5種水生植物在低濃度污水中氮、磷固定能力比較研究

鄧 然，卜俊超，蔡雄彬

(西南林業大學 園林學院，云南 昆明 650224)

1 引言

近年來，自然濕地系統在人為因素和自然因素的影響下出現了水位下降、萎縮退化、生境破碎的問題［1～4］，原有的濕地植物無法適應不斷增加的污染負荷而生長受到抑制并導致濕地功能退化，濕地系統由于污染負荷增加和功能退化的惡性循環幾乎崩潰［5～7］。通過人為參與盡快的恢復并提升濕地系統功能，使其進入正常的狀態成為解決這一問題的唯一途徑。生態恢復提出根據地帶性規律、生態演替及生態位原理選擇適宜的先鋒植物來構造種群和生態系統，以達到土壤、植被與生物同步分級恢復，使生態系統逐步恢復到一定的功能水平［8］。但是，由于對引用先鋒植物的認知不夠全面，盲目引進、缺乏管理加之水體中豐富的營養，使先鋒植物在短時間內占據濕地的生境空間，形成單一型種群［10～12］，這類有意引進外來物種造成的生物入侵占入侵物種數的49.80%［13］，如大薸(Pistia stratiotes)、鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)、空心蓮子草(Alternanthera philoxeroides)、互花米草(Spartina alterniflora)等惡性雜草被認為是全球100種最具威脅的外來物種。人為干擾造成的生物入侵給原本脆弱的生態系統造成了更加嚴重的創傷［14］。

為了確保人為參與濕地恢復的安全性和有效性，這需要在濕地植物的選擇前對它們有更全面深入的了解。本實驗選擇了5種在濕地中常見的植物:大薸、蘆葦(Phragmites australis)、水蔥(Schoenoplectus tabernaemontani)、茭 草 (Zizania latifolia)、荇 菜(Nymphoides peltatum)作為研究對象，它們在嚴重富營養化的水體中生長旺盛容易成為優勢種，具備生物入侵植物所需的特點。實驗將5種植物種植于低濃度生活污水中，觀察它們在低濃度污水中生物量、TN、TP含量的動態變化及生長狀況，研究這些植物種類在低濃度污水中是否能表現出旺盛的生長能力，以及對營養元素氮、磷的固定能力。通過以上指標分析這5種植物在濕地系統富營養化情況得到緩解后是否依然具有入侵性以及維護系統穩定性的能力。

2 材料與方法

實驗在2010年6～10月完成，5種植物均采自滇池濕地，選擇健康且生長狀況相似的大薸、蘆葦、水蔥、茭草、荇菜植株，生物量為150g種植于直徑、高分別為50cm、60cm的裝有30cm厚細沙的塑料桶中，每只桶裝生活污水26L，水深10cm;5種水生植物在生活污水栽培前用自來水馴化一個月，以使其根部得以修復;實驗在室外進行，有充足光照;每種植物設2個重復，8個時間處理，每30d換1次污水，污水TN、TP濃度分別為13～17mg/L、1.0 ～1.9mg/L。實驗分別在6月21日、7月9日、7月25日、8月10日、8月25日、9月10日、9月26日、10月31日進行植物采收并測量其生物量、TN、TP 濃度測定［16］。

每次實驗時將塑料桶中的植株地上與地下部分以及凋落物全部取出，洗凈泥沙以及葉面灰塵，瀝干水分后稱其鮮重得到生物量;放入理化干燥箱內150℃高溫殺青15min，再調至70℃烘干至恒重后磨碎。植物樣品采用濃硫酸－過氧化氫法消解，TN用次氯酸鈉和水楊酸鈉顯色后采用分光光度法(GB 11894—1989)測定，植株TP鉬酸銨顯色后采用分光光度法(GB 11893—1989)測定。植物TN、TP累積量計算公式為:

