在前8 d對磷素有一個較快的吸收期，以后吸收能力逐漸減弱，在8～20 d時，水體中總磷含量逐漸穩(wěn)定。與本試驗結(jié)果較類似，TP下降的原因：可能是植物根系的沉積、吸收和附著作用，以及微生物的降解作用，均可使水體TP濃度降低，空白對照對TP的去除則主要依靠藻類的吸收和微生物的降解，水生植物及藻類通過自身的生長代謝可以大量吸收氮磷等水體中的營養(yǎng)物質(zhì)[23]；水生植物對水體中總磷的去除主要是通過植物的吸收、沉淀、吸附作用和微生物固定等[24]。水生植物對水體中總磷的去除率顯著高于對照，說明植物的吸收對水體中磷的去除有重要作用。當(dāng)然，受試驗條件所限，該研究在靜水條件下進(jìn)行，與自然條件存在一定差異。在自然條件下，由于水體具有流動性，水質(zhì)中的氮、磷通過沉淀、底質(zhì)吸附和微生物降解等其他作用可能會比在靜水條件下大大增強(qiáng)。雖然在靜水條件下的研究結(jié)果具有一定的局限性，但仍對水生植物在水體修復(fù)的應(yīng)用中具有一定的參考價值。

4 結(jié)論

鳳眼藍(lán)和粉綠狐尾藻在富營養(yǎng)化水體中的長勢較好，可以選擇性應(yīng)用在其他水生植物不易生長的富營養(yǎng)化水環(huán)境中。15種水生植物對TP均具有去除效果，均可以應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體的修復(fù)；紫葉美人蕉和金魚藻對TP和PO43--P的去除率均達(dá)85%以上，在應(yīng)用植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體時，可以同時采用二者去除TP和PO43--P。3種生活型的植物中僅浮葉植物與沉水植物去除PO43--P時存在顯著差異(P<0.05)，在水體富營養(yǎng)化修復(fù)中，沉水植物具有一定的去磷優(yōu)勢，可在富營養(yǎng)化水體中推廣應(yīng)用。