多種沉水植物組合對富營養(yǎng)化水體的凈化效果

李 琳，張 華，岳春雷，李賀鵬，王 珺，楊 樂

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023）

隨著生活污水和工農(nóng)業(yè)污水的大量排放，河流、湖泊和海灣等水體的富營養(yǎng)化程度逐漸加重，導(dǎo)致了藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧含量下降，水質(zhì)惡化，魚類及其他生物大量死亡[1-2]。水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重破壞了水體的生態(tài)平衡，使水體環(huán)境日益惡化[3]。國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過研究，認(rèn)為植物修復(fù)技術(shù)能有效的治理富營養(yǎng)化水體，具有低成本、高效益的優(yōu)勢。植物不僅可以通過吸附、沉降等物理作用凈化水質(zhì)，而且對水體中富營養(yǎng)化的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)有很強的吸收能力，轉(zhuǎn)化為自身物質(zhì)的同時，還能調(diào)節(jié)水生生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)速度，抑制藻類繁殖，能夠在一定程度上改善水體環(huán)境[4-5]。

沉水植物是植物修復(fù)技術(shù)中重要的凈化材料，是水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，主要通過自身的代謝和微生物的共同作用吸收富營養(yǎng)化水體中的氮、磷等有害物質(zhì)，同時抵制低等藻類的生長[6-7]。孔祥龍等[8]研究表明苦草屬Vallisneria的植物對水體中氮、磷具有較強的凈化能力。任文君等[9]研究了蓖齒眼子菜Potamogeton pectinatus，竹葉眼子菜P.wrightii，金魚藻Ceratophyllum demersum和黑藻Hydrilla verticillata4 種植物對白洋淀富營養(yǎng)化水體的凈化效果，其中，黑藻的除磷效果最佳，金魚藻的除氮效果最優(yōu)。劉丹丹等[10]研究表明伊樂藻Elodea canadensis具有較強的吸收富集能力。當(dāng)前，有關(guān)沉水植物在凈化污水中的作用已被實驗和實踐證明，而且研究還發(fā)現(xiàn)多種植物的合理搭配組合能夠提高氮和磷的去除效率，并發(fā)揮其最大凈化潛力[11]。因此，本文選取了4 種凈化效果較強的沉水植物，密刺苦草Vallisneria denseserrulata，金魚藻，黑藻和伊樂藻，構(gòu)建了11種組合模式，通過室內(nèi)靜水實驗，研究不同組合對污水中總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、總磷（TP）和高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）等的凈化效果，旨在優(yōu)化水環(huán)境中的植物配置，以期為富營養(yǎng)化水體中植物的選擇應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2019 年5 月10-13 日，在浙江工業(yè)大學(xué)屏峰校區(qū)的上埠河采集密刺苦草、金魚藻和黑藻，伊樂藻從杭州蕭山苗木公司購得，將這4 種沉水植物作為研究對象。實驗用于固定根系的漁網(wǎng)和石頭用自來水浸泡并用蒸餾水沖洗干凈后晾干待用。

1.2 試驗方法

2019 年5 月中旬在浙江省林業(yè)科學(xué)研究院試驗大棚內(nèi)將供試的沉水植物用自來水進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，使其適應(yīng)生長環(huán)境。然后選擇生長良好、莖葉完整及性狀一致的植株，將其清洗干凈并用海綿吸去多余的水分后稱量，然后按照表1 的11 種組合方式（A1～ C1）種植在60 L 圓底白色聚乙烯塑料桶內(nèi)，每種組合設(shè)置3 組重復(fù)，另設(shè)一組對照（CK）只放置漁網(wǎng)和石頭，無植物。實驗用水采用人工配水，碳源由葡萄糖提供，氮源由氯化銨、硝酸鉀提供，磷由磷酸二氫鉀提供，微量元素由氯化鈣、硫酸錳、硫酸鎂、氯化鐵提供。實驗用自來水配置后的水中總氮濃度為7.00 mg·L-1，總磷濃度為0.70 mg·L-1，氨態(tài)氮濃度為3.00 mg·L-1，CODMn濃度為40.25 mg·L-1，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。每個桶內(nèi)加入35 L 配置好的污水。實驗從5 月22 日開始到6 月26 日結(jié)束，每隔一周采一次水樣，每個桶在水面下20 cm 處采200 mL 水樣，共采5 次。采樣結(jié)束后消耗的水用配好的污水補充，因蒸發(fā)消耗的水每天用自來水補充到原水位高度。最后一次采樣結(jié)束后，將每個桶內(nèi)植物全部撈出吸取表面水分，進(jìn)行稱量、烘干，計算生物量。

