根系氧氣條件對李氏禾氮、磷凈化能力的影響研究

潘 珉，黃育紅，李 楊，何 鋒，杜勁松

(云南省昆明市滇池生態研究所，云南 昆明 650228)

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根系氧氣條件對李氏禾氮、磷凈化能力的影響研究

潘 珉，黃育紅，李 楊，何 鋒，杜勁松

(云南省昆明市滇池生態研究所，云南 昆明 650228)

采用李氏禾為挺水植物，通過人工浮床根系不同給氧條件調控其對富營養化水體中的氮、磷進行了凈化能力研究。結果表明：經過14 d的生長周期，根系貧氧條件有利于總磷(TP)的凈化，比正常氧氣條件下凈化率提高8.76%，比富氧條件下凈化率提高20.72%；但根系氧氣條件的改變對總氮(TN)和化學需氧量(CODCr)的凈化作用影響不大。

李氏禾；水質凈化；富營養化

1 引言

李氏禾為多年生草本植物，具有發達的匍匐莖和細瘦根狀莖，通常生于河邊以及湖邊，屬濕生雜草。在水稻種植中，李氏禾的侵入可導致水稻的減產，甚至絕產。但李氏禾對重金屬、富營養化水體有良好的凈化作用，常用于污染水體的凈化[1,2]。

滇池是昆明市沿湖地區唯一的納污水體，屬國家重點環境治理的“三湖三河”之一。從20世紀30年代末期，工業廢水開始排入滇池河道及滇池水域，到80年代水質污染加重，90年代迅速惡化，主要污染類型為嚴重的富營養化，氮、磷污染嚴重[3,4]。水體中氮、磷的存在可造成藻類大量繁殖、富集消耗水中溶解氧，危害魚類的生存給湖泊水產帶來直接的損失，同時還會引起水域感官性狀的惡化，影響觀光游覽事業的發展[5]。此外，氮在天然水體中能夠在各種形態之間轉化，其中，分子氨(NH3)對魚類具有毒性，隨水體pH值的增加，分子氨濃度增加，毒性增大。轉化過程中，氮在被氧化至高價態時，亦會消耗水體中的溶解氧造成魚類的窒息[6]。

水體富營養化問題是世界面臨的最主要水污染問題之一，水生植物是清除水體富營養化的有效方法。通過植物人工浮床或濕地種植修復污染水體，從水體中吸收氮、磷等營養元素，不僅可以削減湖水中營養鹽的含量，遏止湖體水質的進一步惡化，而且對控制藍藻及藻毒素的污染，保護供水水源，改善飲用水水質狀況也有積極意義。筆者采用李氏禾為挺水植物，采用人工浮床，通過根系氧氣條件的控制探索該植物對水體中氮、磷的凈化能力，為植物凈化滇池污水提供依據。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

本實驗所用李氏禾采自西南林業大學人工模擬濕地，挑選健康、均一的植株，去除雜物，沖洗干凈，并于綠化中水培養3 d，使其適應水生環境。

2.2 實驗水體配制

實驗水環境以綠化中水為本底，加入4 mg/L KNO3提供氮源和0.4 mg/L NaH2PO4提供磷源配制模擬污水。

2.3 實驗方法

實驗為靜態水實驗，加入20 L配制好的實驗水體于30 L的整理箱中。李氏禾種于2 cm厚泡沫浮板，每桶水體種植6株，株間距12 cm。以正常養殖為參照測定根系氧氣條件對李氏禾氮、磷凈化能力的調控作用；根系貧氧條件以掛膜進行，將李氏禾根部采用保鮮膜包裹；富氧條件采用小型氧氣泵，每天上午、下午分別充氧1 h。此外，設立對照組不種植李氏禾，以測定自然條件下水體的自凈化能力。每組樣品設立3個重復樣。靜態水實驗共進行14 d，于3、5、7、10、14 d取樣，測定水體中TN、TP、CODCr以及水體中微生物的變化。

2.4 測定方法

CODCr采用重鉻酸鉀法測定，TP采用鉬銻抗分光光度法測定，TN采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法[7]。

3 結果與討論

3.1 根系氧氣條件對CODCr凈化率的影響

根系氧氣條件對李氏禾清除CODCr的影響如圖1所示。經過14 d培養后，在不同根系氧氣條件下水體CODCr從48.04 mg/L分別降至18.01 mg/L(貧氧)、3.06 mg/L(富氧)、6.00 mg/L(正常)和12.01 mg/L(對照)。水體中李氏禾的引入對CODCr的凈化較明顯。這可能由于李氏禾的生長需要水體中的多種成分為其提供營養，從而吸收了水中的多種營養元素，使得水體化學需養量明顯降低。根系氧氣條件的調控結果表明，富養條件更有利于李氏禾對CODCr的凈化，可能存在以下原因：氧氣充足條件下根系呼吸作用明顯，有利于根系的代謝與吸收；氧氣充足的條件下水體中部分還原性質發生氧化；氧氣充足有利于水體中微生物的繁殖，從而消耗更多的營養物質。貧氧條件下李氏禾對CODCr的凈化能力低于水體的自凈能力，可能由于實驗條件下采用保鮮膜對根系進行包裹使水體中微生物以及根系分布不均一或體系中引入的保鮮膜在水體中的降解釋放還原性物質對結果產生了影響。具體原因將在后續的研究中進行探討。

