不同植物組合對水體氮磷的去除效果

鄧鴻楊，傅斌，韋杰，何洪任，陽林

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶 401331； 2.中國科學院/水利部 成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041； 3.重慶源澤水生植物有限公司，重慶 400038)

水體富營養化是三峽庫區當下最突出的水環境問題之一。2016年，三峽庫區長江主要支流監測的24個地表水基本項目中，總氮(total nitrogen, TN)、總磷(total phosphorus,TP)超標率分別為89.5%和79.1%[1]。富營養化水體的修復通常有物理、化學等方法，但傳統方法存在凈水成本高、耗時長、易造成二次污染等缺陷[2]。水生植物在水生態系統物質、能量循環中具有重要作用。當前，在農業面源污染、城市污水處理，以及富營養水體治理中普遍采用水生植物修復技術[3]。該方法具有投資省、見效快、極少再次污染、管理維護方便的優勢，并可以同時兼顧生態效益與經濟利益[4-6]。

目前，大多數研究是配置試驗水池，選擇黑藻、金錢草、美人蕉等水生植物[7-8]進行去除氮、磷和重金屬的人工模擬試驗[9-13]。這些研究主要集中在單種植物對氮磷和重金屬的去除上，關于水生植物組合去除氮、磷效果的研究較少。然而，自然界中極少存在孤立的單植物生態環境，單一的凈化環境在現實中難以存在，多植物系統更貼近自然生態環境。本研究選取三峽庫區常見且具有一定觀賞或經濟價值的水生植物，在室外自然光溫條件下進行更貼近自然環境的水生植物組合凈水試驗，研究不同水生植物組合對水體氮磷的去除效果，為三峽庫區水環境生態修復工程提供植物材料與參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于三峽庫區腹地萬州區長嶺鎮(30°46′04″N，108°29′39″E)，屬中亞熱帶季風性濕潤氣候，雨量豐富，年均降水量1 293.3 mm，降水季節差異大，集中于5—10月。年平均氣溫17.7 ℃，無霜期183～260 d。地層分布為中生代侏羅系沙溪廟組(J2s)和自流井組巖層(J1z)。紫色成土母質占優勢，土壤為中性紫色土和水稻土。自然植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，山地多針闊混交林。主要種植作物有玉米(Zeamays)、小麥(Triticumaestivum)和水稻(Oryzasative)等。試驗區人口眾多，水環境極易受生產生活影響而富營養化。

1.2 處理設計

本試驗于2017年3月27日—8月16日在中國科學院成都山地災害與環境研究所萬州典型區生態環境監測重點站進行。3月27—31日選取同坡向現成水池共14個進行試驗，水池采用磚混結構砌成，尺寸為1 m×1 m×1 m，采集同地底泥混合后平鋪于池底至15 cm，加自來水沒過底泥2 cm，底土充分浸透后鋪平，再各加50 L自來水浸泡10 d。根據水生植物分類，選擇茭白(Zizanialatifolia, ZL)、黃花鳶尾(Iriswilsonii, IW)2種挺水植物，以及浮葉植物睡蓮(Nymphaeatetragona, NT)、漂浮植物浮萍(Lemnaminor, LM)和沉水植物金魚藻(Ceratophyllumdemersum, CD)。根據不同水生植物生長空間特點，確定浮萍+茭白(LM+ZL)、金魚藻+黃花鳶尾(CD+IW)、睡蓮+黃花鳶尾(NT+IW)3種組合。于4月10日在萬州花鳥市場挑選健壯幼苗，將洗凈的根部浸入盛有自來水的培養容器中，24 h后移植至觀測池并扶正，結合“四角+中點”和“四邊+中點”兩種方式布局各觀測池種植點，緩慢注入自來水至觀測池壁40 cm處。使用分析天平(0.01 g)稱取每株植物質量，合理配置，使各觀測池同植物的生物量一致。試驗設置高(H)、中(M)、低(N)3種氮磷濃度：20 mg·L-1(TN)/10 mg·L-1(TP)、11.5 mg·L-1(TN)/6 mg·L-1(TP)、2 mg·L-1(TN)/0.5 mg·L-1(TP)，每種濃度下每種植物組合用1個觀測池，另設中濃度鳶尾池、浮萍池、金魚藻池、茭白池、睡蓮池各一個，合計14個觀測池。

