水位波動對挺水植物鳶尾凈化作用的影響

吳慎獨，陳 菁，郭少壯，陳 潔，劉 敏，包 克

(1.河海大學農業科學與工程學院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098)

0 引言

水體富營養化是全球水環境整治的重難點問題。自從2007年中國太湖藍藻事件發生后，水體氮磷濃度的原位削減與外源減排等問題在中國水環境保護領域上升到了一個新的高度[1]。然而，城市與農村的土地兼并使得部分灌溉水網承受更多的氮、磷等營養物質，加劇了城鄉水網中的污染問題。為了保證水生態環境的穩定，不僅要加大現行污水集中處理量，更需要強化河道湖泊水體凈化處理[2]。

為了降低含高濃度氮磷污水直接排入水體產生的污染問題，國內外研究學者一直關注高效率削減工藝的發展。目前采用的一些物理化學類生態修復技術包括底泥疏浚、機械除藻或者投放化學藥劑等方法，能夠有效地降低內在氮磷污染的負荷。但這類方法不具有一定的持續性，易造成二次污染等問題，故需要生物修復技術輔助達到對藻類和污染物的控制[3]。生物生態技術通過邊坡與河底種植水生植物，利用植物凈化水土的能力，來達到原位削減的目標。這種方法可以直接利用現有的水網河道，減少了集中處理的管道鋪設費用。栽植的水生植物可以通過自身對營養物質的聚集效應，將氮、磷等元素富集在根際[4]。其基本原理：植物通過根系分泌物改變沉積物-水界面的微生物群落，經光合作用產生氧氣利用莖稈傳輸至根系，改變根際氧區分布，使得在根系區域形成小型的富氧-厭氧區域，進一步加快水體與沉積物之間氮磷元素的吸收與轉換，因此根系區域成為整個生態修復的重點區域[5-7]。生態修復技術受自然條件影響較大，不同水文條件對根系區域的生態平衡都會產生影響。水位的改變會帶來水溫、溶解氧、pH值等條件的改變，對植物的生長生理狀況產生影響，造成植物生長機制的變化，間接地影響到根際區間中微生物群落種群的分布與相關酶生成，最終使得生態工程的凈化效果達不到預期[8]。

本文選取長江中下游常見本土挺水植物鳶尾(Iristectorum)作為研究對象。鳶尾具有對水位變化敏感、水質凈化效果好和觀賞價值高等特點，可避免植物選擇的單一與外來物種的入侵問題[9]。以生長水位為控制條件，分別研究不同水位條件下鳶尾對其生存微環境的調控效應、水質凈化效果的影響，旨在為生態工程設計中提供植物的最優選取與配植條件，以期達到較優的水質凈化效果。

1 材料與方法

1.1 試驗準備

試驗選取宜興市丁蜀鎮八房港附近自然生長的鳶尾科挺水植物鳶尾(Iristectorum)，株高在55 cm±2 cm，生長狀況良好，移栽至聚乙烯塑料桶(150 L)中。試驗桶底部內徑50 cm，頂部內徑66.5 cm，高度73 cm。底泥選取植株原位底泥，均勻鋪至桶底，厚度保持在20 cm左右。

試驗所用污水為自行配置，即通過向自來水添加不同濃度的KNO3、NH4Cl、KH2PO4和葡萄糖，將配水水質濃度控制在總氮(TN)15 mg/L，氨氮(NH3-N)5 mg/L，總磷(TP)0.5 mg/L和化學需氧量(COD)50 mg/L。

1.2 試驗設計

試驗開始于2019年10月，在宜興市丁蜀鎮農業生態園大棚中進行。移栽的鳶尾先加入清水培育7 d，選取長勢良好的植株。按照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準進行配水，水位分別設置為低水位(10 cm)、中水位(30 cm)和高水位(50 cm)。

每組水位都設3組平行，另設一組不種植物的空白組。為了減少試驗反應器受不同位置的自然條件影響，隨機擺放3組。反應裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of test device

試驗周期為20 d，每3 d取一次水樣，并用蒸餾水補充每次因取樣、植物吸收和蒸發損失的水分，以保證試驗水位相對恒定。試驗檢測方法按照地表水和 污水監測技術規范(HJ 91—2002)實行。試驗初始與結束時，采集植物根系樣品與沉積物樣，按照相關說明書與國家標準，測得植物根系酶活與土壤理化指標。

