沉水植物及組合對(duì)翠柳湖水體的凈化效果研究

摘要：本文選擇湘南學(xué)院翠柳湖水作為試驗(yàn)用水，通過室外靜態(tài)模擬試驗(yàn)，對(duì)3種不同的沉水植物（黑藻、金魚藻和狐尾藻）及其4種組合方式（黑藻+金魚藻、狐尾藻+金魚藻、黑藻+狐尾藻和黑藻+金魚藻+狐尾藻）對(duì)水體中氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、總氮（TN）和化學(xué)需氧量（CODCr）的凈化效果進(jìn)行研究。單一沉水植物中，金魚藻對(duì)NH3-N的凈化效果最好，對(duì)NH3-N的去除率最高達(dá)59.7%；狐尾藻對(duì)CODCr、TP、TN的去除效果均較好，去除率分別為38.6%、54.0%、30.3%。沉水植物組合中，黑藻+

金魚藻+狐尾藻組合對(duì)水體中NH3-N、CODCr的去除效果最好，去除率分別為67.0%和42.3%；黑藻+金魚藻對(duì)TN的去除效果最佳，去除率最高達(dá)30.9%；黑藻+狐尾藻組合對(duì)TP的去除能力最強(qiáng)，去除率達(dá)53%。綜合分析3種沉水植物及其組合方式對(duì)水質(zhì)的凈化效果，金魚藻、狐尾藻、黑藻+金魚藻+狐尾藻和黑藻+狐尾藻綜合凈化效果較好，表明金魚藻、狐尾藻、黑藻+金魚藻+狐尾藻和黑藻+狐尾藻更適合作為修復(fù)富營養(yǎng)化水體的先鋒種。

關(guān)鍵詞：沉水植物；富營養(yǎng)化；水質(zhì)凈化；去除率

中圖分類號(hào)：X52；X524 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2023）06-0-06

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.06.052

Study on the purification effect of submerged plants and their combinations on the water body of Cuiliu Lake

ZHANG Jing1， LI Junjiao1， OUYANG Xiaosong1， HE Yafei1， LIU Lu1，2

（1. School of Chemistry and Environmental Science， Xiangnan University; 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Xiangnan Rare-Precious Metals Compounds Research and Application， Chenzhou 423000， China）

Abstract： In this paper， the Cuiliu Lake water of Xiangnan University is selected as the test water， through outdoor static simulation tests， the purification effects of three different submerged plants （Hydrilla verticillata， Ceratophyllum demersum and Myriophyllum verticillatum） and their four combinations （Hydrilla verticillata+Ceratophyllum demersum， Myriophyllum verticillatum+Ceratophyllum demersum， Hydrilla verticillata+Myriophyllum verticillatum and Hydrilla verticillata+Ceratophyllum demersum+Myriophyllum verticillatum） on ammonia nitrogen （NH3-N）， total phosphorus （TP）， total nitrogen （TN） and chemical oxygen demand （CODCr） in water are studied. Among the single submerged plants， Ceratophyllum demersum has the best purification effect on NH3-N， and the removal rate of NH3-N is up to 59.7%; Myriophyllum verticillatum has good removal effects on CODCr， TP and TN， and the removal rates are 38.6%， 54.0% and 30.3% respectively. Among submerged plant combinations， the combination of Hydrilla verticillata+Ceratophyllum demersum+Myriophyllum verticillatum has the best removal effect on NH3-N and CODCr in water， with removal rates of 67.0% and 42.3% respectively; the removal efficiency of TN by Hydrilla verticillata+Ceratophyllum demersum is the best， with the highest removal rate of 30.9%; the combination of Hydrilla verticillata+Myriophyllum verticillatum has the strongest ability to remove TP， with a removal rate of 53%. Based on the comprehensive analysis of the purification effect of three submerged plants and their combination methods on water quality， the comprehensive purification effect of Ceratophyllum demersum， Myriophyllum verticillatum， Hydrilla verticillata+Ceratophyllum demersum+Myriophyllum verticillatum and Hydrilla verticillata+Myriophyllum verticillatum is better， indicating that Ceratophyllum demersum， Myriophyllum verticillatum， Hydrilla verticillata+Ceratophyllum demersum+Myriophyllum verticillatum and Hydrilla verticillata+Myriophyllum verticillatum are more suitable as the pioneer species for restoring eutrophication water bodies.

