水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體氮磷的凈化效果研究

楊 雪，李轅成，王慧芳，周 俊，呂東蓬*

（1.大理大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，云南大理 671003；2.云南省高校微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南大理 671003）

水體富營(yíng)養(yǎng)化是指水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)量導(dǎo)致水體受到嚴(yán)重污染的現(xiàn)象。我國(guó)有3/4以上的水體都呈現(xiàn)出富營(yíng)養(yǎng)化的狀態(tài)〔1〕。水體富營(yíng)養(yǎng)化在國(guó)外也是比較突出的問(wèn)題，美國(guó)、英國(guó)等國(guó)大量的河流處于中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。可見(jiàn)，水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外一直存在的環(huán)境問(wèn)題，頗受人們的關(guān)注。導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來(lái)自處理不達(dá)標(biāo)或者完全沒(méi)有采取任何處理措施就排放的工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)田用水等。

近年來(lái)，治理富營(yíng)養(yǎng)化水體的方法和途徑越來(lái)越多，其中物理法、化學(xué)法和生物法比較常見(jiàn)。物理法投資耗費(fèi)較大，后期維護(hù)成本也較高〔2〕，因此一般作為應(yīng)急處理的措施備選。化學(xué)法往往反應(yīng)速度快，可以在短期內(nèi)取得一定的效果，但是該方法的治理不徹底、化學(xué)試劑的成本也相對(duì)較高，容易造成二次污染，還會(huì)使得目標(biāo)生物產(chǎn)生抗藥性〔3〕。相比物理法和化學(xué)法，生物法是一種長(zhǎng)久有效的治理方法，作為一種新興的環(huán)境修復(fù)技術(shù)，生物修復(fù)技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)效益高、沒(méi)有二次污染、生態(tài)效益好以及處理效果顯著等優(yōu)點(diǎn)〔4〕。

水生植物修復(fù)技術(shù)是利用水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行修復(fù)治理，選擇適宜的水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸收固定，并利用其自身的代謝活動(dòng)，以達(dá)到去除水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并且凈化水體的目的〔5〕。用于修復(fù)的水生植物主要有沉水植物、挺水植物、浮水植物、漂浮植物以及濕生植物，各種水生植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)過(guò)程中的作用也大不相同〔6〕。利用水生植物來(lái)構(gòu)建生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)是當(dāng)前對(duì)受污染水體進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的研究熱點(diǎn)，運(yùn)用水生植物吸收固定氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是一項(xiàng)既能夠治理污染水體，又能夠美化生態(tài)環(huán)境的工程。

本研究選取4種水生植物對(duì)云南省大理市洱海水域進(jìn)行水質(zhì)修復(fù)處理，選取洱海周邊水域?qū)Χ８粻I(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行研究可以更直觀地認(rèn)識(shí)洱海現(xiàn)狀，同時(shí)也能大致反映洱海主要入湖河道的水質(zhì)現(xiàn)狀。實(shí)驗(yàn)選取的是洱海入湖河道莫?dú)埾南瑢?duì)莫?dú)埾|(zhì)進(jìn)行現(xiàn)狀分析有利于總結(jié)洱海及其入湖河道面臨的問(wèn)題，為日后洱海的綜合治理提供參考數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑電子天平（CP21，上海奧豪斯儀器有限公司）；立式高壓蒸汽滅菌鍋（LDZX-50KBS，上海申安醫(yī)療器械廠）；可見(jiàn)分光光度計(jì)（V-5100，上海元析儀器有限公司）；紫外分光光度計(jì)（UV-2600，青島明博環(huán)保科技有限公司）；超純水器（EPED-E2-30TJ，南京易普易達(dá)科技發(fā)展有限公司）。

酒石酸鉀鈉、酒石酸銻鉀（天津市福晨化學(xué)試劑廠）；硫酸鋅（天津市登封化學(xué)試劑廠）；鹽酸（西隴化工股份有限公司）；過(guò)硫酸鉀（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；抗壞血酸（廣東光華科技股份有限公司）；鉬酸銨（天津市化學(xué)試劑四廠）；氫氧化鈉（成都市科龍化工試劑廠）。

1.2 水生植物及水樣供試的水生植物購(gòu)自網(wǎng)上，經(jīng)大理大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院植物學(xué)博士劉天猛老師鑒定，確定4種供試植物為：狐尾藻（Myriophyllum verticillatum L.）、鳳眼藍(lán)（Eichhornia crassipes（Mart.）Solme）、再力花（Thalia dealbata）、水蔥（Scirpus validus）。選擇長(zhǎng)勢(shì)良好且植株大小相近的植物，將整株水生植物用去離子水反復(fù)沖洗多次，去除其原本帶有的雜質(zhì)，清洗干凈的植物放在清水中培養(yǎng)1周左右，消除原生生長(zhǎng)環(huán)境帶來(lái)的影響，待到實(shí)驗(yàn)開(kāi)展時(shí)，再取出進(jìn)行稱(chēng)重備用。

水樣采自洱海入湖河流莫?dú)埾瑢⒉杉乃畼拥谷?個(gè)體積完全相同的水箱中，留部分水樣作為原水樣進(jìn)行測(cè)定，原水樣的測(cè)定在水樣采集當(dāng)天和植物種養(yǎng)當(dāng)天完成。

