基于水生植物組合的景觀水體生態凈化修復

韓春妮，王 虎

（1.咸陽職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.陜西省西安市綠化管護中心，陜西 西安 710000）

0 引言

在城市化進程不斷加快的趨勢下，景觀水體生態污染日趨加劇，特別是富營養化現象。目前我國多數湖泊已經處于營養化狀態，城市景觀水體也均演變成了靜止或者流動性比較差的緩流水體，水環境容量非常小，自凈能力較差，極易發生富營養化污染現象［1］。

聶磊等［2］研究發現，翠蘆莉、海芋、水生美人蕉、風車草等挺水植物對于污水的凈化效果顯著，適合作為污水凈化與景觀美化植物材料；李龍山等［3］研究表明，長苞香蒲、水蔥、蘆葦、千屈菜、扁稈藨草可有效去除污水中的總氮、總磷、氨氮等物質，可作為人工濕地污水凈化材料?；谏鲜鲫P于以植物凈化修復景觀水體富營養化的相關研究成果［4］，筆者對水生植物組合在景觀水體生態凈化修復中的實際應用效果進行了實驗研究和分析。

1 景觀水體生態富營養化的危害

在景觀富營養化水體中，氮和磷等營養物質異常豐富，使得水體內藻類浮游生物肆意繁殖，在既定環境下出現突發性聚集，導致水體顏色五彩斑斕，此富營養化現象出現于江河湖泊內稱之為水華，而發生于海洋內則稱之為赤潮［5］。若水華與赤潮現象發生，則水體透明度會持續下降，溶解氧也不斷減少，從而導致水質惡化現象加重。多數藻類生物在代謝與死亡時，會釋放出藻毒素，其毒理作用非常強大，例如藍藻門的不定腔球藻、水華魚腥藻等全面分泌藻青阮、肝毒素、神經毒素等有害物質；還有部分藻類生物會分泌粘液，粘黏在魚、蝦等生物腮部，阻礙其呼吸，導致水生生物大量死亡，從而威脅既有種群結構，造成優勢種群持續更替，生態系統結構與性質顯著改變，生物多樣性大大降低。此外，富營養化水體處于缺氧狀態時會自主生成硫化氫、甲烷、氨等許多有毒有害氣體。一旦景觀水體發生生態富營養化現象，由于水體內氮、磷等含量偏高，COD值顯著升高，且附帶藻類分泌的藻毒素，便會導致水資源無法直接被人、畜使用，且會顯著增大水處理壓力。此外，藻類及其分泌的藻毒素會對混凝過程造成直接干擾，導致藻類沉降難度加大；藻類會堵塞濾料，造成其泥球化，增大過濾水頭損失，縮短周期，降低產水量；小尺寸藻類則會滲透濾池，進入清水池和管網中，增加水體內有機物含量，導致細菌滋生、管網水質惡化，加速腐蝕［6］。富營養化的景觀水體包含許多營養物質，促使藻類與水生生物大肆繁殖，不僅會加快水體沼澤化與陸地化進程，而且還會直接破壞景觀水體的生態平衡［7-8］。

2 實驗設計

2.1 實驗材料

用于景觀水體生態凈化修復實驗的挺水植物有鳳眼蓮、黃菖蒲、蘆葦；沉水植物有迷你皇冠、金魚藻、苦草；浮葉植物有青萍、睡蓮。上述水生植物主要從花卉市場購置。用自來水清洗供試水生植物的根部，然后將放置于自然光照遮陰條件下的自來水中，進行預培養［9］。本實驗選用某公園的景觀水體，其主要污染來源于農業污水、生活污水、雨水，存在明顯的富營養化現象。

2.2 實驗方法

實驗選用42 cm×30 cm×23 cm的塑料箱作為培養容器，處理景觀水體體積為18 L。在水生植物預培養結束之后，選擇長勢較好且大小基本一致的植株，將其清洗干凈并種植在景觀水體樣本中。水生植物在自然光照遮陰條件下生長，在實驗過程中以自來水補充蒸發消耗的水分，以此保持培養容器內的水位不變。

