銅錢草對不同污染負荷模擬污水的凈化效果初探

袁 泉，呂巍巍，劉婭琴，周文宗

（上海市農業科學院生態環境保護研究所，上海201403）

隨著我國經濟的快速發展，大量的工農業污水排入到河流及湖泊中，造成了嚴重的水體污染問題。污水影響了大氣、水體、土壤和生物，對當地生態環境及水質安全造成了很大破壞。生態浮床是一種十分有效的污染水體凈化技術，具有處理效果好，建造成本低，運營費用少等優勢，在工農業廢水治理中得到了廣泛的應用［1-2］。浮床植物能夠有效吸收水體中的氮、磷、鉀等營養鹽成分，并能吸附水中的懸浮物質，進而達到降低富營養化、凈化水質的目的。目前，在我國大型水庫、河流和湖泊等水域所應用的生態浮床技術中已經種植了130多種陸生植物［3］，進行過研究的高等植物就有近80余種［4］。近年來，生態浮床技術也漸漸被應用到養殖水體中，通過浮床凈化水質等多種生態功能，達到“魚菜共生”的目的［5］。其中，被廣泛使用的浮床植物有水蕹菜（俗稱空心菜）［6］、水芹菜［7］、海馬齒［8］等。由于不同植物對各污染物的去除效果不同，這就需要對水生植物自身及其與環境之間的生理生態特征進行研究，以促進生態浮床技術的更好應用。

銅錢草（Hydrocotyle vulgaris L.）為多年生濕生草本植物，其根莖十分發達，生命力較強，生長迅速，是一種水培觀賞性植物；適宜生長于河岸、沼澤、濕地中，在我國有大量的培育。研究發現銅錢草對污水有較好的凈化作用，可有效去除城市污水中的氮磷等營養鹽［9-10］；此外，銅錢草作為水培觀賞性植物常被應用于生態溝渠中吸附氮磷營養鹽［11-14］。但其作為浮床植物對養殖水體的凈化效果鮮少見報道。因此，本試驗選取銅錢草作為浮床植物，研究生態浮床對不同污染負荷養殖水體的凈化效果，以及水環境中營養物質的時間動態變化規律，旨在為養殖水體的污染負荷削減提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在上海市農業科學院莊行試驗站溫室內的人工模擬池（水泥池）中進行。每個模擬池規格150 cm×120 cm×100 cm，總容積為1.8 m3，試驗用水體積為1.44 m3。銅錢草購自上海市真博花鳥市場，將植物帶回室內預培養2周，選擇生長發育程度相近的植株開始試驗。

1.2 試驗設計與方法

在植物（銅錢草）水面覆蓋率均為30%的前提下，根據總氮濃度設置5個處理，即原水（河道水，L1）、TN和TP質量濃度分別約為4 mg/L和0.4 mg/L（L2）、8 mg/L和0.8 mg/L（L3）、12 mg/L和1.2 mg/L（L4）、16 mg/L和1.6 mg/L（L5），每處理重復3次，共15個試驗單元（小池）。處理后各水體初始指標值見表1。試驗用水取自上海市農業科學院莊行試驗站溫室外面的池塘，根據要求的總氮濃度，在蓄水池內加入一定量的尿素、磷酸二氫鉀（化學純）和豬場廢水上清液配制人工污水，然后將人工污水抽到人工模擬池開始正式試驗。

表1 試驗模擬污水的水質指標Table 1 Quality indexes of experimental water

每個試驗單元（小池）用PVC管做成規格90 cm×60 cm×50 cm的框架控制植物水面覆蓋率，PVC管上沿打洞灌水使框架漂浮于水面，其表層管高出水面5 cm，框架內置椰絲7 kg（將椰絲用水沖洗干凈并且放在清水中浸泡15 d后備用），并用大孔網袋將椰絲包捆，形成90 cm×60 cm×30 cm的方塊。椰絲具有面積大、孔徑大，能吸附大量微生物等特點，是新一代浮床技術中逐漸推廣應用的植物支撐基質之一，其對總氮的凈去除率可達56%［15］。每個處理單元表面放撈取后基本濾干表面水的銅錢草2 kg；投放泥鰍5尾，平均體質量為（90.00±2.54）g。

