水生植物收割管理對水質凈化效果的影響

劉長娥， 付子軾， 周勝*， 孫會峰

(1.上海市農業科學院 農業科技信息研究所， 上海 201403； 2.上海市農業科學院 生態環境保護研究所， 上海 201403；3.上海低碳農業工程技術研究中心， 上海 201415)

水體富營養化是我國江河、湖泊面臨的重要水環境問題之一，而恢復與建立水生高等植物系統是治理富營養化水體的重要內容。水生植物在水質凈化等方面起著重要的作用，在生態修復、人工濕地、富營養化以及景觀水體中被廣泛應用，不但能直接吸收水體中的營養物質，而且能輸送氧氣到根區為微生物的生長、繁殖和污染物降解創造適宜條件。利用水生植物凈化污染水體因成本低、效率高、改善景觀及生物多樣性、恢復生態環境等特點而發展十分迅速。我國利用水生植物凈化水質的研究始于20世紀70年代中期，包括靜態條件下單一物種及多種植物配植對污染物濃度較高的污水凈化作用及動態方法研究水生植物對污水的處理效果[1-2]。

雖然水生植物凈化污水有很多優點，但在其凈化污染水過程中，隨著體內養分的飽和及植物生長的減弱、枯黃和死亡，部分養分重返于水體中，導致二次污染。植物收割是目前被普遍認為能夠減少二次污染并將污染物移除水體外的主要措施之一，而適宜的收割頻率和時機很重要。不同植物吸收積累養分的特征不同，為了解不同植物適宜的收割頻率及飽和養分吸收量，本試驗選取8種生態凈化中常用的水生高等植物，分析收割與不收割對水中N、P含量的影響，為凈化污染水體植物的管理與選種提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地位于上海市農業科學院現代農業園區的莊行生態環境試驗區，面積約1 500 m2。2012年根據低碳農業工程技術綜合體系研究中心的研究規劃，建立了不同處理的水生植物小區，每小區面積約35 m2，種植密度為4株叢·m-2，各處理同種植物按收割與不收割設置對照。其中，收割是每年植物枯黃時期進行齊地面刈割，移除植物地上部分。

選取常見挺水植物蘆葦、茭草、水蔥、美人蕉、香蒲、再力花、黃菖蒲和菖蒲8種水生植物系統作為研究對象，按收割與不收割進行相關研究。

1.2 采樣與分析

1.2.1 植物樣品采集

10月下旬植物枯黃前，對8種水生植物的地上與地下部分進行取樣。為減少對植物生長的破壞，保證后續研究的正常進行，根據植物的大小，每處理選取1～3個典型分蘗枝連根挖出，洗凈根系，分割為地上與地下部分，分別對應掛上相應處理的植物名稱，按一定長度捆綁放入105 ℃烘箱，殺青15 min，然后調整為80 ℃烘干至恒量，最后根據單位面積中植物的分蘗數，換算為單位面積植物的地上與地下部分的生物量，重復3次。將烘干后的植物樣品粉碎，送實驗室進行總氮(TN)、總磷(TP)的測定。植物樣品用H2SO4-H2O2消煮制備成溶液，TN用納氏比色法測定，TP用鉬銻抗比色法測定。

1.2.2 水樣品采集

用抽水泵對25個處理小區的表層(0 cm)和10 cm深的底層水進行取樣，每個樣品重復3次，分別裝入0.5 L塑料瓶中，注明相應名稱編號與重復號，立即送入實驗室進行TN和TP的測定。TN用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定。

1.3 數據分析

植物N、P積累量=植物N、P濃度×植物生物量。利用Excel 2003軟件進行數據統計與繪圖，采用SPSS 13.0軟件進行數據統計，分析各特征指標值間的相關關系(P<0.05)。

2 結果與分析

植物對污染物的凈化效果與植物的種類、生長速度、生長階段、植物生物量、植物自身N、P累積量及植物根際微生物的作用有關，不同水生植物對污染物質的去除能力有較大的差異[3-6]。

2.1 不同植物種類對水質的影響

利用水生高等植物治理富營養化水體的工程中，植物種類的選取非常重要，不同植物種類對水中N、P去除效果存在差異。

由圖1可知，8種水生植物對0～10 cm水體中N的凈化效果由高至低依次為美人蕉>菖蒲>水蔥>香蒲>蘆葦>黃菖蒲>茭草>再力花；對0～10 cm水體中P的凈化效果由高至低依次為美人蕉>茭草>水蔥>蘆葦>香蒲>黃菖蒲>再力花>菖蒲。美人蕉的水體凈化效果較好；再力花對水體中N的凈化效果較差，菖蒲對水中P的凈化能力較弱；空白對照的水質相比植物系統處于中上等，具體原因還有待進一步研究。

