3種浮床植物對污染水體水質改善性能研究

摘要：選取美人蕉、石菖蒲和傘草3種湖北省十堰百二河流域常見的優勢植物作為研究對象，構建百二河污染水體治理生態浮床，對3種植物在受農家樂生活污水污染的水體中的生長特性及水質凈化能力和營養元素累積能力的差異進行比較研究。結果表明，3種植物均能有效吸收和凈化污染水體中的氮磷和有機質，但是性能差異顯著，夏季CODcr的去除率為47.3%～75.6%，TN的去除率為36.7%～54.7%，TP的去除率為57.3%～83.4%，高低排序均為美人蕉>石菖蒲>傘草，冬季石菖蒲優于美人蕉；植物生物量的增長美人蕉最大，石菖蒲次之，傘草最小；營養累積率上看，生長期植物的地上組織部分氮含量較高，衰亡期則往根部轉移，石菖蒲磷累積率不論冬夏地下部分都高于地上部分，可以定時收割不同組織轉移水體中的營養鹽。通過對比分析，認為美人蕉和石菖蒲作為該地區的浮床植物具有較大優勢，進行混栽可提高生態多樣性。

關鍵詞：水生植物；生態浮床；氮磷吸收；污染水體；水質改善

中圖分類號： X52文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0475-05

生態浮床技術是運用無土栽培技術，利用生態工學原理，人工將植物種植在載體上，通過植物根部的吸收和吸附作用，削減水體中的COD、氮、磷等污染物質，達到凈化水質的目的。該技術因造價低廉、運行簡單、具有較好的景觀效益等優點，已成為一種應用較廣的生態處理技術[1-6]。

當前關于生態浮床植物的遴選是很多學者的研究重點之一，不同植物種類生長所需的環境條件、營養鹽的吸收及在生態系統中的地位是不同的，不同植物類型的浮床氮、磷去除效果會有較大差異[7-9]。目前研究較多的是針對植物的適應能力和水質凈化能力，而關于處理農家樂生活污水的植物的生長特性及植物自身對營養元素吸收規律探討方面報道較少。本研究選取湖北省十堰百二河流域常見的3種浮床植物美人蕉、石菖蒲和傘草，通過研究3種植物在不同季節沿途受農家樂生活污水污染的河水中的生長特性及對水體中水質指標處理能力的差異，并對冬夏兩季營養元素累積能力進行分析，遴選出適合該地區的優勢植物，為十堰百二河及周邊地區的水質凈化、植物生態浮床系統的構建和推廣應用提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

用40 cm（長）×28 cm（寬）×30 cm（高）的塑料收納箱，試驗時加入20 L水樣。采用厚度約1.5 cm的聚乙烯塑料泡沫板為載體，打孔種植水生植物，植物覆蓋率為30%左右。水箱放置在實驗室的陽臺上。

結合十堰當地氣候條件并綜合考慮植物篩選原則選取美人蕉、石菖蒲、傘草3種當地常見的并具有一定生長優勢的植物作為研究對象。植物種類及生物學特性見表1。表1試驗植物種類及生物學特性

植物種類科名生活環境生長期習性美人蕉美人蕉喜溫暖濕潤氣候，不耐霜凍春秋多年生草本傘草莎草喜溫暖濕潤，耐半陰春秋多年濕生挺水植物石菖蒲天南星喜冷涼濕潤氣候，耐寒春秋多年生草木

試驗用水取自百二河河水，主要污染源有周邊農家樂生活污水、居民生活污水、雨水徑流污染及底泥中的營養物質釋放。經測定試驗水質COD、TN、TP濃度平均值分別為107、15、3.7 mg/L。根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中對5類水的上限規定，該水質為劣V類水。

1.2試驗方法

試驗于2014年8月5日至9月22日（夏季）和11月10日至12月10日（冬季）間進行。夏季試驗共設4組處理，其中3個植物組和1個對照組，冬季試驗則設置3組處理，2個植物組和1個對照組，每組試驗組設3次重復，試驗前將生長情況良好、植株長勢均勻的植物洗凈后放在清水中饑餓培養后再于試驗開始時移入試驗箱固定在載體上。每組處理種植1株植物，并將美人蕉、傘草、石菖蒲和空白組分別編號，記為1、2、3、4，對照組箱子內僅為河水。每隔2 d于第3天的上午10：00采集各組的水樣，每次在箱子的上部、中部和下部取樣，混合均勻以消除誤差，每次取樣約50 mL，測定化學需氧量（CODcr）、總氮（TN）、氨氮（NH+4-N）、總磷（TP）、溫度、溶解氧（DO）等，并定期補充因蒸騰作用而蒸發的水分。在試驗過程中觀察植物的生長狀況，并于開始和結束時測定植物的株高及根長等生長指標和植物體內營養元素的累積率，因冬季試驗過程中植物出現枯萎落葉狀況，因此植物生長狀況只統計夏季。