式中 Pj和 Bj分別是第 j次植物 TN、TP濃度(mg/g)和生物量(g/m2)。

3 結果分析

3.1 不同濕地植物的生長狀況及生物量動態變化

生物量迅速增長是生物入侵的最直接的表現，當一個物種的生物量達到一定值成為該地區的優勢種，則表改變該地區原有的生態結構并對當地生態系統造成危害。由圖1可見，經過4個月的生長，5種植物在污水中生物量都有明顯上升，且各植物之間生物量差異明顯，依次為:大薸(1599 g/m2)＞水蔥(918 g/m2)＞茭草(711 g/m2)＞蘆葦(503 g/m2)＞荇菜(430 g/m2)。大薸在污水中生物量最大，最高時達到1599g/m2，生物量增加速度穩定，除8月因為實驗生活污水不能滿足大薸生長高峰期生長所需營養，出現了葉片發黃腐爛的現象，生物量有所下降，更換污水后情況好轉，10月大薸進入枯萎期，生物量再次下降［16］;水蔥生物量增加，期間生長狀況良好，生物量呈階段性增長，隨著第一次生活污水的加入，水蔥迅速萌發出新葉，生物量上升較明顯，8月水蔥地下莖及葉片在桶內均勻分布，生長速度較慢，生物量僅從520 g/m2增加到534 g/m2，進入9月后水蔥生物量再次迅速上升，到實驗結束達到最大值;茭草實驗開始后迅速長出新的葉片，生物量明顯增加，8月茭草出現了葉片發黃以及葉鞘腐爛的現象，造成生物量變化波動較大，9中旬后茭草生長進入枯萎初期，生物量增加較少。蘆葦前期生長較緩慢，第一個月生物量僅從100.3 g/m2增加到 128.5 g/m2，此階段蘆葦地上部分的生長只表現為老莖上零星發出新芽，8月中旬之后由于新芽不斷的生長以及地下莖萌發出新的植株，蘆葦的生物量快速增加，9月26日以后生物量增加較少;荇菜生物量變化趨勢與蘆葦相似，與蘆葦生長速度緩慢不同，荇菜實驗開始后很快萌發出新葉及地下橫走莖，但由于大量老葉腐爛導致荇菜前期生物量增長緩慢。8月荇菜進入生長旺盛期生長量明顯多于腐爛量才表現出生物量的明顯增加，9月底進入枯萎期以后生物量增加較少。

圖1 不同植物生物量在生活污水中動態變化

5種植物在低濃度污水中大薸依然表現出明顯的生長優勢，實驗開始后植株很快完全長滿水面，在營養供給和生長空間受到限制時，出現了葉片腐爛的現象;蘆葦、水蔥與茭草均為挺水植物，在自然水體中生物量分別可達到8110 g/m2、1580 g/m2和1650 g/m2［17～19］，都明顯高于實驗結果，說明此 3 種植物生物量受環境環境影響較大，當水體富營養情況得到改善后不會形成生物入侵;3種植物中茭草根系最為發達，蘆葦次之，水蔥根系最少且淺，大量研究結果表明，荇菜在富營養化水體中生物量干重可達到395.3 g/m2［18，20，21］，東太湖水生植物群落結構的演變及其沼澤化，容易成為當地的優勢種［22］，實驗中荇菜生物量最低，穩定性差，說明荇菜生長受到低濃度污水的抑制，不足以形成生物入侵;5種植物中大薸、荇菜和茭草極容易發生腐爛釋放營養物質［23］水蔥和蘆葦釋放強度低，不容易形成二次污染［22，24］。

3.2 不同植物TN濃度動態變化

氮素是植物中蛋白質、核酸、核蛋白、葉綠素及各種酶的組成成分，植物中TN濃度也反映了植物對營養物質的吸收能力及生長狀況，植物體內營養物濃度與植株所處水環境有一定的相關性［25］。由圖2可以看出，5種植物在實驗設計的環境中TN濃度都出現了不同程度的下降，實驗前荇菜(31.93mg/g)＞大薸(17.91mg/g)＞水蔥(17.09 mg/g)＞茭草(14.26mg/g)＞ 蘆葦(9.95mg/g)，實驗結束后大薸(13.87 mg/g)＞荇菜(8.27 mg/g)＞茭草(7.51 mg/g)＞蘆葦(5.80 mg/g)＞水蔥(5.22 mg/g)。同一植物在不同階段TN濃度變化也不同:大薸實驗前后TN濃度在13.78～17.91 mg/g之間，下降23%，與其余4種植物的TN濃度都一直保持下降的趨勢不同，大薸TN濃度在生物量增加緩慢或降低時，TN濃度還會表現出一定程度的上升;蘆葦在整個實驗過程中TN濃度穩定在5.22～9.95mg/g之間，而據文獻報道，在富營養化水體中蘆葦 TN 濃度可以高達 32.15 mg/g［26～28］;荇菜、水蔥、茭草在實驗開始一個月后便完成了在新環境的調整，TN濃度迅速下降到相對穩定的大小:水蔥TN濃度經一個月迅速從17.09mg/g下降到9.24mg/g，依然保持相對較慢的速度下降，而富營養化水體中水蔥植物 TN 濃度可達37.36mg/g［29］;茭草 TN 濃度在富營養化水體中為15.2mg/g［30］，實驗中下降至7mg/g后基本保持不變，還出現了葉片發黃腐爛的現象，說明茭草的TN濃度已經下降到該N環境極限值;荇菜受環境中N濃度影響最大，在高度富營養化水體中荇菜 TN 濃度為17.25mg/g［31］，而在實驗中荇菜 TN 濃度下降程度在5種植物中最大(74%)，第一個月荇菜生物量變化雖然較小，但TN濃度明顯下降66%，這與荇菜大量老葉腐爛及新莖葉萌發有關，之后荇菜生長情況較為穩定，TN濃度下降較緩慢。綜上所述，5種植物在低濃度生活污水中，TN濃度容易受到水環境影響，還與生長量成反比關系，植物生長速度越快TN濃度下降越快。

