植物組合對模擬高濃度氮磷污水凈化效果

梁玉婷　王雨晗　汪婷　孫宏兵

摘要［目的］為了營造美觀穩定且具有凈化氮磷能力的植物群落。［方法］采用2種沉水植物+1種浮水植物+3種挺水植物構建成3個植物群落浮床［組合Ⅰ.沉水植物（穗花狐尾藻+金魚藻）+浮水植物（鳳眼藍）+挺水植物（千屈菜+菖蒲+花葉美人蕉），組合Ⅱ.沉水植物（穗花狐尾藻+金魚藻）+浮水植物（鳳眼藍）+挺水植物（千屈菜+菖蒲+蘋），組合Ⅲ.沉水植物（穗花狐尾藻+金魚藻）+浮水植物（鳳眼藍）+挺水植物（千屈菜+菖蒲+綠葉美人蕉）］，測定種植不同植物群落的人工浮床對模擬水體中TN、TP去除效果以及DO、pH和EC的變化。［結果］植物組合去除富營養化水體中的氮明顯高于對照，植物組合對水中TN有較好的去除效果，均不低于70.59%，組合Ⅲ對TN的去除效果最好，去除率為97.46%。植物組合可以明顯去除水體的磷，植物組合對水中TP的去除率是28.13%～66.05%。植物組合可以明顯改變水體的pH、DO含量和EC；植物組合與CK的pH均呈增加趨勢；DO含量在試驗結束時均減少。［結論］植物組合能移除高濃度氮磷的富營養化水體，改善水體物理指標，可以用來處理含氮水平較高的污染水體。

關鍵詞 植物組合；氮磷；去除；凈化

中圖分類號 X703 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2023）06-0044-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.013

Purification Effect of Plant Combination on Simulated High Concentration Nitrogen and Phosphorus Wastewater

LIANG Yu－ting，WANG Yu－han，WANG Ting et al

（Wuhan Academy of Landscape Sciences，Wuhan，Hubei 430000）

Abstract ［Objective］To create a beautiful and stable plant community with the ability to purify nitrogen and phosphorus.［Method］Two submerged plants+one floating plant+three emergent plants were used to construct three floating beds of plant communities［Combination Ⅰ.Submerged plants（Myriophyllum verticillatum+Ceratophyllum demersum）+floating plants（Eichhornia crassipes）+emerging plants（Lythrum salicaria+Acorus calamus+C.×orchioides），Combination Ⅱ.Submerged plants（Myriophyllum verticillatum+Ceratophyllum demersum）+floating plants（Eichhornia crassipes）+emerging plants（Lythrum salicaria+Acorus calamus+Marsilea quadrifolia），Combination Ⅲ.Submerged plants（Myriophyllum verticillatum+Ceratophyllum demersum）+floating plants（Eichhornia crassipes）+emerging plants（Lythrum salicaria+Acorus calamus+C.×generalis）］，the removal effects of TN，TP and the changes of DO，pH and EC in the simulated water body by artificial floating beds planted with different plant communities were measured.［Result］The removal of nitrogen in eutrophic water by plant combination was significantly higher than that of control.The plant combination had a better removal effect on TN in water，which was more than 70.59%.The combination III had the best removal effect on TN，which was 97.46%.The plant combination could obviously remove phosphorus from water.The removal rate of TP in water by plant combination was 28.13%～66.05%.The plant combination can significantly change the pH，DO and EC of the water body.The pH of plant combination and CK increased;DO decreased at the end of the test.［Conclusion］The plant combination can remove the eutrophic water body with high concentration of nitrogen and phosphorus，improve the physical indexes of water body，and can be used to treat the polluted water body with high nitrogen level.