試驗周期為49 d，試驗期間水溫24—27℃。每7 d對每個模擬池固定位置采集水樣，采樣時間集中在14：00—16：00。水樣采集前用HANNA（意大利）水質分析儀現場測定水溫、pH、溶解氧（DO）。用1 L容積的塑料瓶灌區水面以下10 cm左右處的水樣，帶回實驗室分別測定總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（）、硝態氮（）、化學需氧量（CODMn）。其中，TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法（A）測定，TP采用鉬銻抗比色法測定，采用納氏比色法測定，采用流動分析儀（AA3）測定，CODMn采用高錳酸鉀酸化法測定，具體操作方法參照《湖泊生態調查觀測與分析》［16］。

1.3 數據處理與分析

水體營養鹽去除率=［（T2-T1）/T1］×100%，其中，T1為初始水體某營養鹽的總量，T2為末期水體某營養鹽的總量。

利用Excel 2013和SPSS 23.0軟件進行統計分析，百分數數據用反正弦轉換后進行方差分析；用新復極差檢驗（SSR檢驗，即Duncan氏法）對不同處理的平均數進行多重比較；使用Origin 9.0制圖。

2 結果與分析

2.1 生態浮床對不同污染負荷水體各營養鹽終期去除效率

試驗終期的去除率（表2）顯示，處理L2—L5的TN去除率均在91%以上，TP去除率均在96%以上，極顯著高于水源水L1的TN和TP去除率。隨著水體污染負荷的增加，TN、TP終期去除率均上升，但無顯著性差異，說明銅錢草對受污染的養殖水體氮、磷營養鹽具有良好的去除效果。水源水L1的NH+4-N終期去除率明顯高于其他處理組。和CODMn的終期去除率無明顯差異。

表2 試驗終期生態浮床對不同污染負荷水體各營養鹽的去除率Table 2 Pollutants removal effects of different test level at the end of experiment %

2.2 不同污染負荷水體各理化指標的動態變化

如圖1所示，各污染水體TN、TP含量隨著時間的延長均明顯下降，21 d后下降速度減慢。椰絲基質在放入水體初期由于細小碎末向水體中的釋放，使得水體磷濃度升高［15］。本試驗過程中由于椰絲沖洗比較干凈，椰絲初期淋溶物較少，試驗過程中沒有出現TP先升后降的現象。

整個試驗過程中，水源水水體氨氮含量隨時間的延長而緩慢下降，其他各處理組氨氮含量均表現出隨時間的延長先快速上升后下降的趨勢，均在試驗后第7天達到峰值，第21天后趨于相對穩定的狀態。方差分析結果表明，試驗結束后，各組污染水體氨氮含量明顯高于L1組（P＜0.05）；L3、L4和L5之間氨氮含量差異不顯著。

各處理組硝態氮含量均表現出先上升后下降的趨勢，且在第一周有緩慢上升，從第二周開始，處理組L1和L2硝態氮含量開始緩慢下降，處理組L3、L4和L5硝態氮含量則快速上升，達到峰值之后開始下降，第四周之后漸漸趨于穩定狀態。結果說明隨著水體污染負荷的增大，水體硝化作用有延遲的趨勢。試驗結束后，各處理組硝態氮含量基本檢測不出來。

各處理組CODMn含量均表現出先上升后下降的趨勢，第14天達到峰值，試驗結束后，各組CODMn含量均顯著高于初始濃度，這可能與植物根系分泌物及泥鰍糞便排泄物等過程有關。L1組的CODMn含量要低于其他處理組。

試驗開始后，各處理組pH均緩慢下降，一周之后逐漸趨于穩定，在7.0附近振動。L1組pH要顯著的高于其他污水組，處理組L3、L4和L5的pH呈弱酸性。溶解氧含量在試驗過程中總體呈下降趨勢，L1組溶解氧含量要顯著低于各處理組，這可能與各處理組營養程度較高，浮游植物較多有關系。第六周之后，各水體溶解氧含量逐漸上升至8 mg/L，說明水質得到了明顯改善。電導率均處于上升趨勢，但各組之間差異不顯著，L1組的電導率要低于其他處理組。

