苦草對水體氮磷吸收與釋放作用的探析

高子昕，劉興國

1.上海海洋大學 水產(chǎn)與生命技術學院，上海 201306；2.中國水產(chǎn)科學研究院 漁業(yè)機械儀器研究所，北京 100141

當前，隨著我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展以及城市化進程的大力推進，導致大量含氮、磷的工業(yè)廢水及生活污水進入自然水體，造成水體氮磷元素嚴重超標，由此導致湖泊等自然水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴重[1]。沉水植物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，運用沉水植物治理水生態(tài)開始被廣泛應用[2-5]。沉水植物作為水體生態(tài)系統(tǒng)的主要初級生產(chǎn)者之一，是水體生物多樣性賴以維持的基礎，具有氮、磷吸收能力，因此構建沉水植物群落是預防與治理水體富營養(yǎng)化工作的重要環(huán)節(jié)[6]。然而，沉水植物隨著時間及環(huán)境變化會開始衰敗并釋放氮磷，可能會加重水體的富營養(yǎng)化程度。探尋沉水植物對氮磷的吸收與釋放之間的轉(zhuǎn)換十分必要。

苦草[Vallisneria natans(Lour.) Hara]，俗名面條草、扁擔草、水韭菜等，是最常見的沉水植物之一，廣泛分布于我國各省區(qū)，在淡水湖泊、溝渠、池塘、內(nèi)河航道的靜水或流動水體中均能很好地生長[7]。苦草生態(tài)適應性廣，能實現(xiàn)克隆生長，再生能力強，群落破壞后恢復時間短，吸附污染物能力強，是治理水體污染、降低水體富營養(yǎng)化程度的重要沉水植物之一。研究苦草不同情況下對水體氮磷的影響，以期為沉水植物治理水質(zhì)提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 不同氮濃度下苦草對水體氮磷的影響

1.1.1 試驗設置 試驗選取白洋淀水域內(nèi)存在的新鮮矮生短葉苦草，用無氨純水沖洗3次并選取大小相仿的活株定植于無氨純水玻璃缸內(nèi)備用。

選用透明干凈的4個玻璃缸（30 cm×30 cm×30 cm），用無氨純水沖洗3次，并分別用硝酸鉀（KNO3）配置總氮濃度梯度為1.0、1.5、2.0和0 mg/L的溶液20 L，并在水位線處做好標記為后期加水做準備，標記為組A、組B、組C和對照。

試驗開始前，通過無粉陶瓷水草定植環(huán)（內(nèi)徑3 cm、外徑4.5 cm），將備用好的活株苦草分別定植在玻璃缸內(nèi)的對角和中心點，保證苦草均能夠良好生長，每個缸的苦草總濕重設置見表1。

表1 總氮濃度及試驗材料

試驗開始后，每14 d為1個周期，加無氨純水至原標記水位線。

1.1.2 樣品采集與檢測 試驗從2019年8月17日起放入樣品，穩(wěn)定一周觀測苦草無衰敗跡象后，開始檢測水質(zhì)變化。試驗檢測了2019年8月24—2019年11月9日，15 d的試驗水體總氮總磷，采樣時間均為09:00。采樣時，每個組采3次水樣，且分別取中心點、靠近角和靠近邊的3個點。具體參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》，總氮采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法；總磷采用過硫酸鉀消解—鉬藍對比法[8]。

1.2 不同苦草部位對氮磷的吸收與釋放影響

1.2.1 試驗設置 備用新鮮矮生短葉苦草同1.1.1。

選用7個透明干凈的300 mL具塞磨口錐形瓶，用無氨純水沖洗3次，標記為空白、組Ⅰ、組Ⅱ、組Ⅲ、組Ⅳ、組Ⅴ和組Ⅳ備用。

將備用好的苦草分組放入塑封袋中，密封放置于設定水溫為50 ℃的恒溫水箱內(nèi)，用夾子固定于水中水浴30 min。用干凈的剪刀處理苦草后，將整株的苦草、剪碎的苦草、僅根部和葉部分別放入準備好的錐形瓶中，加入300 mL無氨純水，并塞緊錐形瓶瓶塞，置于避免太陽光直射的環(huán)境（表2）。

表2 關于苦草不同部位相關試驗

1.2.2 試驗采樣 試驗從2019年10月24—2019年11月26日，歷時1個月，每2 d測1次水體總氮總磷，采樣時間均為14:00。測定方法同1.1.2。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，采用Excel軟件計算其平均值和標準差，并用Origin 2018作圖。通過SPSS軟件采用單因素方差分析法，組間P＜0.05為差異性顯著，P＜0.01為差異性極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮濃度下苦草對水體氮磷的影響

2.1.1 不同氮濃度下苦草對氮磷的吸收效果 在試驗開始后的半個月中，組A第一次取樣的總氮去除率為54%，第二次取樣為第一次取樣后氮濃度的64%；組B第一次取樣的總氮去除率為24%，第二次取樣為第一次取樣后氮濃度的59%；組C第一次取樣的總氮去除率為29%，第二次取樣為第一次取樣后氮濃度的66%；由于苦草在水體具有釋放氮營養(yǎng)元素的能力且苦草表面可能附著一定的氮元素，導致對照組的第一次取樣總氮上升2%，但是由于苦草去除水中氮營養(yǎng)鹽的功能大于釋放氮營養(yǎng)鹽的功能，所以第二次取樣的去除率為第一次取樣后氮濃度的50%（圖1a）。