圖2 不同植物TN濃度在生活污水中動態變化

3.3 不同植物TN累計量動態變化

植物對N的固定能力與植物種類有關［32］，相同植物在不同濃度污水中 TN 累積量也不同［25，33，34］。由圖3可見，在污水中生長4個月，5種水生植物的TN累積量都有不同程度的明顯上升，變化范圍為417.1～1291 mg/m2，大薸TN累積量增加最多，荇菜最少，僅為大薸的30%。對N的固定能力由強到弱的順序為:大薸(1755.96 mg/m2)＞ 茭草(875.42 mg/m2)＞水蔥(767.64 mg/m2)＞蘆葦(665.33 mg/m2)＞荇菜(673.10 mg/m2)。同一植物在不同階段單位面積TN累積量增加速度也不同:大薸7月整體上升較穩定，8月和9月每次換水TN累積量迅速上升15d后由于污水中N源減少后上升較緩慢;茭草實驗開始后TN累積量迅速上升到815.73 mg/m2后，便在650 mg/m2上下波動，實驗結束時TN累積量達到最大值875.42 mg/m2;水蔥TN累計量經過15d迅速上升到591.95 mg/m2，之后 TN 累積量便在358.06 ～552.76 mg/m2之間波動;蘆葦TN累計量僅大于荇菜，除了7月9日及8月25日出現一定程度降低以外，蘆葦TN累積量整體上升較穩定;荇菜TN累積量最低，實驗開始后由于大量老葉及葉片的腐爛導致TN累計量下降到最低值，但是經過一個月的調整后上升趨勢穩定。

圖3 不同植物TN累積量在生活污水中動態變化

3.4 不同植物TP濃度動態變化

P是植物生長所必須的元素之一，是水生植物生長、繁殖的限制因子［35］，從植物TP濃度變化可以看出植物對P元素的需求量，以推測植物的入侵性。結合圖2與圖4可以看出，5種植物中N、P的含量相關性較低，與TN濃度相比，TP的濃度變化差異更明顯:實驗開始時5種植物之間的TP濃度差異較大，荇菜2.25mg/g＞水蔥(2.07 mg/g)＞大薸(1.36 mg/g)＞茭草(0.88 mg/g)＞蘆葦(0.84 mg/g)，結束時差異明顯縮小而且順序也發生了明顯變化，蘆葦(0.87 mg/g)＞大薸(0.83 mg/g)＞茭草(0.76 mg/g)＞水蔥(0.65 mg/g)＞荇菜(0.54 mg/g)。荇菜對生活污水中P源濃度較敏感，實驗開始時TP濃度最高，經過30d的栽培后迅速從2.25mg/g降低到0.64mg/g成為最低，明顯低于自然水體中荇菜的 TP濃度(1.52mg/g)［31］;水蔥對水體中P濃度反應較遲鈍，雖然在實驗設計的環境中 TP濃度從 2.07mg/g下降至 0.65mg/g，高達69%，但與荇菜的迅速下降不同，水蔥TP濃度保持著較穩定的下降速度;大薸TP濃度經過45d從1.36mg/g下降至0.96mg/g后基本保持不變;茭草與蘆葦TP濃度變化相似，實驗前后變化較小分別為14%和5%，TP濃度出現了極少時間的波動，其他時間都較為穩定，說明茭草和蘆葦對p濃度要就較高，不會因為環境中P的變化而發生較大的改變。

3.5 不同植物TP累積量動態變化

由圖5可知，水生植物在實驗設計污水環境中，TP與TN累積量的變化曲線有明顯差異，不同植物對P的固定規律也差異較大，蘆葦TP累積量增加最多，從 18.59 mg/m2增加到98.73 mg/m2，增加了431% 。對P固定能力從強到弱依次為:大薸(105.92 mg/m2)＞蘆葦(98.73 mg/m2)＞水蔥(94.96 mg/m2)＞茭草(88.96 mg/m2)＞荇菜(43.94 mg/m2)。蘆葦實驗前期由于生長緩慢導致TP累積量增加較慢，隨著生長速度加快TP累積量也迅速上升，10月蘆葦進入生長衰退期，TP累積量上升不明顯;水蔥TP累積量從 22.53 mg/m2增加到94.96 mg/m2，增加321% ，實驗開始15d水蔥TP累積量迅速增加后速度降低，8月10日上升至88.31 mg/m2后開始下降，直到9月25日下降至58.99 mg/m2后迅速上升至94.96 mg/m2;大薸TN累積量從37.36 mg/m2上升到105.92 mg/m2，上升184%，大薸TP累積量上升速度較穩定，9月10日以后大薸由于生長進入枯萎期，TP累積量出現了下降;茭草實驗開始后TP迅速增加，1個月后TP累積量一直在85 mg/m2上下變動，實驗結束后達到88.95 mg/m2，與開始時 37.00 mg/m2相比增加140%;荇菜TP累積量最低，從17.99 mg/m2增加到43.94 mg/m2，增加144%，TP累計量前期變化較小，8月25日后隨著生物量的明顯增加TP累積量也迅速增加。

