碳中和背景下水生植物對富營養化濕地水體凈化效果研究

摘要選取西南常見的挺水植物水蓑衣（Hygrophilasalicifolia）、梭魚草（Pontederiacordata）和鳶尾（Iristectorum），浮水植物睡蓮（Nymphaeatetragona）和水鱉（Hydrocharisdubia），及沉水植物金魚藻（Ceratophyllumdemersum）、狐尾藻（Myriophyllumverticillatum）和苦草（Vallisnerianatans）為對象，通過室內模擬探討其去除水體富營養化的效果。結果表明，經過30d處理，8種植物對富營養化水體均有不同程度的凈化作用。其中，水蓑衣對總氮、總磷、化學需氧量、氨氮去除效果最好，去除率分別為49.80%、31.34%、41.05%和45.22%，苦草和狐尾藻次之，金魚藻和水鱉較差。因此，水蓑衣和苦草是去除城市景觀水體富營養化污染的潛在園林植物。

關鍵詞水生植物；富營養化；水質凈化；植物修復；碳中和

中圖分類號X52"文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2025）02-0056-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.02.014

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

PurificationEffectsofAquaticPlantsinEutrophicWetlandsUndertheBackgroundofCarbonNeutrality

LIWei，ZHANGYi-fan，WANGJing

（SichuanArchitecturalDesignandResearchInstituteCo.，Ltd.，Chengdu，Sichuan610000）

AbstractThisstudyselectedcommonaquaticplantsintheSouthwestregion，namelyHygrophilasalicifolia，Pontederiacordata，Iristectorum，Nymphaeatetragona，Hydrocharisdubia，Ceratophyllumdemersum，MyriophyllumverticillatumandVallisnerianatans.Theseplantsweresubjectedtoindoorsimulationstoinvestigatetheireffectivenessinmitigatingeutrophicationinwaterbodies.Theresultsshowedthatafter30daysoftreatment，alleightplantspeciesexhibitedvaryingdegreesofpurificationeffectsoneutrophicwaterbodies.Amongthem，H.salicifoliashowedthebestremovalefficiencyforTN，TP，CODandNH4+-N，，withremovalratesof49.80%，31.34%，41.05%，and45.22%，respectively.V.natansandM.verticillatumfollowed，C.demersumandH.dubiaexhibitedrelativelylowerpurificationeffects.Therefore，H.salicifoliaandV.natanswereconsideredpotentiallandscapingplantsforremovingeutrophicationpollutioninurbanlandscapewaterbodies.

KeywordsAquaticplants;Eutrophication;Waterpurification;Phytoremediation;Carbonneutrality

由于人類頻繁活動，大量氮（N）、磷（P）等營養元素通過生活污水等形式進入地表水體，導致藍藻等肆意生長而降低水體透明度、溶解氧，霸占其他水生生物生存空間，引起水質惡化、水生態系統失衡，從而影響人類生存發展^［1-3］。水體富營養化現象已成為全球性環境問題之一，而如何有效降低或去除水體中N、P等過量營養元素是目前亟需攻關的重大科學問題^［4-7］。碳中和是一種通過減少、補償或者抵消排放到大氣中的溫室氣體，尤其是二氧化碳（CO2），來達到凈零碳排放的目標的過程。在富營養化水體中，過量的營養物質如氮、磷等導致藻類過度繁殖，形成藻華，影響水體的生態平衡，同時也會釋放溫室氣體^{［2，5，7-9］}。研究表明，截污和增強水體自我凈化能力是治理水體富營養化的關鍵舉措^［8-10］。近年來，植物修復技術備受關注，相對于化學和物理等方法，其更具有環保、成本低、有助于恢復水體自凈能力等優勢^［11-13］。

