常綠水生植物冬季對富營養(yǎng)化水體凈化效果研究

居 萍，徐順飛，李良俊，盧 燕，宋天賜

(1.揚州市職業(yè)大學，江蘇揚州 225002；2.揚州大學，江蘇揚州 225009)

氮磷超標引起的水體富營養(yǎng)化是目前普遍面臨的問題，水生植物對于水體中氮、磷的富集有明顯的效果。近年來，利用水生植物和陸生植物浮床等植物修復技術治理富營養(yǎng)化水體已取得一定效果。但已有的研究多為冬季枯死或休眠植物，而且多為單一種植，常綠植物單一種植以及常綠植物組合種植對冬季富營養(yǎng)化水體凈化的研究較少，至今鮮見研究某一植物單獨種植和其他植物混合種植凈化效果的比較。該研究選用冬季常綠型水生植物分別單獨種植和混合種植，比較分析其對富營養(yǎng)化水體的凈化效果，以期為解決植物修復水體的周年循環(huán)問題和滿足濕地植物景觀冬季觀賞提供一定參考。

1 材料與方法

選用香菇草()和石菖蒲()2種常綠水生植物。試驗材料洗凈根系后在自來水中馴化7 d，栽培用水和底泥取自揚州市職業(yè)大學校園池塘中。

試驗設計。試驗于2020年10月26日—11月30日在揚州市職業(yè)大學園林園藝生態(tài)實訓基地自然條件下進行，但對試驗場地進行了避雨處理。

試驗設4組(3個處理，1個對照)，處理1(T)為香菇草單獨種植，處理2(T)為石菖蒲單獨種植，處理3(T)為香菇草+石菖蒲組合種植，以不栽植植物的底泥和水樣為對照組。將馴化好的植物用蒸餾水洗凈并用吸水紙吸干水分后稱重，其中T稱重香菇草60 g，T稱重石菖蒲60 g，T稱重石菖蒲和香菇草各30 g。種植容器為50 cm×30 cm的塑料桶，每桶裝入底泥6 kg，植物種入后放入取自池塘的水，每桶放水5 L，每組設3個重復。

采樣。10月26日種植，14 d植物恢復生長后開始取樣，每7 d取樣一次，取樣時間為當天08：00，取得的水樣立即帶入實驗室分析水樣中的TN、TP，每7 d一次用蒸餾水補充蒸發(fā)和植物蒸騰所散失的水分。底泥在試驗開始和試驗結束各取樣一次，風干后分析測定TN和TP，在試驗結束后，將植物全部取出洗凈，用吸水紙吸干水分后稱重。

指標測定。水樣濁度用SGZ-200BS便攜式濁度計測定，水樣TN用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，水樣TP用鉬酸銨分光光度法測定，底泥中的TN用凱氏定氮法測定，TP用鉬銻抗比色法測定。去除率計算公式為去除率=[(-)]×100，式中，為試驗開始時水體中污染物的濃度；為第天時水體污染物濃度。

所有數(shù)據(jù)經(jīng)Excel和SPSS 16.0軟件進行處理分析并用Duncan進行多重比較。

2 結果與分析

濁度是水質測定的一項重要物理指標，濁度越高，水越渾濁，水質越差。不同植物種植方式水體的濁度變化見圖1。從圖1可以看出，10月26日—11月30日3個處理組和對照組水體的濁度都出現(xiàn)下降趨勢，但對照組水體濁度的下降趨勢慢于3個處理組。至試驗結束時，對照組水體的濁度仍有71.9 NTU，T、T、T的濁度分別為32.0、54.3、48.0 NTU，3個處理對水體濁度凈化作用分別為T>T>T，分別比初始濁度(108.5 NTU)降低70.5%、55.8%、50.0%。