本實驗的水生植物組合配置共設置8組處理：F1組由蘆葦、鳳眼蓮、黃菖蒲、迷你皇冠、苦草、睡蓮、青萍組成；F2組由鳳眼蓮、黃菖蒲、金魚藻、苦草、睡蓮、青萍組成；F3組由鳳眼蓮、黃菖蒲、迷你皇冠、苦草、睡蓮、青萍組成；F4組由蘆葦、黃菖蒲、金魚藻、苦草、睡蓮、青萍組成；F5組由蘆葦、黃菖蒲、迷你皇冠、苦草、睡蓮、青萍組成；F6組由鳳眼蓮、蘆葦、金魚藻、苦草、睡蓮、青萍組成；F7組由鳳眼蓮、蘆葦、迷你皇冠、苦草、睡蓮、青萍組成；F8組為空白對照組，只添加營養液。

為了將底部淤泥污染物釋放與沉積對實驗結果的影響徹底排除，在培養容器中種植水生植物時沒有添加底泥基質。挺水植物使用泡沫板與鐵絲固定；沉水植物與浮葉植物直接安置在規定水域之中。在各培養容器內分別配置同等量的挺水植物、沉水植物、浮葉植物，挺水植物與沉水植物的生物量保持一致［10］。整個實驗過程持續15 d，每間隔5 d采集1次水體樣本，并根據水質監測方法測試水體內的總氮（TN）、總磷（TP）、銨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）含量。

3 實驗結果與分析

面向基于不同水生植物組合與對照組的景觀水體生態凈化修復進行實驗分析［11］。

3.1 景觀水體中硝態氮（NO3--N）的凈化修復

基于不同水生植物組合的景觀水體中硝態氮（NO3--N）的含量變化見表1。由表1可以看出：基于7種不同水生植物組合與對照組的景觀水體中硝態氮（NO3--N）的含量均呈現出顯著降低的趨勢；在F4、F5、F7組水生植物組合下的景觀水體中硝態氮（NO3--N）的含量始終低于對照組，說明這3組水生植物組合以水體中硝態氮（NO3--N）的去除效果良好；盡管對照組只添加了營養液，并未種植水生植物，但是水體內的微生物可以通過充足碳源的反硝化作用去除少量硝態氮（NO3--N）；在水生植物不斷生長下，F1、F3、F6組水生植物組合對硝態氮（NO3--N）的利用量逐漸增加，差值也有所增加?？傊?，不同水生植物組合對景觀水體硝態氮（NO3--N）的去除效果存在一定的差異。

表1 基于不同水生植物組合的景觀水體中硝態氮（NO3--N）的含量 mg/L

3.2 景觀水體中銨態氮（NH4+-N）的凈化修復

基于不同水生植物組合的景觀水體中銨態氮（NH4+-N）的含量變化見表2。由表2可以看出：除了對照組外，其他水生植物組合對景觀水體中銨態氮（NH4+-N）的去除效果均表現優異，且去除趨勢大體相同，其中F6與F7組的水生植物組合的去除效果居前2位，而對照組的景觀水體自凈化能力相對不足。在實驗前期，景觀水體中銨態氮（NH4+-N）始終保持離子狀態，極易被水生植物吸收，所以在此期間銨態氮（NH4+-N）的含量迅速下降，從而導致水生植物組合逐漸消耗景觀水體中的硝態氮（NO3--N）。

表2 基于不同水生植物組合的景觀水體中銨態氮（NH4+-N）的含量 mg/L

3.3 景觀水體中總氮（TN）的凈化修復

基于不同水生植物組合的景觀水體中總氮（TN）的含量變化見表3。由表3可見，7種水生植物組合對景觀水體中總氮（TN）的去除效果均表現良好，各處理組水體中總氮（TN）的含量均比對照組明顯下降，以F5組水生植物組合對總氮（TN）的去除率最高，達92.86%，比對照組提高了59.53個百分點，且處理后的水質符合《地表水環境質量標準》。