近年來，隨著城市綠化迅速推進，濕地水體不斷增加，但由于水源不足、高消耗量以及景觀水體富營養化，導致對城市水生態和人居生態環境的嚴重破壞^{［2，14-15］}。因此，迫切需要對城市中富營養化的景觀水體進行生態修復研究。水生植物在這一背景下發揮了關鍵作用。首先，水生植物通過吸收和利用水體中的過量營養物質，特別是氮和磷，能夠有效阻止藻類的過度生長，有助于防止藻華的形成，改善水體質量^［14］。其次，水生植物通過光合作用吸收CO2參與碳循環過程，起到碳中和的作用^［12］。通過促進水生植物的生長，能夠增加植物對CO2的吸收，有助于減緩大氣中溫室氣體的累積。因此，碳中和與水生植物在富營養化水體凈化中形成了良好的互作機制，共同促進了濕地水體的生態平衡和環境健康。

目前，關于植物在富營養化水體污染修復的研究較多^{［4，1 16］}，但缺乏結合西南地域氣候特征且按生活型的水生植物凈化研究。基于此，該研究通過實驗室人工模擬城市濕地富營養化景觀水體，以沉水植物狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）、金魚藻（Ceratophyllum demersum）和苦草（Vallisneria natans），挺水植物水蓑衣（Hygrophila salicifolia）、梭魚草（Pontederia cordata）和鳶尾（Iris tectorum），以及浮水植物睡蓮（Nymphaea tetragona）和水鱉（Hydrocharis dubia）8種觀賞類水生植物為對象，篩選出具備一定凈水能力且能夠有效改善水體景觀的水生園林植物，旨在為城市景觀污染水體修復工程中應用觀賞水生植物提供參考，推動公園城市建設中城市生態系統的碳中和。

1材料與方法

1.1試驗材料

前期研究表明，狐尾藻（M.verticillatum）、金魚藻（C.demersum）對N、P等營養物質的去除效率高可達到80%以上^［7，10］；睡蓮（N.tetragona）、苦草（V.natans）、水蓑衣（H.salicifolia）、梭魚草（P.cordata）、水鱉（H.dubia）、鳶尾（Iris tectorum）作為西南地區常見水生觀賞植物，對富營養化具有不同程度的凈化作用^{［1 15］}。因此，將這些植物作為研究對象進行相關試驗是可行的。所使用的植物種子是從成都水生植物銷售商購得，提前育苗30 d，開始試驗時植株高度超過10 cm。試驗用水取自成都市城區輕度富營養化湖泊，試驗溶液初始水質指標檢測結果為總氮10.20 mg/L、總磷9.54 mg/L、化學需氧量510.00 mg/L、氨氮5.86 mg/L、pH 8.90。

1.2試驗設計

試驗采用人工模擬室內靜態（不曝氣增氧）富營養化景觀水體。將植物置于去離子水培養7d，培養環境為室溫，控制光照（光照∶黑暗為1∶1）。選擇健康、長勢良好、生物量一致的植株，清水洗凈根部后固定于試驗裝置（長×寬×高為40cm×30cm×10cm）。試驗用水量10L，水深為18cm，每盆6株。試驗設置9組，每組3個平行，第1組為對照組，試驗共需27個塑料盆。試驗從開始到結束共30d。分別在第15天和第30天取水樣（10：00取樣）測定。因水分蒸發、植物蒸騰或取樣會導致水量減少，因此每天通過補水保持水量不變。試驗期間，室內溫度（25.0±2.5）℃，水溫（23.0±1.8）℃。

1.3測定方法

1.3.1 水質測定。水樣總氮（TN）和總磷（TP）等水質指標按照《水和廢水監測分析方法（第四版）》^［17］測定。具體而言，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—89）測定TN濃度；采用鉬銻抗分光光度法（DB 11893—89）測定TP濃度；采用納氏試劑比色法（HJ 535—2009）測定氨氮（NH4+-N）濃度；采用重鉻酸鹽法（GB 11914—1989）測定化學需氧量（COD）濃度；采用鉑鈷標準比色法測定色度；通過便攜式檢測儀測定pH。

