3种水培植物对青山湖富营养化水体氮磷的去除研究

章涟漪，姜 丹，葛燕燕，费婷婷，葛雷鹏，戴书羿，李伟东

（1 杭州师范大学钱江学院理工分院，浙江 杭州310036；2 杭州师范大学生命与环境科学学院，生态系统保护与恢复杭州市重点实验室，浙江 杭州310036）

随着我国社会经济的快速发展，水污染问题日益严重.目前国内超过90%以上的大中型湖泊已处于中营养化或富营养化状态［1］.水体的富营养化不仅影响水体水质，还会对周边生态环境和景观视觉造成影响，乃至危及公众的健康.利用水生植物开展富营养化水体的治理，不仅成本低廉，对环境扰动少，而且净化效果良好，一般还不会产生二次污染等优点而广受关注［2-6］.刘晓丹等人［7-8］的研究表明，空心菜等的水培植物能有效降低富营养化水体的氮磷质量浓度，具备良好的应用前景.

研究以青山湖水体为对象，利用生物操纵技术探索人工种植的木耳菜、空心菜和空心莲子草等水培植物对水体中氮、磷的去除效能，为探索富营养化水体的植物生态修复提供技术参考.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验中木耳菜（IpomoeaaquaticaForsk）、空心菜（Gynuracusimbua）和空心莲子草（Alternanthera Philoxeroides）等3种水培蔬菜均购自杭州市海天城农贸市场.实验中同类植物选取高度、重量和发育状况良好且相近的植株作为实验材料，并在实验室中进行预培养.预培养实验中浮床载体为塑料泡沫板，水培容器为125 cm×40 cm×25 cm 的透明玻璃箱，水量约为70 L.预培养实验用水取自杭州师范大学校园内湖水，水质总氮（TN）和总磷（TP）的质量浓度分别为0.41 mg／L和0.21mg／L.对照富营养化水体的氮磷含量判别指标［9-11］，可知预培养实验水体已处于富营养化状态.

1.2 实验设计

1.2.1 实验区域

青山湖地处杭州西郊临安市境内，中心位置坐标东经119°45′，北纬30°15′，是1964年建成的大型人造湖，也是杭州地区重要的饮用水源地之一.近年来，由于湖区周边区域社会的快速发展，大量未经处理的生产废水和生活污水直接排放入湖区，导致库区水体呈现富营养化现象.

1.2.2 浮床系统的构建

图1 浮床种植示意图Fig.1 The sketch map of floating-bed

实验所用浮床如图1所示，由EVA 泡沫条和PVC 透明膜加工而成，每个浮床面积为3 m2，由15个EVA 泡沫条组成.每个泡沫条上有6个直径约0.6 cm 的种植孔用于水培植物的扦插种植和水培生长.水培扦插时需保证每棵水培植物均有1-2个茎节浸泡于水中，以利其生根和生长.

1.2.3 实验方法

为了研究3种水培植物对富营养化水体的净化能力，2014年8月11日至9月22日期间在青山湖水面种植了9个生态浮床.每种植物分别种植3个浮床，作为平行研究.每个浮床分别种植大小、发育一致的70株植物.为避免不同植物之间的相互作用，每种生态浮床以间隔2 m 的距离进行固定.实验开始后，每周采集各生态浮床内水样测定水体水质TN 和TP 的质量浓度；同时，在距实验浮床10 m 外的水域，取青山湖湖水作为空白对照.

1.3 分析方法

水体中总氮（TN）测定采用国家标准方法GB／T11894-1989推荐的碱性硫酸钾消解紫外分光光度法；总磷（TP）测定采用国家标准方法GB／T11893-1989推荐的钼酸盐分光光度法.

1.4 数据处理

水培植物对水体中总氮、总磷去除率计算公式为W＝（C0-Ci）／C0×100%，式中：W表示TN 或TP去除率（%），C0表示初始TN 和TP 质量浓度（mg／L），Ci表示第i天后水体中TN 或TP 质量浓度（mg／L）.

水培植物对富营养化水体净化能力以氮磷的降低质量浓度与植物的增加鲜重量比值为标准，计算公式为M＝（C0-Ci）／FW×100%，式中：M表示氮磷净化能力（mg／（L.g FW）），C0表示初始TN 或TP 质量浓度（mg／L），Ci表示第i天后水体中TN 或TP质量浓度（mg／L），FW表示水培后植物增加的鲜重量（g）.

实验获得的所有数据采用均值±标准差表示，所有统计数据采用统计软件SPSS 16.0统计，并利用Origin 8.0软件制图.

2 结果与分析

2.1 水培植物的生长状况

3种水培植物在富营养化水体中进行水培，选择培养时间为0 d、21 d（第3周）和42 d（第6周）时测定水培植物的鲜重量，结果见表1.由表1可知，随着水培时间的增加，3种水培植物生长良好.在水培前段（21d内），水培植物的生长速率和增加鲜重量均超过水培后期.此外，3种水培植物中，木耳菜的增长变化率最大，水培前后植物重量增长了近12.45倍；而空心菜的增长绝对量最大，单株平均增加鲜重171.97g.木耳菜增长变化率大的主要原因是其植株根系发达，水培成活率高，生长相对较快.而空心菜增长绝对量大的原因是其初始的植株重量较大，有利于其水培成活和后期生长.