1.3樣品處理和數據分析

植物處理：將試驗前后的整株植物，連同地下部分洗凈、晾干，將植物分為地上部分和地下部分，并稱量鮮質量和干質量，研磨以分析植物體內營養元素含量，植物體內氮磷經過濃硫酸+過氧化氫消煮后測定。每個植物樣品3次重復來校驗誤差。

水質測定：按照《水和廢水監測分析方法》（國家環境保護總局，2002），總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，總磷采用鉬酸銨分光光度法，氨氮采用納氏試劑分光光度法，化學需氧量采用重鉻酸鉀法，用雷磁便攜式多參數分析儀（DZB-718）測定溶解氧等。

累積率=（試驗后植物氮磷含量-試驗前植物氮磷含量）/試驗前植物氮磷含量。

數據采用SigmaPlot 12.5和Excel 2010軟件進行分析處理。

2結果與分析

2.1植物的生長狀況

在試驗開始和結束時分別測定不同處理組內3種植株的株高、根長和總質量，計算出各個試驗組的植株增長率、根長增長率和總質量的增長情況。

夏季試驗期間，3種植物均能正常生長，都有新葉長出、葉片增大、株高增高，植物根系增長明顯，有白色新根長出，具體生長狀況見表2。由表2可知，試驗期間，3種植物株高、根長都有明顯增加。其中，美人蕉長勢明顯好于其他2種植物，葉片增長較快，根系增長較多且新生大量幼根，株高增長率、根長增長率分別為20.1%和62.2%，顯示出了較強的生長能力；石菖蒲次之，2項指標增長率分別為14.9%和30.8%，其分蘗數最多，根系也較為發達；傘草在此次試驗中生長情況一般，株高和植物量增加最小。

2.2水質指標去除效果

3種浮床植物對污染水體起到了明顯的凈化效果。試驗前后，水體變化明顯；由試驗前的渾濁并有明顯的腥臭味逐漸變清，異色異味消失。其中，美人蕉和石菖蒲試驗組內水體透明度增加較快，傘草在此期間效果一般。除了感官性狀有明顯改善外，各試驗組內的各污染物質含量均有明顯下降。

2.2.1水中化學需氧量的濃度變化污水中的污染物可通過微生物降解、植物根系截留、吸附等形式去除。COD是衡量水體中有機物質量濃度的指標，濃度越高，表示污染越嚴重。不同季節各組對COD的去除效果如圖1所示。夏季試驗中，經過40多天的運行，3種水生植物對水體中COD均有較好的去除效果且與空白對照差異顯著。去除率分別為756%、47.3%、65.9%和16.9%。美人蕉植物組的去除效果最好，石菖蒲次之，傘草較差，但均好于對照組。冬季試驗COD的去除效率明顯較夏季偏低，試驗初期美人蕉的去除率最好，隨著時間的推移，石菖蒲表現出更好的去除效率，這與溫度降低對植物生長影響有關。

2.2.2水中氨氮的濃度變化不同試驗組對氨氮的去除效果如圖2所示，各試驗組對氨氮的去除變化趨勢總體都是下降的，前期下降較快，后期趨于平緩。植物組在試驗結束時均對氨氮有較高的去除率，明顯高于對照的空白試驗組，去除效果為美人蕉>石菖蒲>傘草>空白，去除率分別為92.2%、82.4%、66.7%和25.5%。污染水體中的氨氮一部分通過植物吸收和揮發作用去除，而大部分是通過根際微生物的硝化作用和反硝化作用去除的。試驗過程期間的水溫一般在 20 ℃ 左右，屬于N最佳去除溫度范圍（20～25 ℃）內[10-11]，因此試驗過程中氨氮的去除作用較顯著，達到80%以上。