1.3.2去除率計算。水樣中富營養化污染去除率計算公式如下：

去除率=（C0-Ci）/C0×100%

式中：C0為初始濃度；Ci為取樣時濃度。

1.4數據統計分析試驗數據表示為平均值±標準差。所有數據的計算和圖表繪制均采用Excel2010軟件完成。

2結果與分析

2.1水生植物的生長情況研究顯示，水蓑衣、苦草、狐尾藻和鳶尾均生長良好且有新生根；其次為金魚藻、梭魚草和睡蓮均有黃葉甚至死亡，但部分植株有新芽（存活率69%～88%）。然而，水鱉生長最差且在第20天時大部分死亡，這可能是由于大面積葉片浮于較高濃度的靜態富營養化水面，其葉片被嚴重抑制而腐爛或死亡。就生物量（表1）而言，苦草和狐尾藻生長30d后分別較試驗前生物量增加了12.21%和9.00%，為增重較高的植物；水鱉生長30d后生物量卻減少了9.92%。生物量凈增量順序為苦草gt;狐尾藻gt;水蓑衣gt;鳶尾gt;睡蓮gt;梭魚草gt;金魚藻gt;水鱉。

2.2不同處理下pH變化

從表2可以看出，水生植物在不同時段對水體pH造成了不同程度的影響。整個試驗過程中，除睡蓮在15d時的pH處，不同時段水生植物pH均低于對照，表明其對pH調節具有一定作用。其中，水蓑衣在處理15和30d時對降低水中pH效果較好；除睡蓮在15d時的pH外，各組植物在不同時段水體pH均與對照存在顯著差異（Plt;0.05）。在處理15和30d時，狐尾藻和睡蓮水體pH存在顯著差異（Plt;0.05），其他植物差異不顯著（Pgt;0.05）。

2.3不同處理下色度變化從表3可以看出，除金魚藻在15和30d的色度高于對照外，其余植物均低于對照。對不同時間段而言，梭魚草和睡蓮在15d和30d間差異顯著（Plt;0.05），其中梭魚草在15d顯著低于30d，而睡蓮則相反；其余植物無顯著差異（Pgt;0.05）。

2.4不同處理下TN變化

從表4可以看出，所有植物在處理15d時對TN去除率均高于對照。水蓑衣在處理30d時TN去除率最高，水鱉去除率最低。處理30d時，TN去除率順序為水蓑衣gt;苦草gt;狐尾藻gt;鳶尾gt;睡蓮gt;金魚藻gt;梭魚草gt;水鱉。另外，除金魚藻、水蓑衣、睡蓮和水鱉在15d和30d間去除率差異顯著（Plt;0.05）外，其他植物在15d和30d間去除率差異不顯著（Pgt;0.05）。

2.5不同處理下TP變化

從表5可以看出，處理15d時，除對照和水鱉對TP去除率為負外，其他植物去除率均為正，表明其對TP均有去除效果。處理30d時，除水鱉對TP去除率為負外，其他植物對TP去除率均為正值。處理15和30d時，水鱉處理中TP濃度高于初始值（9.54mg/L）且去除率為負，這可能是由于滲濾液殘渣物質釋放導致。

2.6不同處理下COD變化

從表6可以看出，不同處理時段，8種植物對COD具有不同程度的去除能力。處理15d時，各處理組COD濃度均低于對照（475.87mg/L），其中水蓑衣最低（321.87mg/L），金魚藻最高（468.86mg/L）;處理30d時，各處理COD濃度均低于對照（459.52mg/L），其中水蓑衣最低（300.65mg/L），金魚藻最高（444.76mg/L）。此外，狐尾藻、苦草、水蓑衣、梭魚草和水鱉對COD去除率在15d和30d間差異顯著（Plt;0.05），其他植物差異不顯著（Pgt;0.05）。

