挺水植物与沉水植物组配对北大港水库水质的影响

常素云，赵静静，刘小川，罗 莎，刘 波

(1.天津市水利科学研究院，天津300061;2.天津大学环境科学与工程学院，天津300072)

植物修复是利用绿色植物将受污水体中的污染物移除、分解或利用的原位修复技术，相比传统的水质处理技术，植物修复操作简便、投资和维护成本低，而且还可以通过资源化利用取得一定的经济效益[1-2]。水生植物在生长过程中，可以吸收水体中的氮、磷等营养物质，分解和利用水体有机物，富集重金属，抑制藻类的生长等[3]，而且在冬季保留一定量的水生植物还可以避免水体水质恶化[4]，所以在水库、大型湖泊等水体的修复实践工程中，利用水生植物改善水体水质具有较广阔的应用前景[5]。

水生植物在水生态系统中占有重要的地位，但是如何选择和配置水生植物是研究重点[6]。挺水植物与其他植物类型的组合种植对水质的净化效果好于单种挺水植物的配置，特别是对NH3-N和TN有较强的去除，并能长期维持此净化效果，说明水生植物的协同净化对营养物有较好的去除效果[7-10]。北大港水库由于连年干涸、水库咸化等原因，水生植物种类较少:①挺水植物主要有香蒲和芦苇，是盐碱池塘的优势种，可以在含盐量和碱度较大的水体中正常生长[11]，其生长和繁殖受到水位的显著影响，当高水位持续时间超过30 d时，物种存活率会显著降低[12-13]。香蒲的适应水位范围较广[14]，对受污水体中的COD、NH3-N及TP均具有一定的去除效果，但对TN的去除能力较低[15-17]。②沉水植物指金鱼藻和狐尾藻、篦齿眼子菜。在北大港水库，香蒲的生长水深为0.8～1.2 m之间，此水深同时也较适宜沉水植物的生长。因此，笔者探讨了在北大港水库当地原有挺水植物的基础上引入沉水植物，研究其对水质净化效果的影响，最终优选出水质净化效果的水生植物配置。

1 材料与方法

试验中使用的挺水植物香蒲，沉水植物篦齿眼子菜、金鱼藻和狐尾藻均采自天津滨海新区。将采集到的沉水植物用洁净自来水冲洗干净，去除杂质，用滤纸吸干，称重。

试验用水采自北大港水库(原水水质见表1)。试验装置采用5个玻璃水槽(600 mm×300 mm×360 mm，容积约60L)，分别编组为A、B、C、D、E 组。玻璃水槽底部铺设约5 cm的细砂，以固定水生植物，并为水生植物提供扎根的基质。

表1 原水水质指标 mg/L

每个玻璃水槽中蓄水52 L，栽种总质量为260 g的水生植物，试验设计组配如下:A组(香蒲+篦齿眼子菜)，B组(香蒲+金鱼藻)，C组(香蒲+狐尾藻)，D组(单种香蒲)，E组(空白对照组)，见图1所示。

试验开始后，每隔一定时间取1次水样进行分析，分别监测 TN、TP、NH3-N、COD 和 DO 的质量浓度，以及监测挺水植物与不同的沉水植物组配对水体水质的影响。水中pH 值、NH3-N、TN、TP、COD按照《水和废水监测分析方法》中提供的方法进行测定。

2 结果与讨论

图1 挺水植物与沉水植物组配试验

由试验结果可知，单独种植香蒲有利于水体中COD、TP、TN、NH3-N浓度的降低，并增加水体 DO浓度。而香蒲与沉水植物组配时，由于沉水植物全部生长在水体中，形成生物膜的比表面积较大，因此有利于水体中有机物降解和营养物质的吸收转化。特别是香蒲与狐尾藻、香蒲与金鱼藻组配，可以大幅度提高COD去除率。然而，由于不同沉水植物形态及利用N、P的能力不同，香蒲与不同沉水植物组配时对COD、N、P的去除效果不同。

2.1 对水体COD的去除效果

COD浓度是表征水体有机物多少的指标，其浓度值越大，说明水体被有机污染物污染的程度越深，不同水生植物组配对水体COD浓度的影响结果如图2所示。试验结束时，空白组COD浓度高于初始值;相比于空白组，D组中的COD浓度有所降低，说明单一种植香蒲对COD具有一定的去除能力，但去除率仅为2.84%;而香蒲与沉水植物组配时，水体中的COD浓度值大幅度降低。A组、B组、C组的去除率分别为5.68%、30.4%、24.1%，比D组分别提高了2.84%、27.6%、21.3%，由此看出沉水植物的加入对水体有机物有明显的去除作用，香蒲与沉水植物组配可以提高对水体净化的能力，在增加水生态环境多样性的同时改善水体的水质状况。由于狐尾藻、金鱼藻和篦齿眼子菜的生长特征和形态不一样，对有机物的降解能力也不一样，所以对水体有机物的去除效果不同，与香蒲组配时，对水体COD值有不同程度的影响，其中B组是去除COD的最佳组配方式。

