不同沉水植物對水體氮磷的凈化效果

姚瑤，黃立章，陳少毅，許超，3，4，張云濤

(1.華南農業大學資源環境學院，廣東廣州510642;2.江西省水利規劃設計院，江西南昌330029;3.廣東普通高校土壤環境與廢物資源農業利用重點實驗室，廣東廣州510642;4.農業部生態農業重點開放實驗室，廣東廣州510642)

城市污水處理后，氮、磷污染物過剩使許多受納水體呈富營養狀態。當前，以水生植物為核心的污水處理和富營養化治理工作已成為研究的熱點[1－6]，特別是沉水植物恢復作為水生生態系統恢復及水體富營養物質凈化的重要措施，日益受到廣大學者的關注[7－8]。實驗證明，沉水植物修復對去除氮、磷有明顯效果[9－10]，可用于控制水體富營養化。但是，當前在沉水植物凈化富營養化水體的研究中，水體氮、磷營養負荷低于城市污水排放標準，對其用于城市污水深度處理的可行性還缺乏研究。本實驗選取長江中下游地區水體中常見的6種沉水植物為研究材料，通過室內污水模擬試驗，研究其對模擬污水中氮、磷的去除效果，從而篩選出同時對氮、磷具有較高去除效果且適用于城市污水深度處理的沉水植物，旨在為富營養化水體中沉水植物的先鋒物種的選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用沉水植物金魚藻、苦草、大苦草、黑藻、矮慈姑和皇冠草均買自廣州花草市場。本試驗期為2010年8月16日至2010年8月26日，水溫25～30℃，自然光照，pH值為6.3～6.8。

1.2 試驗方法

試驗開始前，取適量不同沉水植物用自來水沖洗干凈后在6個水箱內培養以適應試驗環境。試驗裝置采用7組體積為20 L的聚乙烯塑料桶，每組3個。試驗桶直徑31 cm，高31 cm。桶底鋪設1層石英砂(購置于南京市雨花公司，粒徑0.5～1.0 cm)，鋪設厚度約5 cm，能滿足沉水植物根部固定即可，以降低石英砂對水體中氮磷的吸附作用。石英砂在鋪設前用自來水刷洗干凈，超純水潤洗，并在超純水中浸泡3 d。

取自來水，通過添加NaNO3、NH4NO3和K2HPO4·3H2O把氮、磷調配到要求水平(依照城鎮污水處理廠污染物排放標準GB 18918—2002，其中總氮、氨氮和總磷排放一級標準B標準為15、8和1.5 mg·L－1。每個試驗水桶中放16 L已配制好的污水。

試驗設置7個處理，分別為金魚藻、苦草、大苦草、黑藻、矮慈姑、皇冠草和無植物的空白對照(CK)，每個處理設3個重復。對照試驗桶中只設石英砂，不種植沉水植物。試驗時分別取3～5株生長健壯、均勻的沉水植物(30 g)，用純水洗凈，稱取植物鮮重后移植入試驗桶中。

水樣分別在5，10 d進行采集，每次采樣時間固定9:00，用100 mL的量筒在水深0.2 m處的3個地方進行采樣，再加以混合均勻。因為考慮處理液的損失所以在水樣采集的前1 d加入去離子水。

1.3 監測指標及方法

水體的測量指標有氨態氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、可溶性磷，水樣取回實驗室后當天分析。氨態氮采用納氏試劑分光光度法[11]，硝酸鹽氮采用紫外分光光度法[11]，亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法[11]，可溶性磷采用鉬銻抗分光光度法[11]。

1.4 數據分析方法

各處理沉水植物處理組對水體中氮磷的凈化效果是在有植物處理的基礎上減去對照的凈化率得出。數據分析采用SPSS 16.0分析軟件中的獨立樣本的t檢驗方法(Duncan)及相關性分析方法對數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同沉水植物對水體中氮的凈化效果

