不同類型水生植物對富營養化水體氮轉化及環境因素的影響

張 芳， 易 能， 張振華， 劉新紅， 嚴少華， 高 巖， 唐婉瑩

(1.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094;2.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，江蘇 南京 210014)

水體富營養化已經成為中國水環境亟待解決的重大問題［1-3］。在現有的污染水體治理技術中，有化學除藻、加入微生物菌種和底泥疏浚等治理措施，可是實際效果并不理想，水質改善進展十分遲緩［4-5］。水生植物修復技術作為一種污水生態處理技術，和傳統污水二級生化處理工藝相比較，有著工藝設備簡單、投資運行成本低、氮磷去除能力強、對水力及污染負荷的抗緩沖力強、生態效益明顯、對環境干擾小等特點，收獲的植物還可作為食品和飼料回收再利用［6-8］。因此，水生植物修復技術適合于城市生活污水的第二級處理、風景區景觀水體的處理和湖泊河流的修復，特別是對1×108m3以上水量和總氮含量在20 mg/L以下的水體更是經濟有效。

不同類型水生植物凈化水體氮、磷的效率和能力有差異，凈化機制也有所不同［9-10］。然而，以往研究多側重于水生植物吸收、提取氮元素的效果和機理，忽略了不同類型水生植物介導下其他凈化途徑的比較［11］，如微生物驅動的氮轉化過程、硝化反硝化等，其中硝化、反硝化等生物脫氮過程可將水體氮轉化為氣態產物(N2O、N2)進入到空氣中，這對減緩水體生態系統中過量氮負荷帶來的負面效應具有重大意義。

本研究通過靜態水培試驗，考察不同生活型水生植物對富營養化水體中氨態氮、硝態氮、總氮的去除能力，以及對水體釋放N2O、N2等及理化環境因素的影響，期望為揭示種植不同類型水生植物條件下富營養化水體氮轉化規律和機理，以及為篩選凈化各類污水的適宜植物提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗用水生植物

選取適合本地區亞熱帶季風氣候類型4種不同生活型的代表性水生植物作為試驗物種，即:大型漂浮水生植物鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)，又名水葫蘆，采自江蘇省農業科學院2號富營養化蓄水塘;浮葉植物菱角(Trapa)，采自江蘇省農業科學院宜興基地;沉水植物黑藻(Hydrilla verticillata)，采自江蘇省農業科學院六合基地養魚塘;多年生浮葉植物睡蓮(Nymphaea tetragona)，采自江蘇省農業科學院南側水塘。

1.2 試驗用富營養化水體

采用人工配置的污水，在自來水中加入一定量的KNO3、NaH2PO4、葡萄糖，使水體硝態氮(NO-3-N)含量為10 mg/L，總磷(TP)含量為2 mg/L，總有機碳含量為20 mg/L。

1.3 試驗設計

試驗分2個階段開展，分別于8月份和10-11月份進行，分別代表植物生長旺盛期和植物生理活動減弱期。設置分別種植4種水生植物的4個處理和未種植水生植物的對照，各處理重復4次，采用隨機區組分布排列。試驗在20個獨立水泥池中進行，水泥池長152 cm，寬137 cm，深120 cm。四周和底部鋪有黑色防水布，底部鋪有30 cm厚底泥。池中底泥本底值為:總氮(TN)含量為4.5 mg/g，TP含量為1.3 mg/g，有機質含量為41.3 mg/g，pH值為7.05。提前移栽4種水生植物培養，8月初試驗開始時各處理植物覆蓋度為100%。

1.4 數據采集和分析

試驗開始前配置試驗用污水，配水過程中不斷輕輕攪動，將加入的養分混合均勻，配水后穩定一段時間，取水樣、植物樣測定各種指標的初始值。由于試驗初期各項指標的變化迅速，因此采集水樣較為頻繁，配水后12 h、24 h、48 h各取1次水樣，之后每隔1 d取1次水樣，取樣量為100 ml。取樣方式為多點取樣，于5 L的聚乙烯桶中混勻，用塑料瓶取100 ml帶回試驗室立即測定銨態氮含量測定采用酚二磺酸光度法含量測定采用納氏試劑光度法，TN含量測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法。