1.3 數據處理

試驗所測數據作為原始數據，使用Excel 2019進行數據整理分析，Origin 2019b對數據進行分析作圖，圖中數據都以均值和標準差表示。

2 結果與分析

2.1 水體中氮磷濃度變化

不同水位下COD濃度變化如圖2所示。栽種鳶尾水體中的COD都在試驗期間明顯下降，3種水位削減率均在80%以上，去除效果明顯。相較于空白組，各個水位的植物組在前期都表現出更好的去除效果，前一周的下降趨勢明顯，去除率在70.9%～76.7%。這可能是由于底泥中微生物的消耗與植物的富集作用同時作用使得初期的濃度迅速下降[10]。空白組中缺少植物富集作用，初期僅依靠土壤吸附，污染物濃度下降并不如植物組。隨著物質前期沉降作用逐漸減少，原位泥與配水之間存在濃度差，污染物質逐漸從底泥中釋放，導致COD濃度呈現波動，逐漸趨于平衡。

不同水位植物組之間，低水位組COD濃度削減最多，達到88.4%。在低水位情況下，COD沉降效果最好，溶解氧充足，保證了植物根系處的氧氣供應，對于處理COD有一定的幫助[11]。中高水位情況下，植物對COD的處理效果就不如低水位明顯。從中水位組COD濃度變化中可以看出植物的凈化效果有限，濃度整體下降趨勢與同水位空白組相似。這可能與根系區域溶解氧不足有關。高水位組中缺氧情況更加明顯，在底泥釋放與水位脅迫植物生長的情況同時影響下，濃度甚至高過了對照組。

不同水位下TP濃度變化如圖3所示。水質中總磷濃度變化空白組都出現了濃度升高后下降的趨勢，這與張晶[12]關于再覆水導致土壤磷素的釋放研究類似，水體總磷濃度產生變化后，土壤中的穩定態無機磷向活性無機磷進行轉化，再重新釋放和遷移吸附后達成新的平衡。不同水位組的濃度升高量不同，這與土壤體積不變而水位不同濃度稀釋有關。隨著磷素的消耗，水中總磷濃度與底泥形成了新的動態平衡，并逐漸由微生物吸收處理。植物組相較于空白組都有明顯的去除效果。低水位條件下，空白組總磷濃度連續明顯下降，前期快速去除效果明顯。對比中高水位濃度在第6天和第3天濃度削減速率就放緩，低水位的快速去除時間持續到了9 d。水位深度改變沉積物-水界面的溶解氧濃度，溶解氧濃度上升促進了無機磷的氧化轉換，從而更容易被微生物所吸收利用。

圖3 不同水位下TP濃度變化Fig.3 Changes of TP concentration at different water levels

在不同水位植物組之間，植物對磷素的低水位吸收效果更加明顯。植物在低水位的平均總磷去除貢獻率最高，達到55.8%，高于中高水位的41.2%和42.9%。低水位植物組在第1～6天貢獻最多總磷去除效果。中高水位去除效率最佳區間在第3～6天和第6～9天。可見在低水位狀況下，植物能更快速地發揮總磷的去除效果，而且隨著水位的升高，植物的快速去除的時間區間后移同時縮短。水位不同導致的根系區域溶解氧濃度不同，影響植物氧化吸收無機磷及產生根系分泌物中磷酸酶對有機磷成分的水解效果[13]。同時，高水位對鳶尾的生長生理壓迫，可能導致植物陳舊組織的脫落，造成有機磷濃度升高，使得18 d后高、中水位植物濃度高于低水位植物組(0.06>0.05>0.02 mg/L)[14]。

不同水位下NH3-N濃度變化如圖4所示。空白組中NH3-N濃度都大幅削減，去除率均>86.2%。不同水位情況下，低水位前期快速去除水體中的NH3-N濃度，第6天后整體濃度趨于穩定。而中高水位情況下，空白組前后期的削減能力沒有明顯的變化。3組水位NH3-N濃度逐漸下降至0.4 mg/L后維持動態平衡。

