人工植物塘對河道N、P的去除效果

楊小紅 趙文 林陶

摘要：在貴陽市麥西河小菁村六砂段監測了人工植物塘滯留并聯不同水力滯留時間及植物塘貫通串聯條件下水體中氮磷營養物質的去除效果及動態規律。結果表明，滯留并聯、貫通串聯植物塘對總氮和總磷都有很好的去除效果，其中擁有沉水、挺水、浮水植物的綜合植物塘處理效果最好，滯留并聯時滯留5 d總氮和總磷的去除率分別為92.81%、80.77%，貫通串聯時總氮和總磷的去除率平均值為11.28%、27.83%。水生植物對水體中氮磷的去除效果與植物種類有關。

關鍵詞：河道修復；水生植物；人工植物塘；總氮；總磷；去除率

中圖分類號：X173；X522 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）14-3376-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.012

Removal of N and P in River Channel by Artificial Hydrophytes Pond

YANG Xiao-hong1，ZHAO Wen1，LIN Tao2

（1.Guizhou Institute of Walnut/Guizhou Forestry Academy， Guiyang 550011， China； 2.Key Laboratory of Mountainous Environmental Information System and Ecological Environment Protection in Guizhou Province， Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China）

Abstract：Under the conditions of different parallel hydraulic retention time and a tandem flowing， the removal effects and dynamic laws of total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） were monitored in the artificial hydrophytes pond in Liusha of Maixi River in Xiaojing Village， Guiyang City. The results showed that， parallel and tandem flowing had a good removal efficiency of TN and TP. The artificial hydrophytes pond which had submerged， emerged， floating plants had the best effect， the removal rates for TN and TP were 92.81%，80.77% after five days parallel， and the average removal rates for TN and TP were 11.37%，28.25% after tandem flowing. The removal effect of hydrophytes on water TN and TP has a relationship with the hydrophyte species.

Key words：river restoration； hydrophytes； artificial hydrophytes pond； total nitrogen； total phosphorus； removal efficiency

研究表明，超過一半的收納水體氮磷負荷來自于農業流域的非點源氮磷[1]，尤其是農田的地表徑流對水體的污染貢獻最大[2，3]，非點源污染物主要通過河流系統進入湖泊、水庫。大量研究證明，水生植物可以吸收、富集水中的營養物質及其他元素，增加水體中的溶解氧含量，或抑制有害藻類繁殖，遏制底泥營養鹽水中再釋放，利于水體的生態平衡等[3-5]。水生高等植物能有效地凈化富營養化水體，提高水體自凈能力[6]。彭劍峰等[7]考察浮萍塘中氨氮、氮氧化物和有機氮在底泥、水體和水生生物間的遷移轉化過程，構建了浮萍塘中氮素形態轉化模型。相洪旭等[8]通過小型模擬實驗，重點考察水葫蘆、大藻、聚草塘對化糞池出水的凈化效果，分析主要污染物的去除特性，探索解決農村分散生活污水的收集處理及河道治理問題。受損河道水生植物群落恢復與重建是被廣泛采用的河道生態修復手段。水生植被的重建能恢復河道自凈能力，改善污染水體，從而減少農業非點源污染物對湖泊、水庫的輸入，控制湖庫富營養化進程[9]。本研究采用現場試驗方法，研究水生植物水質凈化機理及凈化效果，為山區污染河道的生態修復與治理提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗條件與方法

1.1.1 試驗場地 麥西河是貴州高原百花湖的第二大入湖河流，發源于貴陽市烏當區野鴨鄉小龍潭，至金陽新區麥乃村附近入百花湖，河流長9.5 km，多年平均徑流量0.26億m3。是一個典型農業景觀為主的小流域，旱坡地和水田是流域內兩種主要的農業耕作景觀，旱坡地由于經常耕作和使用農藥化肥，成為了流域內主要的非點源污染源地。麥西河流域居民主要為農業人口，交通條件落后，農業基礎設施薄弱，經濟較為落后。獨特的氣候與經濟條件也是本區域非點源污染的部分原因[10]。