1.3 方法運(yùn)用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法和稱(chēng)重法定期對(duì)水體中總氮、氨氮和總磷3項(xiàng)指標(biāo)及其植物鮮重進(jìn)行測(cè)定與分析。測(cè)定分10次進(jìn)行，每次間隔2 d，分別設(shè)置種植了4種水生植物及植物群落的各1個(gè)水樣、2個(gè)平行，以蒸餾水為空白對(duì)照，并計(jì)算各測(cè)量指標(biāo)的總?cè)コ剩?/p>

總?cè)コ剩?）=［（原水樣中測(cè)定值-末次測(cè)定值）/原水樣中測(cè)定值］×100%。

所有數(shù)據(jù)用Excel 2010進(jìn)行整理、SPSS 23.0軟件作顯著性分析，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 總?cè)コ蕦?duì)未進(jìn)行處理的原水樣進(jìn)行測(cè)定，得到總氮含量15.065 mg/L，氨氮含量5.358 mg/L，總磷含量6.783 mg/L，采用同樣的方法定期對(duì)種植了水生植物的水樣中總氮、氨氮和總磷3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定與分析得到各指標(biāo)含量，計(jì)算各指標(biāo)的總?cè)コ省Ｒ?jiàn)表1。

表1 各測(cè)量指標(biāo)的總?cè)コ?/p>

2.2 總氮含量變化不同類(lèi)型水生植物對(duì)總氮的凈化效果不同，鳳眼藍(lán)和狐尾藻凈化效果較佳，其次是植物群落。總氮含量變化在各水生植物間比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。見(jiàn)圖1。

圖1 總氮含量變化

2.3 氨氮含量變化各類(lèi)水生植物處理水樣后氨氮含量呈現(xiàn)一定的變化，不同水生植物對(duì)氨氮的去除效果不一致，再力花效果最佳，其次是植物群落和鳳眼藍(lán)。再力花、植物群落與鳳眼藍(lán)之間以及與其他水生植物間氨氮含量變比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)圖2。

圖2 氨氮含量變化

2.4 總磷含量變化各類(lèi)水生植物對(duì)總磷的凈化效果不同，但都表現(xiàn)出較好的凈化效果。植物群落凈化效果最佳，其次是鳳眼藍(lán)和再力花，其中，植物群落和狐尾藻中總磷含量變化與其余水生植物比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)圖3。

圖3 總磷含量變化

2.5 植物生物量的變化水生植物的原始質(zhì)量分別為：植物群落0.17 kg、狐尾藻0.04 kg、鳳眼藍(lán)0.08 kg、水蔥0.11 kg、再力花0.19 kg。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，各個(gè)水箱中水生植物的生物量整體呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，其中增勢(shì)較為明顯的是鳳眼藍(lán)和水蔥，鳳眼藍(lán)增長(zhǎng)了0.05 kg，水蔥增長(zhǎng)了0.04 kg，其次是狐尾藻、植物群落和再力花，分別增長(zhǎng)了0.03、0.02和0.01 kg。見(jiàn)圖4。

圖4 植物生物量變化曲線

3 結(jié)論

隨著測(cè)定時(shí)間的增加，各水樣中氮磷含量存在明顯下降的趨勢(shì)，不同類(lèi)型水生植物對(duì)水體中氮磷的去除效果為：總氮總?cè)コ剩壶P眼藍(lán)>狐尾藻>植物群落>水蔥>再力花；氨氮總?cè)コ剩涸倭?植物群落>鳳眼藍(lán)>狐尾藻>水蔥；總磷總?cè)コ剩褐参锶郝?鳳眼藍(lán)>再力花>狐尾藻>水蔥。水生植物對(duì)氮磷的去除能力與其自身的生長(zhǎng)特性有關(guān)〔7〕，植物的生長(zhǎng)特性和修復(fù)時(shí)間會(huì)影響水質(zhì)凈化效果，在一定的時(shí)間內(nèi)，與水體有較大接觸面積、易于生長(zhǎng)的水生植物對(duì)水質(zhì)修復(fù)的效果相對(duì)較好〔8〕。在實(shí)驗(yàn)室條件下，水生植物會(huì)通過(guò)光合作用合成自身所需的有機(jī)物，使得自身的生物量增加〔9〕，對(duì)植物在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期的生長(zhǎng)情況以及葉片枯萎程度進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型水生植物的生長(zhǎng)情況有所差異，其中，鳳眼藍(lán)、狐尾藻以及植物群落的生長(zhǎng)狀況較好，沒(méi)有出現(xiàn)凋亡或者枯葉的情況，水蔥和再力花在實(shí)驗(yàn)初期生長(zhǎng)較慢，后期長(zhǎng)勢(shì)良好，萌發(fā)出大量的側(cè)芽，沒(méi)有出現(xiàn)凋亡的現(xiàn)象，但葉子略有枯黃。

綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、修復(fù)效果和植物生長(zhǎng)特性等因素，鳳眼藍(lán)不僅有著發(fā)達(dá)的根系，與水體的接觸面積較大，對(duì)污染物質(zhì)吸收能力強(qiáng)〔10〕，而且經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較低，實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于群落體系，可控度更高。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，生長(zhǎng)迅速，生物量增加較快，易于回收處理，因此，鳳眼藍(lán)可以作為水生植物修復(fù)技術(shù)的首選植物。