圖1 不同處理水體濁度的變化Fig.1 Change of turbidity in different treatment water

從圖2可以看出，隨著處理時間的延長，各處理的TN濃度均有不同程度下降，T、T、T水體中TN濃度始終低于對照，且3個處理在11月9日測定的水體中TN濃度明顯低于10月26日的濃度，由最初的8.990 1 mg/L分別下降為2.752 3、3.526 5、3.125 3 mg/L，此后水體中TN濃度下降緩慢，至試驗結束時，3個處理水體中的濃度分別為1.097 4、2.697 1、1.554 3 mg/L；對照組中，由于各種微生物及其他因素作用，水體中TN濃度也由8.990 1 mg/L下降至6.863 7 mg/L。

圖2 不同處理水體中TN濃度的變化Fig.2 Change of TN concentration in different treatment water

從表1可以看出，3個處理在不同階段對水體中TN均有去除效果，尤其在植物恢復生長后的第一次測定，T、T、T水體中TN去除率分別為69.4%、60.7%和65.2%。分析比較3個處理最終對水體中TN去除率發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過35 d的處理后，T的去除率最高，達87.8%，其次是T和T，去除率分別為82.7%和70.0%；對照組水體中的TN濃度雖有緩慢下降，但變化不大；對于水體中TN的去除率，除了T和T之間差異不顯著，其余處理之間差異均達極顯著水平。

表1 不同處理對水體中TN的去除率

從圖3可看出，3個處理中水體的TP濃度變化趨勢與TN濃度變化趨勢相似，隨著時間的延長，TP濃度均有不同程度下降，T和T下降趨勢較明顯，由最初的1.005 0 mg/L分別下降為0.208 8、0.218 8 mg/L，其次為T，試驗結束時水體中的TP濃度下降至0.339 8 mg/L，3個處理水體中的濃度均低于對照處理水體的濃度(0.765 1 mg/L)。

圖3 不同處理水體中TP濃度的變化Fig.3 Change of TP concentration in different treatment water

從表2可以看出，3個處理在不同階段對水體中TP均有一定的去除作用，與對TN的去除率不同的是，植物恢復生長后的第一次測定，T、T、T去除率不高，分別僅為34.8%、51.4%和43.7%，而后多次取樣測定并計算，去除率不斷上升，至試驗結束時，T、T、T對水體中TP的去除率分別為78.8%、67.0%和79.2%，與對照都達到極顯著差異，T和T間差異不顯著，但T和T、T和T之間均差異顯著。

表2 不同處理對水體中TP的去除率

在富營養(yǎng)化水體中，一般來說，底泥與上覆水中的氮磷營養(yǎng)鹽處于一個動態(tài)平衡狀態(tài)，因此研究水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化作用時，底泥中的TN和TP也是重要的分析指標。

從圖4可以看出，至試驗結束時，T、T、T底泥中的TN含量分別由初始時的2.059 g/kg分別降為0.629、1.289、1.092 g/kg，降低幅度為69.5%、37.4%和47.0%;對照組底泥中的TN含量降至1.563 g/kg，降低24.1%。說明水生植物在冬季生長期間利于降低底泥中的TN含量。從各處理對底泥中TP含量的影響(圖5)可以看出，T底泥中TP含量由最初的40.396 g/kg上升為40.612 g/kg，增幅為0.53%；T和T底泥中的TP含量雖然下降，由最初的40.396 g/kg分別下降為39.831 和40.126 g/kg，但下降幅度很小，分別為1.40%和0.67%。

圖4 不同處理底泥中TN含量的變化Fig.4 Change of TN content in sediment with different treatment

圖5 不同處理底泥中TP含量的變化Fig.5 Change of TP content in sediment with different treatment

經(jīng)過35 d的試驗，用于凈化水體的植物在感官形態(tài)上有了較大的變化，所栽培植物全部成活，且長勢旺盛，總生物量明顯增加。從圖6可看出，在試驗結束后，T植物鮮重增加最大，由最初的60 g增加至426 g，凈增加366 g，增加了6.10倍；其次是T，由60 g增加到326 g，凈增加266 g，增加了4.43倍；T由60 g增加至121 g，凈增加61 g，增加了1.02倍。

