4种水生植物对富营养化水体氮磷去除效果的研究

魏东慧，张江汀，魏学智*

(1.山西师范大学生命科学学院，山西临汾041004;2.山西省水利厅，山西 太原030000)

4种水生植物对富营养化水体氮磷去除效果的研究

魏东慧1，张江汀2，魏学智1*

(1.山西师范大学生命科学学院，山西临汾041004;2.山西省水利厅，山西 太原030000)

以灯心草、水田芥、菹草和轮藻为试验对象，研究了其在两种不同程度富营养化水体中的生长状况及对水体中总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+－N)和化学耗氧量(COD)的净化效果。结果表明，在轻度富营养化水体中水田芥效果最好，培养20 d后的水田芥对总氮、总磷、氨氮和化学耗氧量的吸收率分别为75.28%、93.00%、76.35%和83.74%，其它3种水生植物对水体也都有较好的净化效果;在重度富营养化水体中灯心草效果最好，培养20天后的灯心草对总氮、总磷、氨氮和化学耗氧量的吸收率分别为89.30%、83.11%、83.41%和78.56%，但水田芥和轮藻的净化效果相对较差。

水生植物;富营养化;氮;磷;化学耗氧量;净化效果

当前湖泊、水库水体的富营养化是全世界普遍存在的环境问题之一，水体富营养化水域由于接纳了大量的氮、磷等营养性物质，使藻类异常繁殖，水体透明度和溶解氧含量降低，从而使水体生态系统和水功能受到阻碍和破坏，进一步加剧了水资源的短缺［1］。因此如何实施对水体富营养化的有效控制与整治，己成为世人关注的热点。由于诸多自然和人为的原因，近十几年来临汾市一些重点河段和水库的水体也受到了污染，据有关调查研究显示，汾河、昕水河、浍河、涝洰河等重点河段都遭受了不同程度富营养化污染，其中主要超标项目为总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数、化学耗氧量、溶解氧等，因此治理临汾地区水体富营养化的任务迫在眉睫。目前利用水生植物独特的环境生物学特征和生态功能来进行污水净化已被认为是一种成本低、效率高、可持续进行的良好方法，所以本课题组对临汾市龙祠水源水生植物进行了调查，并选取龙祠泉域及其下游河道分布广泛的植物针对水质进行相关研究，以期寻找有效的水环境治理措施。经调查发现，灯心草(Juncus effuses Linn.)、水田芥(Nasturtium officinale R.Br.)、菹草(Potamogetom crispus Linn.)和轮藻(Chara inconnexa)是龙祠泉域的常见种，因此本研究拟利用这几种植物通过室内栽培试验，探讨其对水体总氮、总磷、氨氮和化学耗氧量的净化效率，为临汾地区水体富营养化的控制提供科学依据，为今后在野外环境合理运用水生植物进行水质净化提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料

水生植物灯心草、水田芥、菹草、轮藻均采自山西省临汾市龙祠泉域，于2011年4月初(18～25℃)在无底泥透明塑料盒中用10%Hoagland营养液进行驯化培养7 d，选取生长良好、长势一致的植株作为供试材料。

1.1.2 供试水体

供试水体是在10%Hoagland营养液的基础上配制而成，考虑到植物净化不同富营养化程度水体所遇到的问题不同，设计了两个处理：

表1 试验水体营养成分配比浓度

1.2 方法

1.2.1 试验设计

于2011年4月9日上午8：00时分别称取相同质量的供试材料约8 g，移入装有供试水体的容积为15 L长方形透明塑料盒中，试验水体体积为9 L。以不含植株的富营养化水体作为对照，每组设3次重复。试验在山西师范大学通风宽敞，正常光照的实验室内进行，室温为25℃/18℃，每天供氧8 h以确保水中含氧量。

1.2.2 水质指标测定

试验开始后每隔4 d取水样进行测定，分别测定 TN、TP、NH4+－N和COD，试验周期为20 d。试验溶液中的TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;TP采用钼锑抗分光光度法测定;NH4+－N采用纳氏试剂光度法测定;COD采用高锰酸钾氧化法测定［2］。

1.2.3 计算方法

去除率的计算公式为：去除率(%)=(Co·Vo－Ci·Vi)÷(Co·Vo)×100% 。其中Co为初始时的浓度，Vo为初始时的体积，Ci为第i天的浓度，Vi为第i天的水体积。在许多静态实验中，有些通过添加蒸馏水或自来水以保持水体积不变，从而观察所测指标浓度的降低［3］。这样人为加水不仅不能反映自然条件下的过程，而且植物的吸收行为也会发生变化，从而影响净化效果。所以本实验模拟自然状态下的情况，不添加水量，而是通过称水重，换算所观测指标的总量来计算去除率［4］。因此本试验水中的净化效果与自然状态更符合。