Key words Plant combination;Nitrogen and phosphorus;Remove;Purify

水體富營養化是指由于水體中氮磷等元素過多而引起水體污染的現象。常見的治理富營養化水體的措施有物理措施、微生物凈化法、化學法、水生植物修復法，其中，水生植物修復是一種高效、經濟、持久的水體凈化方法，它的實質是根據污染水體的情況，構建調節自然生態處理系統結構，恢復生態系統凈化能力，提高自然生態系統的環境容納量，使自然生態系統處于良性循環［1］。

國內外學者對如何預防和改善水富營養化現狀進行了大量研究，證明水生植物對去除氮磷等營養物質及改善水質具有明顯的效果；恢復和構建水生植物群落能夠有效控制水體富營養化［2］，植物不僅可以吸收、降解水體中的污染物質［3］，還能形成景觀要素、美化環境、改善微環境［4-5］ 。Barya等［6］研究發現，種植美人蕉的人工濕地對污水中TN和 TP的去除率分別達到 60.37% 和 81.53%，略高于種植菖蒲的人工濕地所對應的56.33% 和 79.57%。楊洪云等［7］研究發現，不論是植物還是對照中，TP去除率均較高，其中千屈菜的去除率是86.8%，黃菖蒲的去除率是82.3%，空白對照的去除率是76.7%。不同種類的植物對氮磷的去除能力不同［8-10］，白雪梅等［11］在圍隔中構建不同生活型的水生植物群落組合，比較各種水生植物組合的凈化效應，結果表明，圍隔內各組水生植物組合能去除水體中的營養鹽，不同植物組合對氮磷的去除能力不同?？梢?，植被的類型是直接影響水體凈化效果的關鍵因素，不同植物對水體營養鹽去除效果不同［12］。不同植物組合模式對氮磷的去除效果是不同的，植物組合模式是人工濕地系統中的核心部分，在凈化污水過程中起著十分重要的作用［13-14］。因此，選擇不同組合的水生植物處理富營養化水體可能會存在較大的差異?，F有相關研究主要針對單一水生植物或2～3種植物的組合，研究多種植物組合構建成的群落對富營養化水體的凈化效果較少［15-17］。因此，為了進一步優化人工濕地植物配置，構建景觀效果好且具有較好氮磷凈化能力的植物組合，該研究選取6種水生植物，搭配成3 個植物組合，探究它們對模擬高濃度氮磷尾水中總氮、總磷的去除效果以及在種植期間對水體其他指標的影響，優選出凈化效果最佳的植物組合，以期為高濃度氮磷污水廠尾水處理的人工濕地構建提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2019 年6月24日，從武漢市園林科學研究院水生品種池采集挺水植物千屈菜（Lythrum salicaria）、菖蒲（Acorus calamus）、綠葉美人蕉“鐵十”（C.× generalis Bailey‘Tieshi’）、花葉美人蕉“金脈”（C.× orchioides Bailey ‘pretoria’）、蘋（Marsilea quadrifolia），浮水植物鳳眼藍（Eichhornia crassipes），沉水植物穗花狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）和金魚藻（Ceratophyllum demersum）。

1.2 材料預處理

試驗設置3個重復，千屈菜1～2株，每株分枝5～10支，株高100 cm，鮮重2 400 g；鳳眼藍3～4株，株高33 cm，鮮重210 g；花葉美人蕉2～3株，株高79 cm，鮮重120 g；綠葉美人蕉2～3株，株高79 cm，鮮重120 g；蘋5～6叢，株高15 cm，鮮重120 g；菖蒲2～3株，株高79 cm，鮮重210 g；金魚藻6株，穗花狐尾藻6株，株高均為50 cm，鮮重30 g；同一物種的植株株高和分株基本一致，6種植物鮮重的比例為80∶17∶7∶4∶1∶1，共組成3個組合：組合Ⅰ，穗花狐尾藻+金魚藻+鳳眼藍+千屈菜+菖蒲+花葉美人蕉；組合Ⅱ，穗花狐尾藻+金魚藻+鳳眼藍+千屈菜+菖蒲+蘋；組合Ⅲ，穗花狐尾藻+金魚藻+鳳眼藍+千屈菜+菖蒲+綠葉美人蕉。每組合3桶（3次重復），對照（CK）無植物。

用硝酸鉀和磷酸二氫鉀配制TN 138.09～165.40 mg/L、TP 48.00～125.54 mg/L的溶液，將3個植物組合種植在上述水液中。

1.3 試驗方法

試驗于2019 年6月 24 日至7月29日進行，共持續35 d，試驗期間共采樣6 次，在試驗的第 1、7、14、21、28、35天采集水樣，每次采集水樣約 500 mL，試驗期間用純水補充蒸發和采樣所消耗的水分，以保持試驗期間容器中的水位不變。常規檢測的理化指標包括總氮（TN）、總磷（TP）、pH、溶解氧（DO）、電導率（EC）。其中，總氮采用堿性過硫酸鉀-紫外分光光度計法測定，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定［18］；pH用 Mettler Tole FE28 pH計直接測定，EC采用雷磁DDSJ-308a電導率儀測定，溶解氧采用 Hach HQ30D 現場直接測定。于試驗開始和結束時，即試驗第 1 天和第40天分別測定各類植物的生物量，具體方法為將水生植物取出后用吸水紙吸干水分再稱重。

