水生植物對不同程度富營養(yǎng)化景觀水體中氮磷的修復效果研究

摘要：以沉水植物黑藻、漂浮植物鳳眼蓮、挺水植物香蒲、浮葉植物睡蓮為研究對象，在實驗室配置輕、中、重度富營養(yǎng)化水體，探究4種植物對不同程度富營養(yǎng)化水體中氮磷的修復差異。結果表明，與黑藻和睡蓮相比，鳳眼蓮和香蒲對富營養(yǎng)化水體中的氮磷均有很好的修復效果。香蒲對富營養(yǎng)化水體中總氮（TN）的去除效果最佳，其次為鳳眼蓮；鳳眼蓮對富營養(yǎng)化水體中總磷（TP）的去除效果最佳，其次為香蒲。4種植物對不同程度富營養(yǎng)水體中氮磷的修復效果均表現(xiàn)出“中促高抑”的趨勢。

關鍵詞：景觀水體；富營養(yǎng)化程度；修復效果；植物優(yōu)選

引言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市化進程不斷加速，人類生活和生產(chǎn)污水排放日益增多，大量氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)進入水體，導致水體富營養(yǎng)化。水體富營養(yǎng)化是當今社會面臨的重要環(huán)境問題之一，特別是一些城市景觀水體，雖具有美化市容、防災防旱、改善生態(tài)環(huán)境和調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等多種功能，但大多處于靜態(tài)、封閉或半封閉狀態(tài)，水流緩慢、水循環(huán)薄弱、設計不合理、水質(zhì)管理不完善、補給水質(zhì)量控制不嚴格等是這類水體頻發(fā)富營養(yǎng)化的主要原因[1][2]。

針對城市景觀水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，常見的修復方法有3種，即①物理修復，通過采用源頭控制、底泥清淤、循環(huán)曝氣、機械除藻等方式控制內(nèi)源污染，增加水體流動性；②化學修復，通過添加化學試劑達到磷的沉淀和消滅藻類的效果；③生物修復，通過引入動植物同化吸收營養(yǎng)物質(zhì)，或者使其與浮游藻類等水體富營養(yǎng)化產(chǎn)物建立競爭、捕食關系，從而抑制水體富營養(yǎng)化產(chǎn)物生長[1][3～5]。其中，生物修復因具有成本低、操作簡單且在治理過程中不會破壞原有生態(tài)環(huán)境的優(yōu)點而受到廣泛關注[4]。

水生植物修復是生物修復中的核心組成部分，修復機理主要為水生植物的同化吸收及其與微生物的協(xié)同作用[6]。水生植物不僅可以依靠強大的根莖對水中營養(yǎng)物質(zhì)進行吸收和轉(zhuǎn)化，還能通過最終植物的收割實現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)的空間轉(zhuǎn)移[7][8]。然而，由于不同水生植物對水體中氮磷的吸收、降解和固定能力不同，因此水生植物的優(yōu)選是植物修復富營養(yǎng)化水體工作中的重點。

在水生植物修復富營養(yǎng)化水體的研究中，現(xiàn)有文獻多是對比不同植物或組合植物修復同種富營養(yǎng)化水體的效果。由于各文獻中研究的水體富營養(yǎng)化程度不一，植物選擇也有所差異，因此難以對某種植物修復不同程度富營養(yǎng)化水體的效果進行比較。本研究通過盆栽實驗探究黑藻、鳳眼蓮、香蒲、睡蓮4種不同類型的水生植物對輕度、中度、重度富營養(yǎng)化水體中氮磷的修復效果，以期為富營養(yǎng)化景觀水體的修復和植物的選取提供理論參考。

1材料與方法

1.1 植物的選擇

本研究選取陜西省西安市景觀水體中常見的4種不同類型水生植物——沉水植物黑藻、漂浮植物鳳眼蓮、挺水植物香蒲、浮葉植物睡蓮作為研究對象。

將購買的成熟植物放入自來水中，并滴加少量營養(yǎng)液；植物在自然光照、20～25℃、空氣濕度70%～85%的環(huán)境中進行預培養(yǎng)；7d后選擇生長一致且長勢良好的植株，清洗干凈，放入透明水桶中進行后期實驗。

1.2 實驗水體的配置

實驗采用的富營養(yǎng)化水體為人工配置。實驗水體共設置3個濃度梯度，通過添加一定量的NH4NO3與KH2PO4使其達到特定的富營養(yǎng)化程度。其中，輕度富營養(yǎng)化水體中總氮（TN）濃度接近1.4mg/L，總磷（TP）濃度接近0.12mg/L；