1.3 数据处理

采用SPSS 17软件对数据进行统计分析，采用Duncan法进行差异显著性检验，用Excel软件作图。

2 结果与分析

2.1 4种水生植物的生长情况

4种水生植物(灯心草、水田芥、菹草和轮藻)从移栽入试验箱至试验结束收获时，其各自的生长情况有较大的差别。总体来说以灯心草的生长情况最佳，两组处理中植物平均存活率可达98%以上，而且均有新长出的嫩绿的植株。水田芥在轻度处理下平均存活率可维持在90% ～95%之间，而且有新叶长出，叶片色泽鲜亮饱满;在重度处理下平均存活率可维持在80% ～85%之间，叶片发黄，而且在试验后期散发出浓烈的气味。菹草在轻度处理下平均存活率可维持在90%～95%之间，而且不断有新芽冒出;在重度处理下平均存活率可维持在85% ～90%之间，叶片颜色发黑，但也有新芽冒出;而轮藻在轻度处理下平均存活率可维持在95%以上，颜色发绿;在重度处理下的生长情况很不理想，颜色发黄而且在后期出现断节现象，平均存活率低于80%。经分析，造成这些差异的原因可能是灯心草作为挺水植物，根系发达，完全靠根部吸收营养，茎叶较少接触水面，因此植物体死亡或植物代谢都较少;而水田芥、菹草和轮藻分别属于漂浮植物、沉水植物和高等藻类，它们的共同之处是与污水接触面积较大，倘若水体流动较少则极易产生植物体死亡或腐烂，从而影响植物存活率［5］。

2.2 4种水生植物对不同浓度TN的吸收效率

4种水生植物在轻度富营养浓度下对TN的吸收都有一定的效果，且其净化能力随着处理时间的延长而提高(图1A)。不同植物对水体中TN的吸收能力有明显的差异，其中水田芥对水体中TN的吸收能力最强，20 d内试验水体中的TN从1.5 mg/L下降到0.49 mg/L，吸收率为75.28%，其它3种植物的吸收率由高到低依次为灯心草(71.17%)、菹草(69.01%)、轮藻(64.08%)(表2)。4种水生植物在重度富营养浓度下对TN的吸收和轻度有明显的区别(图1B)，其中灯心草对水体中TN的吸收能力最强，20d内试验水体中的TN从15 mg/L下降到2.09 mg/L，吸收率为89.30%，其它3种植物的吸收率由高到低依次为菹草(72.47%)、水田芥(58.48%)、轮藻(41.56%)(表3)，在16天后水田芥和轮藻处理中，TN含量有所升高。方差分析结果显示，两种富营养化水体中对照与各处理吸收TN的差异均为显著，由此可见，4种水生植物对TN的去除作用非常理想。

图1 水生植物对两种不同富营养化水中TN的去除效果

2.3 4种水生植物对不同浓度TP的吸收效率

4种水生植物在轻度富营养浓度下对TP的吸收趋势基本一致，均为随着植株处理时间的延长，TP吸收率逐渐增高，但升高的幅度减小(图2A)。但不同植物对水体中TP的吸收能力有明显的差异，其中吸收效果最好的是水田芥，20d内试验水体中的TP从0.2 mg/L下降到0.02 mg/L，吸收率为93.00%，其它3种植物的吸收率由高到低依次为菹草(86.32%)、轮藻(77.30%)、灯心草(64.32%)(表2)。4种水生植物在重度富营养浓度下对TP的吸收和轻度有明显的区别(图2B)，其中灯心草对水体中TP的吸收能力最强，20 d内试验水体中的TP从 2 mg/L下降到 0.44 mg/L，吸收率为83.11%，其它3种植物的吸收率由高到低依次为菹草(74.83%)、水田芥(53.18%)、轮藻(44.01%)(表3)，在试验后期水田芥对TP的吸收不明显，轮藻处理中TP含量有所升高。方差分析结果显示，两种富营养化水体中对照与各处理吸收TP的差异均为显著，由此可见，4种水生植物对TP的去除作用也非常理想。