野外試驗現場位于貴陽市麥西河小菁村六砂河段，氣候為季風濕潤型氣候區，冬暖夏涼，年平均氣溫13.5～14.5 ℃，多年來平均降雨量為961.4 mm，多年平均氣溫14℃，年最大降雨量1 158.5 mm，年最小降雨量729.6 mm，年降雨量在時間上分布不均勻，主要集中在5～9月，約占全年降雨量的72%。

修建4個人工植物塘（圖1），面積分別為54.88、65.52、47.6、78.4 m2。通過管道及溝渠將麥西河河水引入人工植物塘。各植物塘有獨立的進出水口，并設置可串聯貫通的管道。試驗區土壤總氮含量1 759.61 mg/kg，總磷含量705.84 mg/kg。

1.1.2 水生植物引種馴化 于貴陽市羊艾農場、平壩縣、情人谷等河中采集生長狀況好的野生水生植物移植入人工植物塘。按菱形排列方式種植，每平方米約25株。在C2植物塘引種石菖蒲130窩，在C3植物塘引種7～30 cm苦草218窩，在C4植物塘引種慈姑11株，藨草、水蔥16株。配合自然生長的原生植物形成水生植物群落。C1為空白對照，不引種植物；C2為挺水植物塘，塘內植物為菖蒲（Acorus calamus L.）、石菖蒲（Acorus tatarinowii）、水芹菜[Oenanthe javanica （Blume） DC.]；C3為沉水植物塘，塘內植物為苦草（Vallisneria natans （Lour.） Hara）、眼子菜（Potamogeton distinctus A.Benn.）、慈姑（Sagittaria trifolia Var. sinensis）、竹葉眼子菜（Potamogeton malaianus Miq.）、小茨藻（Najas minor All.）、輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）；C4為混合植物塘，引種有挺水、浮葉、沉水植物，包括眼子菜、慈姑、竹葉眼子菜、小茨藻、輪葉黑藻、水莎草（Cyperus glomeratus L.）、水蔥（Scirpus validus）、球穗扁莎（Pycreus globosus （All.） Reichb.）、絲葉球柱草[Bulbostylis densa （Wall.） Hand.-Mzt.]、菹草（Potamogeton crispus）、喜旱蓮子草[Alternanthera philoxeroides （Mart.） Griseb.]、金魚藻（Certophyllum demersum）、藨草（Scirpus triqueter Linn.）、蓖齒眼子菜（Potamogeton pectinatus L.）、睡蓮（Nymphaea alba）、狐尾藻（Alopecurus pratensis L.）。但由于試驗場地在野外，試驗監測期較長，4塊植物塘內在一些時期都不同程度生長了原生植物，如滿江紅[Azolla imbricata （Roxb.） Nakai]、喜旱蓮子草、浮萍（Lemna minor L.）、水綿（Spirogyra）。打開進出水口，根據天氣、溫度及降雨情況關、放水，馴養植物3個月。

在秋季植物生長旺盛時封閉每個植物塘之間的連接口，將麥西河水分別引入C1、C2、C3、C4人工植物塘后封閉，稱之為并聯，然后每日在各個田中部采水樣500 mL進行水質化學分析，測定河水在人工植物塘中滯留時植物群落對水體中氮磷營養物質的去除效果。貫通每個植物塘之間的連接口，將河水引入植物塘，依次流入C1、C2、C3、C4號塘，最后經C4號塘出口流出，稱之為串聯。監測持續20 d，分別采集進水和各植物塘進出水處500 mL水樣測定水質指標，分析河水在人工植物塘貫通串聯后植物群落對水體中氮磷營養物質的去除效果。測定指標包括總氮（過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法）、總磷（鉬銻抗分光光度法）、硝氮（紫外分光光度法）、氨氮（鈉氏試劑光度法）、亞硝氮（N1-萘基-乙二胺光度法），測定方法詳見《水和廢水監測分析方法（第四版）》[11]。溶解氧、溫度、飽和度和pH用哈希HQ25d溶氧儀測定。