圖6 不同處理植物鮮重的變化Fig.6 Change of fresh weight of plants with different treatment

3 討論

該試驗研究常綠水生植物冬季對富營養(yǎng)化水體的凈化作用，并比較水生植物單獨種植和混合種植的凈化效果。從植物造景的藝術性角度來看，香菇草較為鋪散的橫向性生長和石菖蒲直立生長特性形成了方向和質感上的對比，而香菇草葉片淺綠色和石菖蒲深綠色又形成了顏色上的對比，符合植物造景形式美法則。

生長旺盛、鮮重增加較快是決定水生植物水質凈化能力的一個十分重要的因素，水生植物旺盛生長，光合作用強，使水中溶解氧濃度保持充足，能加快懸浮物的分解，從而使水體富營養(yǎng)化下降。在35 d中香菇草的鮮重凈增366 g，增加了6.10倍，這與金樹權等將水質氮、磷去除率與水生植物凈增生物量的相關性分析研究結果一致，金樹權等研究的香菇草對水體TN、TP的去除率分別為91.8%和79.1%，高于該研究的去除率，這與冬季溫度低、植物代謝慢有關。徐秀玲等在不同水生植物對富營養(yǎng)化水體氮磷去除效果比較研究中也發(fā)現(xiàn)水生植物生長旺盛、生物量大對氮、磷的去除效果好。

底泥是富營養(yǎng)化水體主要的內(nèi)源污染源，內(nèi)源污染指的是在阻止了外部污染后，水體與水體沉積物之間的物質交換過程中，沉積物在擾動情況下再次向水體釋放營養(yǎng)物質改變水質產(chǎn)生富營養(yǎng)化的現(xiàn)象。該研究中，香菇草單獨種植使栽植底泥的TN下降、TP 上升，是因為香菇草旺盛生長，根系非常發(fā)達，可直接從與底泥吸收氮素營養(yǎng)，從而降低了TN；TP上升是因為水體中懸浮物慢慢沉積并被植物根系固定，從而導致底泥中TP含量增加。由于石菖蒲鮮重增加量比香菇草小，因此對底泥中TN的吸收效果不如香菇草明顯，香菇草和石菖蒲混合種植對底泥中TN的效果介于2種單獨植物之間。

在該試驗的3個處理中，通過分析各項試驗指標，以香菇草對富營養(yǎng)化水體凈化效果為最好，其次為香菇草和石菖蒲混合種植，但考慮水體造景的美學性以及植物選擇多樣性，建議選擇香菇草和石菖蒲混合種植作為冬季水體富營養(yǎng)化水體凈化植物的選擇。

4 結論

(1)從凈化富營養(yǎng)化水體效果看，以香菇草單獨種植效果為最好，至試驗結束時，使水體濁度下降70.5%，對水體中TN、TP的去除率分別為87.8 %和78.8%；其次是香菇草+石菖蒲混合種植，使水體濁度下降55.8%，對水體中TN、TP去除率分別為82.7%和79.2%；而石菖蒲單獨種植，使水體濁度下降50.0%，對水體中TN、TP去除率分別為70.0%和67.0%。

(2)水生植物生長旺盛、生物量增加快對水體中氮、磷的去除效果好，在35 d中香菇草的鮮重凈增366 g，增加了6.10倍。

(3)底泥也是富營養(yǎng)化水體污染源之一，植物根系可直接從底泥吸收營養(yǎng)，但隨著時間的延長，植物根系固定營養(yǎng)從而會導致底泥中TP含量增加，因此需要及時剪除一部分水生植物，一是防止植物將營養(yǎng)固定于底泥中，二是防止植物生長過密影響造景效果。

(4)考慮水生植物造景的美學性以及植物選擇多樣性，優(yōu)選香菇草和石菖蒲混合種植作為冬季水體富營養(yǎng)化造景材料。