Keywords： submerged plants; eutrophication; water purification; removal rate

利用沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體，是利用太陽能來驅(qū)動(dòng)的一種環(huán)保、低碳處理技術(shù)[1-2]。植物修復(fù)技術(shù)能有效治理富營養(yǎng)化水體，具有成本低、效益高的優(yōu)勢(shì)。吳振斌等[3]在武漢市東湖建立大型沉水植物試驗(yàn)圍隔系統(tǒng)，研究表明，沉水植物不僅可以通過吸附、沉降等物理作用凈化水質(zhì)，還能通過根系吸收底泥、水體中的氮、磷營養(yǎng)物，改善水體和底泥的環(huán)境，提升水體溶解氧（DO）的含量。沉水植物組合的合理搭配能提高氮和磷的去除效率，并發(fā)揮其最大凈化潛力[4]。西班牙地中海沿岸的淺水湖泊中種植沉水植物狐尾藻、金魚藻、菹草等，成功恢復(fù)了水體生態(tài)環(huán)境[5]。狐尾藻和黑藻是韓國目前利用最多的兩種沉水植物，對(duì)水體富營養(yǎng)化均有良好的凈化效果，已在許多水體中得以應(yīng)用[6]。目前，單一植物凈化水體的研究較多，而對(duì)其組合凈化水質(zhì)的研究較為有限。本研究選擇校園景觀水體翠柳湖作為供試水體，并選用金魚藻、狐尾藻、黑藻3種單一沉水植物及金魚藻與狐尾藻（金+狐）、金魚藻與黑藻（金+黑）、狐尾藻與黑藻（狐+黑）和金魚藻與狐尾藻與黑藻（金+狐+黑）四種沉水植物組合，對(duì)翠柳湖富營養(yǎng)化水體進(jìn)行水質(zhì)凈化，比較3種不同的沉水植物及組合在相同的處理?xiàng)l件下對(duì)水體中氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（CODCr）的去除效率。因此，沉水植物種群的重建對(duì)于湖泊、水庫和河流的富營養(yǎng)化治理具有重要意義。本研究不僅為水生植物凈化富營養(yǎng)化水體提供理論基礎(chǔ)，也為水生植物的水質(zhì)凈化、篩選和推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)選用狐尾藻、黑藻、金魚藻3種沉水植物。選擇生長狀況良好且性狀統(tǒng)一的成熟植株，將其均勻分株，洗凈備用。

1.2 供試水樣

選擇湘南學(xué)院翠柳湖水作為試驗(yàn)用水，水樣取自距水面0.3 m深處（水深0.6 m），選擇CODCr、NH3-N、TN、TP作為檢測(cè)指標(biāo)，探究單一沉水植物及其組合對(duì)翠柳湖水質(zhì)的修復(fù)效果。翠柳湖水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，翠柳湖水體已處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇室外自然狀態(tài)下培養(yǎng)，所需培養(yǎng)器皿為上口徑33 cm、下口徑26 cm、高30 cm的圓形塑料桶，試驗(yàn)用水為翠柳湖湖水，水的容積大體一致。將試驗(yàn)分成8組（每組3個(gè)重復(fù)），即3種沉水植物各為一組（單沉組），兩兩組合，三種植物組合（沉合組）及1組空白試驗(yàn)，按照表2稱取等質(zhì)量的3種沉水植物放入各組水桶中，試驗(yàn)周期為30 d，且每組試驗(yàn)均在統(tǒng)一條件下進(jìn)行。試驗(yàn)從2020年10月12日開始到11月10日結(jié)束，每隔5 d分別從每組水桶中取一定的水樣進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)包括NH3-N、CODCr、TN、TP。NH3-N測(cè)定采用納氏試劑分光光度法，CODCr測(cè)定采用重鉻酸鉀指數(shù)法，TN測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法。