2.2.3水中總氮的濃度變化由圖3可以看出，夏季3種植物對總氮的去除具有明顯的效果。由于試驗開始之前的適應性培養，植物在試驗開始時并未表現出不適應性，表現出了較高的去除效率，隨著時間的推移，去除速率逐漸下降，最后趨于平穩。對比不同試驗組可以看出，3種水生植物對總氮的去除作用差異較為顯著，美人蕉>石菖蒲>傘草>空白，去除率分別為54.7%、467%、36.7%、20%。冬季試驗溫度較低，植物生長狀態和微生物活性都不如夏季，以至對水體的去除率都低于夏季，石菖蒲和美人蕉最終去除率為33%、19%。

2.2.4水中總磷的濃度變化生態浮床對磷的去除途徑包括植物根系對SRP的吸收利用和對顆粒態磷的滯留、根際微生物對SRP 的吸收和對有機磷的礦化[12]。溫度、氣候、植物種類、水上與水下植物組織間磷素轉移及釋放等因素影響植物對磷的去除性能[13-15]。

由圖4可見，不同試驗組對總磷均有較好的去除效果，不同試驗組間去除效果差異顯著，試驗結束時美人蕉去除效果明顯好于其余3個試驗組，石菖蒲次之，傘草和空白效果較差。去除率分別為83.4%、72.2%、57.3%和16.5%。冬季不論從凈化效果還是植物生長狀況都與夏季差距明顯，石菖蒲和美人蕉的去除率分別為54%、39%。

2.3植物體內氮磷累積

在生態浮床的各種水質改善途徑中，植物體對氮磷的吸收和根際微生物的反硝化脫氮作用能將氮磷移出水體，起到控制水體富營養化的作用。為了剖析植物吸收在水質改善中的貢獻，對試驗前后植物體內的氮磷累積率及生物量進行了檢測，結果如圖5和圖6所示。

從圖5中可以看出，3種植物經過40多天的培養，植株生物量有了明顯增加，美人蕉由63 g增長到82 g，增長率達到30%；石菖蒲次之，由57.7 g增長到72.3 g，增長率為254%；傘草則由63 g增長到73 g，增長率為15.9%，表明在處理百二河污水過程中，傘草對于富營養化水體的適應性及去除效率均低于石菖蒲及美人蕉。

圖6顯示，試驗植物對水體中的氮磷均有不同程度的吸收，夏季試驗的吸收累積率明顯高于冬季試驗。氮素的最高累積率為46%，磷素的最高累積率為36%。夏季試驗，對氮素和磷素的累積能力，美人蕉均是莖葉高于根部；石菖蒲對氮的累積能力是莖葉大于根部，對磷的累積能力則相反；傘草在3種植物中累積率最低，莖葉對氮磷的累積均高于根部。美人蕉和菖蒲對氮、磷的季節累積能力差異顯著，根部和莖葉部分的累積能力差異較明顯，在冬季試驗中，根部對氮磷的累積能力均大于莖葉。石菖蒲的累積能力則大于美人蕉，與夏季試驗相反。

植物吸收對于富營養水體中氮素的去除具有十分重要的作用。夏季試驗前后，美人蕉共計從水體富集氮素 61.4 mg，石菖蒲和傘草則分別為46.6、30.3 mg，分別占系統去除率的37.4%、33.3%、27.5%，其余部分則是由吸附沉降微生物等作用去除的；對于磷素，累積能力為美人蕉>石菖蒲>傘草，從水體中累積分別為5.89、4.68、2.69 mg，對系統去除貢獻率分別為9.5%、8.8%、6.3%，表明磷素在水體降解過程中植物的吸收并不是占主導作用，污染水體中的TP主要是通過化學沉淀、藻菌細胞的合成、物理吸附等作用去除的。雖然植物體吸收作用對系統去除的直接作用有限，但是植物根系聚集的微生物是同化吸收磷素的主要因素，因此植物在系統中的作用十分關鍵。

通過對植物體內氮、磷累積率的分析，可知所選植物的不同組織在不同季節富集氮磷的能力不同，對整個系統的凈化效率產生重要影響，因此在后續的運用生態浮島治理富營養化水體植物管理過程中，可采取定時收割不同植物組織的方法，既能將植物吸收轉化的營養鹽從水體中轉移出來，又能保持植物再生能力。