图2 水生植物对两种不同富营养化水中TP的去除效果

2.4 4种水生植物对不同浓度NH4+－N的吸收效率

在轻重两种富营养化水体中，4种水生植物都是在试验初期大量吸收NH+－N，使水体中NH+44－N浓度大幅降低(图3)。在轻度富营养浓度下，水田芥对水体中NH4+－N的吸收能力最强，20 d内试验水体中的NH4+－N从0.32 mg/L下降到0.10 mg/L，吸收率76.35%，其它3种植物的吸收率由高到低依次为灯心草(68.43%)、轮藻(64.60%)菹草(62.45%)(图3A和表2)。在重度富营养浓度下4种水生植物对NH4+－N的吸收和轻度有明显的区别，其中灯心草对水体中NH4+－N的吸收能力最强，20d内试验水体中的从3.2 mg/L下降到0.69 mg/L，吸收率为83.41%，其它3种植物的吸收率由高到低依次为菹草(63.52%)、水田芥(55.96%)、轮藻(38.31%)(图3B和表3)，在试验后期在水田芥和轮藻处理中，NH4+－N含量升高。方差分析结果显示，两种富营养化水体中对照与各处理吸收的差异均为显著，由此可见，4种水生植物对NH4+－N也有很好的去除作用。

图3 水生植物对两种不同富营养化水中NH4+－N的去除效果

2.5 4种水生植物对不同浓度COD的吸收效率

随着处理时间的延长，各处理组水体中的COD浓度均呈下降趋势(图4)。在轻度富营养浓度下各种植体系对COD去除率由高到低依次为水田芥(83.74%)、灯心草(70.95%)、菹草(64.84%)、轮藻(54.52%)(图4A和表2);在重度富营养浓度下，各种植体系对COD去除率由高到低依次为灯心草(78.56%)、菹草(61.64%)、水田芥(57.51%)、轮藻(38.08%)，4个处理组对COD的去除率均显著高于对照，而且各处理组间差异显著(图4B和表3)，水田芥和轮藻在试验后期COD含量升高。

图4 水生植物对两种不同富营养化水中COD的去除效果

表2 4种植物对轻度富营养化水体中总氮、总磷、氨氮、和化学需氧量去除率的比较

表3 4种植物对重度富营养化水体中总氮、总磷、氨氮、和化学需氧量去除率的比较

3 讨论

本研究发现，挺水植物(灯心草)、漂浮植物(水田芥)、沉水植物(菹草)和高等藻类(轮藻)4种水生植物对富营养化水中TN，TP，NH4+－N，和 COD都有不同程度的吸收净化作用。4种植物的试验水体中TN和NH4+－N的下降趋势表明，随着试验时间的延长，氮含量都有所下降，对照组由于氨或氨氮的挥发也会使氮含量下降，可见氮的去除不仅主要依靠植物吸收去除作用，还有部分通过微生物的硝化和反硝化作用来实现。植物对不同形态氮的吸收具有一定的选择性，通常认为，有机氮最先被植物吸收［6］，对于无机氮有研究发现植物优先吸收氨氮和其他还原态氮，因而对氨氮的去除率较高，去除速率较快［7－8］。本研究同样发现，氨氮下降速率明显快于总氮，在试验前期植物就使NH4+－N浓度大幅降低，这主要是因为水中的一部分通过植物吸收和挥发作用而去除，大部分则是通过硝化作用和反硝化作用的连续反应而去除，这种反应过程会增加水体中NO3－－N的量，从而使TN的降解幅度变小。但随着NH4+－N浓度下降并趋于稳定值后，它转变为NO－－N的量减少，植物开始以吸收NO－33－N为主，从而不断降低水体TN含量，导致试验后期植物对TN的吸收率逐渐高于NH4+－N。在重度富营养化水体中水田芥和轮藻在试验后期有植物死亡或植物代谢发生，死亡植物或代谢物会向水体释放有机氮，这可能是它们氮去除率较低的原因之一。

磷素去除主要依靠植物吸收、根系吸附和沉降等作用共同完成［9］。水生植物对去除磷素发挥重要作用，一方面水生植物通过同化作用去除磷，即通过植物根系吸收可溶性活性磷(SRP)，合成核酸、核苷酸、磷脂及糖磷酸酯等植物细胞组成;另一方面，水生植物表面为聚磷菌等微生物提供附着空间，聚磷菌在好氧条件下通过主动输送的方式将水体中的H3PO4摄入体内合成ATP和聚磷酸盐去除［10］。本试验结果表明随着试验时间的延长，对照组由于磷素的沉淀也逐步降低，但植物组的下降幅度更大，证明磷素的去除是多种作用下共同完成的。在重度富营养浓度中，灯心草处理组中水体中磷含量下降最明显，而且反复情况较小，这可能是由于挺水植物灯心草主要靠根部吸收营养，死亡植物或代谢物进入水体较少的缘故。水田芥和轮藻在试验16～20 d，少部分植物出现死亡，死亡植物进入水体后使得水体磷含量升高，因此，它们在试验中承受的磷负荷较大，磷去除率也相对减小。

