生態(tài)浮床對(duì)千島湖水體氮磷凈化效果研究

唐 偉，許 海，詹 旭，朱廣偉，王裕成，韓軼才，王子聰，朱夢(mèng)圓

1. 江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122

2. 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210008

3. 杭州市生態(tài)環(huán)境局淳安分局，浙江 杭州 311700

4. 杭州市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，浙江 杭州 310005

湖泊是地表極其寶貴的淡水資源，由于城市化進(jìn)程加速、人口膨脹、工業(yè)快速發(fā)展等因素，氮磷富集造成的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題成為全球淡水生態(tài)系統(tǒng)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一. 湖泊富營(yíng)養(yǎng)化誘發(fā)藍(lán)藻水華，產(chǎn)生藻毒素等有害物質(zhì)，對(duì)人體和動(dòng)物產(chǎn)生毒害作用，降低人類生活質(zhì)量，阻礙經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展.因此，迫切需要對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行生態(tài)修復(fù)和有效控制.

生態(tài)浮床技術(shù)是一種常用的人工強(qiáng)化脫氮除磷工程技術(shù)，是控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的一種重要手段，其原理是將水生植物或部分陸生植物固定在浮床上，浮床植物不僅吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，植物根系還為反硝化等脫氮菌群提供天然繁殖場(chǎng)所，提高水體除氮能力，從而達(dá)到去除水體氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的目標(biāo). 生態(tài)浮床技術(shù)能充分利用水面而無需占用土地，可應(yīng)用于各種水深條件的水體，且造價(jià)低廉，運(yùn)行管理相對(duì)容易，兼具景觀效果和經(jīng)濟(jì)效益，因此被廣泛應(yīng)用.

20世紀(jì)70年代起，生態(tài)浮床在國(guó)外已有諸多研究，如Audet等報(bào)道了水生植物對(duì)湖泊沉積物微生物反硝化的促進(jìn)作用；Sudiarto等以豬場(chǎng)廢水為研究對(duì)象，研究了浮葉植物大薸()對(duì)超高濃度富營(yíng)養(yǎng)化水體總氮(TN)、總磷(TP)的去除效果，發(fā)現(xiàn)TN (151.67 mg/L)、TP (82.77 mg/L)的去除率分別為63.15%、36.15%. 生態(tài)浮床技術(shù)從20世紀(jì)80年代開始在我國(guó)應(yīng)用，已經(jīng)歷30多年的發(fā)展，主要應(yīng)用于城市河道和富營(yíng)養(yǎng)化湖泊或水庫(kù). 如Yang等以模擬天津市濕地水體為研究對(duì)象，對(duì)比了北方地區(qū)常見13種濕地植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷去除效果，發(fā)現(xiàn)黃菖蒲(L.)、風(fēng)車草(L.)、水蔥()對(duì)TN、TP的去除率分別能達(dá)到90%、70%，表現(xiàn)出較好的去除效果；Liu等以北京南郊受污染河道為研究對(duì)象，探究2種水生植物對(duì)TN (1.86 mg/L)、TP (0.63 mg/L)的水體凈化效果，結(jié)果表明，千屈菜()、黃花鳶尾 ()對(duì)COD、TN、TP的去除率分別達(dá)到75%、57%、71%和60%、49%、68%；叢海兵等以揚(yáng)州市區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化河道楊莊河為研究對(duì)象，探究3種耐寒陸生植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除速率，發(fā)現(xiàn)黃菖蒲(L.)、西伯利亞鳶尾()和美人蕉()五個(gè)月內(nèi)對(duì)TN的平均去除速率分別為763.39、301.81和384.04 mg/(m·d)，對(duì)TP的平均去除速率分別為86.92、24.91和36.6 mg/(m·d).以上研究多為應(yīng)用生態(tài)浮床修復(fù)城市或鄉(xiāng)村河道水體，也有學(xué)者開展篩選生態(tài)浮床植物優(yōu)勢(shì)種在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊和水庫(kù)凈化效果中的研究. 如胡曉東等以江蘇省6大典型湖泊為研究對(duì)象，通過比較不同植物的氮、磷去除效果，篩選出蘆葦()、茭草()、穗狀狐尾藻()、輪葉黑藻()、野菱()、荇菜() 6種江蘇省典型湖泊水生植物優(yōu)勢(shì)種； 朱潔等在白洋淀開展了種植沉水植物狐尾藻()生態(tài)浮床對(duì)湖泊深水區(qū)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽凈化效果研究，結(jié)果表明，水體TN、TP、NO-N(亞硝態(tài)氮)去除率分別為40.54%、53.45%、99%. 然而已有研究多集中于生態(tài)浮床凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體，缺乏對(duì)較清潔型水庫(kù)水體的脫氮除磷效率及其機(jī)制研究.

