基于水生植物組合的景觀水體生態(tài)凈化修復(fù)

韓春妮，王 虎

（1.咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.陜西省西安市綠化管護(hù)中心，陜西 西安 710000）

0 引言

在城市化進(jìn)程不斷加快的趨勢(shì)下，景觀水體生態(tài)污染日趨加劇，特別是富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。目前我國(guó)多數(shù)湖泊已經(jīng)處于營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，城市景觀水體也均演變成了靜止或者流動(dòng)性比較差的緩流水體，水環(huán)境容量非常小，自凈能力較差，極易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化污染現(xiàn)象［1］。

聶磊等［2］研究發(fā)現(xiàn)，翠蘆莉、海芋、水生美人蕉、風(fēng)車草等挺水植物對(duì)于污水的凈化效果顯著，適合作為污水凈化與景觀美化植物材料；李龍山等［3］研究表明，長(zhǎng)苞香蒲、水蔥、蘆葦、千屈菜、扁稈藨草可有效去除污水中的總氮、總磷、氨氮等物質(zhì)，可作為人工濕地污水凈化材料?；谏鲜鲫P(guān)于以植物凈化修復(fù)景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化的相關(guān)研究成果［4］，筆者對(duì)水生植物組合在景觀水體生態(tài)凈化修復(fù)中的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和分析。

1 景觀水體生態(tài)富營(yíng)養(yǎng)化的危害

在景觀富營(yíng)養(yǎng)化水體中，氮和磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)異常豐富，使得水體內(nèi)藻類浮游生物肆意繁殖，在既定環(huán)境下出現(xiàn)突發(fā)性聚集，導(dǎo)致水體顏色五彩斑斕，此富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象出現(xiàn)于江河湖泊內(nèi)稱之為水華，而發(fā)生于海洋內(nèi)則稱之為赤潮［5］。若水華與赤潮現(xiàn)象發(fā)生，則水體透明度會(huì)持續(xù)下降，溶解氧也不斷減少，從而導(dǎo)致水質(zhì)惡化現(xiàn)象加重。多數(shù)藻類生物在代謝與死亡時(shí)，會(huì)釋放出藻毒素，其毒理作用非常強(qiáng)大，例如藍(lán)藻門的不定腔球藻、水華魚腥藻等全面分泌藻青阮、肝毒素、神經(jīng)毒素等有害物質(zhì)；還有部分藻類生物會(huì)分泌粘液，粘黏在魚、蝦等生物腮部，阻礙其呼吸，導(dǎo)致水生生物大量死亡，從而威脅既有種群結(jié)構(gòu)，造成優(yōu)勢(shì)種群持續(xù)更替，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)顯著改變，生物多樣性大大降低。此外，富營(yíng)養(yǎng)化水體處于缺氧狀態(tài)時(shí)會(huì)自主生成硫化氫、甲烷、氨等許多有毒有害氣體。一旦景觀水體發(fā)生生態(tài)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，由于水體內(nèi)氮、磷等含量偏高，COD值顯著升高，且附帶藻類分泌的藻毒素，便會(huì)導(dǎo)致水資源無(wú)法直接被人、畜使用，且會(huì)顯著增大水處理壓力。此外，藻類及其分泌的藻毒素會(huì)對(duì)混凝過(guò)程造成直接干擾，導(dǎo)致藻類沉降難度加大；藻類會(huì)堵塞濾料，造成其泥球化，增大過(guò)濾水頭損失，縮短周期，降低產(chǎn)水量；小尺寸藻類則會(huì)滲透濾池，進(jìn)入清水池和管網(wǎng)中，增加水體內(nèi)有機(jī)物含量，導(dǎo)致細(xì)菌滋生、管網(wǎng)水質(zhì)惡化，加速腐蝕［6］。富營(yíng)養(yǎng)化的景觀水體包含許多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促使藻類與水生生物大肆繁殖，不僅會(huì)加快水體沼澤化與陸地化進(jìn)程，而且還會(huì)直接破壞景觀水體的生態(tài)平衡［7-8］。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