水体中COD浓度下降是由于水体中的有机物在自然状况下受到微生物的作用而逐步转化为无机物所致［11］，因而对照组水体中的COD随着试验时间的延续也逐步降低，但植物组下降幅度更大，去除率显著提高。这是由于植物一方面可以直接吸收小分子有机物，另一方面水生植物还可以通过向根区输送氧［12－13］使根区附近变为好氧环境，有利于污水中有机物的好氧分解。在重度富营养浓度下，试验后期水田芥和轮藻处理水体中COD含量升高，其原因可能是由于老根的腐烂、老叶脱落引起，生长前期水生植物能降低COD，但后期又有所反弹，这主要是由于水生植物虽然去除了水中的营养物质，但整个系统中的有机物并没有消除，只是发生了转化，后期水生植物的老叶分解会产生新的有机物质［14］，因此COD又回升。

总之，本试验选用的4种水生植物，在轻度富营养浓度中均生长良好，去除氮磷能力强，尤其是水田芥去除效果更是突出，而且轮藻对TP的去除也表现出一定的优势;在重度富营养浓度中灯心草各方面去除效果表现最好，但水田芥和轮藻不适宜在污染严重的水体中生长，去除效果不太理想;菹草对水域富营化有较强的适应能力，在轻重两个处理中都表现出较强的吸收效果，在今后临汾地区富营养化水体治理中可以针对不同水质选择不同的植物。试验中所选用的水生植物不仅具有净化作用，而且在经济价值和景观效果方面也有发展前景，菹草是很好的饲料和绿肥［15］，灯心草可以用来造纸，水田芥不仅是造景材料而且具有很好的食用和药用价值［16］，利用这些水生植物一方面可以吸收富营养化水体中氮、磷等元素，另一方面也可以用于饲养动物或生产行业，这样不仅可以产生一定的经济效益，还有利于生态系统中氮、磷循环向良性方向转化，形成一个氮磷良性循环的生态系统。

本研究显示，不同植物在不同富营养化水体的浓度范围有不同的净化效果，并且外部条件对植物生长发育及其净化效果也有不可忽视的影响［17］。因此在水体净化中，要合理选择和搭配植物，适时打捞，使治理效果达到最佳，还应针对不同地区加强不同植物净化效果影响因素的比较研究，为植物治理富营养化水体技术提供更多参考。同时在挑选植物时要综合考虑植物的净化能力，景观效果和经济价值等方面，使生态价值和经济价值共同发展。

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N and P Removal from Eutrophicated Water with Four Hydrophytes

Wei Donghui1，Zhang Jiangting2，Wei Xuezhi1*
(1.College of Life Science，Shanxi Normal University，Linfen 041004，China;2.Department of Water Resources of Shanxi Province，Taiyuan 030000，China)

Effects on the removal of total nitrogen(TN)，total phosphorus(TP)，ammonia nitrogen(NH4+－N)and chemical oxygen demand(COD)and growth situation of four hydrophytes in two kinds of eutrophicated water were studied.The hydrophytes including Juncus effuses Linn.，Nasturtium officinale R.Br.，Potamogetom crispus Linn.and Chara inconnexa.The results indicated that in low degree eutrophicated water，N.officinale R.Br.had the best effect，after incubation of 20 days，the removal rates of TN，TP，NH4+－N and COD were 75.28%，93.00%，76.35%and 83.74%，respectively.The other three plants had a better purifying effect as well.While in high degree eutrophicated water，J.effuses Linn.had the best effect，after incubation of 20 days，the removal rates of TN，TP，NH4+－N and COD were 89.30%，83.11%，83.41%and 78.56%，respectively.But N.officinale R.Br.and C.inconnexa don’t have a better purifying effect.

hydrophytes;eutrophication;nitrogen;phosphorus;chemical oxygen demand;purifying effect

X52

A

1006－9690(2012)05－0012－06

10.3969/j.issn.1006－9690.2012.05.0003

2012－02－15

山西省水利厅

魏东慧(1985－)，女(汉)，在读硕士研究生，主要从事植物学研究。E－mail：494562084@163.com

*通讯作者：魏学智，教授，硕士生导师，主要从事植物学研究 。E－mail：wxz3288@163.com