2.3 水體理化指標之間的相關性分析

使用Pearson相關系數分析方法考察各水體理化指標之間的相關性。由表3可知，各水體理化指標之間存在著直接或間接的顯著性相關關系。其中，總氮與總磷、氨氮、硝態氮、pH和溶氧呈顯著性正相關；總磷與氨氮、pH和溶氧呈顯著正相關；氨氮與硝態氮和CODMn之間呈顯著正相關；CODMn與pH之間呈顯著負相關；pH、溶氧和電導率之間具有兩兩顯著性相關關系；電導率與其他各理化指標之間均呈負相關關系。

圖1 不同污染負荷水體各理化指標的時間動態變化Fig.1 W eekly dynam ics of physical and chem ical index of water quality at different test level

表3 水體理化指標之間的相關性分析Table 3 Correlational analysis between physical-chem ical indexes

3 討論

3.1 銅錢草對養殖水體營養鹽的去除效率

試驗過程中，銅錢草對CODMn的去除率為負數，即試驗結束時CODMn含量較初始濃度高，這在其他浮床植物研究中比較少見。一般浮床植物對CODMn的去除率可達一定的數值，但其試驗污水中初始CODMn含量較高，如許國晶等［21］等研究發現組合生態浮床對CODMn初始含量為70 mg/L的養殖水體去除率可達43.98%；楊靜美等［22］研究植物生態浮床對水禽養殖污水凈化效果中發現CODMn的去除率可達66.12%以上，其初始濃度為500 mg/L。該研究中的養殖用水CODMn初始含量（5.53—6.37 mg/L）不高，處于養殖水體中的正常濃度范圍；試驗過程中，CODMn含量先上升后下降，終期含量（6.60—7.94 mg/L）亦處于養殖水體的正常濃度范圍，一般養殖水體的CODMn含量會隨著養殖進程的增加而逐漸上升，該研究表明浮床植物銅錢草對CODMn有一定的凈化作用。

綜上所述，銅錢草對養殖水體營養鹽具有較好的去除效果，其又是花卉植物，具有較高的觀賞價值，在現代水產養殖業，尤其是休閑漁業中可作為養殖水體浮床植物的參選物種之一，對于其在養殖水體中的生長特性、操作技術規范等仍需進一步研究。

3.2 銅錢草對水體理化指標動態變化的影響

水質基本上是由與光合作用相關的生物化學過程和同池生物修復過程決定的［23］，水體理化指標的常規監測是認識水環境變化的直接方法。該研究表明各水體理化指標之間存在著直接或間接的顯著性相關關系，這種相關關系也表現在各理化指標的時間動態變化當中，而銅錢草在這個過程中通過對營養鹽的吸收及其呼吸代謝等作用，對水體理化指標變化產生明顯影響。例如，銅錢草通過對N、P營養鹽的吸收作用，TN、TP呈不斷下降態勢；、CODMn含量在試驗早期先上升的同時，pH和DO含量不斷下降，CODMn與pH呈顯著負相關關系，與呈顯著正相關。水體pH主要受CO2的影響，CO2又受有機物質氧化分解等的影響［24］，當CODMn值升高，預示著水體中有機物含量上升，有機物氧化分解產生CO2，pH降低，即H+的濃度或活度增大會促進水體的氧化還原反應向正方向進行，則H+與O2反應生成水，使DO降低［24］，這一點從該研究中pH和DO呈極顯著正相關關系可以得到證實，而DO降低，水體硝化作用減弱含量則會升高，水質呈現惡化趨勢。然而試驗后期含量開始下降，說明水質惡化的態勢得到抑制和改善，這與TN含量的降低有關，說明銅錢草對水質具有凈化作用。pH和DO與其他水體理化指標之間均存在著直接或間接的顯著相關性，因此水體pH和DO含量的常規監測，對于水體的修復管理具有重要意義。