用于景觀水體生態(tài)凈化修復(fù)實(shí)驗(yàn)的挺水植物有鳳眼蓮、黃菖蒲、蘆葦；沉水植物有迷你皇冠、金魚藻、苦草；浮葉植物有青萍、睡蓮。上述水生植物主要從花卉市場(chǎng)購(gòu)置。用自來(lái)水清洗供試水生植物的根部，然后將放置于自然光照遮陰條件下的自來(lái)水中，進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)［9］。本實(shí)驗(yàn)選用某公園的景觀水體，其主要污染來(lái)源于農(nóng)業(yè)污水、生活污水、雨水，存在明顯的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選用42 cm×30 cm×23 cm的塑料箱作為培養(yǎng)容器，處理景觀水體體積為18 L。在水生植物預(yù)培養(yǎng)結(jié)束之后，選擇長(zhǎng)勢(shì)較好且大小基本一致的植株，將其清洗干凈并種植在景觀水體樣本中。水生植物在自然光照遮陰條件下生長(zhǎng)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以自來(lái)水補(bǔ)充蒸發(fā)消耗的水分，以此保持培養(yǎng)容器內(nèi)的水位不變。

本實(shí)驗(yàn)的水生植物組合配置共設(shè)置8組處理：F1組由蘆葦、鳳眼蓮、黃菖蒲、迷你皇冠、苦草、睡蓮、青萍組成；F2組由鳳眼蓮、黃菖蒲、金魚藻、苦草、睡蓮、青萍組成；F3組由鳳眼蓮、黃菖蒲、迷你皇冠、苦草、睡蓮、青萍組成；F4組由蘆葦、黃菖蒲、金魚藻、苦草、睡蓮、青萍組成；F5組由蘆葦、黃菖蒲、迷你皇冠、苦草、睡蓮、青萍組成；F6組由鳳眼蓮、蘆葦、金魚藻、苦草、睡蓮、青萍組成；F7組由鳳眼蓮、蘆葦、迷你皇冠、苦草、睡蓮、青萍組成；F8組為空白對(duì)照組，只添加營(yíng)養(yǎng)液。

為了將底部淤泥污染物釋放與沉積對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響徹底排除，在培養(yǎng)容器中種植水生植物時(shí)沒(méi)有添加底泥基質(zhì)。挺水植物使用泡沫板與鐵絲固定；沉水植物與浮葉植物直接安置在規(guī)定水域之中。在各培養(yǎng)容器內(nèi)分別配置同等量的挺水植物、沉水植物、浮葉植物，挺水植物與沉水植物的生物量保持一致［10］。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程持續(xù)15 d，每間隔5 d采集1次水體樣本，并根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法測(cè)試水體內(nèi)的總氮（TN）、總磷（TP）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）含量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

面向基于不同水生植物組合與對(duì)照組的景觀水體生態(tài)凈化修復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析［11］。

3.1 景觀水體中硝態(tài)氮（NO3--N）的凈化修復(fù)

基于不同水生植物組合的景觀水體中硝態(tài)氮（NO3--N）的含量變化見表1。由表1可以看出：基于7種不同水生植物組合與對(duì)照組的景觀水體中硝態(tài)氮（NO3--N）的含量均呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢(shì)；在F4、F5、F7組水生植物組合下的景觀水體中硝態(tài)氮（NO3--N）的含量始終低于對(duì)照組，說(shuō)明這3組水生植物組合以水體中硝態(tài)氮（NO3--N）的去除效果良好；盡管對(duì)照組只添加了營(yíng)養(yǎng)液，并未種植水生植物，但是水體內(nèi)的微生物可以通過(guò)充足碳源的反硝化作用去除少量硝態(tài)氮（NO3--N）；在水生植物不斷生長(zhǎng)下，F(xiàn)1、F3、F6組水生植物組合對(duì)硝態(tài)氮（NO3--N）的利用量逐漸增加，差值也有所增加。總之，不同水生植物組合對(duì)景觀水體硝態(tài)氮（NO3--N）的去除效果存在一定的差異。