中度富營養(yǎng)化水體中TN濃度接近2.6mg/L，TP濃度接近0.23mg/L；重度富營養(yǎng)化水體中TN濃度接近15mg/L，TP濃度接近1.4mg/L。其它微量元素參照霍格蘭氏營養(yǎng)液配置。

1.3 實驗設計

實驗共設置5組，分別為黑藻組、鳳眼蓮組、香蒲組、睡蓮組、空白對照組；每組設置3個平行實驗；所有實驗均在相同的環(huán)境條件下進行。

將長勢相當?shù)?種植物，分別取100g，放入透明水桶中，水桶有效容積為4L。計劃以植物移植到培養(yǎng)箱的當天為第1次取樣時間，之后每3d取樣1次，為保證采樣條件一致，采樣時間均選擇10：00～11：00，每次取50mL；實際實驗持續(xù)25d（其中2022年3月11～20日每3d取樣1次，第5次取樣與第4次取樣間隔5d，第8次取樣與第7次取樣間隔5d，采樣于2022年4月4日結束）。為保證實驗期間水桶中水位一致，每次采樣結束后均采用自來水補充，本次實驗不添加任何底泥基質(zhì)。

1.4 水質(zhì)指標的測定

水樣采集后放置于4℃冰箱內(nèi)保存，并在24h內(nèi)完成水質(zhì)指標的測定，各指標的測定按照水和廢水監(jiān)測分析方法[9]，污染物的去除率采用平均去除率進行表征。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用SPSS17.0和Origin9.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表制作。

2結果與分析

2.1 輕度富營養(yǎng)化水平下不同植物對TN、TP的去除效果

不同植物配置下輕度富營養(yǎng)化水體中TN、TP變化曲線如圖1所示。實驗期間各植物組水體中TN濃度下降趨勢基本一致，均為前17d下降較快（降低了0.72～0.90mg/L），后8d趨于平穩(wěn)（僅降低了0.04～0.13mg/L）。

實驗期間各植物組水體中TP濃度的下降趨勢也基本一致，且與TN濃度的變化趨勢相似，在前17d中TP濃度均下降了55.08%～73.68%，后8d逐漸減緩，僅下降了11.63%～26.09%。主要原因為實驗前期各組植物正處于快速生長階段，對于水中氮磷元素的吸收利用較快，而隨著修復時間的增長，實驗后期水體氮磷負荷降低，植物對于氮磷的吸收減少，對TN、TP的去除速率逐漸變緩[10]。

如表1所示，實驗期間，4植物組水體中TN、TP變化與空白對照組相比呈顯著下降趨勢（P＜0.05），TN、TP去除率均達到60%以上。其中，對TN的去除率表現(xiàn)為香蒲組最高（75.18%），鳳眼蓮組次之（70.64%），但兩組無明顯差異（P＞0.05）；對TP的去除率表現(xiàn)為鳳眼蓮組最高（77.19%），其次為香蒲組（71.90%）；黑藻組對TN、TP的去除效果相對較差。

2.2 中度富營養(yǎng)化條件下不同植物對TN、TP的去除效果

不同植物配置下中度富營養(yǎng)化水體中TN、TP變化曲線如圖2所示。相較于空白對照組，各植物組在實驗期間對水體中氮磷有顯著的去除效果（P＜0.05），4組待修復水體中TN、TP濃度均呈現(xiàn)出穩(wěn)定下降趨勢，如表2所示。就TN去除效果而言，4植物組水體中TN的去除率均達到了87%以上，排序為香蒲組＞鳳眼蓮組＞睡蓮組＞黑藻組，其中香蒲組與鳳眼蓮組的去除效果差異不顯著（P＞0.05），其余各植物組之間均存在顯著差異（P＜0.05）。4植物組水體中TP的去除率均達到了83%以上，去除效果最好的是鳳眼蓮組，其水體中TP從0.22mg/L下降到了0.02mg/L，去除率達到了92.2%；香蒲組次之；隨后是睡蓮組和黑藻組。4組實驗之間，除鳳眼蓮組與香蒲組的去除差異顯著外（P＜0. 05），其余各組之間差異不明顯（P＞0.05）。

通過對比不同水生植物對TN、TP的去除率發(fā)現(xiàn)，其對TP的去除率均大于對TN 的去除率。原因可能是吸附作用對磷在水體中的歸趨有重要影響，磷酸鹽能夠快速通過吸附作用沉淀至底泥，或者通過植物吸收而被去除[11]。

