3種水生植物對富營養(yǎng)化水體凈化研究

李妮婭 梁玉婷 趙樂康

摘要 [目的]篩選吸收水體氮磷元素能力強(qiáng)的水生植物。[方法]通過測定3種水生植物（石龍尾、三白草、翠蘆莉）的生長指標(biāo)（根長、根直莖、莖直徑、葉綠素）及水體指標(biāo)（濁度、溶解氧、TN、NO3-N、TP、PO4-P）。[結(jié)果]3種水生植物的相對生長速率和累積鮮重量顯著高于試驗(yàn)前;3種水生植物對TN、NO3-N、TP、PO4-P去除效果明顯，但不同植物在沒有底質(zhì)的情況下，從水體中吸收氮磷營養(yǎng)鹽具有差異。[結(jié)論]該研究為水生植物凈化水質(zhì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 石龍尾;三白草;翠蘆莉;富營養(yǎng)化水體;凈化

中圖分類號 X52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2020）03-0073-03

Abstract [Objective] The research aimed to select hydrophyte with strong ability to absorb nitrogen and phosphorus elements in water.[Method] By measuring three types of aquatic plants（Limnophila sessiliflora （Vahl） Blume， Saururus chinensis （Lour.） Baill. and Ruellia brittoniana Leonard） growth indexes（root length， root straight stem， stem diameter and chlorophyll） and water indexes（turbidity， dissolved oxygen（DO）， TN， NO3-N， TP， PO4-P）. [Result]The relative growth rate and accumulated fresh weight of the three aquatic plants were significantly higher than original value.The removal of TN， NO3-N， TP and PO4-P by the three aquatic plants was very obvious. However， different plants have differences in the absorption of nitrogen and phosphorus nutrients from water bodies without sediment.[Conclusion] The study provides the theoretical basis for the water quality purification by aquatic plants.

Key words Limnophila sessiliflora （Vahl） Blume;Saururus chinensis （Lour.） Bail;Ruellia brittoniana Leonard;Eutrophic water;Purification

水體富營養(yǎng)化是目前環(huán)境中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境問題[1-2]，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國約有66%以上的湖泊（包括水庫）受富營養(yǎng)化影響[3]。富營養(yǎng)化是指水體中富含N營養(yǎng)鹽和P營養(yǎng)鹽，而含N、P營養(yǎng)鹽組合可能改變了水生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、生物群落成分以及生物化學(xué)循環(huán)[4-6]，由此引發(fā)的藻類和水生植物增加，魚類種類減少，水質(zhì)持續(xù)性惡化的過程。水生植物作為基本的生物因素，可作為調(diào)節(jié)水體內(nèi)部關(guān)系的紐帶，從水體中攝取氮磷元素維持自身的生長、繁殖。有研究指出，生物因子（植物、微生物）通過吸收、代謝等生理過程富集N、P，最終大部分沉積至土壤中，達(dá)到固定營養(yǎng)元素的效果[7]。為了篩選吸收水體氮磷元素能力強(qiáng)的水生植物，筆者采用石龍尾、三白草、翠蘆莉作為試驗(yàn)材料，對植物生長指標(biāo)（根長、根直莖、莖直徑、葉綠素）和水體指標(biāo)（濁度、溶解氧、TN、NO3-N、TP、PO4-P）進(jìn)行測定，研究不同水生植物在沒有底質(zhì)的富營養(yǎng)化水體中對水體氮磷的吸收作用及其差異性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

2018年7月3日，從武漢市園林科學(xué)研究院水生品種池采集石龍尾Limnophila sessiliflora（Vahl）Blume、三白草Saururus chinensis（Lour.）Baill.、翠蘆莉Ruellia brittoniana Leonard 3種水生植物的莖段，將其種植在大棚內(nèi)培養(yǎng)生根后待用。2018年8月 3 日，分別選取預(yù)先栽植的3種植物的莖段苗16株，所選取的片段長度均為10 cm，每個(gè)容器放3株植物莖段，稱量植物鮮重，每組設(shè)置4個(gè)重復(fù)。

試驗(yàn)開始時(shí)從已經(jīng)富營養(yǎng)化的池塘中取水，將水混勻，分裝于各個(gè)容器，測定各個(gè)容器中富營養(yǎng)化水的初始總氮（TN）、總磷（TP）、硝態(tài)氮以及正磷酸鹽含量。試驗(yàn)開始時(shí)，每個(gè)容器內(nèi)加入11 L富營養(yǎng)化溶液。整個(gè)試驗(yàn)在武漢市園林科學(xué)研究院的大棚中開展，試驗(yàn)時(shí)間于2018年8月3日開始，于8 月 24日結(jié)束。試驗(yàn)過程中，每7 d補(bǔ)充蒸餾水至取樣后高度，以此補(bǔ)充由于蒸發(fā)而喪失的水分。