在試驗期間于固定時間(下午4∶00)用多功能水質測定儀(YSI ProPlus)現場測定各處理水體表層(水面以下5 cm)和水體底層(底泥上5 cm)環境參數［溫度(T)、酸堿度(pH)、溶解氧(DO)濃度］。

在天氣晴朗的條件下，每隔2 d采集1次氣體，如遇陰雨天，適當延長間隔時間。氣體采集裝置為本研究室設計的氣體收集裝置［12-14］，裝置有4個小罩子，用2個三通閥連接1個采氣瓶。用氣相色譜儀測定水體釋放氣體的總量及N2、N2O和O2等分量，具體分析方法參照參考文獻［12］、［13］、［14］。

1.5 數據處理

用Excel和Spass18.0進行數據整理和方差分析，用Sigmaplot作圖。統計檢驗顯著性概率為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 不同類型水生植物對水體氮去除能力的影響

圖1 種植不同水生植物水體中NH4+-N含量變化Fig.1 Changes of NH 4+-N concentrations in the water with or without cultivation of different types of aquatic plants

如圖1所示，在2個試驗階段(8月份、10-11月份)，各處理NH+4-N濃度呈波動變化，但試驗結束時，均有明顯的下降。8月份植物生長旺盛時期，試驗過程中，睡蓮處理的NH4-N濃度基本保持最高，變幅為(2.94±0.48)mg/L至(1.32±0.22)mg/L，其次是菱角處理，變幅為(2.11±0.06)mg/L至(0.38±0.06)mg/L，黑藻處理為(2.06±0.44)mg/L至(0.16±0.01)mg/L，對照為(1.82±0.43)mg/L至(0.22±0.01)mg/L，鳳眼蓮處理NH+4-N濃度變幅為(1.00±0.12)mg/L至(0.15±0.01)mg/L，最終濃度最低。10-11月在植物凋亡期，試驗過程中，睡蓮處理的NH+4-N濃度依舊最高，變幅為(4.72±0.27)mg/L至(1.24±0.27)mg/L，其次是對照和黑藻處理，變幅分別為(1.91±0.73)mg/L至(0.22±0.03)mg/L和(1.58±0.18)mg/L至(0.24±0.04)mg/L，菱角和鳳眼蓮處理差異不大，兩者NH+4-N濃度最低。

圖2 種植不同水生植物水體中NO3－-N含量變化Fig.2 Changes of NO 3－-N concentrations in the water with or without cultivation of different types of aquatic plants

圖3 種植不同水生植物水體中總氮(TN)的含量變化Fig.3 Changes of total nitrogen concentrations in the water with or without cultivation of different types of aquatic plants

由圖3可知，在2個試驗階段，各處理TN濃度都在試驗開始后迅速降低，之后趨于平穩。8月份各處理TN濃度下降的速率高于10-11月份。在2個試驗階段，各處理間TN濃度的降低速率及程度表現出明顯的差異。8月份，試驗開始后2 d，鳳眼蓮處理的TN濃度下降最快，降低到 (2.12±0.16)mg/L，其次是菱角處理，降低到 (2.34±0.21)mg/L，黑藻和對照的 TN濃度降低的速率最小;10-11月份，鳳眼蓮處理的TN濃度降低速率最大，降低到(1.35±0.14)mg/L，其次是黑藻處理，降低到(3.18±0.24)mg/L，對照降低速率最小。分別在8月份和10-11月份試驗結束時，各處理TN最終濃度也表現出一定的差異，鳳眼蓮處理的TN最終濃度均最低，分別為 (0.98±0.21)mg/L和 (1.16±0.11)mg/L，其他處理間差異不大，最終濃度分別為(1.14±0.16)mg/L至(1.91±0.88)mg/L和(1.46±0.10)mg/L至(3.14±2.01)mg/L。