图2 挺水植物与沉水植物各种组配对水体COD的影响

2.2 对水体TP、TN、NH3-N的去除效果

试验水体中TP、TN、NH3-N的质量浓度变化如图3所示，除了空白组N、P浓度变化幅度较小外，其他4组水体中N、P质量浓度均明显降低。

图3 挺水植物与沉水植物组配对水体TN、TP以及NH3-N质量浓度的影响

a.对TP的影响如图3(a)所示。有水生植物反应器中的TP浓度明显低于空白组，且去除率均在60%以上。说明各组配所选对水体TP的影响很大，能够有效吸收、利用或转化TP，降低浓度。有水生植物存在的反应器中，TP的去除率分别为:A组(83.9%)＞B组(65.7%)＞D组(63.4%)＞C组(62.1%)，即香蒲和篦齿眼子菜组配对TP的去除效果最好，相对于香蒲单独作用于水体时，去除率提高了20%，A组是提高水体TP去除能力的最佳组配方式。

b.对TN的影响如图3(b)所示。有水生植物的反应器中的TN浓度均低于空白组，TN的去除率分别为:B组(93.3%)＞A组(87.9%)＞D组(72.5%)＞C组(64.4%)。试验结果表明，香蒲与篦齿眼子菜或金鱼藻组配时，对水体中TN的去除效果有不同程度的提高，尤其是香蒲与金鱼藻组配，相比于香蒲单独作用与水体时，水体中TN去除率提高了近21%。

c.对NH3-N的影响如图3(c)所示。各组配水体中的NH3-N浓度均比空白组的浓度低。A组、C组对NH3-N的去除效果相对较好，去除率分别为62.1%、61.9%，比空白组(32.5%)、B 组(46.3%)、D组(57.5%)的去除率都要高。

从各组配对水体中TN、NH3-N的影响分析可以看出，香蒲分别与狐尾藻、金鱼藻、篦齿眼子菜组配时对水体TN的去除效果更好。由于水生植物对氮元素的吸收利用情况与氮存在的形态有关，所以同一试验组配对TN和NH3-N的影响程度不一定呈正相关，如香蒲与金鱼藻组配(B组)对TN的去除效果是最好的，但对NH3-N的去除率远低于其他组配。

2.3 对水体DO的影响

挺水植物和沉水植物对水体DO浓度的影响是通过新陈代谢完成的。植物通过光合作用和呼吸作用共同完成对水体理化性质的影响。香蒲与狐尾藻、金鱼藻、篦齿眼子菜的组配种植通过光合作用对水体产氧，另外植物的呼吸作用和残体的分解又消耗水体中的DO。在适宜植物生长的水体中，产氧量大于耗氧量。试验期间，有水生植物种植的反应器中DO浓度均高于空白组(图4)。由于挺水植物和沉水植物的光合作用受到光照强度的影响，呼吸作用受到植物体新陈代谢和外界环境因子如温度等的影响，当光照充足时，光合作用大于呼吸作用，即水体富氧，当光照较弱时，耗氧量大于产氧量，水体亏氧，所以水体中的DO浓度并不持续增加。另外，不同温度下水体中DO浓度的饱和值不同，当DO浓度达到当时温度的饱和值后会降低，所以水体中的DO浓度并不处于一个稳定值，而只是一种稳定平衡状态。

图4 挺水植物和沉水植物组配对水体DO质量浓度的影响

表征水体DO的恢复能力可以通过DO浓度的增加量来分析。从图4中可以看出，水体中DO浓度呈周期变化现象，初期逐渐上升，之后略有下降，然后再次呈现上升趋势，这与前面的分析相一致。试验期间各实验组的平均DO值依次为:B组(10.6mg/L)＞D组(10.4mg/L)＞A组(9.0 mg/L)＞C组(9.6 mg/L)＞E组(8.4 mg/L)，说明香蒲与金鱼藻组配的DO恢复能力最强。由于水体DO浓度存在一定的周期性，所以可以用试验期间所测DO值的平均值来表征各组配对水体DO的影响状况。由于植物的光合作用，增加沉水植物水体中的DO将会增加，但是由于沉水植物表面会附着大量的微生物，这些微生物可以较好地提高水体净化效果，但与此同时也会消耗一部分DO，因此，本试验中香蒲与其他沉水植物组配时，DO并无明显提高。