1.3 測定指標(biāo)及方法

實驗測定的指標(biāo)包括總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、總磷（TP）、高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）和溶解氧（DO）。其中TN 用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[12]，NH4+-N 采用水楊酸分光光度法測定[12]，TP 采用ICP-OES 法直接進(jìn)樣測定[13]，CODMn采用酸性高錳酸鉀法測定。

表1 植物配置實驗組設(shè)計Table 1 Submerged macrophyte combinations

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

1.4.1 計算污染物的去除率

為了明確12 組實驗對水體中TN，NH4+-N，TP 和CODMn的凈化能力，進(jìn)行了去除率（η）的計算：

式中，C1為初始濃度，C2為結(jié)束時的濃度。

1.4.2 綜合評價

（1）熵值法計算指標(biāo)權(quán)重。通過各指標(biāo)的指標(biāo)值差異程度，利用信息熵，得出各指標(biāo)權(quán)重[14]，計算基本步驟為：

①度量化各指標(biāo)，計算第j項指標(biāo)下第i個方案指標(biāo)值的比重pij：

式中，m為待評價對象個數(shù)，n為評價指標(biāo)個數(shù)。

②計算第j項指標(biāo)的熵值ej：

式中，k＞0；ej≥0 。設(shè)k，于是有0≤ej≤1。

③計算第j項指標(biāo)的差異性系數(shù)gj，即：

④計算第j個指標(biāo)的權(quán)重：

（2）確定各指標(biāo)數(shù)值的評分標(biāo)準(zhǔn)。各指標(biāo)權(quán)重確定后，根據(jù)已有的研究[15]確定各指標(biāo)數(shù)值的評分標(biāo)準(zhǔn)，見表2 所示。通過確定的各指標(biāo)權(quán)重和評分可計算得到不同沉水植物組合的綜合去污能力得分，計算公式如下：

式中，S為待評價沉水植物組合的綜合去污能力得分；Wi為第i項指標(biāo)綜合權(quán)重；Ri為第i項指標(biāo)的評分結(jié)果。

表2 污染物去除率的打分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Scoring standard for pollutant removal rate

根據(jù)S值的大小，最后沉水植物組合對水體去污能力劃分為5 個等級（表2），各等級評分的變化范圍如下：{很差；較差；一般；良好；優(yōu)秀}={0.0～ 5.9；6.0～ 6.9；7.0～ 7.9；8.0～ 8.9；9.0～ 10.0}，以此得出沉水植物組合去污能力的綜合評價結(jié)果。

實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析使用IBM SPSS18.0 軟件，方差分析采用Duncan 法進(jìn)行差異顯著性檢驗，最后用Origin 9.0 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同沉水植物組合的生長狀況

經(jīng)過35 d 的生長，植株的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和生物量均產(chǎn)生了較大的變化，不同植物組合中黑藻的長勢較好，其鮮質(zhì)量與干質(zhì)量的增長基本都高于同組的其他植物。所有植物組合的合計凈增生物量變化范圍為0～ 3.89 g（表3），大小順序為C1＞ B1＞ B2＞ A6＞ B4＞ A4＞ A2＞ A3＞ A1＞ A5＞ B3，其中密刺苦草+金魚藻+黑藻+伊樂藻（C1）組合中的合計凈增生物量顯著高于其他組（P＜0.05），生長速度最快。金魚藻+黑藻+伊樂藻（B3）組合中合計凈增生物量最少，植物長勢較差。

表3 不同沉水植物組合生物量的變化Table 3 Changes in biomass of different submerged macrophyte combinations