在試驗期內，6種沉水植物對水體中氮的凈化率表現出顯著的差異(圖1中A)。在5 d時，6種沉水植物對水體中氮均有較強的凈化貢獻，對水體中氮的凈化率表現為苦草＞大苦草＞黑藻＞矮慈姑＞皇冠草＞金魚藻，其對水體氮的凈化率分別為21.69%，19.90%，18.69%，13.39%，11.47%和11.15%。苦草對水體氮的凈化率顯著高于黑藻、矮慈姑、皇冠草和金魚藻，大苦草對水體氮的凈化率顯著高于矮慈姑、皇冠草和金魚藻;黑藻對水體氮的凈化率顯著高于矮慈姑、皇冠草和金魚藻，矮慈姑、皇冠草和金魚藻對水體氮的凈化率無顯著差異。在10 d時，6種沉水植物對水體中氮凈化貢獻均降低，對水體中氮的凈化率表現為苦草＞黑藻＞皇冠草＞大苦草＞金魚藻＞矮慈姑，其對水體氮的凈化率分別為12.16%，4.48%，4.16%，4.12%，－6.64%和－8.63%，表明此時，金魚藻和矮慈姑對水體氮的凈化貢獻低、甚至出現了負值，可能在10 d時，對矮慈姑和金魚藻的生長表現出抑制作用。苦草對水體氮的凈化率顯著高于黑藻、大苦草、矮慈姑、皇冠草和金魚藻，大苦草、黑藻和皇冠草對水體氮的凈化率顯著高于矮慈姑和金魚藻，而大苦草、黑藻和皇冠草之間無顯著差異;矮慈姑和金魚藻對水體氮的凈化率無顯著差異。由此可見，6種沉水植物對水體氮的凈化率表現出隨處理時間的延長呈降低的趨勢，苦草對氮的凈化率在6種沉水植物中最高。

圖1 不同沉水植物對水體氮(A)磷(B)的凈化率變化規律

2.2 不同沉水植物對水體中磷的凈化效果

圖1中B是不同沉水植物對水體磷的凈化率貢獻值隨時間的變化規律。方差分析表明，不同沉水植物對水體磷凈化率具有顯著差異。在試驗期內，不同沉水植物對水體中磷的凈化率因植物的不同而呈現較為明顯的差異。在5 d時，6種沉水植物對水體中磷均有較強的凈化貢獻，6種沉水植物對水體中磷的凈化率表現為:黑藻＞苦草＞矮慈姑＞金魚藻＞大苦草＞皇冠草，黑藻、苦草、矮慈姑、金魚藻、大苦草和皇冠草對水體磷的凈化率分別為43.00%，42.98%，27.73%，22.64%，18.84%和3.18%;黑藻、苦草對水體磷的凈化率顯著高于矮慈姑、金魚藻、大苦草和皇冠草，黑藻和苦草之間對水體磷的凈化率無顯著差異;矮慈姑對水體磷的凈化率顯著高于大苦草和皇冠草，金魚藻對水體磷的凈化率顯著高于皇冠草，而矮慈姑和金魚藻之間對水體磷的凈化率無顯著差異;大苦草對水體磷的凈化率顯著高于皇冠草。在10 d時，6種沉水植物對水體中磷均有較強的凈化貢獻，6種沉水植物對水體中磷的凈化率表現為:黑藻＞苦草＞矮慈姑＞大苦草＞皇冠草＞金魚藻，黑藻、苦草、矮慈姑、大苦草、皇冠草和金魚藻對水體磷的凈化率分別為96.69%，92.98%，87.59%，69.27%，18.19%和9.17%;黑藻對水體磷的凈化率顯著高于苦草、矮慈姑、金魚藻、大苦草和皇冠草，苦草對水體磷的凈化率顯著高于矮慈姑、金魚藻、大苦草和皇冠草，矮慈姑對水體磷的凈化率顯著高于金魚藻、大苦草和皇冠草，大苦草對水體磷的凈化率顯著高于皇冠草和金魚藻，皇冠草對水體磷的凈化率顯著高于金魚藻。由此可見，除金魚藻外，其他5種沉水植物對水體磷的凈化率表現出隨處理時間的延長呈升高的趨勢。6種沉水植物中，黑藻和苦草對磷的凈化率高，但兩者之間無顯著差異。