圖4 不同水位下NH3-N濃度變化Fig.4 Changes of NH3-N concentration at different water levels

相比較于空白組，植物組在不同水位下都對NH3-N濃度的削減提供了幫助。低水位植物組與空白組趨勢相似，前期都呈現了快速去除的能力，但植物的貢獻并不明顯。當水位提升到30 cm的情況下，植物的輸氧能力得以體現。通過植物光合作用及挺水植物維管束的傳輸能力，改善了中水位根區硝化細菌的微環境，使得有植物的組內仍然保有一定時長的快速去除能力，能夠快速地將水體中的氨進行轉化處理。但是當水位再次升高，植物對于沉積物-水界面的氧氣供給能力有限，不能維持微環境的好氧條件，NH3-N濃度的降解走勢仍與空白組趨同。

2.2 土壤氮磷濃度變化

不同水位條件下土壤氮磷變化如圖5所示。不同于水體營養物質變化，表層沉積物中氮、磷元素都相較于初始有所增長。土壤中氮元素相較于磷元素，變化并不明顯。植物組相較于初始全氮濃度都有所下降，空白組與初始全氮濃度變化不大，低水位植物組相較于其他組別對于土壤氮元素的凈化效果最好。這與低水位條件下，沉積物表層溶解氧相較于中高水位更高，硝化反應更加充分，水體與土壤中的氨得到充分的反應分解有關。隨著水位升高，植物根系泌氧能力有限，硝化反應逐漸減弱，但凈化效果仍然優于空白無植物組。

圖5 不同水位條件下土壤氮磷變化Fig.5 Changes of soil nitrogen and phosphorus under different water levels

試驗結束后，土壤全磷濃度都遠高于初始值。說明水中磷元素去除的主要方式是表層沉積物的吸附遷移。隨著水位升高使得沉積物中厭氧反應增加，氧化還原電位降低，原先在土壤中的閉蓄態磷開始釋放，土壤中的全磷濃度減少[15]。低水位情況下，土壤中吸附的磷元素能更快速地轉化為活性磷元素，而被植物吸收利用。

在土壤酶活性方面(圖6)，植物組根系附近脲酶均低于空白組脲酶含量，并隨著水深的增加，脲酶含量相較于初始時期都有所上漲(4.08%～34.50%)。土壤脲酶的主要來源是植物根系分泌物和微生物殘體的分解。低中水位情況下，植物組土壤脲酶的活性相較于初始并不明顯，中水位空白組卻有明顯升高。由此可見水位對鳶尾根系分泌物的刺激并不明顯，反而隨著水位的提升，植物與土壤微生物受到脅迫，生長環境受到影響出現衰敗分解，從而提高了沉積物中的脲酶活性[16]。

圖6 不同水位條件下土壤中脲酶與堿性磷酸酶變化Fig.6 Changes of urease and alkaline phosphatase in soil under different water levels

而土壤堿性磷酸酶在植物組與空白組之間的變化十分顯著，并且隨著水位的升高，堿性磷酸酶的含量也在升高，說明鳶尾根系分泌物對于根系土壤內堿性磷酸酶的合成有明顯作用。并且隨著水位條件的增高，ALP活性與土壤全磷成負相關作用，這與之前學者研究的高磷酸酶與土壤總磷和溶解性無機磷成負相關的研究，從而印證了之前不同水位下水體與土壤中磷元素的變化[17]。

3 結論

(1)挺水植物鳶尾的種植位置對COD、TP和NH3-N的濃度削減具有一定差異，但20 d內去除效果都能達到80%以上，適合在生態修復工程中選擇應用。

(2)低中水位(10～30 cm)條件下，COD、TP前期會有快速削減時間(1～6 d)，然后到達新的濃度平衡。而高水位(50 cm)去除效率相對較緩，污染物濃度在10 d后才能到達新的濃度平衡。因此，種植在高水位區域的鳶尾要達到設定的凈化目的，需要更長的水力停留時間。

(3)對于不同污染物的情況下，鳶尾不同水位下對TP去除的貢獻率都較高，但低水位條件下土壤固磷效果更好，高水位條件下土壤ALP活性更強，更有利于磷形態的轉化；低水位與高水位下，對NH3-N去除的貢獻并不明顯，中水位下能充分發揮植物在NH3-N轉化中的效果，使得污水中的NH3-N像低水位條件下前期能被快速處理，土壤中氮元素的吸收分解并沒有太大差別；對于COD的凈化過程中，低水位凈化效果更好，水位升高后期對植物的脅迫可能會導致濃度上升。鳶尾的配植需要根據污水的主要凈化項目來改變水位的選擇，以確保生態工程的凈化效率。