2 結(jié)果分析

3種沉水植物及其4種組合方式對(duì)水體中NH3-N、TP、TN和CODCr的凈化效果存在差異，下面進(jìn)行具體分析。

2.1 單一沉水植物對(duì)NH3-N、CODCr、TN和TP的凈化效果

2.1.1 對(duì)NH3-N的凈化效果

由圖1可以看出，黑藻、金魚藻和狐尾藻對(duì)富營養(yǎng)化水體中NH3-N都有一定的去除效果，NH3-N濃度明顯降低。試驗(yàn)初期，隨著沉水植物的快速生長，其對(duì)NH3-N的吸收作用不斷加強(qiáng)，同時(shí)為微生物的代謝提供場(chǎng)所，通過光合作用產(chǎn)生氧氣加快好氧微生物的代謝，使各試驗(yàn)組NH3-N濃度逐漸下降[6]。試驗(yàn)后期，由于光照、透明度等因素的影響，沉水植物的光合作用降低，導(dǎo)致植物部分葉片頂端發(fā)黃、枯萎，基部輕微腐爛，從而降低對(duì)NH3-N的吸收。隨著藻類植物的生長，水體pH顯著增高，會(huì)促進(jìn)氨氣的揮發(fā)，改變微生物的環(huán)境條件，從而影響水體中氮的去除[7]。在植物群落建設(shè)時(shí)，考慮基質(zhì)的性質(zhì)是否適合種植植物，這樣可以避免資源浪費(fèi)，提高植物成活率。總體來看，金魚藻對(duì)NH3-N的凈化效果最好，對(duì)NH3-N的去除率高達(dá)59.7%；其次為黑藻，對(duì)NH3-N的去除率達(dá)48.7%；最后為狐尾藻，對(duì)NH3-N的去除率達(dá)43.2%。

2.1.2 對(duì)CODCr的凈化效果

如圖2所示，黑藻、狐尾藻、金魚藻所在水體中CODCr濃度呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，表明3種沉水植物對(duì)其都有一定的凈化效果。試驗(yàn)后期，水體CODCr的去除率不一定隨著時(shí)間延長而增大，當(dāng)植物在自身的代謝作用下吸收足夠的物質(zhì)時(shí)，對(duì)水中CODCr的去除就會(huì)減慢，沉水植物的凋亡和分解還可能使新的有機(jī)物溶解到水中，導(dǎo)致水中CODCr升高，甚至高于空白[8]。沉水植物對(duì)CODCr的去除受溫度影響較大，低溫環(huán)境更容易引起植物的死亡、腐爛和CODCr的升高。總體來說，狐尾藻效果更優(yōu)，去除率為38.6%，金魚藻和黑藻去除率分別為24.8%和19.9%。試驗(yàn)進(jìn)行于10月中旬至11月中下旬，其間郴州市平均溫度為18 ℃，最高溫為26 ℃，最低溫為9 ℃。總體來看，3種沉水植物對(duì)水體中的CODCr凈化均有一定效果。

2.1.3 對(duì)TN的凈化效果

從圖3可以看出，黑藻、狐尾藻和金魚藻所在水體中TN濃度均有明顯降低，在不同階段，其下降幅度明顯高于空白組，說明3種沉水植物對(duì)水體中TN的凈化效果均較明顯。

從變化趨勢(shì)可以看出，試驗(yàn)初期和中期以沉降、基質(zhì)吸附為主，大部分水體TN含量下降較為平緩，試驗(yàn)后期，狐尾藻所在水體中TN濃度大幅度降低，其去除率高達(dá)30.3%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各沉水植物所在水體TN濃度均顯著小于空白組，研究表明，沉水植物蓋度維持在50%時(shí)，水體的TN、TP濃度達(dá)到最低水平，此蓋度對(duì)水體中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收效果最好[9]。

2.1.4 對(duì)TP的凈化效果

從圖4可以看出，試驗(yàn)初期，水體中TP含量緩慢降低，這主要是由于種植植物初期溶解態(tài)磷濃度較高。

在一定的營養(yǎng)濃度范圍內(nèi)，沉水植物對(duì)水體TP的去除率與水體TP濃度顯著正相關(guān)[10]。試驗(yàn)前期，TP的去除可能與沉水植物生長速度較快、植物吸收和磷酸鹽沉積有關(guān)，不同植物對(duì)氮、磷等養(yǎng)分的吸收速率不同，它們釋放氧氣的能力和生長周期也不同，因此它們清除污染物的能力和類型也不同。試驗(yàn)到10～15 d時(shí)，在幾個(gè)水質(zhì)測(cè)量周期中，TP濃度略微升高，可能是由于試驗(yàn)過程中植物清洗不徹底，部分藻類殘留在葉片或根莖上。試驗(yàn)中期，部分葉片頂端發(fā)黃、枯萎，根部腐爛。在此期間，磷被釋放到上覆水體中，導(dǎo)致上覆水體中各種形態(tài)的磷含量增加，影響TP的去除。在15～30 d內(nèi)，TP含量逐漸下降，由圖4可知，在20 d時(shí)，金魚藻所在水體中TP含量略微上升，可能是因?yàn)楦鞣N沉水植物即將停止生長，對(duì)磷元素的吸收比較微弱，使得磷元素含量出現(xiàn)回升。總體來看，狐尾藻對(duì)TP的去除效果最佳，去除率高達(dá)54%；其次為黑藻、金魚藻，去除率分別為39.5%、23.0%。

