5种水生植物在冬季对小沿河水体脱氮除磷效果的研究

唐树平　张翠英　王同勋　戴青松

摘要：指出了冬季水生植物脱氮除磷效果的研究对低温地区水体的净化具有重要意义。通过人工模拟徐州小沿河冬季的自然条件，探讨了西伯利亚鸢尾、菹草、狐尾藻、伊乐藻、燕麦草5种水生植物对水体脱氮除磷的效果。结果表明：5种水生植物都能较好地吸收水体中的氮磷等营养物质，但不同水生植物对水体脱氮除磷的效果存在明显差异。对总氮的去除效果依次为：西伯利亚鸢尾>燕麦草>伊乐藻>狐尾藻>菹草；而对总磷的去除效果则随时间的变化有所改变，但总体表现为：燕麦草>伊乐藻>西伯利亚鸢尾>狐尾藻>菹草。不同月份水生植物去除水体氮磷的变化特点为：11月和3月去除效果较好，12月、1月和2月较差；而且西伯利亚鸢尾和燕麦草对总磷的去除效果受月份影响较小，表现较为稳定。西伯利亚鸢尾、燕麦草和伊乐藻可以作为冬季徐州小沿河水体氮磷去除的优选水生植物。

关键词：水生植物；总氮；总磷；小沿河

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2014）04-0216-04

1、引言

随着社会经济的快速发展，水环境污染日趋严重，全国湖泊水质均不同程度地呈现富营养化状态，水源水也受到了一定程度的污染。目前，处理水体富营养化的方法很多，如化学投药、稀释和水洗、疏浚、底层曝气等，但这些方法不仅破坏原有的水生植物及底栖生物群落，造成物种减少、水体自净能力下降，而且存在工程成本高、沉积物难处置、二次污染严重等问题。

水生植物对生态系统物质能量的循环、传递起调控作用，对水质起生物监测作用，且具有良好的净化效果与独特的经济效益。因此，近年来，在水体中引入外来水生植物，利用水生植物净化水体日益受到人们的关注，并取得了一定的成果。由于适宜温暖季节生长的水生植物品种繁多、效果显著，大多文献的研究主要是在此温度条件下进行的，而对寒冷季节植物净化水体的研究较少。如何改善寒冷季节水生植物对氮磷的去除效果、提高低温环境中植物的修复效率，进而解决植物修复的周年循环问题，是污染水体植物修复过程中必须解决的重要问题。

本文通过人工模拟徐州小沿河自然条件，分析不同种类的水生植物对其根际甚至水体中的氮、磷循环的影响，比较徐州小沿河水源地水质的动态变化规律和水生植物对水体的净化能力，筛选环境功能强、景观效果好的湿地生态修复物种，探讨相对有效的水生植物群落。

2、材料与方法

2.1 研究区域概况

徐州市小沿河水源地位于铜山县柳新镇北部，上至微山湖深湖区，下至湖西航道，是一条湖内清水河道。小沿河流域面积约10km²，全长15.5km，是徐州市唯一的地表集中式饮用水水源地，设计日供水能力20万m³，承担着北区50万人口的供水任务。气候属于典型的暖温带半湿润季风气候，四季之中春、秋季短，冬、夏季长；春季天气多变，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒潮频袭。

2.2 试验材料

根据徐州市的气候特征、植物资源，并结合各种水生植物的经济价值，选用徐州地区常见的水生植物进行研究，采用的耐寒植物分别是西伯利亚鸢尾、菹草、狐尾藻、伊乐藻和燕麦草。西伯利亚鸢尾（Iris sibirica）是近年来我国园林工作者从欧洲引进的，其最大的特点是终年常绿，冬季长势好，在-15℃仍能保持叶片翠绿，是水生植物中难得的四季常绿品种，是冬季净化水体的主力军；菹草（Potamogeton crispus Linn.）是一种世界广布的多年生沉水植物，秋季发芽，冬春生长，4～5月份开始繁殖，对污染水体具有较高的净化效率；狐尾藻（Myriophyllumverticillatum）是多年生草本，夏末秋初开花，在我国南北方均有分布，生于池塘和湖泊中，观赏价值高，净水效果佳，可高效去除水中有机物、氨氮、磷酸盐等；伊乐藻（Elodea Canadensis Michx）原产美洲，是一种优质、速生、高产的沉水植物，气温在5℃以上即可生长，在寒冷的冬季能以营养体越冬；燕麦草（Arrhenatherum elatius（Linn.）Pressl）属多年生草木，较耐寒，不耐阴，在南方温暖地区则终年常绿，冬季尚可缓慢生长。

本试验中菹草、狐尾藻采自徐州小沿河，西伯利亚鸢尾、燕麦草和伊乐藻取自徐州工程学院中心校区校园内。

2.3 试验设计

试验在徐州工程学院通风宽敞的实验室内进行，不采用任何保暖措施。试验期间温度与小沿河地区冬季室外温度相同，气温-10～4℃，水温3～10℃，试验中将植物培养在1L的烧杯中。