2.2 不同沉水植物組合對水體中TN 的凈化效果

實驗開始后不同處理中水體的TN 都呈下降趨勢，28 d 后稍有上升（圖1）。實驗結(jié)束時各沉水植物組合中水體的TN 濃度均顯著小于CK（P＜0.05）。其中B4和C1的凈化效果最好，實驗結(jié)束時水中的TN 濃度分別為0.97 mg·L-1和1.15 mg·L-1。經(jīng)過35 d 后，不同處理對水體中TN 的去除率依次為B4（86.13%）＞ C1（83.54%）＞A6（82.90%）＞ B2（80.89%）＞ B1（79.14%）＞ B3（78.45%）＞ A5（70.79%）＞ A3（70.42%）＞ A1（68.14%）＞A4（67.22%）＞ A2（65.61%）＞ CK（48.43%）（圖2）。

圖1 不同沉水植物組合水體中TN 的濃度變化Figure 1 Changes of total nitrogen in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

圖2 不同沉水植物組合水體中TN 去除率的變化Figure 2 Change of total nitrogen removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

2.3 不同沉水植物組合對水體中NH4+-N 的凈化效果

由圖3 可知，各處理對水體中的NH4+-N 均有顯著的去除效果（P＜0.05），并且去除趨勢幾乎保持一致。試驗結(jié)束時，所有處理組合最終濃度均低于0.63 mg·L-1，不同處理組合對水體中NH4+-N 的去除效果相差不大：C1（97.78%）＞ B1（96.89%）＞ B4（96.78%）＞ B2（96.56%）＞ B3（94.45%）＞ A6（91.67%）＞ A2（91.66%）＞ A3（91%）＞ A4（88.56%）＞ A1（87.78%）＞ A5（85.89%）＞ CK（79.00%）（圖4）。其中C1和B1的凈化效果最佳，最終水體中NH4+-N 濃度分別為0.07 mg·L-1和0.09 mg·L-1。

圖3 不同沉水植物組合水體中NH4+-N 的濃度變化Figure 3 Changes of NH4+-N in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

圖4 不同沉水植物組合水體中NH4+-N 去除率的變化Figure 4 Change of NH4+-N removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

2.4 不同沉水植物組合對水體中TP 的凈化效果

不同沉水植物組合對水體中TP 的去除效果較明顯（圖5）。實驗結(jié)束時，TP 去除率依次是B4（85.59%）＞C1（81.26%）＞ B3（77.69%）＞ A6（76.10%）＞ B2（74.89%）＞ B1（73.78%）＞ A5（70.74%）＞ A1（63.66%）＞ A4（63.17%）＞ A3（55.10%）＞ A2（52.67%）＞ CK（25.77%）（圖6）。因此，B4和C1的凈化效果最好，實驗結(jié)束時TP 濃度分別低至0.100 9 mg·L-1和0.131 2 mg·L-1（圖5）。

圖5 不同沉水植物組合水體中TP 的濃度變化Figure 5 Changes of total phosphorus in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

圖6 不同沉水植物組合水體中TP 去除率的變化Figure 6 Change of total phosphorus removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

2.5 不同沉水植物組合對水體中CODMn 的凈化效果

不同處理對水體中CODMn的影響變化較大，實驗開始前兩周所有處理的CODMn隨著處理時間增加迅速下降，去除率基本都超過了80%，后三周所有處理的CODMn隨著處理時間增加都有小幅上升，但是去除率都維持在70%以上（圖8）。

圖7 不同沉水植物組合水體中CODMn 濃度的變化Figure 7 Changes of CODMn values in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

圖8 不同沉水植物組合水體中CODMn去除率的變化Figure 8 Change of CODMn removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

實驗結(jié)束時，各處理對水體中CODMn的去除效果相差不大：C1（89.63%）＞ B2（88.96%）＞ B3（88.19%）＞B1（88.17%）＞ A5（87.77%）＞ A2（87.61%）＞ A6（87.10%）＞ B4（86.97%）＞ A4（86.36%）＞ A1（80.72%）＞CK（80.72%）＞ A3（76.54%）。其中，以C1和B2對水體中CODMn的凈化效果最好，其最終CODMn的濃度分別為4.17 mg·L-1和4.44 mg·L-1（圖7）。