2.7不同處理下NH4+-N變化

從表7可以看出，在處理15和30d時，各處理水體中NH4+-N濃度均低于對照（除水鱉外），其中水蓑衣處理NH4+-N濃度最低。同時，水鱉在15和30d時NH4+-N濃度均高于對照，這可能是由于高濃度NH4+-N抑制生長，水樣中由于NH4+-N濃度相對較高，導致其在試驗初期逐漸死亡，因此水鱉組NH4+-N濃度高于其他組；試驗結束時NH4+-N濃度高于對照，表明水生植物死亡分解濃度升高。此外，金魚藻、苦草、水蓑衣、梭魚草對NH4+-N去除率在15d和30d間差異顯著（Plt;0.05），其他植物組差異不顯著（Pgt;0.05）。

3討論與結論

研究表明，水生植物在凈化濕地富營養化水體中體現碳中和的方式包括：①吸收水中CO2。水生植物通過光合作用吸收水中的CO2，并將其轉化為有機物質，如碳水化合物。這個過程不僅有助于水生植物的生長，也導致水中CO2的減少，從而實現碳中和效應^{［ 4，8］}。②沉積有機物質。水生植物通過生長、死亡和腐爛等過程釋放有機物質，這些有機物質會在水體底部沉積^［12-15］。這種沉積過程有助于封存有機碳，防止其進入大氣中，從而在水體中實現碳中和。③減緩溫室氣體釋放。富營養化水體中，過量的有機物質會在缺氧的條件下產生甲烷（CH4）、CO2等溫室氣體^［18］。水生植物的存在可以通過減少有機物的富集，降低底部缺氧的程度，從而減緩溫室氣體的釋放，實現更為健康的水體環境。因此，水生植物通過吸收CO2、沉積有機物質和減緩溫室氣體釋放等機制，對富營養化水體進行生態修復，同時在碳中和的過程中發揮著重要的角色，這種生態系統服務不僅有助于改善水體質量，還有助于維護地球大氣中的碳平衡。

該研究中，8種水生觀賞植物對富營養化污染水體中的TN、TP等指標展現出明顯的去除效果，表明利用植物修復污染景觀水體具備一定的可行性。應用水生植物清除水體中的富營養化物質，以及提高水體自我凈化能力具有重要意義^［6-8］。有研究表明，水生植物具有吸附水中各種懸浮物質能力，有助于提高水體透明度，改善水體光照條件，并增加溶解氧（DO）濃度；同時，在植物刈割后，植物吸收的氮、磷等營養鹽被轉移出水生系統，而使水體得到改善與凈化^［4，18］。利用水生觀賞植物吸附城市景觀水體中的營養物質，既可改善其生長環境，又可凈化水體^{［5，15，19］}。

有研究顯示，藻類如狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）和輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）可有效去除富營養化水體TN、TP和NH4+-N等^{［7，10，12］}，挺水植物如香蒲（Typha orientalis）、石菖蒲（Acorus tatarinowii）和美人蕉（Canna indica）等在重度富營養化水體中凈化效果較好且均能正常生長^{［8，15，19］}。有研究表明，水葫蘆（Eichhornia crassipes）、水浮蓮（Eichhornia crassipes）和香蒲（Typha orientalis）在富營養化景觀水體中，對TN、TP 的去除率分別為 86.9%～82.4%和 94.6%～92.5%^［2，13］。也有研究表明，在城市河段應用蘆葦凈化水質時，在水力停留時間為7 d、淹沒水位為0.4 m的條件下，TN、TP、NH4+-N和COD去除率分別為54.5%、67.3%、59.6%和10.5%^［8］。而當植物死亡時可能會分解出N、P等物質，因而可能對水體造成污染^［6］。同時，當水生植物出現死亡或過度生長的情況時，及時進行打撈或收割可將其吸收的氮、磷等物質轉移出水生生態系統^［9］，這樣既有助于水體的凈化，又可以獲取生物資源^［18］。

總體而言，經過30d處理，8種水生園林植物對富營養化景觀水體都具有一定凈化作用。與對照組相比，水蓑衣在TN、TP、COD和NH4+-N去除效果最為顯著，去除率分別為49.80%、31.34%、41.05%和45.22%；苦草和狐尾藻對TN、TP、COD、NH4+-N去除效果次之，金魚藻和水鱉較差。綜合而言，水蓑衣和苦草是去除城市景觀水體富營養化污染的潛在園林植物。

參考文獻

［1］LIYK，SONGB，CHENY，etal.ChangesinthetrophicinteractionsandthecommunitystructureofLakeTaihu（China）ecosystemfromthe1960sto1990s［J］.Aquaticecology，2010，44（2）：337-348.