于4月11日分別稱取氮肥(N≥46.4%)10.36、5.96、1.04 g，磷肥(P2O5≥12%)41.67、25.00、2.08 g，對應配置后隨流水緩慢注入觀測池，5 d后取初始水樣，循環水真空泵濾除雜質后，使用德國產全自動連續流動分析儀(AA3)測定TN、TP[14]。經測試(5月1日)，各處理池中TN、TP的實測濃度分別為：L-LM+ZL，1.995和0.657 mg·L-1；M-LM+ZL，12.390和5.166 mg·L-1；H-LM+ZL，20.805和10.438 mg·L-1；L-CD+IW，1.770和0.471 mg·L-1；M-CD+IW，10.930和5.303 mg·L-1；H-CD+IW，20.260和9.794 mg·L-1；L-NT+IW，1.883和0.570 mg·L-1；M-NT+IW，10.185和5.574 mg·L-1；H-NT+IW，20.520和9.525 mg·L-1；M-LM，10.501和5.232 mg·L-1；M-CD，11.430和5.670 mg·L-1；M-NT，9.615和5.120 mg·L-1；M-ZL，10.930和5.500 mg·L-1；M-IW，10.323和5.479 mg·L-1。

水樣采集頻次為每月1日、16日，觀測時間從4月15日至8月16日，歷時4個月，共9組數據。試驗場地露天，為保持水深統一，每日使用水位尺測量水位，增補去離子水保持水深。同時，為避免降水對試驗的影響，降雨時使用聚氯乙烯膜遮擋并保持通風，每日巡查拾出雜物。

2 結果與分析

2.1 水生植物生長情況

經過4個月的自然生長，各組合池內生物量相差較大。中濃度條件下各植物組合的總生物量相應高于其他濃度條件下。各濃度條件下，金魚藻+黃花鳶尾組合的黃花鳶尾均生長較好，生物量超過450 g，而睡蓮+黃花鳶尾組合中黃花鳶尾因生長空間受睡蓮影響生長較差，僅高濃度條件下生物量超500 g，其余均不超200 g。試驗過程中，人工培育的金魚藻全部死亡，5月下旬中、低濃度條件下自然生長的野生金魚藻可替代原金魚藻，以保證試驗順利進行。睡蓮生長較好，根系與茭白根系類似，但長度與數量均不如茭白根系。3個組合中，浮萍+茭白的生物量最大，其中，中濃度條件下生物量總計達27 426 g。睡蓮與浮萍在中低濃度生長較好，茭白與黃花鳶尾在中高濃度下生物量更大。整體來看，茭白生長旺盛，植株挺拔，收割時地下莖粗壯，根系發達。浮萍5—6月生長極快，3～5 d鋪滿水面后即收割一半，7—8月因高溫生長停滯，變小或沉底。

單種植物池中，浮萍累積生物量最大，為11 190 g，人工培育的金魚藻全部死亡，不計生物量，其他植物生物量從高到低依次為茭白(2 515 g)>睡蓮(1 482 g)>黃花鳶尾(379 g)。

表1 不同植物組合下各水生植物的生物量

注：浮萍生物量為累積生物量。表中金魚藻數據來自池中的野生金魚藻。

2.2 不同植物組合去除氮磷的效果

圖1是整個試驗周期水樣TN、TP含量變化情況，總體上兩指標變化規律較一致。試驗從4月15日開始至8月16日結束，各處理條件下，水體TN、TP濃度總體呈不同程度的下降趨勢。從試驗開始至5月初，各池TN、TP含量變化極小，原因可能是水生植物均為剛種入幼苗，吸收氮磷的能力較弱。自5月起，各植物池TN、TP下降幅度增加，原因可能是隨著氣溫持續升高，植物進入旺盛生長期，對氮、磷的吸收能力增強。3種植物組合對水體氮、磷的去除能力差異明顯，去除效果最好的是浮萍+茭白，高、中、低濃度下TN和TP的去除量分別為1.781和0.538 mg·L-1、3.628和0.879 mg·L-1、1.914和0.585 mg·L-1。金魚藻+黃花鳶尾組合總體上強于睡蓮+黃花鳶尾。高濃度下，金魚藻+黃花鳶尾組合里金魚藻死亡后黃花鳶尾生長較好，但葉面下半部分略發黑。