1.2 采樣方法

每次從容器中取樣時(shí)，先將植物取出，再將容器中的水混勻，之后在水面以下 10 cm 處采集1 L水樣;依據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、NO3-N采用紫外分光光度法，TP和PO4-P采用鉬酸銨分光光度法，用哈希便攜式溶解氧儀測定溶解氧（DO）、哈希1900便攜式濁度計(jì)測定濁度。

水體總氮或總磷去除率分別為：WR=（WC1-WC2）/WC1×100%[8]，式中，WR為水體的總（全）氮和總（全）磷去除率（%）;WC1為試驗(yàn)開始時(shí)水體總（全）氮和總（全）磷含量;WC2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水體總（全）氮或總（全）磷含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Sigmaplot 10.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物生長狀況以及生物量變化

3種水生植物石龍尾、三白草、翠蘆莉在試驗(yàn)過程中生長狀況良好。由表1可見，石龍尾的鮮重變化率最大，三白草和翠蘆莉在鮮重變化率上差別不大;根系長度變化率上，石龍尾<翠蘆莉<三白草;莖直徑變化率上，石龍尾<三白草<翠蘆莉;3種水生植物在鮮重、鮮重變化率、根增長量、根系長度變化率、莖直徑變化量、莖直徑變化率均不顯著;3種植物的葉綠素含量隨著試驗(yàn)的進(jìn)行發(fā)生了變化，其中三白草的葉綠素值逐漸升高，石龍尾和翠蘆莉的葉綠素值均呈現(xiàn)下降趨勢，翠蘆莉的值下降的更快。

2.2 水體中溶解氧、濁度變化

由圖1可見，在試驗(yàn)過程中，栽植3種水生植物的試驗(yàn)組的DO基本保持在10 mg/L左右，對照組DO從原來的50 mg/L在第10天減少至20 mg/L，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)約為15 mg/L，對照明顯高于試驗(yàn)組。3種植物的DO值在3個(gè)時(shí)期幾乎在同一值，差別不大，沒有顯著性，DO第1次和最后一次測定沒有顯著性差異，在第2次測定時(shí)有顯著性差異（F=5.967，P=0.019<0.05）。3種水生植物對濁度均有顯著性的改變，石龍尾在第10天時(shí)對濁度的改變較大，后續(xù)則變化不大;三白草和翠蘆莉從試驗(yàn)初始階段直至試驗(yàn)結(jié)束濁度反而逐漸上升，對照組的濁度在第10天時(shí)下降較大，在最后一次測定時(shí)發(fā)現(xiàn)濁度略微降低。濁度在第1次測定時(shí)沒有顯著差異，在最后一次測定時(shí)與對照組有顯著性差異（F=12.718，P=0.002<0.05），3種植物對于濁度的改善具有顯著作用，但是三者間并沒有顯著的差異，三白草和翠蘆莉?qū)岫鹊母纳葡喈?dāng)，翠蘆莉略高于三白草，二者均高于石龍尾。

2.3 水體中TN變化

由圖2和表2可見，3種水生植物對TN均有明顯的凈化作用，TN去除率從大到小依次為石龍尾、三白草、翠蘆莉，對照組的TN與試驗(yàn)前相比增多了29%。3種植物在試驗(yàn)階段對TN去除效果顯著高于對照組，其中石龍尾在第2次試驗(yàn)時(shí)對TN去除較多，三白草和翠蘆莉在10 d時(shí)去除效果相當(dāng)，在隨后的時(shí)間TN總量略微上升但依然遠(yuǎn)低于初始TN的含量。對照組TN含量逐漸上升。石龍尾在去除TN上較翠蘆莉和三白草強(qiáng)。

2.4 水體中硝態(tài)氮的變化

由圖3和表2可見，硝態(tài)氮去除率對照高于3種植物，3種植物去除硝態(tài)氮的能力由強(qiáng)至弱依次為石龍尾、翠蘆莉、三白草。在試驗(yàn)到第10天時(shí)，3種植物以及對照的硝態(tài)氮均呈現(xiàn)下降趨勢，其中下降值最大的是三白草，其次是翠蘆莉。但是試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，三白草的硝態(tài)氮又呈現(xiàn)出上升趨勢，石龍尾和翠蘆莉以及對照都在繼續(xù)下降，相比初始時(shí)水體中硝態(tài)氮的含量明顯下降。