千島湖位于浙江省淳安縣和建德市境內(nèi)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，是長(zhǎng)三角地區(qū)最大的淡水人工湖和戰(zhàn)略水源地，千島湖的水質(zhì)安全保障事關(guān)重大. 作為一個(gè)面源污染負(fù)荷高的山區(qū)水庫(kù)，流域氣候和水文過程的年際波動(dòng)對(duì)千島湖水質(zhì)影響較大. 近20年來，千島湖水體有富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)，如2001-2019年TN濃度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，2017-2019年TP濃度一直未能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)并呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)千島湖水質(zhì)構(gòu)成威脅. 較高的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度導(dǎo)致了千島湖藻類異常生長(zhǎng)，如2004年、2005年威坪灣出現(xiàn)了曲殼藻異常增殖，2007年坪山水域出現(xiàn)水華束絲藻異常增殖，2009年、2010年安陽(yáng)水域出現(xiàn)曲殼藻、魚腥藻異常增殖等現(xiàn)象. 因此，控制千島湖水體氮磷濃度十分必要. 然而千島湖流域多為山地，土地資源緊張，缺乏足夠面積的凈化濕地. 在氮磷濃度相對(duì)高的支汊庫(kù)灣開發(fā)具有一定脫氮除磷能力的生態(tài)浮床技術(shù)，探究生態(tài)浮床技術(shù)在深水水庫(kù)脫氮除磷方面的可行性，能彌補(bǔ)山區(qū)流域濕地凈化空間不足的缺陷，減輕流域污染壓力.

試驗(yàn)選取浮葉植物黃花水龍(Ohwi.)、沉水植物綠色狐尾藻()、挺水植物菖蒲() 3種長(zhǎng)三角地區(qū)不同類型的典型水生植物為研究對(duì)象，通過春秋兩季靜態(tài)模擬試驗(yàn)，探討了生態(tài)浮床對(duì)千島湖水體的氮磷凈化效果及其可能機(jī)制，篩選出適宜千島湖生態(tài)浮床應(yīng)用的水生植物，以期為后期生態(tài)浮床凈化較清潔型水庫(kù)水體提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

千島湖又名新安江水庫(kù)，屬于大型山谷型深水水庫(kù)，平均水深為31.13 m，最深處達(dá)到100 m，水體透明度、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、溫躍層、水面開闊度不斷發(fā)生變化，形成了復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物環(huán)境梯度變化.千島湖流域包括新安江、武強(qiáng)溪、富春江等30多條入庫(kù)河流，采樣點(diǎn)位于街口鎮(zhèn)鳩坑鄉(xiāng)一庫(kù)尾灣，街口鎮(zhèn)位于千島湖西北上游區(qū)域，地處新安江水庫(kù)庫(kù)尾，是新安江水庫(kù)最大入湖口.

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用20 cm×30 cm×4 cm的聚苯乙烯泡沫板作為生態(tài)浮床載體，并在每個(gè)泡沫板上設(shè)置12個(gè)直徑32 mm的定植孔，將植物固定器放置其中，植物覆蓋率約為50%；選取12個(gè)48.7 cm×34.3 cm×25.8 cm的聚乙烯塑料水箱(見圖1)作為浮床主體用于盛裝試驗(yàn)用水.

通過查閱文獻(xiàn)，選取長(zhǎng)江中下游生長(zhǎng)的3種典型

水生植物(均購(gòu)置于浙江省金華市金東區(qū)竹文園藝基地)作為試驗(yàn)材料，其生物特性見表1.

