苦草對水體氮磷吸收與釋放作用的探析

高子昕，劉興國

1.上海海洋大學 水產與生命技術學院，上海 201306；2.中國水產科學研究院 漁業機械儀器研究所，北京 100141

當前，隨著我國經濟高質量發展以及城市化進程的大力推進，導致大量含氮、磷的工業廢水及生活污水進入自然水體，造成水體氮磷元素嚴重超標，由此導致湖泊等自然水體富營養化現象嚴重[1]。沉水植物作為湖泊生態系統的主要組成部分，運用沉水植物治理水生態開始被廣泛應用[2-5]。沉水植物作為水體生態系統的主要初級生產者之一，是水體生物多樣性賴以維持的基礎，具有氮、磷吸收能力，因此構建沉水植物群落是預防與治理水體富營養化工作的重要環節[6]。然而，沉水植物隨著時間及環境變化會開始衰敗并釋放氮磷，可能會加重水體的富營養化程度。探尋沉水植物對氮磷的吸收與釋放之間的轉換十分必要。

苦草[Vallisneria natans(Lour.) Hara]，俗名面條草、扁擔草、水韭菜等，是最常見的沉水植物之一，廣泛分布于我國各省區，在淡水湖泊、溝渠、池塘、內河航道的靜水或流動水體中均能很好地生長[7]。苦草生態適應性廣，能實現克隆生長，再生能力強，群落破壞后恢復時間短，吸附污染物能力強，是治理水體污染、降低水體富營養化程度的重要沉水植物之一。研究苦草不同情況下對水體氮磷的影響，以期為沉水植物治理水質提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 不同氮濃度下苦草對水體氮磷的影響

1.1.1 試驗設置 試驗選取白洋淀水域內存在的新鮮矮生短葉苦草，用無氨純水沖洗3次并選取大小相仿的活株定植于無氨純水玻璃缸內備用。

選用透明干凈的4個玻璃缸（30 cm×30 cm×30 cm），用無氨純水沖洗3次，并分別用硝酸鉀（KNO3）配置總氮濃度梯度為1.0、1.5、2.0和0 mg/L的溶液20 L，并在水位線處做好標記為后期加水做準備，標記為組A、組B、組C和對照。

試驗開始前，通過無粉陶瓷水草定植環（內徑3 cm、外徑4.5 cm），將備用好的活株苦草分別定植在玻璃缸內的對角和中心點，保證苦草均能夠良好生長，每個缸的苦草總濕重設置見表1。

表1 總氮濃度及試驗材料

試驗開始后，每14 d為1個周期，加無氨純水至原標記水位線。

1.1.2 樣品采集與檢測 試驗從2019年8月17日起放入樣品，穩定一周觀測苦草無衰敗跡象后，開始檢測水質變化。試驗檢測了2019年8月24—2019年11月9日，15 d的試驗水體總氮總磷，采樣時間均為09:00。采樣時，每個組采3次水樣，且分別取中心點、靠近角和靠近邊的3個點。具體參照《水和廢水監測分析方法（第四版）》，總氮采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法；總磷采用過硫酸鉀消解—鉬藍對比法[8]。

1.2 不同苦草部位對氮磷的吸收與釋放影響

1.2.1 試驗設置 備用新鮮矮生短葉苦草同1.1.1。

選用7個透明干凈的300 mL具塞磨口錐形瓶，用無氨純水沖洗3次，標記為空白、組Ⅰ、組Ⅱ、組Ⅲ、組Ⅳ、組Ⅴ和組Ⅳ備用。

將備用好的苦草分組放入塑封袋中，密封放置于設定水溫為50 ℃的恒溫水箱內，用夾子固定于水中水浴30 min。用干凈的剪刀處理苦草后，將整株的苦草、剪碎的苦草、僅根部和葉部分別放入準備好的錐形瓶中，加入300 mL無氨純水，并塞緊錐形瓶瓶塞，置于避免太陽光直射的環境（表2）。

表2 關于苦草不同部位相關試驗

1.2.2 試驗采樣 試驗從2019年10月24—2019年11月26日，歷時1個月，每2 d測1次水體總氮總磷，采樣時間均為14:00。測定方法同1.1.2。

1.3 數據處理

根據檢測數據，采用Excel軟件計算其平均值和標準差，并用Origin 2018作圖。通過SPSS軟件采用單因素方差分析法，組間P＜0.05為差異性顯著，P＜0.01為差異性極顯著。

2 結果與分析

2.1 不同氮濃度下苦草對水體氮磷的影響

2.1.1 不同氮濃度下苦草對氮磷的吸收效果 在試驗開始后的半個月中，組A第一次取樣的總氮去除率為54%，第二次取樣為第一次取樣后氮濃度的64%；組B第一次取樣的總氮去除率為24%，第二次取樣為第一次取樣后氮濃度的59%；組C第一次取樣的總氮去除率為29%，第二次取樣為第一次取樣后氮濃度的66%；由于苦草在水體具有釋放氮營養元素的能力且苦草表面可能附著一定的氮元素，導致對照組的第一次取樣總氮上升2%，但是由于苦草去除水中氮營養鹽的功能大于釋放氮營養鹽的功能，所以第二次取樣的去除率為第一次取樣后氮濃度的50%（圖1a）。

