北京市典型挺水植物凈化能力研究

梁晶，趙福榮，徐勤濤，張夢丹，呂玟萱

1.北京金都園林綠化有限責任公司；2.北京林業大學水土保持學院

富營養化水體中過高的氮磷含量容易誘發藻類大量繁殖，導致水體含氧量低，造成水生生物大面積死亡，使得水體污染、水資源短缺問題進一步加重[1]。水生植物憑借凈化水體效果好、無污染、成本低等優點，在治理城市景觀水體中備受青睞[2]。其中挺水植物不僅具有良好的凈化效果，還能起到美化環境的作用[3]。楊帆等[4]選用10種水生植物在劣V類水質條件下進行室內靜水實驗，結果表明水蔥、蘆葦、菰和千屈菜的凈化效果最好；李斌等[5]運用綜合評定法發現紫芋、水生美人蕉和水蔥的綜合效果較好，蘆葦較弱。可見不同研究者在不同地區、不同污染濃度條件下，得到的挺水植物凈化水體能力有較大差異。因此，精確量化挺水植物的凈化效果，篩選出具有良好凈化效果的挺水植物是治理富營養化水體的關鍵。

本研究在調查北京市公園后發現，部分公園水體水質富營養化嚴重且植物種類豐富度較低。為此，本試驗選擇北京市內6種挺水植物進行水質凈化試驗，通過監測挺水植物形態指標變化以及對污染指標的去除效果，篩選凈化效果良好的挺水植物，以期為城市景觀水體工程構建和富營養化水體的生物治理提供參考。

一、材料與方法

（一）試驗材料

試驗植物為北京市公園6種挺水植物—菖蒲（Acorus calamus L.）、水蔥（Scirpus validus Vahl）、蘆葦（Phragmites australis (Cav.)Trin.ex Steu）、再力花（Thalia dealbata Fraser）、紫芋（Colocasia tonoimo Nakai）、黑三棱（Sparganium stoloniferum (Graebn.) Buch.-Ham.ex Juz），6種挺水植物皆購自北京水生植物苗圃基地。試驗前先將6種挺水植物在自來水中靜水培養一周。

試驗供試用水根據前人文獻關于富營養化等級分級表[6]，按照霍格蘭營養液配置TN濃度（12.6 mg/L）、TP濃 度（1.5 mg/L）、NH3-N濃度（5.5 mg/L）、COD濃度（100 mg/L）的嚴重富營養化供試水體。

（二）試驗方法

試驗于2020年9月在北京市東北旺苗圃進行，試驗容器為長×寬×高=60cm×80cm×60cm的方形培養桶。培養桶內先鋪上10cm厚的細沙，再將自行配置的富營養化水體加至15cm處并標記好水位線，最后在每個塑料桶內栽植初始生物量為500g左右的成熟苗。6種植物各設3個重復，同時設3個無植物的空白對照，共計21個試驗桶。栽植試驗植物后每2天取一次水樣，10天后每5天取一次水樣，共計25天，在早上9點左右取樣。試驗期間通過添加蒸餾水至標記水位線補充水分。

試驗前后測量每個處理組中挺水植物的根長、株高與生物量，二者之間的差值即為每種挺水植物的根長增量、株高增量與生物量增量。

試驗期間采用的水樣按照《水和廢水監測分析方法》（第四版）[7]中的測定方法進行測定。

（三）數據分析與處理

運用隸屬函數值法[8]綜合評價挺水植物在富營養化水體中的凈化效果并對其進行排序。

運用EXCEL 2016、SPSS 25、Origin 2018進行數據處理與分析及繪圖。

二、結果與分析

（一）挺水植物對污染指標凈化能力比較

結合圖1挺水植物對污染標的去除率可知，試驗結束時挺水植物組的凈化效果明顯優于無植物對照組，挺水植物對總氮的去除率為89.53-96.51%，高出對照組22.49%-24.97%，其中菖蒲的去除率高于其他挺水植物。

試驗結束后6種挺水植物對氨氮的去除率為94.5-97.58%，高出對照組18.78-21.84%，其中黑三棱對氨氮凈化效果最好，紫芋凈化效果最差。

根據圖1可知，6種挺水植物對總磷的去除效果極好，去除率在96.66%-99.19%之間，高出對照組24.03-26.56%。

試驗結束后6種挺水植物對化學需氧量的去除率在76.72-90.35%之間，高出對照組18.78-21.84%。其中菖蒲對化學需氧量去除率最高，紫芋最低。

（二）挺水植物形態指標變化與污染指標去除率間的相關性

由圖2可知挺水植物株高、根長、生物量等均有顯著增加。生物量變化是判定植物是否具有良好去污能力的重要指標，6種挺水植物中再力花在生物量增量上具有顯著優勢，而紫芋生物量增量最低；再力花和水蔥具有極強的生長能力，株高增量具有顯著優勢；菖蒲、再力花和蘆葦具有極強的生根能力，在根長增量上具有顯著優勢。成活率能反映植物在富營養化水體中的適應能力，其中菖蒲、再力花適應性最好，成活率為100%，水蔥成活率為90%，黑三棱成活率為80%，蘆葦因為遭受病蟲害緣故，成活率僅為67%，紫芋成活率為50%。