2.6 不同沉水植物組合凈化效果的綜合評價

試驗期間，供試的沉水植物組合在不同階段對TN，TP，NH4+-N 和CODMn的去除率均存在差異，因此，在篩選去污能力較強的沉水植物組合時，不能只將其中一個或幾個指標(biāo)作為評價依據(jù)，而應(yīng)該進(jìn)行綜合考慮，為了對11 種沉水植物組合的凈化效果做出一個全面的整體性的評價，采用了模糊綜合評價對測定的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了綜合評價，運用熵值法[14]求出4 種水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為W={TN，TP，NH4+-N，CODMn}={0.400 664 357，0.567 795 568，0.012 714 037，0.018 826}。

根據(jù)以上確定的各指標(biāo)權(quán)重和評分標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)公式[15]計算得到不同沉水植物組合的綜合評價結(jié)果如表5。由表5 表明，B4（密刺苦草+黑藻+伊樂藻）和C1（密刺苦草+金魚藻+黑藻+伊樂藻）的凈化效果最好，A3（密刺苦草+伊樂藻）和A2（密刺苦草+黑藻）對水體中污染物的凈化效果較差。

表5 11 種沉水植物組合對水體中污染物凈化能力的綜合評價結(jié)果Table 5 Comprehensive evaluation on purification capacity of 11 submerged plant combinations in eutrophic water

3 討論

本研究結(jié)果表明，密刺苦草、金魚藻、黑藻和伊樂藻不同組合對水體中TN，TP 均有較好的凈化效果，并且實驗期間所有沉水植物組的氮磷去除率均顯著高于CK。不同組合處理組水體中TN，TP 最終去除率的范圍分別為65.62%～ 86.14%和52.10%～ 85.59%。本次實驗水體中磷的去除主要依靠植物直接吸收、吸附和沉淀作用等途徑去除[16-17]，而水體中氮的去除除了這些途徑外，還存在氨的揮發(fā)、硝化和反硝化等途徑[8,18]。實驗期間各植物處理組水體中TN 濃度一直呈下降趨勢但在最后一周稍有上升，可能是因為實驗期間水體中的氮主要通過植物吸收、微生物降解、物理作用等途徑去除，同時沉水植物光合作用消耗水中CO2，導(dǎo)致pH 值升高，OH-與水體中NH4+-N 結(jié)合，使氨態(tài)氮以氨氣的形式吹脫，氨態(tài)氮濃度急劇下降，TN 也呈現(xiàn)下降趨勢[19]。實驗后期，位于水體下半部分的植物因受到上半部分其他植物的遮蔽，光合作用受到影響，生長速度較慢，甚至出現(xiàn)了葉片凋零的現(xiàn)象，造成了水體中TN 濃度的升高。CK 水體中TN 和NH4+-N 的去除主要通過吸附、沉降等物理作用及氨的揮發(fā)作用。實驗期間，各處理組水體中TP 濃度隨處理時間增加均呈下降的趨勢，植物處理組合主要通過沉水植物分泌助凝物質(zhì)加速吸附沉降水體中的懸浮顆粒態(tài)磷，同時植物生長吸收固定了部分磷元素[17]，使TP濃度迅速降低。CK 水體中的TP 主要是通過筒壁、石頭和漁網(wǎng)的吸附及沉淀等物理作用去除。實驗初始，由于投加的葡萄糖為低分子有機碳源，容易被氧化分解，易被反硝化細(xì)菌和聚磷菌利用，所以第7 天時，各處理組的CODMn迅速下降，同時有機物的加速分解也引起了溶解氧濃度的降低，實驗中后期部分沉水植物處理組水體中的CODMn有所上升，這主要是由于沉水植物根腐爛與分解及微生物代謝會產(chǎn)生一定量的有機物[20]，致使水體中CODMn濃度增加，進(jìn)而導(dǎo)致去除效果受影響。

