不同水生植物組合對富營養(yǎng)化水體中氮磷去除效果的研究

邢春玉 胡馨月 李景

(天津天獅學(xué)院，天津 301700)

水體富營養(yǎng)化是當(dāng)今世界環(huán)境熱點(diǎn)問題之一，工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染及生活污水的過度排放超過了河流、湖泊的可容納量，導(dǎo)致水體中氮、磷元素超標(biāo)，水體在短時間內(nèi)迅速富營養(yǎng)化[1,2]。富營養(yǎng)化水體導(dǎo)致藍(lán)藻爆發(fā)，給人類健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成威脅。因此，如何有效控制水體中的氮、磷仍是當(dāng)前亟待解決的水環(huán)境問題。富營養(yǎng)化水體修復(fù)可以采用物理、化學(xué)、生物方法[3,4]，其中植物修復(fù)技術(shù)具有成本低、效果好、美化環(huán)境等優(yōu)勢[5]。水生植物是水體生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，在眾多的污染水體治理中，可以采用水生植物原位修復(fù)的方法[6,7]，其具有技術(shù)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，已成為國內(nèi)外污染水體治理的研究熱點(diǎn)。

水生植物對富營養(yǎng)化水體中氮磷的凈化能力受自身生理特性的影響，不同種類的植物對污水的凈化能力不同，單種植物和不同植物組合對水體的凈化效果也存在差別[8]。因此，本研究選取分布廣泛、凈化效果好且具有一定觀賞價值的水生植物進(jìn)行組合，研究其對富營養(yǎng)化水體中總氮、總磷的去除效果，以及對水體pH、溶解氧的影響，同時監(jiān)測水生植物生物量的變化，以期篩選出凈化效果最佳的植物組合，為富營養(yǎng)化水體凈化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水生植物：金魚藻(Ceratophyllum demersum)、黑藻(Hydrilla verticillata)、苦草(Vallisnerianatans)、穗狀狐尾藻(Myriophyllum spicatum L.)；水鱉(Hydrocharis dubia(Bl.)Backer)、荇菜(Nymphoides peltatum(Gmel.)O.Kuntze)均購于水族市場。

采集海河富營養(yǎng)化水體，初始總氮含量為4.32mg·L-1，總磷含量為0.37mg·L-1，溶解氧含量為8.77mg·L-1，pH為9.65。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇長勢良好的植物，構(gòu)建不同植物組合的試驗(yàn)單元。植物組合分別為水鱉加金魚藻、水鱉加苦草、苦草加穗狀狐尾藻、荇菜加穗狀狐尾藻。在16L培養(yǎng)桶中鋪上一層經(jīng)過反復(fù)清洗、高溫滅菌后的河沙，將4個組合的水生植物分別種在培養(yǎng)桶中，每個培養(yǎng)桶中分別加入12L的富營養(yǎng)化水體，同時設(shè)空白對照。在光照強(qiáng)度為2000lx，光周期12L∶12D，平均溫度為25℃的培養(yǎng)室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，每隔3d監(jiān)測水體總氮(TN)、總磷(TP)、pH、溶解氧等指標(biāo)變化，同時監(jiān)測水生植物生物量、株高等指標(biāo)的變化。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)測定方法

TN的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP的測定采用鉬酸銨分光光度法，溶解氧(OD值)的測定采用碘量法測定[9]。pH的測定采用PHS-3CW型pH計(jì)進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用SigmaPlot 12.5進(jìn)行繪圖。水體中總氮、總磷去除率公式：

R=(S0-S)/S0

式中，R為去除率；S0為初始濃度；S為終濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 水體指標(biāo)的變化

2.1.1 不同植物組合對富營養(yǎng)化水體TN的影響

從圖1可以看出，整個實(shí)驗(yàn)過程中4種不同水生植物組合所在水體中總氮與空白對照相比呈顯著下降趨勢(P<0.05)，4種水生植物組合對水體總氮均具有清除能力，差異不顯著，對水體總氮去除貢獻(xiàn)率分別為78.70%、73.84%、85.18%、86.57%。荇菜加穗狀狐尾藻群落對總氮的去除貢獻(xiàn)率最大，植物生長旺盛，自凈能力較強(qiáng)，群落穩(wěn)定性較好。