2.4 对水体pH值的影响

水生植物改变水体pH值主要是由植物的生命活动实现的。香蒲和狐尾藻、金鱼藻、篦齿眼子菜组配种植，通过光合作用促进水体碳循环，使水体pH值增大。由图5可知，短时间内空白组水体pH值基本稳定，A组、B组、C组在短时间内使水体pH值上升，而只有D组其pH值下降，说明单一种植香蒲的光合作用较弱，而沉水植物篦齿眼子菜、金鱼藻、狐尾藻等植株体全部没在水中，恢复较快，光合作用强于呼吸作用，对水体pH值影响较大。但在试验后期，各试验组水体的pH值均有一定幅度的上升，仍是空白组最低，可以发现，水体pH值可能还受到其他外界条件的影响。pH值的变化规律与DO值的变化趋势具有一定的相关性，均与植物的生命活动息息相关。

有研究表明，水体pH值上升可以促进沉水植物对 TN、NH3-N 的去除效果[18]，与图3(b)(c)结合，可以验证这一结论。由此看出，水体的水质状况并不是与各影响因子之间的简单线性复合关系，各影响因子之间还存在着相互关联和耦合，所以需要对水质进行综合评价。

2.5 对水质综合影响的评价

2.5.1 不同组配下的水质演化模拟

图5 挺水植物和沉水植物组配对水体pH值的影响

水体是一个多元的复杂系统，影响水质评价的因素具有很多不确定性，水质与评价因子及各评价因子之间存在着复杂的非线性关系，所以笔者以最大流原理[19-20]为基础，借鉴已有的水质评价动力学模型[21]，并借助Matlab平台利用SOM网络实现模拟，揭示水质在各影响因子干扰下的自组织变化规律。

选取COD、DO、pH、TP、TN、NH3-N 这6个指标为水质评价因子，即共6个组元，对原始数据进行处理并归一化，得到如表2所示结果。

表2 水质评价指标归一化数据

借助Matlab平台，将归一化数据代入SOM网络中进行分析，采取3×2竞争网格数，400步人工神经网络训练，可得到不同组配植物水体的水质特征ξ值，水质演化模拟结果如图6。

图6 不同植物组配下水体水质演化模拟

2.5.2 模拟演化分析

图6是水体系统内部各组元之间不断地进行竞争、协作和自组织的模拟演化过程，是各组元(指标)相互作用的结果。演化前期ξ值波动较大，说明水体可呈现出来的水质模式有多种，随着步数的增加，ξ值基本稳定，系统呈现的模式逐渐稳定，最终在内外环境约束下保持了客观反映水质状况的主导模式，这表明水体的各组元相互作用中遵循最大流原理达到了基本稳定的状态。所以，稳定后的ξ值是水体水质在各组元相互耦合的作用和关联下最终呈现出来的水质结构表现值，可以代表试验水体的水质情况，ξ1～ξ5依次表征 A、B、C、D、E 组配组水体的水质表现值，案例中ξ值越大，说明水质情况越好。

表征挺水植物香蒲与不同沉水植物组配的试验水体水质情况的ξ值分别如下:ξ1=9.145，ξ2=10.109，ξ3=5.457，ξ4=5.197，ξ5=3.171。

可以看出，ξ1、ξ2值较大，说明 A 组、B 组组配时，对水体的水质影响较大，水质改善效果较好。ξ2值最大，说明香蒲和金鱼藻组配的水质综合情况最好。从单因子分析的结果来看，A组对NH3-N、TP的去除效果最明显，B组对TN、COD的去除更有效，所以选择适合北大港水库水体环境生长和繁殖，并能提高北大港水库水质的沉水植物，还要根据水体污染情况而定。若区域内磷含量较高，可引进篦齿眼子菜与香蒲组配，若有机物污染严重，则可引进金鱼藻与香蒲组配。

3 结论

挺水植物和沉水植物组配可以不同程度上改善水体的水质状况，增强水体的自我净化能力，改善水生态环境。其中，香蒲与篦齿眼子菜组配对NH3-N、TP的去除效果最为明显，香蒲与金鱼藻组配对TN、COD的去除最有效，两种组配方式对水体水质的影响较为明显，能一定程度上改善水体的水质情况。香蒲是北大港水库当地的优势种，在正常生长的水位范围内比芦苇种植相对较广泛，沉水植物篦齿眼子菜和金鱼藻是耐盐性植物，所以在北大港水库香蒲生长区域，可以考虑人为恢复篦齿眼子菜或金鱼藻，以提高水库的自我净化能力，改善水库的水生态环境。

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