水體總氮或總磷去除率：

WR=（WC1-WC2）/WC1×100%（1）

式中，WR為水體中TN和TP去除率；WC1為試驗開始時水體中TN和TP含量；WC2為試驗結束時水體中TN或TP含量。

相對增重率=（Wt-Ｗ0）/Ｗ0×100%（2）

式中，Ｗt、Ｗ0 為試驗末和試驗初（6月２4日）的植物鮮重。

1.4 數據處理

利用SPSS 20.0進行數據分析，采用單因素方差分析方法，分析植物組合中各物種生長指標以及對氮磷去除率；用鄧肯氏復極差測驗法（Duncan’s multiple range test）檢驗處理組間的差異；利用雙因素方差分析方法分析植物的相對生長速率和生物量積累以及對水中TN和TP等變化率。

2 結果與分析

2.1 植物生長狀況以及生物量變化 不同植物對高濃度氮磷富營養水體往往表現出不同的適應性，整體來看，3個植物組合中，沉水植物的適應性最差，浮水植物次之，挺水植物最佳。從表1可以看出，經過35 d 的生長，2種沉水植物（穗花狐尾藻和金魚藻）的鮮重均有明顯減少，其中組合 Ⅱ 的穗花狐尾藻減少最少，為-85.66%；組合 Ⅰ 的金魚藻減少最少，為-71.86%；組合 Ⅰ 和組合 Ⅱ 的千屈菜均略微減少，組合Ⅲ中千屈菜略微增加；菖蒲在3個組合中增長率為14.27%～43.56%；3個植物組合中不相同的挺水植物增長率也不同，其中蘋的鮮重增長率最大，為121.08%，綠葉美人蕉為6.80%，花葉美人蕉為-1.94%。浮水植物鳳眼藍鮮重均減少。

2.2 不同植物組合模式對污水中TN的處理效果

從不同植物組合模式下水體中TN含量的動態監測結果（圖 1）可以看出，不同取樣時間TN含量總體呈現下降趨勢，在試驗期間，各組合模式以及CK對TN都有一定的去除效果。各植物組合對污水中TN去除率為70.59%～97.46%，高于對照。穗花狐尾藻+金魚藻+鳳眼藍+千屈菜+菖蒲+綠葉美人蕉處理（組合Ⅲ）效果最佳，在35 d內可將水體中TN含量由165.41 mg/L快速降至3.89 mg/L；穗花狐尾藻+金魚藻+鳳眼藍+千屈菜+菖蒲+花葉美人蕉處理（組合Ⅰ）去除率次之，為88.34%，CK最差，為58.4%。各植物組合處理組均能快速、高效地去除富營養化水體的TN，各植物組合TN去除率均高于無植物的空白處理組，各植物組合TN去除率與對照有明顯差異。

2.3 不同植物組合模式對污水中TP的處理效果

由圖2可見，試驗期間（1～35 d），不同植物組合模式TP含量逐漸降低。不同植物組合對TP去除效果不同，TP的去除率為28.13%～66.05%；在植物組合處理組中，ＴP去除效果最優的是組合Ⅲ（穗花狐尾藻＋金魚藻+鳳眼藍+千屈菜+菖蒲+綠葉美人蕉）。

2.4 不同植物組合模式對污水中DO含量、EC和pH的影響

由圖3可見，不論是對照組還是植物組合水體中DO含量相較于試驗開始時均呈現大幅下降，植物組合中DO含量相比較對照組降低更多；栽植植物群落的水體中DO含量在逐漸降低，呈現先降低后回落再降低的動態過程，大多數植物組合在7～35 d時DO含量為4～6 mg/L。