圖1 不同植物組合對水體TN、TP的去除效果

對比各試驗處理，中濃度條件下各組合生物量大(表1)，去除效果亦較單種植物池效果更好(圖1)。對比中濃度條件下，整個試驗周期內不同植物組合以及單種植物對水體TN、TP的去除效果可見，總體上組合池效果優于單種植物池，大生物量植物組合的去除速率快于小生物量植物組合。單植物池中去除速率最快的為浮萍池，其余植物TN去除量從高到低依次為茭白>黃花鳶尾>睡蓮>金魚藻，TP去除率從高到低依次為黃花鳶尾>睡蓮>茭白>金魚藻(金魚藻后期死亡)。相比其他水生植物，浮萍根系沒入水中，能直接從試驗水體吸取養分，從而直接降低TN、TP含量，加上人為打撈為其創造了生長空間，實現了TN、TP轉移，加速了其對水體TN、TP的去除。黃花鳶尾與茭白凈化各有特點，茭白去除TN的效果好于黃花鳶尾，但黃花鳶尾對TP的去除量高于茭白。

在本試驗過程中，不同植物組合對水體TN、TP的去除表現出一定的季節性。浮萍+茭白組合在5—6月對水體TN、TP的去除效果更好，這是因為5—6月浮萍生長旺盛，TN、TP去除較快，61 d總計去除率分別為9.08%和5.82%，7—8月受高溫影響，浮萍生長緩慢，去除速率減緩。而金魚藻+黃花鳶尾和睡蓮+黃花鳶尾組合則是在7—8月去除能力更強，這是因為金魚藻、鳶尾、睡蓮喜暖喜光，夏季比春季生長更旺盛，相比5—6月能消耗更多的N、P。

3 討論

本試驗發現，在TN、TP高、中、低3種濃度下，浮萍+茭白組合對水體TN、TP的去除效果均最好。可能是因為浮萍及其根系數量多，比表面積大，既可直接從水體中吸收氮磷，也可為氮的硝化與反硝化過程提供良好的發生空間。另外，浮萍滿池便打撈半池以便為其提供生長空間，而這一過程中隨著生物量的轉移，也有利于該植物組合持續吸收水中氮磷并將其轉移。其他水生植物扎根于底泥中，難以大量吸收水體中氮磷。水生植物組合產生的凈化效果總體上好于單一植物，但中濃度下，雖然浮萍+茭白池組合的TN、TP去除量大于對應兩單種池之和，但睡蓮+黃花鳶尾組合的TN、TP去除量則是大于對應單個單種池，小于對應單種池之和。氮磷濃度對植物凈化效果也有一定影響，總體上，浮萍+茭白和金魚藻+黃花鳶尾的去除效果表現為中濃度>低濃度>高濃度，而睡蓮+黃花鳶尾則表現為高濃度>中濃度>低濃度。總體來看，中濃度的試驗條件更適合水生植物生長，去除效果最好。

本試驗發現，水生植物對水體TN、TP的去除效果具有較為明顯的季節性，以浮萍+茭白最為明顯，5—6月的效果明顯優于7—8月，而另兩種植物組合的表現則剛好相反。這可能與植物生長習性有關。萬州7—8月平均溫度為25～34 ℃，浮萍在高溫下變小或沉底[15]，去除能力下降，而黃花鳶尾、睡蓮耐高溫，夏季生長旺盛，對氮磷消耗量大，金魚藻雖不耐高溫，但因生活在水體內，溫度相對較低，因此即使是在7—8月也能消耗較多的氮磷，茭白雖也喜高溫，但在本試驗中去除效果不及浮萍，難以改變其所在組合的總體效果趨勢。

研究表明，生物量與水體中TN去除負荷存在顯著的正相關性[16]。這可能是因為，生物量越大，植物對氮磷的需求亦越大，吸收能力亦越強。本研究中浮萍+茭白對水體TN、TP的去除效果較好，可能與其生物量較大亦有關。