2.2 3種沉水植物的4種組合對(duì)NH3-N、CODCr、TN和TP的凈化效果

2.2.1 對(duì)NH3-N的凈化效果

由圖5可以看出，不同植物組合對(duì)水體中NH3-N的去除效果存在差異，4種組合所在水體中的NH3-N濃度均有不同程度的下降，且下降幅度基本大于空白組，黑+金、狐+金、黑+狐和黑+金+狐四種組合對(duì)水體中NH3-N均有一定的去除能力。在物種水平上，混合群落中的黑藻、金魚藻2種植物生長速率較快且累積生物量較高[11]。試驗(yàn)初期，沉水植物作為一個(gè)整體在水中生長，它們的根、莖和葉能夠有效地吸收水中的營養(yǎng)，使得各試驗(yàn)組體系中的NH3-N濃度都隨著時(shí)間的延長而下降，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，4種組合對(duì)NH3-N的去除率均高于空白組。結(jié)果表明，黑+金+狐對(duì)NH3-N的去除效果最佳，去除率高達(dá)67%；其次為黑+狐，去除率為63.4%；黑+金、狐+金的去除率相對(duì)較低。

2.2.2 對(duì)CODCr的凈化效果

從圖6可以看出，3種沉水植物的4種組合方式對(duì)翠柳湖水中CODCr的凈化均有一定效果。3種植物之間存在競爭，更多的枝葉死亡和枯老導(dǎo)致CODCr濃度增加。CODCr的去除主要是由異養(yǎng)微生物完成的，溫度、溶解氧濃度和CODCr的性質(zhì)對(duì)異養(yǎng)微生物的去除有多方面的影響。植物組合增加了水生生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有助于緩沖系統(tǒng)底泥中磷元素的釋放，維持水質(zhì)，同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)季節(jié)等外部環(huán)境的適應(yīng)性，使系統(tǒng)能夠長期保持凈化能力。總體來看，各組合方式對(duì)水體中的CODCr凈化均有一定效果。由CODCr濃度變化趨勢(shì)可以得出，黑+金+狐組合對(duì)水體CODCr去除效果最好，去除率達(dá)42.3%，研究表明，群落的物種多樣性越高，其生態(tài)功能就越完整[12]；其次是黑+狐，再次是黑+金，最后是狐+金，去除率分別為39.2%、26.7%、19.4%。

2.2.3 對(duì)TN的凈化效果

從圖7可以看出，4種組合所在水體TN均有一定去除。

一般來說，一定的水深可以給植物生長提供機(jī)會(huì)，這顯然有利于維持穩(wěn)定的大型植物群落。但是，超出某一物種適宜水深范圍的極低或極高水位均不利于該水生植被的生長。試驗(yàn)后期，位于水體下部的植物被位于水體上部的其他植物遮擋，因此光合作用受到影響，生長速度緩慢，甚至葉片枯萎，導(dǎo)致水體中TN濃度略微增加。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從水體TN的變化幅度來看，黑+金對(duì)TN的去除率最高，為30.9%；其次為狐+金，去除率為27.2%；再次為黑+金+狐，去除率達(dá)24.2%；最后為黑+狐，去除率達(dá)20.8%。