試驗初始時，各水樣EC略有差異，在1～7 d時CK和組合Ⅲ降低，組合Ⅰ和組合 Ⅱ 增加；隨后EC在2 000 μS/cm左右波動變化。試驗結束時，組合Ⅱ、組合Ⅲ和CK的EC均有不同程度下降，分別下降了13.86%、11.48%、35.85%，組合Ⅰ中EC增加了31.66%。

植物組合能改變水體的酸堿度，各植物組合和對照組pH均略微升高，由中性變為中性偏堿性，3個植物組合pH增加了13.85%～16.13%，無植物組合（CK）的pH增加了8.62%。

3 討論

3.1 植物生長狀況以及生物量變化因素分析

不同植物對高濃度氮磷富營養水體往往表現出不同的適應性，羅虹［19］在短期試驗中發現，在高濃度氮磷的富營養水體中金魚藻的耐受能力優于苦草，這與該試驗的結果相符。該試驗中2種沉水植物表現最差，都是負增長，但金魚藻鮮重的減少小于穗花狐尾藻，可能是高濃度氮、磷元素會毒害植物甚至導致植物死亡［20］。由于不同種類的植物生長規律不同，它們對氮磷等營養物質的需求量、需求比例不同，去除氮磷等元素的飽和上限也有不同，另外不同植物根系的微生物種類等方面存在一定的差異，因此，對不同程度富營養化水體的凈化能力各不相同［21-22］，浮水植物鳳眼藍鮮重均減少，3個組合中的挺水植物的鮮重增長率也有差異，千屈菜在組合 Ⅰ、組合 Ⅱ 中呈負增長，組合Ⅲ中僅有1.39%的增長率；菖蒲在3個組合中鮮重具有不同程度增加，蘋和綠葉美人蕉的鮮重有增加；這可能與挺水植物在不同氮磷濃度中耐受性有關［23］，雖然組合 Ⅱ 的各種植物的增長率相對于組合Ⅲ增加較多，但試驗結束時組合Ⅲ對氮磷的去除高于組合Ⅱ，這可能是因為植物的質量與其對污染物質的去除率并無對應關系［24］。

3.2 試驗前后DO含量、pH和EC變化原因

沉水植物在生長過程中通過光合作用將氧氣從植物上部送至根莖，經釋放和擴散，根系周圍表現為好氧環境，使水中DO含量升高［25-26］。王佳等［27］研究發現水體中DO含量與水質密切相關，不同植物單元對水體中DO含量影響有明顯差異，但DO含量總體呈上升趨勢，這與該試驗結果不同。

展巨宏等［28］研究發現2種水葫蘆水體中DO含量均有明顯的下降，試驗6 d之后基本維持在3 mg/Ｌ左右，紫根水葫蘆組水體中DO含量略高于普通水葫蘆組，但并不明顯。該試驗3個植物組合在7～35 d時DO含量維持在4～6 mg/L，當DO含量低于5 mg/L 會對水生態系統造成一定的危害［29］。

該試驗中pH均有不同程度升高，從弱酸性至弱堿性變化，與劉海琴等［30］的研究結果相反。植物通過對營養物質的吸收和交換廢物的排放改變水質物理化學性質［31-32］，展巨宏等［28］研究發現普通水葫蘆和紫根水葫蘆對水體中NH4+-N快速吸收的同時會向水體中釋放大量的CO2，從而導致水 體中pＨ下降，這與該研究結果不一致，具有原因有待進一步研究。

EC表示溶液傳導電流的能力，可間接推測水體中離子成分的總濃度，是衡量水質的重要指標之一。展巨宏等［28］研究發現栽植普通水葫蘆和紫根水葫蘆的水體中，EC值隨水體中氮磷等營養鹽的去除均呈現下降趨勢，但紫根水葫蘆組水體中EC值并沒有因為相對較快的氮磷去除速率而呈現出較快的下降趨勢，這可能是由于紫根水葫蘆龐大的根系分泌了更多的化感物質。不同植物對EC的去除是有差異的，例如鳳眼蓮可以提高水體EC，而輪葉黑藻可以降低水體EC［33］，該研究中3種組合中EC均有不同程度降低，原因可能是水生植物生長狀況不同，對離子的吸收速率有差異造成的。