2.4試驗組的DO特性

DO作為一個表征水環境的重要指標，反映了水環境的物理、化學和生物特征。DO對于水體中亞硝酸鹽氮的去除、水體中氨氮的轉化和支持微生物的新陳代謝具有重要作用。盡管到目前為止，水生植物的曝氧能力還沒有統一的范圍，但是有研究指出，一些挺水植物的根系釋氧速率為0.25～9.6 mg/（m2·d），沉水植物的釋氧速率為0.5～5.2 mg/（m2·d）[16-17]。由表3可以看出，試驗期間不同試驗組內的DO水平差異顯著。由于植物移栽到新的環境中時需要一個適應階段，輸氧作用暫時較弱，隨著時間推移植物適應新環境，DO含量開始升高。美人蕉試驗組的DO含量最高，在水體中的泌氧略高于石菖蒲，傘草最低。這是由于美人蕉和石菖蒲均具有較發達和粗壯的根系向水中泌氧及水體與空氣交換的結果。較高的DO有利于硝化反應的發生，而且還有利于生物好氧吸磷作用和抑制底泥磷的釋放。從這一側面也可反映出不同試驗組對污染物的去除效果，與實際試驗結果吻合。

3討論

在試驗期間，3組水生植物對污染水體中化學需氧量、氨氮、總氮和總磷均表現出良好的去除效果，雖然最終試驗過程中水質還沒有達到V類水標準，但是水體中CODcr、氨氮、TN和TP的質量濃度明顯下降，濁度降低，透明度增加，水質得到較好改善。試驗采用的3種植物美人蕉和石菖蒲根系濃密，傘草相對稀疏。而植物根系對污染物的吸附、吸收作用是浮床植物凈化污染水體的重要途徑，濃密的根系不僅可以增加對水體懸浮物的吸附及有助于根際向水體中釋氧，形成根際好氧-缺氧小環境，同時還可為微生物提供良好的棲息場所，有助于增加微生物種類和數量，從而提高對污染河水的凈化效率。

隨著植物的生長及根系的增加，浮床植物對有機物的去除效率逐漸提高，這是因為有機物的去除主要是依靠植物的吸收及根際微生物的降解作用[18]。石菖蒲和美人蕉的根系及水體中的發育狀況好于傘草，可能原因是此濃度的富營養化水體對傘草具有一定的抑制作用，有研究表明水體富營養化程度過高會抑制植物的生長，植物對N、P的去除能力也明顯下降[19]；美人蕉的根系形態與石菖蒲的不同致使兩者對污染物的吸收和輸氧能力有差異，美人蕉的效率高于石菖蒲，這與卜發平等研究的結果[20]一致。空白試驗組中期的CODcr起伏變化是由于較適宜的溫度和較高的營養鹽濃度為藻類的繁殖創造了良好的條件，試驗中期水體中產生藻類所致。而石菖蒲和美人蕉由于較強的化感作用及茂盛的枝葉對陽光的遮擋，在這2組試驗中并未出現藻類，具有很好的抑藻效果。CODcr在中期的小幅波動可能是由于生長過程中部分腐爛根部及吸附的固體有機顆粒分解向水體中釋放有機物所致。冬季試驗中，由于溫度的降低，微生物活性減弱，植物生命活動也變得微弱。美人蕉中期葉片枯黃后期莖葉枯萎，而石菖蒲較為耐寒，在低溫條件下仍能保持正常的生命活動，因此在冬季的去除效果美人蕉低于石菖蒲。從試驗植物的生物量、根系發達程度及季節影響等綜合分析，美人蕉和石菖蒲是較好的浮床植物。

浮床植物在生長過程中生物量逐漸增大，對污染水體中氮元素的吸收量逐漸增加，植物發達的根系對水中懸浮物的吸附量也不斷增加。另外，發達的根系使得根際輸氧能力提高，水中的溶解氧增多，為水體中的好氧微生物特別是根際好氧微生物的生長發育和繁殖創造了條件[21]。植物組織及根際微生物吸收、根際微生物分解與轉化有機氮，是去除污染水體中氮素的主要途徑。試驗期間氮素含量出現的動態變化是由于試驗為靜態模擬去除試驗，因此某些固態顆粒容易在初期首先發生沉降吸附作用而使得水體內TN的含量快速降低；隨著試驗的進行，沉降作用已不占優勢，沉積物中的氮含量已經高于上覆水中的氮素含量，原本以顆粒態存在的有機氮則會以溶解態的形式重新回到上覆水中去，使TN的去除呈現平緩及小波浪動態變化；試驗后期，隨著水體中底物濃度的不斷降低、植物根基腐爛和部分微生物死亡生物膜脫落，有機氮又返回到水體中，TN的去除速率更低，在呼吸作用占主導的夜晚甚至出現了回升的趨勢。從冬季試驗的變化曲線來看，美人蕉最后TN去除率上升，是由于受溫度影響微生物活動微弱，而植物體生理機能退化，植物枯萎落葉及根基腐爛使有機氮分解返回水體中的緣故。