1.2 數據處理

各項指標的去除率按下列公式計算：去除率=[（C0-Ci）/C0]×100%。

式中C0表示初始時濃度；Ci表示第i個塘或者第i天某個人工植物塘水體中的污染物濃度。

1.3 統計分析

采用Execl 2003作圖，對利用水生植物群落對水體中氮磷營養物質的去除效果進行分析。

2 結果與分析

2.1 并聯氮磷去除效果

從圖2、圖3可以看出，C1人工植物塘總氮有升高趨勢，但規律性不強。C2、C3、C4人工植物塘均能有效去除水體中的總氮、總磷，在一定時間范圍內，處理時間越長，去除效果越好。總氮去除效果最明顯的是C4，1～5 d的去除率為35.84%～92.81%（表1），去除能力為C4>C3>C2。總磷去除效果最明顯的也是C4，1～5 d的去除率為1.4%～80.77%（表1），去除能力為C4>C3>C2。C1塘中并未引種植物，其總氮和總磷含量的不規則變化是受降雨、雜草生長或人為攪動等因素的影響。有研究顯示，挺水+浮葉+沉水區水體水質優于挺水+沉水區和單純的挺水區，對氮磷的去除效果也較為穩定[12]，與本試驗結論一致。C4塘是有挺水、浮葉和沉水植物構成的混合植物塘，植物種類多于其他塘，植物生長較好。

2.2 人工植物塘貫通串聯氮磷去除效果

麥西河河水經過4個現場人工植物塘后，水體中的總氮、氨氮、硝氮、亞硝氮、總磷能被有效地去除（表2），相對原水其去除率總氮最高達29.10%，氨氮最高達100%，硝氮最高達22.64%，亞硝氮最高達100%，總磷最高達54.32%。

在各個人工植物塘的出水中，氮磷營養鹽濃度均呈逐級下降趨勢，經過4個現場人工植物塘凈化后總氮濃度從4.145 mg/L降低到3.659 mg/L，總去除率為11.72%。氨氮濃度從0.737 mg/L降低到0.084 mg/L，總去除率為88.60%。硝氮濃度從3.280 mg/L降低到3.020 mg/L，總去除率為7.93%。亞硝氮濃度從0.235 mg/L降低到0.046 mg/L，總去除率為80.43%。總磷濃度從0.108mg/L降低到0.078 mg/L，總去除率為27.78%（表3）。

貫通串聯時，水體是流動的，且監測時間為20 d，水流、水位等水文特征將干預水生植物生長和氮磷去除。水位變動將影響水生植物的形態特征、生物量、物種分布和物種結構。水流會影響水生植物群落結構、物種分布、繁殖傳播、新陳代謝過程和形態特征[13]。且20 d中植物的生長發育死亡也將影響氮磷去除效果。

3 小結與討論

試驗結果表明，滯留并聯、貫通串聯植物塘對總氮和總磷都有很好的去除效果，水力滯留時間越長，去除效果越好。相對于挺水植物而言，沉水植物更有利于水體中溶解氧的增加，污染物的去除能力也更強。試驗結果還表明，植物種類的多樣性越豐富，更有利于形成一個穩定的生態系統使水質凈化效果更好。所以在河道治理的實際應用中，保持和培育河道植物的生物多樣性具有重要意義。同時，河道水生植物能降低水溫，在凈化河水的同時還可以達到調節局部小氣候的作用。

有研究認為植物對水體中營養物質的吸收作用僅是其對水體凈化作用的一部分，植物根系對水體凈化也有重要作用[14]。水體中氮磷等營養物質通過植物根部吸收在植物體內貯存。植物收獲時，水中部分營養物質被移除水體[15]。所以在水生植物死亡時，應該及時收割打撈[16]。

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