圖 1 生態(tài)浮床模擬試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of floating bed simulation experiment device

表 1 水生植物種類及生物特性Table 1 Species and biological characteristics of aquatic plants

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)分別于2020年10月22日-11月26日(秋季)和2021年3月27日-5月2日(春季)在浙江省千島湖國(guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行. 試驗(yàn)開始前，水生植物先預(yù)培養(yǎng)10 d，待植物長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定后選取長(zhǎng)勢(shì)較好且質(zhì)量相近的植物各36株，用于生態(tài)浮床模擬試驗(yàn). 試驗(yàn)用水采自千島湖上游街口水域，該水域在千島湖主庫(kù)區(qū)屬于營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)豐富的水域. 兩次試驗(yàn)初始水樣的物理化學(xué)指標(biāo)如表2所示.

表 2 兩次試驗(yàn)初始水樣水質(zhì)指標(biāo)Table 2 Initial water quality index of two experiments

每個(gè)水箱中分別裝20 L湖水，試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，其中一個(gè)處理為空白對(duì)照組(僅放置泡沫板).每種植物設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每株植物通過植物固定器固定于浮板上，自然漂浮于水箱中，水位漫過植物根部，為保證靜態(tài)試驗(yàn)更符合自然效果，試驗(yàn)期間不更換試驗(yàn)用水，通過水位下降高度，換算污染物的去除率.

試驗(yàn)期間，每7 d采集表、中、底層混合水樣，采集時(shí)間均為10：00. 采集完立即用0.45 μm孔徑的玻璃纖維濾膜(Whatman GF/F)進(jìn)行過濾，過濾后樣品采用TOC分析儀測(cè)定溶解性有機(jī)碳(DOC)濃度，未過濾樣品分取、冷凍，用于TN、TP濃度測(cè)定(硫酸鉀-紫外分光光度法). 使用蠕動(dòng)泵將表層20 cm以下的水泵入到12 mL空瓶(Labco Exetainer)中，瓶子裝滿時(shí)繼續(xù)引流并緩慢抽出橡皮管，使液面形成凸?fàn)睿缓髷Q緊瓶蓋. 每個(gè)水箱取3個(gè)平行樣，采集完后立即用注射器打入50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZnCl溶液終止其微生物反應(yīng)并密封保存.

采集完水樣先用馬克筆記錄水箱中的水位下降高度，再用便攜式水質(zhì)參數(shù)分析儀(Yellow Spring Instruments)測(cè)量所需物理指標(biāo)：水溫(WT)、溶解氧(DO)濃度、pH. 兩季試驗(yàn)在開始和結(jié)束時(shí)期分別收集植物，烘干稱重，過100 mm×25.4 mm篩網(wǎng)研磨后測(cè)量植物體內(nèi)氮磷含量(意大利元素分析儀，Eurovector EA3000). 每7 d用直尺測(cè)量植物株高、根長(zhǎng)，用電子天平(常熟意歐電子天平，DT502)稱量植物干質(zhì)量（生物量）. 由于黃花水龍和綠色狐尾藻分別為浮葉和沉水植物，根系都較為柔軟纖細(xì)，因此在測(cè)量植物的生物量和植物體內(nèi)氮磷含量時(shí)不考慮地上、地下部分.

1.4 數(shù)據(jù)處理

污染物去除率()的計(jì)算公式見式(1)：

式中：為 污染物起始濃度，mg/L；為水樣起始體積，L；C為 第次取樣的污染物濃度，mg/L；V為第次取樣的水樣體積，L.

污染物去除效率()的計(jì)算公式見式(2)：

式中：為污染物去除效率，mg/(kg·d)；為單位面積生物量，kg；為時(shí)間，d.

′

植物吸收氮去除率()的計(jì)算公式見式(3)：

式中：為植物吸收氮量，g/kg；為氮去除總量，g/kg.

為了解試驗(yàn)系統(tǒng)中3種水生植物的反硝化脫氮強(qiáng)度，使用Kana等提出的N:Ar方法計(jì)算. 因?yàn)锳r(氬氣)的化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的，而N(氮?dú)?易受到微生物的影響，因此使用N:Ar方法的計(jì)算精度遠(yuǎn)高于單獨(dú)使用N，N、Ar的測(cè)定儀器為膜接口進(jìn)樣質(zhì)譜儀（Bay instrument, USA），計(jì)算方法如式(4)所示：