2.5 水體中TP變化

3種水生植物TP去除率由大至小依次為三白草、翠蘆莉、對照、石龍尾。由圖4和表2可見，三者在TP去除上具有顯著差異。對照組和試驗(yàn)組的石龍尾TP含量在第10天時(shí)均上升，但三白草和翠蘆莉顯著下降，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)石龍尾和對照組的TP均顯著下降，三白草和翠蘆莉均有上升趨勢。3種植物中三白草對TP的凈化率較高。

2.6 水體中正磷酸鹽變化

由圖5和表2可知，整個(gè)試驗(yàn)階段，試驗(yàn)組和對照組對正磷酸鹽（PO4-P）的去除率均較高。3種水生植物在正磷酸鹽去除上與對照無差別，翠蘆莉與石龍尾在吸收正磷酸鹽上具有差異（F=36.07，P=0004）。隨著時(shí)間的推移正磷酸鹽的含量均呈急速下降趨勢，在第10天時(shí)三白草對正磷酸鹽的去除率高于石龍尾和翠蘆莉，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對照組及試驗(yàn)組正磷酸鹽的含量均非常低。3種植物去除正磷酸鹽的能力由強(qiáng)至弱依次是石龍尾、翠蘆莉、三白草。

3 討論

該研究中3種水生植物對TN 和TP 的積累對去除水體中TN 和TP 的貢獻(xiàn)率分別為76.7%和62.4%、72.0%和738%、663%和62.2%;對照中TN較初始試驗(yàn)時(shí)增加了29.0%，TP較初始試驗(yàn)時(shí)減少了63.1%;顯然水生植物對削減水體富營養(yǎng)化具有積極意義[9]。不同植物類型的選擇，可能會造成人工濕地對主要污染物TN 和TP 的凈化效果產(chǎn)生很大差異，該試驗(yàn)結(jié)果3種植物的凈化效果和抗性及生長勢整體較高，可以考慮擴(kuò)大其在工程中的應(yīng)用。這也說明了植物吸收有機(jī)物和無機(jī)物的形式也是有區(qū)別的，吸收能力因生活型而有區(qū)別。植物吸收氮磷是以NH4+和NO3-形式[10-13]，在此次試驗(yàn)中，3種植物對N、P的吸收是有差別的，石龍尾對總氮的減少貢獻(xiàn)最大，三白草對總磷減少的貢獻(xiàn)率最大。在沒有土壤的情況下，植物對總氮、總磷都具有一定的吸收能力，但是硝態(tài)氮和正磷酸鹽會在水體中微生物的作用下降低，這也說明在后續(xù)的水體凈化中引入適量的微生物會對水體的氮磷減少起到很大作用。微生物反硝化作用強(qiáng)弱與進(jìn)水中氮素存在形態(tài)有關(guān)，如果以氨氮為主，硝化作用的快慢是影響反硝化作用的主要因素;以硝態(tài)氮為主，反硝化作用會加強(qiáng)[14]。該試驗(yàn)階段在8月份，處于夏季中，試驗(yàn)中水體中氮素主要以硝態(tài)氮形態(tài)存在，夏季反硝化作用有所增強(qiáng)，可能是因?yàn)榉聪趸?xì)菌受外界氣溫影響較大，隨著氣溫的逐漸升高，反硝化細(xì)菌的數(shù)量逐漸上升[15]，導(dǎo)致對照中硝態(tài)氮含量也處于下降趨勢。在試驗(yàn)的各階段，對照組DO值含量均高于試驗(yàn)組，說明除了有機(jī)物生化及污水中其他還原物質(zhì)會消耗氧氣外，水生植物呼吸作用也會消耗溶解氧[16]。在整個(gè)試驗(yàn)階段，不論是對照組還是試驗(yàn)組TP含量均呈下降趨勢、PO4-P含量下降較為明顯，對照組TP含量先增加后下降，PO4-P處于持續(xù)快速下降趨勢，可能是因?yàn)檎姿猁}逐漸形成顆粒或沉淀物，吸附在容器底部。

4 結(jié)論

3種水生植物在沒有土壤基質(zhì)的情況下，可以從水體中吸收營養(yǎng)物質(zhì)完成生長過程。3種植物對TN、NO3-N、TP、PO4-P去除效果明顯，相對于對照組3種植物對TN去除具有顯著差異，去除NO3-N、TP、PO4-P沒有顯著差異;3種植物去除TN效果由強(qiáng)至弱依次為石龍尾、三白草、翠蘆莉，去除TP效果由強(qiáng)至弱依次為三白草、翠蘆莉、石龍尾;去除NO3-N和PO4-P效果由強(qiáng)至弱依次為石龍尾、翠蘆莉、三白草。綜上所述，不同水生植物在沒有底質(zhì)的情況下，從水體中吸收氮磷營養(yǎng)鹽具有差異。

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