常見水生植物對農田退水中總氮和總磷的凈化能力研究

劉作云，王雅麗，龔道新，焦雨婷

（1.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128；2.湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005）

農田退水是農業非點源污染的主體，也是造成水體污染的重要原因之一[1]。為解決水污染問題，建設污水處理廠雖然是非常有效的措施，但投資巨大。此外，農田退水的排放具有一定的時空分布性，工程治理往往得不到預期的效果。從世界各國的經驗來看，僅靠工程措施仍很難使已惡化的水環境得以完全修復，尤其是對富營養化的水體[2]。植物修復技術作為一種與污水處理廠互補的水處理技術[3]，以其投資少、運行維護費用低、沒有二次污染[4-5]，且能夠有效地改善生態和景觀環境質量等優點而日益受到人們的關注[6-7]。研究通過實驗室模擬，較為系統地探討了6種常見水生植物對農田退水中總氮（TN）和總磷（TP）的凈化作用，同時對比研究了這6種水生植物對農田退水中TN和TP凈化能力的差別，以期為農田退水進行高效、低成本的中端治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試植物的采集與馴化 供試植物：水芹菜、空心菜、紫背浮萍、水浮蓮、三葉浮萍和滿江紅。采集地點：湖南省長沙縣黃興鎮水稻種植區邊的小池塘；湖南省長沙縣泉塘果蔬種植地邊的小池塘；湖南省園藝研究所果樹基地附近的小池塘；湖南農業大學試驗研究基地的小池塘。

將從野外采集回來的供試植物分別在湖南農業大學農業環保研究所的生態模擬池中馴化培養一段時間。生態模擬池中加入一定量的農田退水，并加入一定量的人工營養液，其組成為：20 mg/L NH4NO3，15 mg/L CaCO3（用濃HCl溶解），50 mg/L MgSO4·7H2O，40 mg/L K2HPO4，50 mg/L FeSO4·7H2O，1 mg/L Na2-EDTA，1.42 mg/L H3BO3，1.54 mg/L MnSO4·7H2O，6.59 mg/L ZnSO4·7H2O，2.52 mg/L Na2MoO4·2H2O，0.39 mg/L CuSO4·5H2O，0.09 mg/L CoSO4·7H2O。培養液的pH值用KOH溶液調至7左右，培養溫度為23~28℃，光照為3 000~5 000 Lx，光暗時間比為16 h∶8 h，待供試植物大量擴增后用作試驗材料。

1.1.2 農田退水樣品的采集分析與人為模擬 從長沙縣或湖南省農科院水稻、蔬菜及果樹種植區的周邊，選擇一些小池塘并從中采集水樣分析其中TN和TP的量，在此基礎上配制試驗用農田退水：從湖南農業大學教學科研試驗基地的小池塘中采集水樣，水樣經初次沉淀等預處理后，分別加入NH4HCO3和K2HPO4，使模擬農田退水中TN含量為45.0 mg/L，TP含量為18.5 mg/L，同時調節pH值為7.2左右。

1.2 試驗設計

8月11日選取6種水生植物（水浮蓮、紫背浮萍、水芹菜、三葉浮萍、滿江紅、空心菜）在供試水體中適應培養7 d后，分別稱取（用吸水紙吸干水分）200.0 g，移入直徑為75 cm、高度為18 cm的圓心塑料盆中（其內裝有供試用農田退水），試驗用水20 L。試驗在玻璃溫室里進行，用蒸餾水來補充容器中蒸發和蒸騰所耗的水分，以保持恒定水位。在培養 1、2、3、5、7 d后，直接測定水體中 TN 或 TP 的含量，計算不同處理下水生植物對TN或TP的凈化率。凈化率（%）=100×培養前后農田退水中TN或TP濃度差/培養前農田退水中TN或TP濃度。試驗重復3次，并設對照處理。

1.3 測定方法與步驟

TN測定采用GB11894-89《堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》[8]。吸取水樣10 mL于25 mL具塞比色管中，加5 ml堿性過硫酸鉀溶液，塞緊磨口塞，用紗布及紗繩裹緊管塞，將比色管置于壓力蒸汽滅菌鍋中，調節溫度至120～124℃，保持30 min，自然冷卻，開閥放氣后，取出比色管，冷卻至室溫，加入HCl（1∶9）1 mL，用無氨水稀釋至25 mL標線，移取部分溶液至10 mm石英比色皿中，以無氨水為參比，分別測定其在波長220 nm和275 nm處的吸光度。用無氨水代替水樣進行空白校正，用硝酸鉀標準溶液配制標準系列，繪制標準曲線定量。試驗重復3次，取平均值。

TP測定采用GB11893-89《鉬酸銨分光光度法》[9]。吸取水樣25 mL于50 mL具塞比色管中，加入4 mL過硫酸鉀溶液，塞緊磨口塞，用紗布及紗繩裹緊管塞，將比色管置于壓力蒸汽滅菌鍋中，調節溫度至120℃，保持30 min，自然冷卻，開閥放氣后，取出比色管，冷卻至室溫，再加入1 mL抗壞血酸溶液，混勻，30 s后加入2 mL鉬酸鹽溶液，混勻，放置15 min，移取部分溶液至30 mm石英比色皿中，以蒸餾水為參比，測定其在波長700 nm處的吸光度。用蒸餾水代替水樣進行空白校正，用磷酸鹽標準溶液配制標準系列，繪制標準曲線定量。試驗重復3次，計算平均值。