磷素的去除主要通過根際微生物的同化作用及物理化學吸附作用，植物吸收的直接貢獻相對較小。生長越旺盛、根系越發達，對水體的釋氧效果越好，利于根際不同類型微生物的生長，越有利于磷的去除。試驗初期磷的去除主要通過吸附沉淀作用使得水體中的磷快速減少，后期主要依靠好氧的聚磷菌進行轉化去除，夏季試驗過程中對不同試驗組的植株及根系發育情況和對DO的檢測顯示美人蕉試驗組優于其余2組植物試驗組，因此美人蕉試驗組的去除效果要優于其余試驗組。冬季受到溫度影響，低溫條件下微生物活性受到抑制，美人蕉冬季枯萎，吸收效率降低，因此水質凈化效果相對較差。

對植物體內營養元素累積率進行分析發現夏季試驗中植物的地上部分氮素累積量高于地下部分。植物體內氮磷累積率不僅可以反映出植物不同部位對營養元素的積蓄能力差異同時也可以反映出營養元素在植物體內的轉運規律[22]。有研究表明營養物會隨著植物的生長狀態在植物地上與地下部分進行“回流”。營養轉移是植物保持營養機制的方式之一，對競爭、營養吸收、生產力等過程產生重要影響[23-24]。夏季試驗期間的植物處于生長初期，分生組織發達，生長速度快，對氮磷等營養元素的需求量大，根部會將營養物質輸送至地上部分的莖葉，促使其快速生長發育。因此在初期，植物根部的氮素含量比莖葉高，但在后期莖葉的氮含量則比根部累積得多。石菖蒲根部對磷素的累積能力強可能是由于其生長狀態決定的，石菖蒲在莖葉生長到一定程度后根部的生長速率要高于其莖葉的生長速率，以至磷素在根部的累積超過莖葉部分。冬季試驗發現植物衰亡期會使地下部分的營養元素累積能力較地上部分高。這為收割管理浮床植物以將營養鹽從水體中轉移提供了較好的理論基礎。根據植物對營養鹽需求吸收的閾值，合理選擇收割方式及收割時間，更好地發揮植物對水質的凈化作用。考慮到吸收效率及季節影響，可以將石菖蒲與美人蕉在百二河地區進行混合栽種，既可以保證全年浮床系統的正常運行又可以增加生態多樣性和景觀效應。

4結論

本研究進行了湖北省十堰當地的美人蕉、石菖蒲和傘草作為生態浮床植物，用于百二河流域水質改善的試驗。試驗結果表明，美人蕉、石菖蒲和傘草3種植物均適應在當地受農家樂污水污染程度較重的水體中培植，都能有效地吸收富營養化水體中的氮、磷等污染物，恢復水生態環境，同時可美化水域環境，有較高的經濟價值和景觀效益。

綜合植物的生長狀況、水質的凈化效果和植物的篩選原則，試驗水體中污染物濃度與植物生長周期、根毛發達程度、溫度等因素有關。夏季試驗中，美人蕉對水體的綜合凈化效果要好于石菖蒲和傘草，CODcr、氨氮、TN和TP的去除效率分別為75.6%、92.2%、54.7%、83.4%，石菖蒲組的為65.9%、82.4%、46.7%、72.2%，傘草試驗組的最低，分別為47.2%、66.7%、36.7%、57.3%。冬季試驗則相反，石菖蒲好于美人蕉。對試驗組的植株及根系發育情況和對DO的檢測發現，美人蕉和石菖蒲均可作為優選的浮床植物。

試驗期間，不同植物組織的氮磷累積量和累積能力差異顯著。夏季累積能力高于冬季。氮素的最高累積率為46%，磷素的最高累積率為36%，夏季美人蕉對氮磷的累積能力莖葉大于根部，冬季則相反；菖蒲對氮磷素累積能力根部大于莖葉。植物生長狀態與營養元素之間的流動存在相關性。針對不同組織的累積特點可進行美人蕉與石菖蒲混栽，采取定時收割植物組織的方法將營養鹽從水體中轉移出來，提高了生物對氮磷的去除率，同時可增加生物多樣性和提高景觀效益。

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