2.3 水體中無機氮的形態轉化

試驗原水配制中主要由無機態氮[NaNO3、NH4NO3]組成，初始水質的監測結果表明，負荷原水由NH4+-N與NO3－-N 組成，不含NO2－-N 。從表1中可以看出，在試驗期內，各處理氨氮含量呈降低，而硝態氮和亞硝態氮含量呈增加。在6種沉水植物作用的水體中，硝態氮占較大比例，氨氮含量其次，亞硝態氮含量最低。隨著處理時間的增加，氨氮比例呈現逐漸降低的趨勢。這與氨氮在好氧條件下易于發生硝化，以及氨氮更易于被沉水植物優先吸收從而與濃度降低迅速有關[12]。

表1 不同時期不同處理水體中各形態氮含量及比例

3 小結

不同沉水植物對水體氮、磷凈化率具有顯著差異，苦草對氮的凈化率最高、黑藻和苦草對磷的凈化率高;6種沉水植物對水體氮的凈化率表現出隨處理時間的延長呈降低的趨勢，除金魚藻外，其他5種沉水植物對水體磷的凈化率表現出隨處理時間的延長呈升高的趨勢。其中苦草對氮的凈化率顯著高于其他5種沉水植物。

在6種沉水植物作用的水體中硝態氮占較大比例，氨氮含量其次，亞硝態氮含量最低。隨著處理時間的增加，氨氮比例降低、硝態氮比例增高。

[1]Sekiranda S B K，Kiwanuka S.A study of nutrient removal of phragmites mauritianus in experimental reactors in Uganda[J].Hydrobiologica，1998，364:83-91.

[2]王國祥，濮培民，張圣照，等.冬季水生高等植物對富營養化湖水的凈化作用[J].中國環境科學，1999，19(2):106-109.

[3]Schulz M，Rinke K，Kōhler J.AQ combined approach of photogrammetrical methods and field studies to determine nutrient retention by submersed macrophytes in running waters[J].Aquatic Botany，2003，76(1):17-29.

[4]童昌華，楊肖娥，濮培民.富營養化水體水生植物凈化試驗研究[J].應用生態學報，2004，15(8):1447-1450.

[5]LiMiao，Wu YueJin，Yu ZengLiang.Nitrogen removal from eutrophic water by floating-bed grown water spinach(Ipomoea aquatic Forsk)with ion implantation[J].Water Research，2007，41:3152-3158.

[6]黃亮，吳乃成，唐濤，等.水生植物對富營養化水系統中氮、磷的富集與轉移[J].中國環境科學，2010，30(S1):1-6.

[7]Jiang C L，Fan X Q，Zhang Y B.Adsorption and prevention of secondary pollution of N and P by emergent plants in farmLand ditch[J].Journal of China Environmental Science，2004，24(6):702-706.

[8]王沛芳，王超，王曉蓉，等.苦草對不同濃度氮凈化效果及其形態轉化規律[J].環境科學，2008，29(4):890-895.

[9]付春平，唐運平，張志揚，等.沉水植物對景觀河道水體氮磷去除的研究[J].農業環境科學學報，2005，24(增刊):114-117.

[10]葉春，鄒國燕，付子軾，等.總氮濃度對3種沉水植物生長的影響[J].環境科學學報，2007，27(5):739-746.

[11]國家環境保護總局，《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京:中國環境科學出版社，2002.

[12]金送笛，李永函，倪彩虹，等.菹草(Potamogeton crispus)對水體中氮、磷的吸收及若干影響因素[J].生態學報，1994，14(2):168-174.