2.2 不同類型水生植物對水體釋放氣體規律的影響

水體釋放氣體測定結果(表1)顯示，在2個試驗階段各處理氣體釋放總量、濃度及通量差異較大。8月份植物生長旺盛期試驗期間水體釋放氣體的總量顯著高于10-11月份植物緩慢生長期(P＜0.05)，在2個試驗階段黑藻處理釋放氣體總量最大，分別為 (3 272.68±950.21)ml和 (1487.91±628.56)ml，其余依次為:對照、睡蓮處理、菱角處理、水葫蘆處理。在2個試驗階段，各處理釋放氣體的濃度也表現出明顯的差異。除O2外，各處理釋放的N2、N2O濃度基本上表現為8月份植物生長旺盛期顯著高于10-11月份植物生長緩慢期(P＜0.05)，在2個試驗階段，各處理釋放的N2濃度最大，N2O濃度最小。

從各處理釋放氣體的通量來看，8月份植物生長旺盛期顯著高于10-11月份植物生長緩慢期(P＜0.05)。同一試驗階段不同處理間釋放各類氣體的通量存在很大差異，其中黑藻處理在2個試驗階段釋放各類氣體的通量均為最大，鳳眼蓮最小。8月份各處理釋放N2通量大小順序為:黑藻處理＞睡蓮處理＞對照＞菱角處理＞鳳眼蓮處理;10-11月份各處理釋放N2、O2通量大小順序皆為:黑藻處理＞對照＞菱角處理＞睡蓮處理＞鳳眼蓮處理;8月份各處理釋放O2、N2O通量大小順序皆為:黑藻處理＞對照＞睡蓮處理＞菱角處理＞鳳眼蓮處理;10-11月份各處理釋放N2O通量無差別。

表1 不同類型水生植物處理水體釋放的氣體總量、濃度及通量Table 1 The amount，concentrations and flux of gas released by four types of aquatic plants in two growth periods

2.3 不同類型水生植物對水體理化指標的影響

8月份水體表層和底層溫度、酸堿度(pH)、溶解氧(DO)都高于10-11月份(表2)。2個試驗階段同一處理水體表層和底層溫度無明顯差別，不同處理之間水溫表現出一定的差異。在8月份，黑藻處理水體表層水溫與對照表層溫度相近，平均溫度分別為31.03℃和31.23℃，并且均顯著高于其他處理(P＜0.05);鳳眼蓮處理的水體表層溫度最低，平均溫度為29.42℃，顯著低于其他處理(P＜0.05);種植水生植物的水體底層溫度 (27.3～30.6℃)顯著低于對照的水體底層溫度(31.23℃)(P＜0.05)。10-11月份，各處理間水溫差異不顯著(P ＞0.05)。

在2個試驗階段，同一處理水體表層DO濃度整體高于底層。不同處理間水體DO濃度表現出明顯差異，8月份對照水體表層DO濃度平均為10.41 mg/L，顯著高于黑藻處理的表層 DO濃度(P＜0.05)，水體表層DO濃度大小順序為:對照＞黑藻處理＞菱角處理≈睡蓮處理＞鳳眼蓮處理;底層DO濃度大小順序為:對照＞黑藻處理＞鳳眼蓮處理＞菱角處理＞睡蓮處理。10-11月份，各個處理表層和底層DO濃度大小順序均為對照＞菱角處理＞黑藻處理＞鳳眼蓮處理＞睡蓮處理。

8月份水體表層和底層pH均高于10-11月份。同一處理水體表層pH基本上稍高于底層，8月份黑藻處理表層pH平均值為9.72，底層為8.17。8月份，黑藻處理表層和底層水體pH值與對照差異不大，黑藻處理和對照均顯著高于鳳眼蓮處理、菱角處理和睡蓮處理，而鳳眼蓮處理、菱角處理和睡蓮處理的表層間和底層間pH值差異均不顯著。

表2 不同類型水生植物處理的水體溫度、溶解氧濃度、pH值的變化Table 2 Changes of temperature，dissolved oxygen(DO)and p H value of water with four types of aquatic plants

