黃菖蒲對富營養化水體中氮磷去除效率研究

葉勝蘭舒曉曉

(1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075；5.自然資源部土地工程技術創新中心，陜西 西安 710075)

前言

據調查，我國現存的淡水資源總量為2.8×1012m3，居世界第4，但人均僅為2150m3[1]。隨著我國的工業發展和城市生活廢水大量排放，化肥和農藥過量施用導致的殘留物流失等，都將引起氮、磷、有機物、重金屬等污染物質在湖泊、河口及海灣等相對封閉、流速緩慢的水體中留存，這將嚴重損害和改變水生生態系統，導致生態環境的極度惡化。

水體污染會導致水生生態系統中動植物種類組成變化[2]。近年來，由于可利用水資源的質量不斷下降，直接導致了淺水湖泊水體中大型水生植物的消失。而對于相對封閉、流動性差的水體，其自我凈化能力相對較弱，需要采用工程的辦法治理，這種物理方法的效果雖然很理想，但需要大量人力、物力的投入，且只能針對已有的污染狀況，而治理后期若缺乏長期的維持，水體中仍有可能出現各種污染物。因此，專家學者通過研究發現，水生植物在進行自身生命活動時需要攝入大量的氮磷元素，利用這一原理進行水體修復，成本相對較低，且不會出現二次污染，同時能達到修復水體和改善景觀環境的雙重功效，對于解決水體的污染問題和生態環境的改善具有重要的實踐意義和推廣價值。水生植物是水環境的重要調節者，有利于提高湖泊生態系統的生物多樣性和穩定性[3]。水生植物在生長過程中需要吸收氮、磷和有機物等營養元素物質[4-6]，維持水中的營養元素平衡，因此水生植物可以靠自身的吸收作用去除水中過量的氮、磷等物質[7-9]。本研究主要從水體污染問題入手，選取黃菖蒲水生植物，初步探討其對富營養化水體中氮、磷的去除效果，為水體質量的改善技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本文選擇植物為挺水植物黃菖蒲。模擬城市內湖相對封閉的現狀，采用室內水培試驗。富營養化水體通過添加分析純的硝酸鉀和磷酸二氫鉀試劑來實現。

1.2 試驗設置

依據我國的污水一級排放標準中總氮<20mg·L-1，總磷<1.0mg·L-1，設置富營養化水體濃度。黃菖蒲試驗組分別為H1～H9，具體試驗設置見表1。每組均勻栽種挺水植物各5株。

表1 試驗設置

1.3 測定指標及方法

水體pH、電導率(EC)釆用便攜式儀器現場測定。

水樣中硝態氮、氨態氮含量利用AA3流動分析儀測定；總氮含量采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定；總磷含量采用鉬酸銨分光光度法測定。

2 結果與分析

2.1 不同濃度氮磷對黃菖蒲生長狀況的影響

由圖1可看出，黃菖蒲在不同富營養化程度的水體中均能正常生長，且在種植前期快速增長，隨后植物的生長速率逐漸趨于緩慢并各自穩定在某一高度。其中，H9(N3P2)處理的黃菖蒲生長速率最快，達68.0cm；其次是H2(N2P1)處理，為65.1cm。由此表明，水體中的氮元素可作為植株的生長的營養元素，促進植株快速生長。圖中顯示，黃菖蒲在氮磷濃度最高的H6處理植株生長受到一定的抑制作用，株高為所有處理中最低，為42.8cm；其次是H5和H7處理，株高分別為45.2cm和50cm。說明富營養化水體中磷元素含量過高，將對黃菖蒲的生長產生一定的抑制作用。

2.2 黃菖蒲對不同富營養化程度水體中總氮、總磷的清除效率

由圖2可看出，不同富營養化程度的水體中總氮和總磷的整體變化趨勢均表現為下降，且均在6月29日之后出現相對穩定的狀態。在相同的氮磷濃度下，植物對富營養化水體中的氮磷清除率差異不顯著(P>0.05)。在試驗結束后測定富營養化水體中氮磷濃度發現，低氮處理(H1、H4和H7)后，富營養化水體總氮含量分別為7.88mg·L-1、6.61mg·L-1和8.14mg·L-1；中氮素處理(H2、H5和H8)的總氮含量則為13.21mg·L-1、12.04mg·L-1和13.91mg·L-1；高氮處理(H3、H6和H9)的總氮含量分別為18.17mg·L-1、16.99mg·L-1和18.78mg·L-1；而黃菖蒲對不同富營養化水體中總氮的清除率分別為62.5%、65.9%和68.8%。低磷處理(H1、H2、H3)水體中總磷分別為0.59mg·L-1、0.55mg·L-1和0.52mg·L-1；中磷處理(H4、H8、H9)水體中總磷分別為0.93mg·L-1、0.91mg·L-1和0.88mg·L-1；高磷處理(H7、H5、H6)水體中總磷分別為1.10mg·L-1、1.07mg·L-1和1.15mg·L-1；黃菖蒲對不同富營養化程度水體中總磷清除率分別為43.0%、52.9%和62.1%。由此發現，黃菖蒲對富營養化程度嚴重的水體具有更高效的清除效率；且在相同氮素濃度下，低濃度的磷會促進植物對氮素的吸收利用，而高磷則抑制植物對氮素的吸收。隨著氮濃度的升高，對磷的清除具有促進作用。

2.3 黃菖蒲對不同富營養化程度水體中氨態氮、硝態氮的清除效率

由圖3可看出，黃菖蒲對富營養化程度嚴重的水體具有顯著的氨態氮和硝態氮清除作用。富營養化水體中氨態氮的濃度最高，約為總氮含量的60%，且氨態氮在水體中的變化趨勢基本與總氮保持一致。在試驗進行的一定時間內水體中氨氮會出現急劇下降的現象，在之后富營養化水體中的氨氮則表現為緩慢下降。在富營養化水體中設置的氨態氮起始濃度約為10mg·L-1、20mg·L-1和30mg·L-1的情況下，14d后水體中的氨態氮急劇下降至1.77～6.59mg·L-1，且氨態氮的消除率達到了79.4%，以處理H9的清除率最高，為81.2%；在試驗結束后，其清除率達到了98.6%，與其它處理達到顯著差異(P>0.05)。而富營養化水體中硝態氮的變化趨勢與氨態氮則存在一定差異，表現為先升高后降低，這可能與富營養化水體中的硝化細菌硝化作用具有相關性。最后，硝態氮含量為3.99～11.38mg·L-1，消除率達到16.4%，其中H9處理的硝態氮清除率最高，達到27.4%，顯著高于其它處理。

3 結論

黃菖蒲在不同富營養化水體中均能生長良好，且在前期速率較快。試驗表明，水體中的氮能顯著促進植株的生長發育，而高磷則對植株生長產生一定的抑制作用。

不同富營養化水體中的總氮和總磷均表現為下降趨勢，并于6月29日后趨于穩定。黃菖蒲對高氮、磷具有更為顯著的清除效果；相同氮濃度下，低磷能促進植物吸收水體中的氮素，而高磷則會抑制氮素的吸收。磷的清除效率與水體中的氮素含量成正相關。H9處理的NH4+-N和NO3—-N清除率分別達到98.6%和27.4%，顯著高于其它處理。