圖1 苦草對氮磷的吸收效果

在苦草氮吸收能力大于釋放能力時，在氮濃度為1.0、1.5 mg/L的兩組苦草在試驗開始至第二次取樣都在釋放磷，而后水體磷濃度開始緩緩降低至接近0 mg/L，其中在氮濃度分別為1.0、1.5 mg/L時，苦草的磷吸收率分別為69%、34%。而在氮濃度為2.0 mg/L時，苦草的磷吸收率為26%（圖1b）。

2.1.2 不同氮濃度下苦草對氮磷的釋放效果 研究表明，苦草對水質凈化的快速作用時期為試驗開始的前半月內，在苦草放入試驗水體半月后，水體溶解氧含量低于第一次取樣時的溶解氧含量時，氮濃度也在一個月開始緩慢上升，說明苦草的釋放氮的能力開始大于吸收氮的能力[9]（圖2a）。

A、B、C組試驗水體的磷濃度都呈波動性周期，分別在第18天、第36天、第50天和第60天，磷濃度分別呈現增長、減至無、再增長、又減至無的規律（圖2b）。

2.2 不同苦草部位對氮磷的吸收與釋放影響

6個分組的總氮含量最大分別為1.35、1.04、0.92、1.07、0.52和0.81 mg，由于各組之間的苦草樣品存在一定的質量差異，為更科學地體現苦草各部分與水中釋放影響氮營養元素的關系，故將總氮含量的數據處理為總氮含量/濕重。得出結論：整體處理過的苦草在水中釋放的總氮約為0.52 mg/g，剪碎后處理的苦草在水中釋放的總氮約為0.45 mg/g，僅處理苦草根部的苦草根在水中釋放的總氮約為0.33 mg/g，僅處理苦草葉部的苦草葉在水中釋放的總氮約為0.50 mg/g。總體而言，剪碎后處理的苦草在水中釋放的氮元素小于整體處理后的，苦草莖葉部分處理后在水中釋放的氮元素較根枝部分多。

在一段時間后，苦草對氮的吸收逐漸大于釋放，說明苦草恢復活力，且整體與根、葉都具備吸收氮的能力，在試驗開始的1個月后，根的總氮去除率約為66.42%；葉的總氮去除率約為56.58%（圖3a）。

圖3 不同部位苦草對水體氮磷濃度的影響

6個分組的總磷含量最大分別為2.46、2.66、2.59、1.07、2.31和2.36 mg，同理，由于各組之間的苦草樣品存在質量差異，將總磷含量的數據處理為總磷含量/濕重。得出結論：整體處理過的苦草在水中釋放的總磷約為1.14 mg/g，剪碎后處理的苦草在水中釋放的總磷約為0.79 mg/g，單苦草根部處理的苦草根在水中釋放的總磷約為1.44 mg/g，單苦草葉部處理的苦草葉在水中釋放的總磷約為1.47 mg/g。綜上，剪碎后處理的苦草在水中釋放的磷元素和氮元素一樣，小于整體處理后的，且相較氮元素的更小，苦草莖葉部分處理后在水中釋放的氮元素較根枝部分多（圖3b）。

苦草對磷的吸收大于釋放能力的時間與總氮的時間相仿，進一步論證了苦草具有良好的修復能力，根與葉也都具備吸收磷的能力，在試驗開始的1個月后，根的總磷去除率約為74.79%，而葉的總磷去除率約為73.47%，相較于總氮兩者相差不大。

3 結論與建議

（1）在總氮濃度為1.0～2.0 mg/L時，在總氮濃度為2.0 mg/L時苦草在水體釋放磷最高，且波動幅度最大，在總氮濃度為1.0 和1.5 mg/L濃度時，水體中磷的濃度變化波動小且相近。綜上，水體氮濃度的變化會引起苦草釋放吸收磷的變化，且苦草對磷的吸收呈波動性，開始在無磷的水體中磷濃度由于苦草釋放磷的速率大于吸收的速率，隨著時間推移而到達一個小高峰，而后苦草吸收磷的速率開始大于釋放的速率，水體中的磷濃度又會逐漸減小至無的水平。根據此現象，建議通過合理加大前期苦草種植量，以達到快速控制水體氮，進而積極影響水體中磷的吸收。

（2）苦草具有良好的自我修復能力，處于非健康狀態的苦草釋放氮磷的能力遠大于吸收氮磷的能力，整株的苦草釋放率為1.10 mg/g（氮）和2.20 mg/g（磷），其中根的釋放率為0.52 mg/g（氮）和2.31 mg/g（磷），葉的釋放率為0.81 mg/g（氮）和2.36 mg/g（磷）。在經過一段時間后，苦草恢復一定吸收氮磷的能力，其根的總氮去除率約為66.42%，總磷去除率約為74.79%；葉的總氮去除率約為56.58%，總磷去除率約為73.47%。根據其恢復特性，建議在前期合理大量種植苦草后半個月左右，分批清理苦草，以延長苦草對水體氮磷控制的有效時間并進一步減少水環境治理的經濟成本。