圖4 不同植物TP濃度在生活污水中動態變化

圖5 不同植物TP累積量在生活污水中動態變化

4 結果與討論

本研究在2010年6月至10月通過對植物在26LTN、TP濃度分別為 13 ～17mg/L、1.0 ～1.9mg/L的生活污水栽培，30d換一次水的實驗條件下生物量氮磷固定能力進行研究得到以下結論。

(1)5種植物生物量都有明顯上升，且植物間差異顯著，依次為大薸(1599 g/m2)＞水蔥(918 g/m2)＞茭草(711 g/m2)＞蘆葦(503 g/m2)＞荇菜(430 g/m2)。

(2)實驗開始前植物之間TN濃度差異較大，依次為荇菜(31.93mg/g)＞大薸(17.91mg/g)＞水蔥(17.09 mg/g)＞茭草(14.26mg/g)＞蘆葦(9.95mg/g)，在低濃度污水中5種植物TN濃度都發生了不同程度的下降，實驗結束時大薸(13.87 mg/g)＞荇菜(8.27 mg/g)＞茭草(7.51 mg/g)＞蘆葦(5.80 mg/g)＞水蔥(5.22 mg/g)。

(3)實驗開始時植物之間TP濃度差異明顯:荇菜(2.25mg/g)＞水蔥(2.07 mg/g)＞大薸(1.36 mg/g)＞茭草(0.88 mg/g)＞蘆葦(0.84 mg/g)，結束時差異明顯縮小而且順序也發生了明顯變化，蘆葦(0.87 mg/g)＞大薸(0.83 mg/g)＞茭草(0.76 mg/g)＞水蔥(0.65 mg/g)＞ 荇菜(0.54 mg/g)。

(4)對N的固定能力由強到弱依次為:大薸(1755.96 mg/m2)＞茭草(875.42 mg/m2)＞水蔥(767.64 mg/m2)＞蘆葦(665.33 mg/m2)＞荇菜(444.64 mg/m2)。

(5)對P的固定能力從強到弱依次為:大薸(105.92 mg/m2)＞蘆葦(98.73 mg/m2)＞水蔥(94.96 mg/m2)＞茭草(88.96 mg/m2)＞荇菜(43.94 mg/m2)。

大薸適應環境能力最強，在低濃度污水中依然表現出較強的生長勢頭，對N的固定能力及利用率極強，優勢顯著，對P的吸收固定能力與其他4種植物相比較優勢不明顯，對污水有較強的凈化能力。大薸對環境因素如污水營養狀況、生長面積等改變非常敏感，當環境因子出現不利情況時大薸表現出老葉發黃并腐爛的現象，生長速度也明顯放慢，因此大薸應謹慎使用和精細管理，避免造成不必要的生物入侵和二次污染。

茭草和水蔥在實驗過程中表現相似，N、P固定能力在5種植物中屬于中等水平。水蔥在污水濃度降低的情況下生長狀況依然穩定，TN、TP濃度下降速度穩定;而茭草會出現葉片發黃并腐爛的現象以保持TN、TP濃度在一個穩定的值。茭草對N、P的要求更高，根系發達對基質固定能力強，但莖葉穩定性底容易腐爛，在使用過程中容易形成二次污染，應注意及時收割;水蔥對環境變化反應較慢。對N、P要求不高，植株穩定性較高不容易腐爛，但根系較淺，莖桿脆弱容易倒伏。

蘆葦對環境中N、P濃度變化反應速度緩慢，N、P固定能力屬于中等水平，有良好的上升空間，而且5種植物中蘆葦的穩定性最高、最不容易腐壞、抗伏倒能力最強，不容易形成生物入侵，因此可以作為主導植物使用。

荇菜在富營養化水體中可以成為優勢種，但在實驗過程中表現最差，生物量低、生長狀況不穩定、TN與TP累積量低，這是由于試驗所設計的環境N、P濃度不滿足荇菜的生長。而且荇菜的生長還受到水體透明度的影響，生長狀況不理想時還會出現腐壞的現象。但是浮葉植物也有其獨特的生態地位，可以應用于N、P濃度較高的富營養化嚴重的靜水中。

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