2 結果與分析

2.1 農田退水中總氮的動態變化

6種供試水生植物對農田退水中TN的凈化率見表1。可見：當有水生植物存在時，農田退水中TN的凈化率大為提高，這說明6種供試水生植物對農田退水中TN的凈化能力很強。在試驗1~3 d時供試水體中的TN濃度急速下降，到5 d時水體中的TN濃度趨于平穩，5~7 d后水體中的TN濃度變化不大；在試驗進行5 d后，6種供試水生植物對農田退水中TN的凈化能力的大小順序為：空心菜>水芹菜>紫背浮萍>水浮蓮>三葉浮萍>滿江紅。在處理20 d后，供試水生植物對農田退水中TN的凈化率達85.8%~95.6%，凈化率大小順序為：空心菜>水芹菜>水浮蓮≈紫背浮萍>滿江紅≈三葉浮萍。但是在試驗早期（前3 d），三葉浮萍和滿江紅對農田退水中TN的凈化能力較強，而在后期（3 d以后）則逐漸減弱；水芹菜、紫背浮萍和水浮蓮則正好相反，它們在試驗早期對農田退水中TN的凈化能力相對較弱，而在后期則逐漸加強。導致這種差異的主要原因是三葉浮萍和滿江紅的根系較短、單位體積的重量較小，相同質量的水生植物的個體數量多；而水芹菜、空心菜、紫背浮萍和水浮蓮的根系較長，單位個體的重量較大，相同質量的水生植物的個體數量少。而且，滿江紅和三葉浮萍等還可吸收固定大氣中的氮，導致其后期對農田退水中TN的凈化作用減弱。

表1 6種供試水生植物對農田退水中TN的凈化率（%）

2.2 農田退水中總磷的動態變化

6種供試水生植物對農田退水中TP的凈化率見表2。可見：當有水生植物存在時，農田退水中TP的凈化率大為提高，遠高于對照組，尤以水芹菜對水體中TP的凈化率最高；處理7 d后，6種供試水生植物對農田退水中TP的凈化率大小為：水芹菜>空心菜>水浮蓮>紫背浮萍>三葉浮萍>滿江紅。處理20 d后，TP的凈化率達95.3%~97.2%，凈化率大小順序為：水芹菜>空心菜>水浮蓮>紫背浮萍≈三葉浮萍≈滿江紅。在試驗處理7 d后對照處理組中TP的去除率僅為41.2%，而有水生植物的處理組則在85%以上，這說明水生植物的種植可以顯著地加快對農田退水中TP的凈化作用。

表2 6種供試水生植物對農田退水中TP的凈化率（%）

3 討論

試驗發現，水芹菜、空心菜、紫背浮萍、水浮蓮、三葉浮萍和滿江紅都能有效地加速凈化農田退水中的TN和TP，利用這些常見的水生植物及其群落組合系統凈化農田退水中的TN和TP是農業面源污染治理的一個可行途徑。不過，試驗所選擇的6種水生植物僅是湖南地區常見的很少一部分植物，在不同地區的生態環境條件下還有更多的植物可供選擇，今后還應擴大范圍在更廣的區域篩選出更多的對農田退水中的TN和TP等有良好凈化作用的植物。

由于研究目前尚局限于實驗室的模擬研究階段，目的在于篩選對農田退水中氮、磷等具有凈化能力的植物，研究時間有限，所得到的數據也不是長期穩定的，僅進行了初期的分析，對以后的實地推廣應用還應深入系統地研究。此外，由于影響污染物質在水體及植物組織體內遷移轉化規律的因素較多，而本研究是在玻璃溫室中進行的，所設計的環境條件均處于一種較為理想的狀態（pH=7左右，溫度為23~28℃，光照為3 000~5 000 Lx，光暗時間比為16 h∶8 h），適合于植物生長，因而試驗效果也是一種較為理想的狀態；而且研究的目的重在觀察和分析對模擬農田退水的處理效果，而對污染物去除的機制缺乏深入的探討，還需要進一步的分析。

4 小結

6種供試水生植物（水浮蓮、紫背浮萍、水芹菜、三葉浮萍、滿江紅、空心菜）可以大量吸收利用農田退水中的TN和TP等營養物質。利用水生植物凈化20 d后，其中TN的凈化率達85.8%～95.6%，TP的去除率達95.3%～97.2%，均遠高于對照組的55.6%（TN）和58.9%（TP）。而且，生物方法處理后，水生植物及其產品可以作為肥料、飼料或蔬菜，這樣不僅可以有效凈化農田退水中氮、磷等營養物，又可以實現物質的循環利用。

[1]張愛平，楊世琦，張慶忠.寧夏灌區農田退水污染形成原因及防治對策[J].中國生態農業學報，2008，16（4）：1037-1042.

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[3]王旭明，匡 晶.水芹菜對污水凈化的研究[J].農業環境保護，1999，18（1）：34-35.

[4]劉 音，張升堂.被污染水體的植物修復技術研究進展 [J].安徽農業科學，2009，37（15）：7147-7149.

[5]李安明，鄧青云，李德華，等.內生細菌在植物修復中的應用[J].湖北農業科學，2011，50（19）：3893-3896.

[6]Arnlg Meizer.Aquatic macrophytes as tools for lake management[J].Hydrobiologia，1999，395/396:181-190.

[7]吳玉樹.根生沉水植物菹草對滇池水體的凈化作用[J].環境科學學報，1991，11（4）：411-416.

[8]GB 11894-89.堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[S].

[9]GB 11893-89.鉬酸銨分光光度法[S].