式中：Δ[N]為N濃度相對(duì)于自然條件下的凈增量，μmol/L；[N]/[Ar]為經(jīng)質(zhì)譜儀矯正過的水樣中N與Ar濃度比值；[N]、[Ar]分別為特定溫度、鹽度條件下N、Ar理論平衡濃度，μmol/L，由標(biāo)準(zhǔn)水樣溫度和鹽度值代入Weiss方程計(jì)算得到.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用IBM SPSS 26.0軟件進(jìn)行相關(guān)性和方差分析，使用單因素ANOVA檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性分析(＜0.05)，采用Origin 2018軟件作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 水生植物生長(zhǎng)情況

分別將3種水生植物放入塑料水箱中進(jìn)行靜態(tài)模擬試驗(yàn)，培養(yǎng)35 d后計(jì)算水生植物株高、根長(zhǎng)和生物量的變化情況，結(jié)果如圖2和表3所示. 春、秋季3種植物株高、根長(zhǎng)和生物量均有增加，綠色狐尾藻和黃花水龍表現(xiàn)出較顯著的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)(＜0.05)，且3種植物長(zhǎng)勢(shì)均為春季好于秋季.

圖 2 春秋兩季不同植物株高與根長(zhǎng)凈增量的變化Fig.2 Net increment of plant height and root length of different plants in spring and autumn

表 3 春秋兩季不同植物生物量的變化Table 3 Changes in biomass of different plants in spring and autumn kg/m2

春季黃花水龍和綠色狐尾藻株高凈增量比菖蒲高20%，秋季綠色狐尾藻株高凈增量比黃花水龍高7 cm，是菖蒲株高凈增量的7.4倍. 根長(zhǎng)凈增量差異更顯著(＜0.05)，兩季試驗(yàn)綠色狐尾藻根長(zhǎng)凈增量分別約為黃花水龍的2.2倍、菖蒲的3.2倍. 黃花水龍的單位面積生物量顯著優(yōu)于綠色狐尾藻、菖蒲(＜0.05)(見表3). 春季試驗(yàn)黃花水龍、綠色狐尾藻、菖蒲單位面積生物量分別增加260%、100%、17%，秋季黃花水龍和綠色狐尾藻單位面積生物量均增加約45%，而菖蒲僅增加了約13%.

由此可見，春季黃花水龍和綠色狐尾藻表現(xiàn)出更頑強(qiáng)的生命力，更適應(yīng)千島湖水體生長(zhǎng)，其中黃花水龍生物量增加最多，綠色狐尾藻根長(zhǎng)增長(zhǎng)最多.

2.2 三種水生植物對(duì)TN和TP凈化效果

為比較3種水生植物氮磷去除能力，參照式(1)計(jì)算出每個(gè)處理組TN和TP的去除率，結(jié)果如圖3所示. 春季黃花水龍和綠色狐尾藻對(duì)TN的去除率(簡(jiǎn)稱“凈去除率”)相對(duì)于空白對(duì)照組提高了約50.0%，顯著高于菖蒲的TN去除率(36.8%)(＜0.05)；而秋季3種植物TN凈去除率為22.0%～30.0%，差異不顯著(＞0.05). 春秋兩季黃花水龍TP凈去除率均顯著高于其他2種水生植物(＜0.05)，其中春季黃花水龍TP凈去除率為46.0%，綠色狐尾藻為33.1%，菖蒲為17.1%.

圖 3 春秋兩季不同處理組TN與TP去除率的變化Fig.3 Changes of TN and TP removal rates in different treatment groups in spring and autumn

為更精確比較3種植物氮磷的去除能力，根據(jù)單位面積生物量和時(shí)間參照式(2)計(jì)算每種水生植物單位生物量單位時(shí)間的TN和TP去除效率，結(jié)果如表4所示. 由表4可見，綠色狐尾藻、黃花水龍春季對(duì)氮磷的去除能力顯著強(qiáng)于秋季(＜0.05)，去除效率約為秋季的2.0倍. 其中春季綠色狐尾藻的TN去除效率為2.89 mg/(kg·d)，比黃花水龍〔2.22 mg/(kg·d)〕高23.0%，約為菖蒲〔0.27 mg/(kg·d)〕的11.0倍.