2012年9月中旬将西伯利亚鸢尾、菹草、狐尾藻、伊乐藻和燕麦草移栽至实验室，从小沿河一级水源地保护区采集水样，并在相同的条件下对上述5种植物进行培育。10月底西伯利亚鸢尾水上部分生物量达到较大值，达到成株高度，但根系较细；11月中旬燕麦草水上部分生物量达到较大值，达到成株高度，根系较发达，根须较粗。从10月份开始每2d给植物换1次水，在2012年11至2013年3月中旬对水质进行测定。

2.4 水质指标的测定方法

水质指标按《水和废水监测分析方法》标准方法测定，水样用清洁塑料瓶采取，经0.45μm滤膜过滤，总磷（TP）采用钼锑抗比色法测定；总氮（TN）采用紫外分光光度法测定。

3、结果与分析

3.1 水生植物的生长状况

西伯利亚鸢尾、菹草、狐尾藻、伊乐藻和燕麦草从移栽至烧杯内到实验结束时，其各自的生长状况存在很大的差异。其中西伯利亚鸢尾和燕麦草的生长情况最佳，存活率达到100%，在培育了接近2个月的时候，西伯利亚鸢尾和燕麦草均长出了新根，西伯利亚鸢尾长出了新芽；而狐尾藻、伊乐藻的生长态势有所欠缺，平均存活率在40%～50%之间；菹草的生长态势最不理想，植物的存活率低于30%。在2012年12月至2013年2月，各植物的生长态势与在其它时间的生长态势相比均有所下降：西伯利亚鸢尾、燕麦草的叶子都有所枯萎，伊乐藻、狐尾藻的叶子均有泛黄现象，菹草叶子大量枯死。endprint

3.2 不同水生植物对小沿河水体总氮去除效果的比较

植物可吸收无机氮作为自身的营养成分，并合成植物蛋白等有机氮，同时植物根部附近能够形成好氧-缺氧-厌氧的微环境，有利于硝化菌和反硝化菌的共存，增强微生物的硝化和反硝化作用，因此利用植物可提高污水中氮的净化效率。不同水生植物对小沿河水体总氮的吸收情况如图1所示。试验期间，西伯利亚鸢尾对总氮的去除率很高，总氮去除率达到1.67%～7.30%；燕麦草次之，其去除效率在11月份达到最大值7.86%；伊乐藻、狐尾藻的去除效率基本一致，在1.47%～6.70%之间；菹草的去除率在试验期间的波动最大，在1月份的去除效率最低（1.03%），而在其他季节又表现出较好的去除率（7.71%）。方差分析表明，不同水生植物去除小沿河总氮的能力依次为西伯利亚鸢尾>燕麦草>伊乐藻>狐尾藻>菹草（P>0.05）。

3.3 不同水生植物对小沿河水体总磷去除效果的比较

水中总磷的去除，一方面是以磷酸盐沉降并固结在基质上的形式去除，另一方面是植物吸收可给性磷的形式去除。由图2可知，试验中的5种植物对小沿河水体总磷的去除效果存在显著差异，平均去除率以燕麦草最高，其次是伊乐藻、西伯利亚鸢尾，最差的是狐尾藻、菹草。在不同时期，其去除效果也各不相同，比如2012年11月份各植物对总磷的去除率由高到低依次为伊乐藻（8.75%）>燕麦草（8.35%）>菹草（8.09%）>狐尾藻（7.63%）>西伯利亚鸢尾（7.42%），而2013年1月份去除率由高到低顺序却为燕麦草>（4.76%）西伯利亚鸢尾（3.89%）>伊乐藻（3.44%）>狐尾藻（1.98%）>菹草（1.33%）。

3.4 不同月份水生植物去除小沿河水体氮磷的变化

水生植物的存在，不仅使得附着其上的微生物和微型生物大大加速对截留在根系周围的有机胶体或悬浮物的分解矿化，而且水生植物的根系还能分泌促进嗜磷、氮细菌生长的物质，从而间接提高水体净化率。但是水生植物生长繁殖受到季节、温度、pH值、溶解氧等多种环境因素制约，从而影响其净化效率，本文研究从2012年11月到2013年3月水生植物去除小沿河水体氮磷的变化情况，为下一步水生植物的筛选、利用奠定基础。从图3可知，不同月份水生植物去除总氮效果变化很大，2012年11月和2013年3月总氮去除率较高，而2012年12月到2013年2月总氮去除率均较低，这可能是由于寒冬低温抑制水生植物生长繁殖所致。不同月份水生植物对总氮的去除效果表现为2012年11月（7.19%）>2013年3月（4.97%）>2013年2月（2.17%）>2012年12月（1.83%）>2013年1月（1.47%）。而不同月份水生植物对总磷的去除效果表现出相似的变化规律，即2012年11月和2013年3月总磷去除率高于其它3个月份，但不同是西伯利亚鸢尾和燕麦草在总磷去除过程中总体表现较为稳定，受月份影响较小（图4）。不同月份水生植物对总磷的去除效果以2012年11月最好，为8.05%，2013年1月最差，仅为3.08%。