3 討論

在靜態模擬試驗中發現，隨著試驗時間的延長，漂浮植物鳳眼蓮、浮葉植物菱角和睡蓮、沉水植物黑藻4種水生植物對富營養化水體中都有不同程度的凈化作用。雖然未種植水生植物的對照中各形態氮含量也呈下降趨勢，但其下降幅度明顯低于種植水生植物的處理。根據前期研究結果，未種植水生植物的水體主要通過硝化、反硝化等生物脫氮過程損失氮素［15］。水生植物對氮素的去除能力與植物本身的生物學特性和生態類型有關，如鳳眼蓮生長過程中分蘗迅速，生物量增加快，其發達的根系與水體的接觸面積很大［16］，使得對水體中氮素的吸收能力增強［17］。因此，鳳眼蓮對水體中氮素的表觀去除率較高，且能吸收低濃度的氮素［18］。而且鳳眼蓮易于收獲處置，不會造成二次污染。菱角莖上長有大量須根，與水體的接觸面積較大，對水體養分的吸收能力也較強，但其凈化能力次于鳳眼蓮。目前，已有利用菱角修復富營養化水體的生態修復工程［19］。菱角可同時從底泥中吸收氮磷養分，降低底泥內源養分釋放的風險，但菱角不易收獲，大面積種植條件下無法實現機械化快速打撈，根莖腐爛后具有引起二次污染的風險。黑藻根系扎于底泥，植物體沉于水中，與水體的接觸面積也較大，但黑藻吸收水體營養元素的同時，也吸收底泥中的養分，黑藻處理對水體養分的吸收能力次于菱角。黑藻莖葉脆弱，容易損傷，根系扎根于底泥，須根發達且細弱，是實現人工或機械收獲難度最大的植物。浮葉植物睡蓮與菱角類似，但沒有菱角的須根，也不像黑藻植株沉在水中，僅依靠根系從底泥中吸收養分，所以其凈化水體的能力最弱。

4種水生植物對水體微生物硝化、反硝化的調節作用不同是導致其對富營養水體氮素凈化能力差異的另一原因［20］。本研究通過利用新方法收集水體中各種生物反應釋放的氣體，發現種植不同水生植物的水體釋放氣體的總量和各氣體組分(N2、N2O、O2)的釋放通量具有很大差別，總體上水體中氣體產生量的大小順序為:黑藻處理＞睡蓮處理≈對照＞菱角處理＞鳳眼蓮處理。黑藻植株沉于水下，能通過光合作用向水體釋放氣體［21］，增強水體中通過光合作用釋放氣體的量，從而增加了水體釋放氣體的總量及各氣體組分(N2、N2O、O2)的釋放通量;而睡蓮、菱角及鳳眼蓮的葉片覆蓋于水面，抑制水體中的光合生產力，同時抑制大氣向水體復氧，導致水體中氣體產量較黑藻減少，特別是鳳眼蓮，遮光作用使水體中藻類濃度急劇降低，抑制藻類生長［22］，因而藻類光合作用釋放的氣體也較少，故種植鳳眼蓮的水體氣體產生量最少。