表 4 春秋兩季不同水生植物TN、TP去除效率Table 4 TN and TP degradation rates of different aquatic plants in spring and autumn mg/(kg·d)

3種水生植物的TP去除效率和季節(jié)性差異均不顯著，春秋兩季TP的去除效率基本維持在0.01～0.08 mg/(kg·d)，以上結(jié)果說明綠色狐尾藻對(duì)較清潔型水體的適應(yīng)能力更強(qiáng).

2.3 植物氮磷吸收情況

3種植物體內(nèi)氮磷的吸收情況如表5所示. 由表5可見，綠色狐尾藻體內(nèi)氮磷的吸收量顯著高于其他兩種水生植物(＜0.05). 在氮吸收方面，兩季綠色狐尾藻吸收量維持在12.44～15.57 g/kg，約為菖蒲(5.45～8.59 g/kg)、黃花水龍(5.27～8.30 g/kg)的2.0倍.在磷吸收方面，3種植物均表現(xiàn)為春季高于秋季. 綠色狐尾藻的氮吸收量(0.96～1.95 g/kg)最高，黃花水龍(0.51～0.67 g/kg)次之，菖蒲(0.24～0.68 g/kg)最低.

表 5 春秋兩季不同水生植物體內(nèi)氮磷吸收量Table 5 Nitrogen and phosphorus uptake by different aquatic plants in spring and autumn

為探究生態(tài)浮床植物氮去除的機(jī)制，根據(jù)式(3)計(jì)算出植物吸收、反硝化與其他作用對(duì)氮去除的貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表6所示. 從表6可以看出，植物吸收去除氮的占比為20%～30%，不同水生植物對(duì)氮的去除主要依靠的是微生物反硝化與其他作用.

2.4 春秋兩季不同處理組溶解性N2增量變化情況

為更進(jìn)一步探究3種水生植物反硝化作用的差異，參照式(4)計(jì)算了3種水生植物溶解性N增量(簡(jiǎn)稱“Δ[N]”)的變化情況，以此來比較3種水生植物的反硝化作用，結(jié)果如圖4所示. 春秋兩季試驗(yàn)中3種水生植物Δ[N]整體都高于空白對(duì)照組，且均呈先升后降的趨勢(shì)，春季試驗(yàn)3種水生植物與空白對(duì)照組的Δ[N]差值均高于秋季. 3種水生植物中，綠色狐尾藻的Δ[N]相對(duì)于空白對(duì)照組增量最多，其中秋季11月12日Δ[N]比空白對(duì)照組高13.61 μmol/L，黃花水龍、菖蒲與空白對(duì)照組Δ[N]差值(簡(jiǎn)稱“凈脫氮差”)分別為3.55和-0.26 μmol/L. 春季4月25日綠色狐尾藻的凈脫氮差值為24.63 μmol/L，黃花水龍和菖蒲分別為22.35和15.75 μmol/L. 春秋兩季3種水生植物的凈脫氮差范圍分別為-4.14～24.63 μmol/L(綠色狐尾藻)、0.16～22.35 μmol/L(黃花水龍)、-0.26～15.74 μmol/L(菖蒲). 以上結(jié)果說明綠色狐尾藻根系的微生物反硝化作用最強(qiáng)，黃花水龍次之，菖蒲表現(xiàn)最差.

表 6 不同途徑脫氮的貢獻(xiàn)率Table 6 Contribution rate of nitrogen removal by different ways

圖 4 春秋兩季不同處理組Δ[N2]的變化Fig.4 Changes of Δ[N2] in different treatment groups in spring and autumn

2.5 水生植物凈脫氮量與不同因素相關(guān)性分析

為進(jìn)一步探討影響水生植物反硝化作用的主要因素，為后期示范工程篩選植物提供參考. 筆者對(duì)3種水生植物凈脫氮量與5種主要因素的相關(guān)性進(jìn)行了分析(見表7). 結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種水生植物的凈脫氮量與各因素之間的相關(guān)性存在顯著差異，其中黃花水龍和菖蒲凈脫氮量與生物量均呈顯著正相關(guān)(＜0.05)，綠色狐尾藻凈脫氮量與生物量呈極顯著正相關(guān)(＜0.01)；綠色狐尾藻脫氮量與根長(zhǎng)、溫度也均呈顯著正相關(guān)(＜0.05)，而黃花水龍和菖蒲凈脫氮量與根長(zhǎng)、溫度均無顯著相關(guān)性；黃花水龍、菖蒲凈脫氮量與DO濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)(＜0.05)，而綠色狐尾藻凈脫氮量與DO濃度并無顯著相關(guān)性；3種植物凈脫氮量與DOC濃度均無顯著相關(guān)性. 結(jié)果表明，生物量對(duì)3種水生植物的反硝化作用影響最為顯著.