4、讨论

水生植物对水中的污染物有较强的吸附、降解功能，能够有效地降低水体中污染物的浓度。在小沿河构建耐寒水生植物群落，能够提高冬季水体的净化能力，降低水中污染物的浓度，减少自来水厂的处理负荷。

本文对小沿河引人外来水生植物，包括西伯利亚鸢尾、菹草、狐尾藻、伊乐藻和燕麦草后，需要对所构建的植物群落做定期的管理，经常对水生植物进行养护，并对枯萎死亡的植物进行收割，防止二次污染。当水中的伊乐藻、狐尾藻、菹草吸收了大量的污染物时，应及时将其打捞出来，否则吸附在其表面的污染物质将会返回水中，使水质恶化。水中的伊乐藻、狐尾藻、菹草被打捞出来后，西伯利亚鸢尾和燕麦草对水体氮磷的去除起主要作用。为避免西伯利亚鸢尾、燕麦草过度生长，茎叶生长太茂盛了需对其进行修剪，防止其覆盖水面，使阳光不能照射到水面上，影响沉水植物进行光合作用。

由于不同植物根系发达程度不同，释放氧的速率也不同，对微生物的活性影响也不同，从而对污水的净化效率也不同，有的植物可以高效吸收氮，有的可以更好地富集磷。而栽种单一植物的生态沟渠，植物生长不旺盛，对污染物的净化效果也不明显。当使用多种植物组合时，具有更合理的物种多样性，更容易使生态系统保持长期稳定。

本研究发现，西伯利亚鸢尾、菹草、狐尾藻、伊乐藻和燕麦草5种水生植物所构建的植物群落对富营养化水体中的TN、TP都有不同程度的吸收净化作用。由于沉水植物菹草、狐尾藻、伊乐藻在试验阶段有植物死亡，死亡植物会向水体释放有机氮，因此它们对氮的去除率较低。而西伯利亚鸢尾、燕麦草等挺水植物，则完全靠根部吸收营养，植物死亡或代谢物都较少，对水体总氮含量影响也较小，所以有较高的去除率。磷元素的去除主要依靠植物吸收、根系吸附和沉降，挺水植物西伯利亚鸢尾和燕麦草的根系发达，与其它几种植物相比表现出较优越的去除效果。

因此，冬季在小沿河水体中，应大量种植西伯利亚鸢尾和燕麦草等根系发达的挺水植物，并辅以菹草、狐尾藻、伊乐藻等沉水植物。如发现植物有死亡迹象，应及时将其打捞出来，避免影响其它植物对水体的净化。

5、结语

（1）挺水植物西伯利亚鸢尾、燕麦草在试验期间生长态势均较好。其中，西伯利亚鸢尾在2012年11月份和2013年1月份TN、TP的去除率较高，TN的去除率达7.3%，TP的去除率达8.35%。而燕麦草则对TP有较高的去除率，平均去除率在6.5%以上。

（2）伊乐藻和狐尾藻在试验期间，平均存活率在40%～50%之间，从2013年1月份开始植物大量死亡。试验期间伊乐藻TP的去除率较高，平均去除率在5.3%以上，而狐尾藻TP的去除率不太明显。

（3）菹草在试验期间的生长态势最差，其存活率不及30%。但菹草在2012年11月TP的去除率最高，达8.09%。其在12月份开始大量死亡，导致其对水体TN、TP的去除率大大降低。

（4）不同月份水生植物对小沿河水体氮磷去除的性能变化较大，总体表现为2012年11月和2013年3月氮磷去除效果较好，2013年2月、2012年12月和2013年1月较差。西伯利亚鸢尾和燕麦草对总磷去除效果总体上表现较为稳定，受月份影响较小。

综上，本研究在人工模拟徐州市小沿河冬季的自然条件下，采用西伯利亚鸢尾、菹草、狐尾藻、伊乐藻和燕麦草去除小沿河水体中的氮磷。在水里停留时间为2d时，不同水生植物氮磷去除性能差异显著。与无植物空白相比，伊乐藻和燕麦草TP去除性能较好，西伯利亚鸢尾TN去除性能突出，菹草在大量死亡之前TP的去除率均优于其它4种植物。综合比较5种水生植物氮磷去除性能：西伯利亚鸢尾、燕麦草和伊乐藻可选择作为去除徐州小沿河水体氮磷的植物。endprint