圖1 不同植物組合處理總氮的變化

2.1.2 不同植物組合對富營養(yǎng)化水體TP的影響

由圖2可知，4個植物組合所在富營養(yǎng)化水體中TP含量均有明顯下降，對總磷的去除率分別為70.27%、83.78%、89.19%和81.08%。其中，苦草加穗狀狐尾藻組合TP含量的去除效果最好，水體中TP含量由最初的0.37mg·L-1降低到0.06mg·L-1，去除效果尤為顯著。

圖2 不同植物組合處理總磷的變化

2.1.3 不同植物組合水體中溶解氧的變化

水體溶解氧含量的變化受水生植物與浮游藻類光合作用的共同影響，較高的溶解氧含量是水質(zhì)得以改善的主要特征之一[10]。從圖3可以看出，各處理中溶解氧含量均有升高，水質(zhì)得以改善。浮葉植物的葉片大面積覆蓋在水面，阻礙大氣中氧氣進(jìn)入水體，不利于水體溶解氧的穩(wěn)定。沉水植物通過光合作用產(chǎn)生氧氣，將氧氣釋放到水體中，從而提高水體的溶解氧含量。水環(huán)境中溶解氧含量提高，可以促進(jìn)氨氮進(jìn)行硝化作用，轉(zhuǎn)化為利于植物吸收的硝酸鹽[11]。

圖3 不同植物組合對水體溶解氧含量的影響

2.1.4 不同植物組合水體中pH的變化

從圖4可以看出，與對照組相比，4個植物組合水體pH值下降明顯，各個處理pH值相差不大，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時pH值分別為7.36、7.67、7.35和7.57。在富營養(yǎng)化水體中由于浮游植物進(jìn)行光合作用降低了水體中的CO2含量，導(dǎo)致水體pH升高。水生植物可以抑制藻類生長，從而使水體保持中性狀態(tài)。

圖4 不同植物組合水體中pH的變化

2.2 水生植物生長情況

圖5、圖6顯示了4種植物組合中水生植物生物量及株高的變化。其中，苦草加穗狀狐尾藻生物量凈增量最多，為20.6%；其次為荇菜加穗狀狐尾藻、水鱉加苦草，分別為16.7%、15.3%；水鱉加金魚藻的凈增量最低，為12.5%。通過結(jié)果分析得出，生物量增長較多的水生植物對氮、磷去除率相對較高，而增長量較低的植物對氮、磷去除率相對降低。這表明水生植物生物量增加與其吸收水體中氮、磷存在一定的關(guān)系[12]。

圖5 不同組合植物生物量的變化

圖6 不同組合植物株高的變化

3 結(jié)論

4種水生植物組合經(jīng)過30d的培養(yǎng)，荇菜加穗狀狐尾藻組對TN的去除能力最強(qiáng)，水體中的TN由4.32mg·L-1下降到0.58mg·L-1，其去除率達(dá)到86.57%。其它3個組合對TN的去除率由高到低依次為苦草加穗狀狐尾藻、水鱉加苦草、水鱉加金魚藻。

4種植物組合對水體TP的去除能力表現(xiàn)出差異。其中，苦草加穗狀狐尾藻組合對總磷的去除率為89.19%，其它3個組合對總磷去除率依次為水鱉加苦草83.78%、荇菜加穗狀狐尾藻81.08%、水鱉加金魚藻70.27%。

培養(yǎng)30d后，4種植物組合所在水體pH均趨于中性，所在水體溶解氧均有一定程度增加，水生植物的生物量和株高有明顯增加趨勢，進(jìn)一步說明水生植物可以吸收水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)從而起到凈化水體作用。