表1 基于不同水生植物組合的景觀水體中硝態(tài)氮（NO3--N）的含量 mg/L

3.2 景觀水體中銨態(tài)氮（NH4+-N）的凈化修復(fù)

基于不同水生植物組合的景觀水體中銨態(tài)氮（NH4+-N）的含量變化見表2。由表2可以看出：除了對(duì)照組外，其他水生植物組合對(duì)景觀水體中銨態(tài)氮（NH4+-N）的去除效果均表現(xiàn)優(yōu)異，且去除趨勢(shì)大體相同，其中F6與F7組的水生植物組合的去除效果居前2位，而對(duì)照組的景觀水體自凈化能力相對(duì)不足。在實(shí)驗(yàn)前期，景觀水體中銨態(tài)氮（NH4+-N）始終保持離子狀態(tài)，極易被水生植物吸收，所以在此期間銨態(tài)氮（NH4+-N）的含量迅速下降，從而導(dǎo)致水生植物組合逐漸消耗景觀水體中的硝態(tài)氮（NO3--N）。

表2 基于不同水生植物組合的景觀水體中銨態(tài)氮（NH4+-N）的含量 mg/L

3.3 景觀水體中總氮（TN）的凈化修復(fù)

基于不同水生植物組合的景觀水體中總氮（TN）的含量變化見表3。由表3可見，7種水生植物組合對(duì)景觀水體中總氮（TN）的去除效果均表現(xiàn)良好，各處理組水體中總氮（TN）的含量均比對(duì)照組明顯下降，以F5組水生植物組合對(duì)總氮（TN）的去除率最高，達(dá)92.86%，比對(duì)照組提高了59.53個(gè)百分點(diǎn)，且處理后的水質(zhì)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。

表3 基于不同水生植物組合的景觀水體中總氮（TN）的含量 mg/L

對(duì)照組對(duì)景觀水體總氮（TN）的去除主要以水體內(nèi)反硝化菌對(duì)硝態(tài)氮（NO3--N）的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，其去除量與對(duì)硝態(tài)氮（NO3--N）的去除量基本相同。水生植物組合基于微生物的氮素轉(zhuǎn)化與植物吸收作用，對(duì)景觀水體中總氮（TN）的去除效果隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步增強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)前期，水生植物組合的植物還在逐漸適應(yīng)環(huán)境，因此其去除效果相對(duì)于對(duì)照組并未呈現(xiàn)出明顯差異。但是F4與F7組水生植物組合可迅速適應(yīng)新景觀水體環(huán)境，且可生成大面積植物根系，促使微生物于根際表層生成生物膜，進(jìn)而構(gòu)成好氧、缺氧或厭氧的微環(huán)境，以利于硝化菌與反硝化菌的生長(zhǎng)，從而加快景觀水體內(nèi)氮素的轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橹参镆桌玫牡螒B(tài)。

隨著水生植物組合逐漸適應(yīng)水體環(huán)境和不斷生長(zhǎng)，其對(duì)水體中總氮（TN）的去除效果不斷增強(qiáng)；然而F1、F2、F3、F4組水生植物組合對(duì)總氮（TN）的去除效果在10 d之后才趨于穩(wěn)定，且差異不再顯著；F5組水生植物生長(zhǎng)迅速，使得自身對(duì)總氮（TN）的去除效果劇增；F6與F7組水生植物在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)總氮（TN）的去除效果一直保持緩慢提高的狀態(tài)。

3.4 景觀水體中總磷（TP）的凈化修復(fù)