本研究結(jié)果表明，4 種沉水植物組合的11 種方式中，以B4和C1的綜合凈水效果較好。一方面是水體中污染物去除率可能與沉水植物凈增生物量密切相關(guān)，將不同種類的沉水植物進(jìn)行組合，植物能夠在上下立體空間生長，增加等面積水域的生物量，沉水植物表面附著的微生物數(shù)量增加，促進(jìn)根際微生物吸收、根系滯留、根際周圍硝化反硝化等作用，提高凈化效果[21-22]。另一方面可能與植物多樣性有關(guān)。多種沉水植物組合時，可以相互補充水體對污染物的不同處理功能，有利于實現(xiàn)水體的完全或半完全自我循環(huán)，對污染物的凈化效率更高，凈化效果也更穩(wěn)定[23]。本次實驗中C1的凈增生物量顯著高于其他組，可能與生物多樣性有關(guān)。Laughlin 和Sutton-Grieret 等[24-25]的研究表明植物多樣性能促進(jìn)植物生物量、微生物氮固持的增加，最終強化基質(zhì)中硝化作用和反硝化作用，與本文的研究結(jié)果相符合。B4組凈增生物量為2.64 g 與C1的3.89 g 也相差不多，而且不同處理組中黑藻的凈增生物量均高于其他植物（表3）。一些研究表明[26-27]，黑藻的耐污能力強，生長速度快，可快速吸收營養(yǎng)鹽用于自身生長，黑藻對氮、磷的去除能力較強。伊樂藻、黑藻同屬于水鱉科Hydrocharitaceae多年生沉水植物，二者具有相似的營養(yǎng)體形態(tài)，速生高產(chǎn)，其斷枝繁殖能力強，環(huán)境適應(yīng)性強，具有較強的水質(zhì)凈化功能，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于湖泊生態(tài)環(huán)境的治理和水生植物群落的恢復(fù)中[28]。時志強等[29]研究表明，苦草V.natans發(fā)達(dá)的根系有利于固定沉積物，防止顆粒物質(zhì)再懸浮，提高水體透明度，為沉水植物的生長提供充足的光照和良好的水下光環(huán)境，根系泌氧，改善水體的厭氧狀態(tài)，提高了微生物的降解轉(zhuǎn)化作用。密刺苦草與苦草同為苦草屬Vallisneria，形態(tài)特征相似，也具有上述的功能特性。B4和C1的綜合凈化能力較強，可能是由于不同沉水植物各物種間產(chǎn)生了互補效應(yīng)。一些研究結(jié)果表明[30-31]，多樣性也能夠使各物種間產(chǎn)生互補效應(yīng)，增強對資源利用的完全程度，與本文的觀點相符。劉淼等[32]研究也表明將苦草，輪葉黑藻Hydrilla verticillata，穗花狐尾藻Myriophyllum spicatum進(jìn)行植物配置后對沉水植物塘水質(zhì)的凈化效果更好。李歡等[33]研究4 種挺水植物、4 種沉水植物及其組合群落對富營養(yǎng)化水體的凈化效果的實驗中表明，與單由挺（沉）水植物組成的群落相比，混合群落生長和生態(tài)功能都具有一定的增強效應(yīng)。

從植物生長狀況和水體綜合去污能力等方面考慮，在富營養(yǎng)化水體修復(fù)時可優(yōu)先考慮B4和C1。本次研究結(jié)果對富營養(yǎng)化水體修復(fù)中植物配置和生態(tài)工程應(yīng)用方面都具有一定的參考價值。但室內(nèi)靜水條件與野外自然條件仍存在較大差異，在野外沉水植物的生長及水體中各物質(zhì)含量會受到氣候、水流和水生動物等方面的影響，而且本次試驗是在靜態(tài)環(huán)境中的短期實驗，所以在實際應(yīng)用中還有待進(jìn)一步的觀察。

4 結(jié)論

密刺苦草、金魚藻、黑藻和伊樂藻4 種沉水植物所組成的11 種組合中，沉水植物在富營養(yǎng)化水體中均能正常生長，不同沉水植物組合對水體中污染物的去除效果較好。11 種組合中植物長勢最好，凈增生物量最多的組合為C1（密刺苦草+金魚藻+黑藻+伊樂藻），最終凈增生物量為3.89 g。不同沉水植物組合對水體中TN，TP的凈化效果最好的是B4（密刺苦草+黑藻+伊樂藻）和C1，去除率分別為86.14%，83.52%和85.59%，81.26%。C1和B1對NH4+-N 的凈化效果最好，最終NH4+-N 濃度為0.07 mg·L-1和0.09 mg·L-1。對水體中CODMn去除效果最好的組合為C1和B2（密刺苦草+金魚藻+伊樂藻），去除率達(dá)到了89.63%和88.96%。綜合評價結(jié)果表明，對富營養(yǎng)化水體中污染物能力較強的組合為B4和C1。