（三）挺水植物凈化能力分析

以挺水植物的凈去除率、生物量的變化量以及達到《國家地表水環境質量標準》V類水標準的時間，進行隸屬函數值分析。由表1可知菖蒲、再力花是凈化效果最好的植物，紫芋凈化效果最差。菖蒲的凈化效果最好，最適合公園推廣種植，再力花凈化效果僅次于菖蒲且自身具有較高的觀賞價值，可以推廣種植，進一步增加公園內水生植物多樣性，使得公園湖泊生態系統更加穩定。蘆葦對污染指標具有較快的凈化速率，能將污染水體在較短時間內達到規定水質量標準。黑三棱具有藥用經濟價值，在收割黑三棱時不僅能帶走水體中的氮磷還可以作為藥物二次利用，可以選擇性種植。

表1 挺水植物凈化能力排序

三、討論

依靠挺水植物直接吸收水體中的氮磷、微生物吸收利用及自然沉淀作用，水體中氮磷濃度下降明顯[9]。挺水植物將所吸收的氮磷轉換為可供利用的有機物以供自身生存生長的需要，并將剩余部分再存儲在植物有機體內，作為備用營養物質。所以當挺水植物到達衰老期后應盡快對挺水植物進行收割，以除去水體中的氮磷，并防止造成水體的二次污染。

水體中的氨氮在pH低于8.5時，其揮發途徑可以不考慮在內[10]，在本研究中水體的pH值始終保持在8.5。所以本試驗中氨氮的去除途徑主要為微生物作用與植物作用。依靠微生物的硝化作用與植物根系吸收，使得水體中氨氮含量快速下降，達到去除水體中氨氮含量的效果[11]。

挺水植物根部的呼吸作用，為水體中微生物的生命活動形成了便利條件，其龐大的根系為微生物的附著提供條件，在根系周圍為微生物提供了生活環境，促進微生物吸收水體中的有機物質，而植物根系則吸收利用微生物降解后的有機物質，最終達到去除化學需氧量的目的[12]。

6種挺水植物中菖蒲、再力花的凈化能力最強，這與前人研究[4,13]大體一致，但與張倩妮等[14]人的研究有些出入。張倩妮研究發現蘆葦在所有植物中的凈化能力最強，而本試驗發現菖蒲、再力花的凈化能力強于蘆葦。分析認為蘆葦在試驗中期遭受病蟲害導致部分蘆葦苗枯萎、長勢不佳。菖蒲對氮、氨氮與化學需氧量的凈化效果最好，適合凈化以氮污染為主的水質，黑三棱對磷的凈化效果最好，適合凈化以磷污染為主的水質。

以上可見，除植物吸收外，微生物降解作用在凈化富營養化水質中扮演重要作用。菖蒲、再力花主根大且細根多，形成較為龐大的根系網絡，生物量增加明顯，給微生物創造生活生存的環境，植物吸收作用與微生物作用相輔相成，極大地降低了水體中污染指標的濃度。紫芋在試驗結束時或許因為成活率低等原因導致整體凈化效果不佳。蘆葦對氮、磷、氨氮、化學需氧量的凈化速率最快，在最短的時間達到《國家地表水環境質量標準》中的V類水標準，這與蘆葦的通氣組織發達有關[15]，使得蘆葦根部與其他挺水植物相比獲得更多的氧氣，比其他植物更早地繁殖微生物，短時間內形成穩定的微生物群落，從而提高蘆葦凈化速率。

四、結論

（1）從植物的形態指標與成活率來看，再力花生物量增量最高，菖蒲、黑三棱次之，紫芋生物量增量最少；再力花與菖蒲的存活率皆為100%，能很好地適應富營養化水體，其次為水蔥，蘆葦、紫芋成活率不高，其中蘆葦受病蟲害嚴重。

（2）從凈化效果來看，菖蒲對總氮、總磷與化學需氧量的凈化效果最好，黑三棱對氨氮的凈化效果最好；挺水植物整體對總磷的凈化效果好，去除率范圍在96.66%-99.19%間，對化學需氧量的凈化效果差，去除率范圍在76.72-90.35%間。

（3）通過隸屬函數值法綜合評價得出菖蒲、再力花、蘆葦是凈化效果最好的三種植物，黑三棱對污染指標具有較高的去除率并且具有藥用價值，但凈化速率較慢，可作為經濟作物選擇性栽植。