2.2.4 對(duì)TP的凈化效果

不同沉水植物組合中TP濃度變化如圖8所示。其中，黑+狐組合對(duì)TP的去除能力最強(qiáng)，去除率高達(dá)53%；其次為黑+金+狐，去除率達(dá)42%；再次為狐+金，去除率為39.5%；最后為黑+金，去除率為33.5%。不同沉水植物組合與被污染水體的凈化效果互補(bǔ)，有利于實(shí)現(xiàn)水體的完全或半完全自我循環(huán)，提高水質(zhì)凈化效果，增強(qiáng)水生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性[13]。這與本研究結(jié)果相符合。植物組合可以利用不同的植物特性提高污染水體的綜合治理能力，植物組合增加了水生生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有助于緩沖系統(tǒng)沉積物中磷等元素的釋放，維持水質(zhì)，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)季節(jié)、溫度、光照等外部環(huán)境的適應(yīng)性，使系統(tǒng)能夠保持長期的凈化能力。

3 結(jié)論

本研究在室外靜水條件下對(duì)水體氮、磷含量及去除率等指標(biāo)進(jìn)行分析，對(duì)不同沉水植物及其組合的氮、磷吸收能力和水質(zhì)凈化能力進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果顯示，對(duì)于單一植物，金魚藻對(duì)NH3-N的凈化效果最好，對(duì)NH3-N的去除率最高達(dá)59.7%；狐尾藻對(duì)CODCr、TP、TN的去除效果都較好，去除率分別為38.6%、54.0%、30.3%。對(duì)于植物組合，黑+金+狐組合對(duì)水體中NH3-N、CODCr去除效果最好，去除率分別為67.0%和42.3%；黑+金對(duì)TN的去除效果最佳，去除率最高達(dá)30.9%；黑+狐組合對(duì)TP的去除能力最強(qiáng)，去除率最大達(dá)53%。各個(gè)組合的去除能力有差異，因?yàn)椴煌了参镏g存在競爭關(guān)系，主要為光競爭和營養(yǎng)物競爭。針對(duì)不同水體的污染情況與特點(diǎn)進(jìn)行合理搭配種植，對(duì)治理富營養(yǎng)化水體具有較好的效果，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)水體污染程度及污染類型選擇合適的植物進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)。

參考文獻(xiàn)

1 中國科學(xué)院中國植物志編輯委員會(huì).中國植物志[M].北京：科學(xué)出版社，1996：131-132.

2 吳 旻，趙群芬.3種沉水植物在不同污染水體中的生長及其對(duì)水質(zhì)的影響[J].生物學(xué)雜志，2015（4）：43-47.

3 吳振斌，邱東茹，賀 鋒，等.沉水植物重建對(duì)富營養(yǎng)水體氮磷營養(yǎng)水平的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003（8）：1351-1353.

4 李淑英，周元清，胡 承，等.水生植物組合后根際微生物及水凈化研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010（3）：148-151.

5 RODRIGO M A，ROJO C，ALONSO-GUILL N J L，et al.Restoration of two small Mediterranean lagoons：The dynamics of submerged macrophytes and factors that affect the success of revegetation[J].Ecological Engineering，2013（5）：1-15．

6 SON D，CHO K H，LEE E J.The potential habitats of two submerged macrophytes，Myriophyllum

spicatum and Hydrilla verticillata in the river ecosystems，South Korea[J].Knowledge amp; Management

of Aquatic Ecosystems，2017（418）：1-11.

7 種云霄，胡洪營，錢 易.大型水生植物在水污染治理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2003（2）：36-40.

8 閆志強(qiáng)，劉 黽，吳小業(yè)，等.溫度對(duì)五種沉水植物生長和營養(yǎng)去除效果的影響[J].生態(tài)科學(xué)，2014（5）：839-844.

9 潘保原，楊國亭，穆立薔，等.3種沉水植物去除水體中氮磷能力研究[J].植物研究，2015（1）：141-145.

10 張軍旺，謝 駿，李志斐，等.白洋淀不同沉水植物蓋度下浮游植物群落結(jié)構(gòu)及變化[J].水生態(tài)學(xué)雜志，2021（1）：75-83.

11 喬建榮，任久長，陳艷卿.常見沉水植物對(duì)草海水體總磷去除速率的研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1996（6）：108-112.

12 Ejankowski W，Solis M.Response of hornwort （Ceratophyllum demersum L.） to water level drawdown in a turbid water reservoir[J].Applied Ecology and Environmental Research，2015（1）：219-228.

13 孔祥龍，葉 春，李春華，等.苦草對(duì)水-底泥-沉水物系統(tǒng)中氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響[J].中國環(huán)境科學(xué)，2015（2）：539-549.