表 7 水生植物凈脫氮量與不同因素的相關(guān)分析Table 7 Correlation analysis between net nitrogen removal of aquatic plants and different factors

3 討論

3.1 水生植物凈水能力差異分析

在春秋兩季試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，春季植物生長(zhǎng)情況和氮磷去除效果顯著優(yōu)于秋季，原因與溫度有關(guān)(秋季溫度為10.0～20.1 ℃，春季溫度為17.1～28.3 ℃)，溫度過高或過低都會(huì)影響植物生理特性，一定溫度范圍內(nèi)，根際微生物活性也會(huì)隨著溫度的升高變強(qiáng). 試驗(yàn)中，植物生物量的變化情況存在顯著性差異(見表3). 植物生物量的大小主要取決于植物自身器官細(xì)胞特性、可利用營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，黃花水龍?jiān)谏L(zhǎng)期間會(huì)長(zhǎng)出許多向上生長(zhǎng)的白色粗棒狀不定根，導(dǎo)致其生物量增加最多. 一般來說，植物在污染物中生物量增加表明其對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽脅迫具有很強(qiáng)適應(yīng)性，這與該試驗(yàn)生物量增加較多的綠色狐尾藻和黃花水龍較強(qiáng)的去氮除磷能力相吻合(見表4).

不同水生植物對(duì)水體氮磷去除效果有顯著性差異，這種種間差異主要與植物類型及其生理特性有關(guān).綠色狐尾藻屬于廣泛生長(zhǎng)于熱帶亞熱帶地區(qū)的多年生沉水植物，其根莖發(fā)達(dá)密集，適宜在16～26 ℃溫度條件下生長(zhǎng)，且根系不斷向水下蔓延，為微生物、細(xì)菌提供了良好的繁衍場(chǎng)所，植物根際借助適宜的溫度、氧氣逐漸形成硝化和反硝化微生物群落，因此綠色狐尾藻對(duì)氮磷有較強(qiáng)的凈化效果. 綠色狐尾藻ΔN最高(見圖4)，表明綠色狐尾藻具有相對(duì)較強(qiáng)的反硝化脫氮能力，張芳等研究也發(fā)現(xiàn)沉水植物溶解性N的釋放通量顯著高于其他類型水生植物. 黃花水龍對(duì)水體氮磷有較明顯的去除效果. 黃花水龍的快速繁殖需要從水體中吸收氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成組織細(xì)胞，但其根際微生物硝化反硝化作用弱于綠色狐尾藻. 黃花水龍屬于浮葉植物，根莖不會(huì)完全往水下延深，根際區(qū)附著的微藻、微生物等物質(zhì)數(shù)量和種類均少于綠色狐尾藻，微生物硝化反硝化作用較低.菖蒲屬于不耐寒的挺水植物，最適宜的生長(zhǎng)溫度為20～25 ℃，因此對(duì)氮磷的去除效果低于其他兩種植物，且生物量變化不大. 邵凱迪等研究5種水生植物對(duì)模擬菜地徑流TN去除效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，黃花水龍和綠色狐尾藻對(duì)氮的去除效果顯著高于其他3種植物，且二者都具有較大生物量.

值得注意的是，3種植物ΔN均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)(見圖4)，原因可能與水體中氮濃度的下降有關(guān).隨著微生物反硝化作用所需的底物硝態(tài)氮濃度降低，微生物反硝化作用也隨之減弱.