圖1 根系氧氣條件對CODCr凈化率的影響

3.2 根系氧氣條件對TN凈化率的影響

圖2表明了根系氧氣條件對李氏禾TN凈化能力的影響。如圖所示，培養10 d后，水體中氮濃度的降低速率減緩。水體自然放置14 d后，總氮含量從4.76 mg/L下降至1.34 mg/L。李氏禾的養殖使水體中TN的凈化率提高了17.57%。這主要由于水中的KNO3為李氏禾的生長提供了氮源，使水體中TN降低。貧氧、富氧以及正常養殖條件下，水體中氮濃度分別下降了94.26%，89.36%和96.79%。李氏禾采自人工濕地，根系處于水下土壤中，浮床常規養殖條件下根系氧氣條件與其自然條件相似，有利于植物的正常代謝。貧氧和富氧條件下，根系所處環境與其自然狀態不同，可能導致根系呼吸及植物代謝速度與自然條件下不一致，從而影響對水體中氮的吸收。在前10 d的培養期中，正常條件和富養條件下李氏禾對TN的凈化速率高于貧氧條件。經過14 d培養后，水體中氮濃度相差不大。此外，水體中及根系上附著的微生物與植物處于同一水系，不同氧化條件下微生物種群、數量有所差異，微生物與根系共同作用使不同根系氧氣條件下水體中氮濃度變化不一致。

圖2 根系氧氣條件對TN凈化率的影響

3.3 根系氧氣條件對TP凈化率的影響

不同根系氧氣條件下李氏禾對TP的凈化能力如圖3所示。隨著培養時間的延長，水體中TP濃度降低，凈化率升高，當培養時間達到10 d后，水體中TP濃度變化較小。經過14 d的培養，結果表明，根系貧氧條件有利于李氏禾對TP的凈化，在此條件下水體中TP濃度由1.10 mg/L下降至0.099 mg/L，比正常與富氧培養的李氏禾凈化能力分別提高了7.90%和16.80%。這可能由于不同根系氧氣條件下，植物代謝能力與代謝途徑不同使其在生長過程中選擇性吸收水體中的氮、磷及其它營養。對照組雖未種植李氏禾，水體中TP含量仍下降了49.49%，表明水體有一定的自凈能力。自凈能力主要取決于水體中存在的微生物，因此氧氣條件不僅影響李氏禾根系的生長與代謝，同時影響水體中微生物的生長、繁殖和代謝。因此，同TN凈化效率類似，凈化能力的變化取決于李氏禾與微生物兩種生命體的生理代謝。

圖3 根系氧氣條件對TP凈化率的影響

4 結語

調控李氏禾根系氧氣條件可影響其對水體中氮、磷的吸收產生從而使富營養化水體中氮磷達到不同的凈化程度。實驗結果表明，培養時間達到10 d時，李氏禾對TN、TP均能達到較好的凈化率。根系氧氣條件調控表明，貧氧條件更有利于李氏禾對水體中磷的吸收，富養條件有利于水體CODCr的降低，而對TN的凈化根系氧氣條件的變化影響不大。結果為不同污染性質水體凈化中植物培養條件的選擇提供了理論依據。

[1]陶笈汛,張學洪,羅 昊,等. 李氏禾對電鍍污泥污染土壤中鉻銅鎳的吸收和積累[J]. 桂林理工大學學報, 2010, 30(1): 144～147.

[2]管 銘,裴 立,郭水良,等. 假稻對鉻的富集作用及其耐受能力研究[J]. 環境科學與管理, 2010, 35(3): 125～130.

[3]賀克雕. 滇池水質狀況綜合評價及變化趨勢分析[J]. 人民長江, 2012, 43(12): 37～41.

[4]施鳳寧,胡 濤,劉幫波,等. 滇池主要污染河流污染物現狀及治理對策[J]. 人民長江, 2013, 44(S1):129～131.

[5]楊麗華,卓奮. 湖泊水體磷污染及其防治對策[J]. 污染防治, 1996, 9(1,2): 47～48.

[6]郝曉地,張自杰. 水體氮污染及其防治對策[J]. 環境污染與防治, 1990, 12(4): 25～27.

[7]國家環境保護總局. 水和廢水監測分析方法[M].4版. 北京:中國環境科學出版社.2002.

Effect of Oxygen Condition of the Root of LeersiahexandraSwartzonthe Clearing up of Nitrogen and Phosphorus

Pan Min, Huang Yuhong, Li Yang, He Feng, Du Jinsong

(KunmingInstituteofEcologyforDianchiLake,Kunming, 650228,China)

In this study,Leersiahexandraswartzonwas plantedas emerging plant to absorb the nitrogen and phosphorus in the waterby different oxygen conditions of the artificial floating bedroot. The results indicated that poor oxygen condition was favored for the absorptive of total phosphorus (TP) after 14-daygrowingperiod, and the absorptive of TP was 8.76% and 20.72% more than that of Leersiahexandra swartzon planted under control sample and oxygen enrichment condition, respectively. However, the oxygen condition of the root did not obviously effect the absorptive of Leersiahexandra swartzon on total nitrogen (TN), as well as chemical oxygen demand (CODCr).

Leersiahexandraswartzon; water purification; eutrophication

2016-07-26

國家水專項滇池“十二五”項目(編號：2012ZX07102-005)

潘 珉(1978—)，男，高級工程師，碩士，主要從事湖泊生態方面的研究。

杜勁松(1969—)，男，高級工程師，主要從事水生態及水環境工程研究。

X52

A

1674-9944(2016)18-0046-03