2.3 重度富營養(yǎng)化條件下不同植物對TN、TP的去除效果

不同植物配置下重度富營養(yǎng)化水體中TN、TP變化曲線見圖3。實驗期間，4植物組水體中TN、TP濃度均呈現(xiàn)出均勻下降趨勢，且與空白對照組存在顯著差異（P＜0. 05），如表3所示。各植物組水體中TN、TP下降趨勢與其在中度富營養(yǎng)化水體實驗中的下降趨勢基本一致。其中，TN濃度從14.60～14.92 mg/L下降到了4.65～7.23mg/L，去除率為51.42%～68.82%；TP濃度從1.38～1.40mg/L下降到了0.20～0.38mg/L，去除率為77.04%～86.36%。4種植物對重度富營養(yǎng)化水體中TN、TP均有一定的去除效果。

對比各組水體中TN、TP的去除率可以發(fā)現(xiàn)，4植物組水體中TN、TP的去除效果與其在中度富營養(yǎng)化水體實驗中表現(xiàn)一致，TN去除率同樣為香蒲組＞鳳眼蓮組＞睡蓮組＞黑藻組。就數(shù)據(jù)間的差異性而言，除黑藻組與其它3組間存在顯著差異外（P＜0. 05），其余各組間差異不明顯。各植物組水體中TP去除率為鳳眼蓮組＞香蒲組＞睡蓮組＞黑藻組，排名靠前的鳳眼蓮組與香蒲組數(shù)據(jù)間差異不明顯（P＞0.05）。

雖然4種植物對重度富營養(yǎng)化水體中TN、TP的去除效果與其在中度富營養(yǎng)化水體中表現(xiàn)相似，但從去除率來看，均低于中度富營養(yǎng)化水體的水平。原因主要是在重度富營養(yǎng)化條件下，水生植物吸收氮、磷的能力受到了抑制，這與張志勇等[12]的研究結果相似。此外，通過對比不同富營養(yǎng)化程度水體中植物對氮、磷的去除率可以看出，在重度富營養(yǎng)化條件下，植物對氮、磷的吸收均受到影響，且就抑制程度來說，重度富營養(yǎng)化水體對植物吸收TN的抑制明顯高于吸收TP的抑制。

2.4 同種植物對不同程度富營養(yǎng)化水體中TN、TP的去除效果

從不同程度富營養(yǎng)化水體的空白對照組實驗可以看出，在未栽種任何水生植物的水體中，TN、TP濃度均會出現(xiàn)一定程度的下降，原因主要是水體中存在著氮的揮發(fā)、反硝化和磷的沉降吸附[13]。為了更好地比較同種植物對不同程度富營養(yǎng)化水體中TN、TP的去除效果，需排除水體自身的氮磷損失（即空白對照組實驗中氮磷的去除率）帶來的影響，修正后的結果如表4所示。差異性結果表明，同種植物對不同程度富營養(yǎng)化水體的修復效果均具有顯著差異（P＜0. 05）。

分析表4中數(shù)據(jù)可知，適宜濃度的氮磷負荷能提升實驗植物的吸收去除能力，而濃度過高則會抑制實驗植物對于水體中氮磷的吸收，導致凈化效果降低。4種植物對不同程度富營養(yǎng)化水體中TP的去除效果均表現(xiàn)出中度＞重度＞輕度的特點，這與李燕[14]的研究結果一致。植物在高負荷氮濃度的影響下，對氮的去除率會大幅降低，4種植物對不同程度富營養(yǎng)化水體中TN的去除效果表現(xiàn)出中度＞輕度＞重度的特點。

3討論

相比于沉水植物黑藻和浮葉植物睡蓮，漂浮植物鳳眼蓮和挺水植物香蒲對不同程度富營養(yǎng)化水體中的氮磷有很好的修復效果，特別是在中度富營養(yǎng)化水體中，氮磷的去除率均可達到70%以上，這與汪文強[10]、陳志超等[15]、徐寸發(fā)等[16]的研究結果基本一致。鳳眼蓮對水體中氮磷的良好修復能力已在多個文獻中被證實[17][18]。主要是由于鳳眼蓮具有強大的繁殖能力和磷富集能力，且作為漂浮植物，鳳眼蓮的根系不生于泥土，葉片浮于水面，根系和葉片能直接從水體中吸收大量的氮磷并合成自身物質(zhì)，因此對于水體的凈化效果明顯優(yōu)于其它水生植物。另外，鳳眼蓮在生長過程中，其葉片遮住水面，減少了大氣復氧，可強化反硝化過程，促進氮元素的脫除。高巖等[19]的研究結果同樣證實了這一現(xiàn)象，鳳眼蓮根系共生的硝化、反硝化菌的數(shù)量遠遠高于水體中，是鳳眼蓮促進富營養(yǎng)化水體中氮去除的主要貢獻者。在本文的研究結果中可以發(fā)現(xiàn)，雖然鳳眼蓮有著強大的氮磷去除能力，但脫氮效率卻略低于香蒲，這可能是由于除了植物同化作用和根系微生物的協(xié)同作用外，較高的光合速率和蒸騰速率也能促進植物對水體中TN的去除[20]。研究還發(fā)現(xiàn)，香蒲對磷的去除效果低于鳳眼蓮，這可能與植物的生態(tài)類型有一定關系，漂浮植物生長于水中，理論上會優(yōu)先利用水中的營養(yǎng)元素，而挺水植物則會優(yōu)先利用底泥中的營養(yǎng)元素[16]。