圖1 苦草對氮磷的吸收效果

在苦草氮吸收能力大于釋放能力時，在氮濃度為1.0、1.5 mg/L的兩組苦草在試驗開始至第二次取樣都在釋放磷，而后水體磷濃度開始緩緩降低至接近0 mg/L，其中在氮濃度分別為1.0、1.5 mg/L時，苦草的磷吸收率分別為69%、34%。而在氮濃度為2.0 mg/L時，苦草的磷吸收率為26%（圖1b）。

2.1.2 不同氮濃度下苦草對氮磷的釋放效果 研究表明，苦草對水質(zhì)凈化的快速作用時期為試驗開始的前半月內(nèi)，在苦草放入試驗水體半月后，水體溶解氧含量低于第一次取樣時的溶解氧含量時，氮濃度也在一個月開始緩慢上升，說明苦草的釋放氮的能力開始大于吸收氮的能力[9]（圖2a）。

A、B、C組試驗水體的磷濃度都呈波動性周期，分別在第18天、第36天、第50天和第60天，磷濃度分別呈現(xiàn)增長、減至無、再增長、又減至無的規(guī)律（圖2b）。

2.2 不同苦草部位對氮磷的吸收與釋放影響

6個分組的總氮含量最大分別為1.35、1.04、0.92、1.07、0.52和0.81 mg，由于各組之間的苦草樣品存在一定的質(zhì)量差異，為更科學地體現(xiàn)苦草各部分與水中釋放影響氮營養(yǎng)元素的關系，故將總氮含量的數(shù)據(jù)處理為總氮含量/濕重。得出結(jié)論：整體處理過的苦草在水中釋放的總氮約為0.52 mg/g，剪碎后處理的苦草在水中釋放的總氮約為0.45 mg/g，僅處理苦草根部的苦草根在水中釋放的總氮約為0.33 mg/g，僅處理苦草葉部的苦草葉在水中釋放的總氮約為0.50 mg/g。總體而言，剪碎后處理的苦草在水中釋放的氮元素小于整體處理后的，苦草莖葉部分處理后在水中釋放的氮元素較根枝部分多。

在一段時間后，苦草對氮的吸收逐漸大于釋放，說明苦草恢復活力，且整體與根、葉都具備吸收氮的能力，在試驗開始的1個月后，根的總氮去除率約為66.42%；葉的總氮去除率約為56.58%（圖3a）。

圖3 不同部位苦草對水體氮磷濃度的影響

6個分組的總磷含量最大分別為2.46、2.66、2.59、1.07、2.31和2.36 mg，同理，由于各組之間的苦草樣品存在質(zhì)量差異，將總磷含量的數(shù)據(jù)處理為總磷含量/濕重。得出結(jié)論：整體處理過的苦草在水中釋放的總磷約為1.14 mg/g，剪碎后處理的苦草在水中釋放的總磷約為0.79 mg/g，單苦草根部處理的苦草根在水中釋放的總磷約為1.44 mg/g，單苦草葉部處理的苦草葉在水中釋放的總磷約為1.47 mg/g。綜上，剪碎后處理的苦草在水中釋放的磷元素和氮元素一樣，小于整體處理后的，且相較氮元素的更小，苦草莖葉部分處理后在水中釋放的氮元素較根枝部分多（圖3b）。

苦草對磷的吸收大于釋放能力的時間與總氮的時間相仿，進一步論證了苦草具有良好的修復能力，根與葉也都具備吸收磷的能力，在試驗開始的1個月后，根的總磷去除率約為74.79%，而葉的總磷去除率約為73.47%，相較于總氮兩者相差不大。

3 結(jié)論與建議

（1）在總氮濃度為1.0～2.0 mg/L時，在總氮濃度為2.0 mg/L時苦草在水體釋放磷最高，且波動幅度最大，在總氮濃度為1.0 和1.5 mg/L濃度時，水體中磷的濃度變化波動小且相近。綜上，水體氮濃度的變化會引起苦草釋放吸收磷的變化，且苦草對磷的吸收呈波動性，開始在無磷的水體中磷濃度由于苦草釋放磷的速率大于吸收的速率，隨著時間推移而到達一個小高峰，而后苦草吸收磷的速率開始大于釋放的速率，水體中的磷濃度又會逐漸減小至無的水平。根據(jù)此現(xiàn)象，建議通過合理加大前期苦草種植量，以達到快速控制水體氮，進而積極影響水體中磷的吸收。

（2）苦草具有良好的自我修復能力，處于非健康狀態(tài)的苦草釋放氮磷的能力遠大于吸收氮磷的能力，整株的苦草釋放率為1.10 mg/g（氮）和2.20 mg/g（磷），其中根的釋放率為0.52 mg/g（氮）和2.31 mg/g（磷），葉的釋放率為0.81 mg/g（氮）和2.36 mg/g（磷）。在經(jīng)過一段時間后，苦草恢復一定吸收氮磷的能力，其根的總氮去除率約為66.42%，總磷去除率約為74.79%；葉的總氮去除率約為56.58%，總磷去除率約為73.47%。根據(jù)其恢復特性，建議在前期合理大量種植苦草后半個月左右，分批清理苦草，以延長苦草對水體氮磷控制的有效時間并進一步減少水環(huán)境治理的經(jīng)濟成本。