基于不同水生植物組合的景觀水體中總磷（TP）的含量變化見表4。由表4可知，相較于對(duì)照組，在不同水生植物組合處理下景觀水體中的總磷（TP）含量均呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，且總磷（TP）含量在實(shí)驗(yàn)前期的下降速度比較快，在實(shí)驗(yàn)后期因含量偏低而呈現(xiàn)緩緩下降態(tài)勢(shì)。除了對(duì)照組外，各水生植物組合對(duì)水體中總磷（TP）的去除效果均先迅速下降再趨向于穩(wěn)定。通常來(lái)講，景觀水體中的磷可以通過(guò)沉淀和固結(jié)等物理、化學(xué)方式加以去除，所以只添加營(yíng)養(yǎng)液而未種植水生植物的對(duì)照組對(duì)總磷（TP）的去除效果也較好；但是相較于對(duì)照組，水生植物組合對(duì)總磷（TP）的去除效果更佳。這主要是由于景觀水體內(nèi)的有機(jī)可溶性磷酸鹽可基于植物根際微生物的作用被水生植物吸收或者同化，而顆粒磷酸鹽可基于植物根系過(guò)濾與吸附作用而得以去除，正磷酸鹽可通過(guò)聚磷菌作用以多聚磷酸鹽在細(xì)胞中存儲(chǔ)進(jìn)而去除。盡管水生植物與微生物各自的總磷（TP）去除作用不高，但是由其構(gòu)成的微型生態(tài)系統(tǒng)可以通過(guò)協(xié)同作用改變水體內(nèi)磷素的存在方式，以此推動(dòng)水生植物組合有效去除總磷（TP）。

表4 基于不同水生植物組合的景觀水體中總磷（TP）的含量 mg/L

4 小結(jié)與討論

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于不同水生植物組合與對(duì)照組的景觀水體中硝態(tài)氮（NO3--N）的含量均呈現(xiàn)出顯著的降低狀態(tài)，而在F4、F5、F7組水生植物組合下景觀水體中硝態(tài)氮（NO3--N）的含量始終低于對(duì)照組，說(shuō)明這3組水生植物組合對(duì)硝態(tài)氮（NO3--N）的去除效果良好；各水生植物組合對(duì)景觀水體中銨態(tài)氮（NH4+-N）的去除效果均表現(xiàn)優(yōu)異，其中F6與F7組水生植物組合對(duì)NH4+-N的去除效果較強(qiáng)；不同水生植物組合對(duì)景觀水體中總氮（TN）的去除效果均表現(xiàn)良好，且相較于對(duì)照組，總氮（TN）含量均明顯下降，其中F1、F2、F3、F4組水生植物組合對(duì)總氮（TN）的去除效果在10 d之后才趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，F(xiàn)5組水生植物對(duì)總氮（TN）的去除效果劇增，F(xiàn)6與F7組水生植物在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)總氮（TN）的去除效果一直保持緩慢提高的狀態(tài)；各水生植物組合對(duì)總磷（TP）的去除效果均先迅速下降再趨向于穩(wěn)定，且均優(yōu)于對(duì)照組對(duì)總磷（TP）的去除效果。

總之，不同水生植物組合對(duì)景觀水體的生態(tài)凈化修復(fù)作用在整體上優(yōu)于單種植物；根據(jù)不同水生植物組合對(duì)景觀水體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的凈化與復(fù)氧能力，F(xiàn)5與F7組水生植物組合明顯優(yōu)于其他水生植物組合，其更加適合浮游植物的生長(zhǎng)；此外，F(xiàn)5組水生植物組合對(duì)總氮的去除效果優(yōu)于F7組。就水生植物對(duì)景觀水體的生態(tài)凈化修復(fù)能力和效果來(lái)講，F(xiàn)5組水生植物組合更好；就植物的生長(zhǎng)特性、景觀效果、生態(tài)效應(yīng)等而言，也以F5組水生植物組合更佳，且其對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效果更好、更穩(wěn)定。