［2］李平，吳剛.城市水污染現狀及其治理對策研究［J］.環境與發展，2020，32（10）：57-58.

［3］王彩紅，朱洪強，畢靖吉，等.長春北湖國家濕地公園鳥類多樣性及居留型構成研究［J］.安徽農業科學，2024，52（1）：82-89.

［4］CIURLIA，ZUCCARINIP，ALPIA.Growthandnutrientabsorptionoftwosubmergedaquaticmacrophytesinmesocosms，forreinsertioninaeutrophicatedshallowlake［J］.Wetlandsecologyamp;management，2009，17（2）：107-115.

［5］BRADFORDMA，BERGB，MAYNARDDS，etal.Understandingthedominantcontrolsonlitterdecomposition［J］.Journalofecology，2016，104（1）：229-238.

［6］CHOWDHURYRB，MOOREGA，WEATHERLEYAJ，etal.Keysustainabilitychallengesfortheglobalphosphorusresource，theirimplicationsforglobalfoodsecurity，andoptionsformitigation［J］.Journalofcleanerproduction，2017，140：945-963.

［7］伏桂仙，曹偉張，陶俊.12種水生植物對富營養化水體的凈化效果［J］.環境科學與技術，20244（S2）：308-315.

［8］李睿華，管運濤，何苗，等．河岸蘆葦、茭白和香蒲植物帶處理受污染河水中試研究［J］.環境科學，2006，27（3）：493-497.

［9］ZHOUTC，ZONGN，SUNJ，etal.Plantnitrogenconcentrationismoresensitiveinresponsetodegradationthanphosphorusconcentrationinalpinemeadow［J］.Ecologicalengineering，202169：1-9.

［10］潘霞，葉舒帆，鄭曉茶，等.4種植物組合對富營養化和重金屬復合污染水體的凈化效果［J］.環境工程，20241（7）：69-75.

［11］TONGXN，MOHAPATRAS，ZHANGJJ，etal.Source，fate，transportandmodellingofselectedemergingcontaminantsintheaquaticenvironment：Currentstatusandfutureperspectives［J］.Waterresearch，2022，217：1-16.

［12］李敏慧.不同水生植物對富營養化水污染防治的效果研究［J］.環境科學與管理，2022，47（10）：139-143.

［13］陳琳，李晨光，李鋒民，等.水生態修復植物水質凈化能力綜述［J］.環境污染與防治，2022，44（8）：1079-1084.

［14］劉錄三，黃國鮮，王璠，等.長江流域水生態環境安全主要問題、形勢與對策［J］.環境科學研究，2020，33（5）：1081-1090.

［15］遲明宏，劉敏，徐迎春，等.水生觀賞植物不同種植組合對富營養化水體的凈化效果［J］.浙江農林大學學報，20240（3）：636-647.

［16］李鋒民，陳琳，姜曉華，等.水質凈化與生態修復的水生植物優選指標體系構建［J］.生態環境學報，20230（12）：2411-2422.

［17］國家環境保護總局，水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法［M］.4版.北京：中國環境科學出版社，2002.

［18］楊東翰，李本行，張立秋，等.大型溞-沉水植物組合系統去除北京沙河水庫水與底泥污染物效果研究［J］.環境科學學報，20241（1）：255-262.

［19］陸東芳，魏凌偉，沈欽煒，等.水生植物組合培植對水體中重金屬富集效果研究［J］.中國園林，2020，36（4）：105-110.