圖1 不同植物凈化水體N、P含量對比

圖2顯示，各植物系統表層中N、P含量普遍顯著高于底層水，這可能與根際效應有關。根區是植物去除污染物的活性區，根際是土壤微生物活動非常活躍的微生態環境，也是“植物—土壤”系統物質和能量循環的界面。水生植物系統是植物、動物、微生物與環境要素之間密切聯系、相互作用，通過物質、能量交換所構成的具有一定功能的生態系統[7]。植物在這個系統中除吸收和吸附污染物質外，還將光合產物以根系分泌物的形式為根際微生物提供養分和能源，根際微生物不僅自身參與循環過程，并影響植物對污染物質的吸收和利用，同時也是系統污染物質去除的主要執行者之一[8]。

不同大小寫字母分別表示處理間在0.01和0.05水平差異顯著。圖2 植物凈化不同水位N、P含量對比

2.2 植物收割對水質的影響

水生植物凈化污水過程中，若植物枯黃仍不收割，自然凋落會導致部分植物殘體在水體中滯留，殘體溶出并釋放C、N(以有機氮和氨氮的形式)和P，導致水體惡化。因此，采用收割方式將植物殘體移出水體外是目前凈化污水過程中常用的植物管理措施。通過收割植物移除水體N、P量的多少，取決于植物收割的頻率和時期、進水負荷、氣候條件和植物物種等因素[9-10]。

表1顯示，不同植物種類收割后的污染物去除效果不同。相比未收割，收割菖蒲的表層水N、P含量分別減少43.4%、75.3%，底層水分別減少51.1%、95.3%；收割再力花的表層水N、P含量分別減少44.0%、60.8%，底層水分別減少62.9%、83.9%；收割蘆葦的N、P含量表層水分別減少22.1%、18.2%，底層水分別減少37.7%、12.5%；收割黃菖蒲表層水N含量增加5.5%、P含量減少55.6%，底層水N、P含量分別減少44.0%、68.0%；收割美人蕉N、P含量表層水分別減少51.6%、22.2%，底層水分別減少14.9%、33.3%。茭草、水蔥和香蒲收割對水體的凈化作用不大，收割后其水體中N、P含量普遍高于未收割處理，香蒲收割后水中N含量較未收割僅減少3%左右。

表1 植物收割對水質的影響

綜合而言，8種水生植物系統中，除茭草、水蔥和香蒲外，其他5種植物收割后的水質普遍好于未收割，水體中N、P含量大幅降低。

2.3 植物收割移除污染物量與水質凈化相關因子

水生植物對污染物的去除能力與植物種類、植物凈生長量、單位生物量的污染物蓄積強度有關，植物還可通過根系分泌物影響系統中微生物的特性，進而影響對污染物的凈化效果[11-13]。分析表明，植物收割移除的N、P量與水體中去除的N、P量呈正相關，但均不顯著。其中，通過植物收割對表層水水質的影響略高于底層水(表2)。

表2 植物收割移除N、P量與水中去除N、P量相關分析

有關研究表明，通常生物量大、N、P積累量高的植物對污染水體中N、P吸收能力較大[3,14-15]。通過植物適時收割可以徹底將污染物移除水體，并且減少凋落物腐爛造成的二次污染，這也是收割對表層水水質影響較大的其中一個原因，植物收割有利于污染水的凈化。

3 小結與討論

研究中的8種水生植物通過適度收割管理具有良好的凈化能力，植物收割前0～10 cm水體平均N含量普遍為地表水GB3838—2002中Ⅲ～Ⅳ類水標準，P含量為Ⅲ～Ⅴ類水標準，個別種類(再力花)水質為劣Ⅴ類水。植物收割后，除茭草外，0～10 cm水體平均N含量達到Ⅱ-Ⅲ類水標準，P含量達到Ⅲ～Ⅳ類水標準。

有研究認為，N、P主要集中在植物的地上部[16]，也有研究認為大部分植物地下部分N、P含量與地上部分基本相當[17]。本研究中，75%水生植物地上部分N含量高于地下部分，50%植物地上部分P含量高于地下部分，具體依植物種類而定。年末對植物地上部分收割，經過一個生長期后，大部分水體水質可提高1～2個等級，單次移除的植物N、P積累量對凈化水質的貢獻較小，與其去除的N、P量相關不顯著，因此，需要掌握適宜的收割頻率和時機。

水生植物在水環境治理中起著重要的作用，一方面是自身可以吸納同化大量污染物，另一方面，通過發達的根系為微生物提供良好的生存環境，進而提高系統對污染物的吸收與利用能力，其中通過植物生長吸收去除的量很小，研究表明，植物通過吸收去除N、P一般占5%～10%[18-19]，而根系微生物的硝化與反硝化作用是N去除的主要途徑[20-23]。因此，在利用水生植物凈化污染水的過程中，除了選取適宜的植物種類外，根據不同植物的養分積累特征、再生能力等對植物地上部分進行及時收割，以保證水生植物系統長效凈化效能。