3.2 不同途徑脫氮的貢獻(xiàn)

生態(tài)浮床脫氮途徑主要包括植物吸收、氨氮揮發(fā)和根際微生物反硝化等作用. 氨氮揮發(fā)過程中，當(dāng)水體pH＞8.0、氨和銨根離子比例為1:1時(shí)，氨氮揮發(fā)造成的氮損失才較為顯著. 該試驗(yàn)中pH一直維持在6.8～7.5，因此氨氮揮發(fā)造成的氮損失可忽略不計(jì).植物吸收對(duì)浮床系統(tǒng)去除水體氮素具有重要意義，植物吸收氮的能力與其根系發(fā)達(dá)程度、生物量高低及生長(zhǎng)代謝能力有關(guān)，綠色狐尾藻茂密的根系和較高生物量使得植物體內(nèi)吸收的氮磷含量最多(見表5).劉少博等研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度NH-N條件下，綠色狐尾藻對(duì)氮的吸收最高(30.7～53.4 mg/g)，表現(xiàn)出超高的氮吸收能力. 試驗(yàn)后期植物腐爛衰敗重新進(jìn)入水體導(dǎo)致水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高，后期示范工程應(yīng)用需要采用定期刈割植物的方式帶走水體中的氮. 除了植物吸收，微生物反硝化作用也是系統(tǒng)去除氮素的重要途徑. 植物根系分泌物能夠調(diào)節(jié)根際區(qū)微生物群落的多樣性，使得根際區(qū)聚集大量硝化反硝化細(xì)菌. 該研究中3種水生植物微生物反硝化與其他作用約占氮去除貢獻(xiàn)率的70%～80%(見表6)，與已有研究報(bào)道微生物反硝化作用對(duì)氮的去除貢獻(xiàn)率為60%～90%相一致. 孫鵬等研究3種植物對(duì)氮素富集能力時(shí)發(fā)現(xiàn)，美人蕉、石菖蒲和傘草氮素累積分別占系統(tǒng)去除率的37.4%、33.3%、27.5%，表明微生物反硝化作用對(duì)氮的去除占主導(dǎo)作用.

影響水生植物反硝化作用的主要因素有很多，筆者做了3種水生植物凈脫氮量與DOC濃度、DO濃度、溫度、根長(zhǎng)、生物量5種主要影響因素的相關(guān)性分析(見表7). 結(jié)果表明，3種水生植物凈脫氮量與生物量呈顯著正相關(guān)，是影響水生植物反硝化作用的最關(guān)鍵因素. 生物量越大不僅能附著更多硝化反硝化細(xì)菌、微生物，而且粗壯的枝葉能增加植物覆蓋率，減少植物光合作用，間接為反硝化細(xì)菌提供更多厭氧區(qū)域. 除了生物量，DO濃度在微生物反硝化活動(dòng)過程中起著重要作用，當(dāng)氧氣大量存在時(shí)，電子受體所產(chǎn)生的能量會(huì)抑制微生物反硝化作用. 在該研究中黃花水龍和菖蒲凈脫氮量與DO濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(＜0.05)，說明水生植物反硝化作用受DO濃度影響較大. Veraart等在研究水生植被對(duì)水體反硝化作用的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在DO濃度較低的浮葉水生植物區(qū)域反硝化速率最高，因此過高的DO濃度會(huì)抑制水生植物反硝化作用.

綜上，后期示范工程篩選植物時(shí)應(yīng)致力于選取生物量大、耐高低溫、根系發(fā)達(dá)的水生植物.

4 結(jié)論

a) 黃花水龍、綠色狐尾藻、菖蒲3種水生植物均能在千島湖湖水中生長(zhǎng)，春季植物生長(zhǎng)情況顯著優(yōu)于秋季. 黃花水龍生物量增長(zhǎng)最為顯著，其次是綠色狐尾藻，菖蒲最少.

b) 綠色狐尾藻的凈化水質(zhì)能力強(qiáng)于黃花水龍、菖蒲. 綠色狐尾藻的TN去除效率為2.89 mg/(kg·d)，比黃花水龍高23.0%，是菖蒲TN去除效率的11.0倍. 黃花水龍、綠色狐尾藻的TP去除效率維持在0.07～0.08 mg/(kg·d)，菖蒲的TP去除效率僅為0.02 mg/(kg·d).綠色狐尾藻體內(nèi)吸收的氮、磷含量最多，且反硝化脫氮能力最強(qiáng).

c) 微生物反硝化作用是該試驗(yàn)生態(tài)浮床脫氮的主要途徑，生物量是影響該試驗(yàn)水生植物反硝化作用的最關(guān)鍵因素.

d) 通過3種水生植物脫氮除磷能力、反硝化作用、植物長(zhǎng)勢(shì)等方面對(duì)比分析，綠色狐尾藻在該次試驗(yàn)中氮磷凈化效果最好.