同種植物對不同程度富營養(yǎng)化水體中氮磷的修復效果均表現(xiàn)出“中促高抑”的特點。一般而言，植物對水體中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的去除效率與水體中氮磷的濃度負荷密切相關。在一定范圍內(nèi)，去除率會隨著氮磷濃度負荷的增加而升高，但若氮磷濃度負荷太高，超過了植物本身的吸收速率，那么去除效果反而會下降。如，張志勇等[12]在研究中發(fā)現(xiàn)，鳳眼蓮對水中TN的去除率隨TN初始濃度的升高而降低，二者間呈極顯著負相關；而對TP的去除率則隨TP初始濃度的升高而升高，二者間呈極顯著正相關。此外，許多研究表明，在低氮磷負荷的凈化系統(tǒng)中，植物吸收對氮磷的去除起主要作用；而在高氮磷負荷的凈化系統(tǒng)中，雖然植物吸收的絕對量比低負荷系統(tǒng)大，但所占比例低，一般不超過10%。因此，在本研究中可以發(fā)現(xiàn)，重度富營養(yǎng)化水體中較高的氮磷負荷對植物吸收氮磷均有抑制，且抑制作用表現(xiàn)為TN高于TP，主要原因可能是植物根系附著的硝化反硝化菌更容易受到高氨氮負荷的影響。

結論

相比于沉水植物黑藻和浮葉植物睡蓮，漂浮植物鳳眼蓮和挺水植物香蒲對不同程度富營養(yǎng)化水體中的氮磷有很好的修復效果。對于富營養(yǎng)化水體中TP的去除效果而言，鳳眼蓮最佳，在輕、中、重3個程度富營養(yǎng)化水體中的TP去除率分別為77.19%、92.20%、86.36%；其次為香蒲，在輕、中、重3個程度富營養(yǎng)供水體中的TP去除率分別為71.90%、91.11%、85.38%。對于富營養(yǎng)化水體中TN的去除效果而言，香蒲最佳，在輕、中、重3個程度富營養(yǎng)化水體中的TN去除率分別為75.18%、95.30%、68.82%；其次為鳳眼蓮，在輕、中、重3個程度富營養(yǎng)化水體中的TN去除率分別為70.64%、91.71%、61.91%。4種植物對不同程度富營養(yǎng)水體中氮磷的修復效果，均表現(xiàn)出“中促高抑”的趨勢，但也略有差異，表現(xiàn)為4種植物對不同程度富營養(yǎng)化水體中 TN的修復效果依次是中度＞輕度＞重度；而對TP的修復效果依次是中度＞重度＞輕度。

西安市典型景觀水體中TN、TP的濃度較低（尤其是TP），在修復過程中應優(yōu)先考慮對氮素的脫除。香蒲作為挺水植物，扎根于底泥中，不僅能發(fā)揮凈水的功能，還能固定底泥，減少營養(yǎng)物質(zhì)的內(nèi)源輸入，同時香蒲耐寒氣溫在5℃以上環(huán)境均可種植，適應性強，且回收后可用于編織、造紙、醫(yī)藥等，具有一定的經(jīng)濟價值。鳳眼蓮屬于外來侵入物種，如果管理疏忽容易引發(fā)生態(tài)災害。因此，在實際工程中，優(yōu)先推薦香蒲作為修復植物。

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作者簡介

王春陽（2001—），女，漢族，陜西西安人，本科，研究方向為環(huán)境生態(tài)保護。

通信作者

姚倩（1990—），女，漢族，陜西西安人，博士研究生，講師，研究方向為廢水生物處理及土壤污染修復。