種植水生植物的處理中硝化、反硝化生物脫氮釋放的氣態產物均以N2為主，N2O中間產物濃度很低，這與稻田等生態系統排放大量溫室氣體N2O的情況不同［23］。黑藻處理中，水體釋放N2通量顯著高于其他處理，黑藻的根扎于底泥中，底泥中氮含量通常是水體中氮含量的上千倍［24］，黑藻可能主要通過促進底泥中反硝化脫氮過程加強了水體系統的反硝化作用［25］，如促進底泥顆粒物的分解，造成缺氧環境促進反硝化作用［26-27］，根系脫落物增加反硝化作用的碳、氮源，改變沉積物及沉積物-水界面間的硝化-反硝化過程，促進銨的硝化過程，甚至也促進硝化與反硝化的耦合作用［28］等;另外，黑藻處理光照充足，莖葉為各類微生物的生長和繁殖提供了良好的附著表面［29］，也能夠在一定程度上促進水體中的反硝化作用。鳳眼蓮處理水體釋放的N2通量最小，硝化、反硝化速率較其他處理慢，這與鳳眼蓮促進反硝化作用［15］的結論相反，這可能是因為鳳眼蓮繁殖速度快，植株密度很大，阻礙水氣界面的氣體交換，水體中產生的氣體無法直接從水面排出，但鳳眼蓮具有發達的通氣組織，莖葉基部膨大的氣囊具有發達的海綿組織，水體中硝化、反硝化過程產生的氣體可能會通過通氣組織向空氣中擴散。有大量研究結果表明，很多濕地植物如水稻、蘆葦等能夠通過發達的通氣組織傳輸水體及底泥產生的N2O和CH4［30-34］。另一方面可能是由于本試驗是靜態模擬實驗，期間水體無外源氮補充，鳳眼蓮吸收養分的速率極快，在3～5 d內就使水體中的總氮含量降低到小于1 mg/L，在大生物量鳳眼蓮存在的條件下氮素含量顯著降低使硝化、反硝化反應過程缺少底物，從而使得硝化、反硝化脫除的氮對TN去除的貢獻最小。菱角和睡蓮雖然對水面也具有明顯的覆蓋遮陰作用，但繁殖速率及覆蓋密度略低于鳳眼蓮，且根系扎于底泥，能夠促進底泥中的硝化、反硝化作用，因此這2種植物對水體釋放生物脫氮氣體的通量略高于鳳眼蓮。

本試驗發現不同類型水生植物對環境因素的影響有所差異，鳳眼蓮能明顯降低水體的DO濃度、pH值和溫度。大量試驗結果也已經證實［35-37］，影響水體DO的因素主要是水體中藻類光合作用放氧、大氣復氧及水體有機物分解耗氧。鳳眼蓮的遮光作用，減少了藻類光合作用的放氣量［38］，也阻斷了大氣向水體復氧，此外鳳眼蓮根系的呼吸作用也消耗水體的DO，所以鳳眼蓮處理的DO濃度在8月份最低，而10-11月份鳳眼蓮處理的DO濃度變大，可能是因為鳳眼蓮在10-11月份生長緩慢，覆蓋度下降，光的透過率增加，使得大氣向水體復氧，故DO濃度變大。鳳眼蓮的生長特性使得其處理的水體溫度低于對照溫度，同時繁茂的植株可以為水體保溫。鳳眼蓮處理中pH值的降低是因為藻類對水體CO2的吸收利用減少，一些有機物在鳳眼蓮根際的分解產生大量有機酸，鳳眼蓮根系及水生動物呼吸作用產生CO2等。對照水體中含有大量的浮游藻類，浮游藻類進行光合作用放氧，使水體溶氧量升高，同時由于對照中光被遮擋較少，底層溶氧也較高。黑藻由于沉水特性，自身的光合作用釋放氧氣，吸收二氧化碳，故水體DO濃度較高，由于葉片的遮擋效應，底層葉片的光合作用較弱，因此表層水體的溶氧變化幅度大于底層水體。黑藻處理與對照間水體DO濃度無顯著差異，但顯著高于其他3個處理。沉水植物能顯著提高水體的pH值，與文獻［27］報道一致，主要原因是沉水植物的光合作用消耗水中的。菱角和睡蓮處理對光的遮擋大于對照和黑藻處理，小于鳳眼蓮處理，大氣復氧能力強于鳳眼蓮處理，弱于黑藻處理和對照，故DO濃度高于鳳眼蓮處理，低于黑藻處理和對照;10-11月份試驗階段由于溫度降低，菱角大量凋亡，菱角處理的水體溶氧量逐漸接近對照。菱角和睡蓮處理中藻類生長能力也介于鳳眼蓮、黑藻處理與對照之間，故pH也呈現相同的規律。這一規律可以用于指導富營養化水體的管理，特別是需要保持較高溶氧量的生態系統中，如果環境條件(水深、底泥、養分等等)適宜，采用黑藻較為合適。在溫暖的氣候下，這4種植物都適于治理水體。但在低溫條件下水生植物對營養物的去除能力均有所下降，這是生物修復的主要弊端，這時可以考慮采用其他的修復技術，例如生物電化學和物理電化學技術。

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