3.3 試驗前后TN和TP去除率比較

在試驗期間，不同組合模式對氮磷去除呈現動態變化，不同植物組合去除水體氮的能力大于去除磷的能力，不同水生植物在不同時期對氮、磷等營養物質的吸收特性不同，可以形成物種間的優勢互補，最大限度地發揮其吸收能力［34］。不同水生植物對TN 的去除有不同的效果，應該歸因于植物的吸收作用不同以及因植物的存在而加速微生物硝化/反硝化作用的不同［35］。人工濕地中除磷的主要機制有吸附作用、絡合作用、沉淀作用、植物吸收作用和生物同化作用［36］。曾小梅等［37］研究發現混種水生植物可以造成植物的競爭性增長，導致根系變得更加發達，吸收能力加強。有研究表明，在溫度較高時，水生植物的總生物量對氮磷的去除率有較大的影響，植物的生長繁殖對氮磷的去除貢獻最大［38］。由此可以認為，相關功能菌屬對模擬濕地中營養物的去除起到了一定的作用，最終植物本身的生長對營養鹽的吸收才是水中營養鹽得以去除的主要原因。在以往的研究中，研究者采用了相同的物種和相近的生物量的植物進行試驗，忽略了對植物組合的研究［39］。在生境資源有限的條件下，不同植物組合種植時會出現對光照和營養物質的競爭［40］。該研究中，栽植蘋的植物組合中，其他植物的生長狀況較差。這可能是由于蘋的根系比較發達更容易吸收營養物質繁殖生長，或者是水中營養物質有限，使植物間產生了競爭關系?？偟且l水體富營養化的重要因素之一［41］，磷的去除與氮元素不同，有機磷及溶解性較差的無機磷酸鹽都不能直接被水生植物吸收利用，只有經過磷細菌等的代謝活動，才能被植物吸收利用，從而通過植物的收割而將磷從水體中帶走［42］。磷的去除主要靠植物和微生物的協同作用才能改變水體中磷素的存在形態，從而促進磷素去除［43］。 試驗中TP去除與CK無顯著差異，這也符合Wang 等［44］的研究結論。有研究表明，鳳眼蓮修復富營養化水體系統中，植物吸收是系統總磷含量降低的最主要途徑［45］。該研究顯示，有植物處理系統對 TP 均有明顯的去除效果，這與王慶海等［46］的研究結果相同，說明水體中的磷是以可溶性活性磷的形式被植物吸收，合成核酸、核苷酸、磷脂及糖磷酸酯等植物細胞組成物質。而無植物對照處理的TP含量也有一定程度降低是因為水體中磷可以以磷酸鹽的形式沉積在水體底部，與基質相結合，成為難以去除的營養物質。而張洪剛［47］研究表明植物對磷的去除影響較小，可能是由于他是研究水生植物在濕地條件下對生活污水的凈化效果，其組成濕地的基質對磷的影響較大的原因。TN含量在28 d出現小幅回落和TP含量在 21 d出現小反彈，主要是因為沉水植物的腐敗，向水體中釋放了部分營養元素［48］。利用植物組合處理富含氮磷的污染水體，首先要考慮植物的耐受性，其次考慮植物間的相互作用，進而篩選凈化能力強的植物進行組合，從而得到凈化能力較好的植物組合。

4 結論

（1）3個植物組合中，沉水植物的適應性最差，浮水植物次之，挺水植物最佳。沉水植物對高濃度氮磷適應性差，挺水植物中菖蒲的適應性最好，蘋這種匍匐生長的植物適應性也很好，生物量增加最多。

（2）植物組合去除富營養化水體中TN明顯高于對照，植物組合對水中TN有較好的去處效果，均不低于70.59%，組合Ⅲ對TN的去除效果最好，去除率為97.46%。植物組合可以明顯去除水體的磷，植物組合對水中TP的去除率是28.13%～66.05%。

（3）植物組合可以明顯改變水體的pH、DO含量和EC。植物組合與CK的pH均呈增加趨勢；DO含量在試驗結束時均減少。

（4）植物組合能移除高濃度氮磷的富營養化水體，改善水體物理指標，可以用來處理含氮水平較高的污染水體。

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基金項目 武漢市園林和林業局科研項目（武園林發2018〔28〕-6）。

作者簡介 梁玉婷（1984—），女，山西大同人，工程師，碩士，從事濕地修復、植物育種研究。

收稿日期 2022-01-04