表3 基于不同水生植物組合的景觀水體中總氮（TN）的含量 mg/L

對照組對景觀水體總氮（TN）的去除主要以水體內反硝化菌對硝態氮（NO3--N）的作用來實現，其去除量與對硝態氮（NO3--N）的去除量基本相同。水生植物組合基于微生物的氮素轉化與植物吸收作用，對景觀水體中總氮（TN）的去除效果隨著時間的延長而逐步增強。在實驗前期，水生植物組合的植物還在逐漸適應環境，因此其去除效果相對于對照組并未呈現出明顯差異。但是F4與F7組水生植物組合可迅速適應新景觀水體環境，且可生成大面積植物根系，促使微生物于根際表層生成生物膜，進而構成好氧、缺氧或厭氧的微環境，以利于硝化菌與反硝化菌的生長，從而加快景觀水體內氮素的轉化，使其轉變為植物易利用的氮形態。

隨著水生植物組合逐漸適應水體環境和不斷生長，其對水體中總氮（TN）的去除效果不斷增強；然而F1、F2、F3、F4組水生植物組合對總氮（TN）的去除效果在10 d之后才趨于穩定，且差異不再顯著；F5組水生植物生長迅速，使得自身對總氮（TN）的去除效果劇增；F6與F7組水生植物在整個實驗過程中對總氮（TN）的去除效果一直保持緩慢提高的狀態。

3.4 景觀水體中總磷（TP）的凈化修復

基于不同水生植物組合的景觀水體中總磷（TP）的含量變化見表4。由表4可知，相較于對照組，在不同水生植物組合處理下景觀水體中的總磷（TP）含量均呈現減少的趨勢，且總磷（TP）含量在實驗前期的下降速度比較快，在實驗后期因含量偏低而呈現緩緩下降態勢。除了對照組外，各水生植物組合對水體中總磷（TP）的去除效果均先迅速下降再趨向于穩定。通常來講，景觀水體中的磷可以通過沉淀和固結等物理、化學方式加以去除，所以只添加營養液而未種植水生植物的對照組對總磷（TP）的去除效果也較好；但是相較于對照組，水生植物組合對總磷（TP）的去除效果更佳。這主要是由于景觀水體內的有機可溶性磷酸鹽可基于植物根際微生物的作用被水生植物吸收或者同化，而顆粒磷酸鹽可基于植物根系過濾與吸附作用而得以去除，正磷酸鹽可通過聚磷菌作用以多聚磷酸鹽在細胞中存儲進而去除。盡管水生植物與微生物各自的總磷（TP）去除作用不高，但是由其構成的微型生態系統可以通過協同作用改變水體內磷素的存在方式，以此推動水生植物組合有效去除總磷（TP）。

表4 基于不同水生植物組合的景觀水體中總磷（TP）的含量 mg/L

4 小結與討論

本實驗結果表明：基于不同水生植物組合與對照組的景觀水體中硝態氮（NO3--N）的含量均呈現出顯著的降低狀態，而在F4、F5、F7組水生植物組合下景觀水體中硝態氮（NO3--N）的含量始終低于對照組，說明這3組水生植物組合對硝態氮（NO3--N）的去除效果良好；各水生植物組合對景觀水體中銨態氮（NH4+-N）的去除效果均表現優異，其中F6與F7組水生植物組合對NH4+-N的去除效果較強；不同水生植物組合對景觀水體中總氮（TN）的去除效果均表現良好，且相較于對照組，總氮（TN）含量均明顯下降，其中F1、F2、F3、F4組水生植物組合對總氮（TN）的去除效果在10 d之后才趨向于穩定狀態，F5組水生植物對總氮（TN）的去除效果劇增，F6與F7組水生植物在整個實驗過程中對總氮（TN）的去除效果一直保持緩慢提高的狀態；各水生植物組合對總磷（TP）的去除效果均先迅速下降再趨向于穩定，且均優于對照組對總磷（TP）的去除效果。

總之，不同水生植物組合對景觀水體的生態凈化修復作用在整體上優于單種植物；根據不同水生植物組合對景觀水體中氮、磷營養鹽的凈化與復氧能力，F5與F7組水生植物組合明顯優于其他水生植物組合，其更加適合浮游植物的生長；此外，F5組水生植物組合對總氮的去除效果優于F7組。就水生植物對景觀水體的生態凈化修復能力和效果來講，F5組水生植物組合更好；就植物的生長特性、景觀效果、生態效應等而言，也以F5組水生植物組合更佳，且其對水體營養物質的去除效果更好、更穩定。