表1 3种水培蔬菜在富营养化水体中的生长情况Tab.1 Growth indexes of three aqua-cultured plants in eutrophic water

2.2 水培植物对总氮去除分析

为验证3种水培植物对富营养化水体中TN 的去除能力，实验以无水培植物湖水为空白对照，对富营养化水体经过3种水培植物降解后TN 的质量浓度进行测定，获得水培植物对水体TN 的去除率，见图2.由图可知，随着水培时间的延长，3种水培植物浮床内水体的TN 质量浓度呈明显的下降趋势，且比空白对照下降的更快，说明3种水培植物均可有效去除水体中的TN.对比3种水培植物对水体TN 的去除率可知，水培木耳菜浮床内水体的TN 质量浓度从0.59 mg／L 下降至0.10 mg／L 左右，对TN 的去除率达到81.80%.水培空心菜和空心莲子草对TN 的去除率分别是68.61%和63.56%.水培木耳菜是3种水培植物中对TN 的去除率最高（81.80%），可有效降低富营养化水体中TN 的质量浓度，实现水体TN指标的正常.

图2 3种水培植物对富营养化水体总氮含量的去除效果Fig.2 Removal effects of total nitrogen in eutrophic water by three hydroponic plants

图3 3种水培植物对富营养化水体总磷含量的去除效果Fig.3 Removal effects of total phosphorus in eutrophic water by three hydroponic plants

对比3种水培植物的生长情况和其对浮床内水体TN 的去除率（见表1和图2）可知，水培植物生长速度越快，植物鲜重量增加越多，其对TN 的去除率就越高.这表明水培植物对水体中TN 去除率与植物的鲜重量（生物量）增加相关.水培植物去除富营养化水体中TN 的主要原因可能是植物生长过程中将水体中的氮元素等转变成为植物体的一部分（植物生物量），从而实现对富营养化水体的净化.另外，水体中水培植物和水生微生物之间的共生协同吸收也可能是其影响因素，待尚需进一步研究.

2.3 水培植物对总磷去除分析

为验证3种水培植物对富营养化水体中TP的去除能力，实验以无水培植物湖水为空白对照，对富营养化水体经过3种水培植物降解后TP的质量浓度进行测定，获得水培植物对水体TP的去除率结果，见图3.由图3可知，浮床内水体中TP的质量浓度随着水培植物培养时间的增加，呈现出下降趋势，表现出和净化TN 类似的现象.在培养前段（3周内），3种水培植物对水体TP的去除效果良好，TP质量浓度下降明显；培养后期（4周后），由于水体中氮磷等营养物质的减少，水培植物对TP 吸收降解效果减缓.3种水培植物中，空心菜对TP 的去除效率最高，达60.03%，水培实验中可使水体中TP 质量浓度从0.21 mg／L下降到0.09 mg／L.木耳菜和空心莲子草对TP 的去除率分别为44.24%和31.58%.由此可知，在同等水质条件下，对水体TP的去除，以空心菜为最佳，木耳菜次之，空心莲子草则相对较低.

结合表1中水培植物的生长情况可知，水培植物重量（生物量）增长量越大，其对总磷的吸收效果越好，表明植物的重量增加与吸收的总磷量呈正比关系.因此，今后在进行水培植物净化富营养化水体时，可适当考虑植物生物量增重相对较大的品种，例如本实验中的空心菜等.

2.4 水培植物对水体净化能力比较

图4 3 种植物对富营养化水体净化能力的比较Fig.4 Comparison of purification of eutrophic water by three hydroponic plants

用水培植物对水体中的TN 和TP 质量浓度的去除量与植物增加的鲜重量（生物量）之比来表示3种水培蔬菜对富营养化水体的净化能力，结果见图4.由图4可知，不同水培植物对富营养化水体TN 和TP的净化能力不同.实验的3种水培植物中，木耳菜、空心菜和空心莲子草的单位鲜重量去除TN 能力分别为0.0031 mg／（L.g FW）、0.0022 mg／（L.g FW）和0.0028 mg／（L.g FW）；去除TP能力分别为0.006 mg／（L.g FW）、0.0007 mg／（L.g FW）和0.0005 mg／（L.g FW）.将3种水培植物单位鲜重量对TN 和TP 的净化能力进行叠加可知，木耳菜综合净化能力最强，其次是空心莲子草.

实验的3种水培植物对富营养化水体都表现出相对良好的净化能力，与已有研究结果相符［7-8、12-14］.此外，本次研究实验筛选的木耳菜，其作为富营养化水体的水培净化植物是先前未有提及的净化水培植物.实验结果表明，木耳菜净化富营养化水体效果良好，相关研究工作值得后续深入开展，以便能进一步优化净化参数.另外，今后在进行富营养化水体修复工程时，可以优先考虑选用木耳菜等蔬菜类水培植物.一方面这类植物能有效地去除富营养化水体中的TN 和TP，净化水体；另一方面选用蔬菜类水培植物，可将水培后的植物用于市场销售，提高富营养化水体生态植物修复的经济效益.

3 结 论

1）3种实验的水培植物均能有效降低富营养化水体的TN 质量浓度.对富营养化水体TN 的去除率，木耳菜、空心菜和空心莲子草分别为81.80%、68.61%和63.56%，以木耳菜对TN 去除率为最高.

2）3种实验的水培植物均可使富营养化水体TP 质量浓度下降.对富营养化水体TP 去除率，木耳菜、空心菜和空心莲子草分别是44.24%、60.03%和31.58%，空心菜对于水体TP的去除效果相对较好.

3）3种实验的水培植物中，单位植物重量（生物重）去除TN 和TP能力以木耳菜和空心菜为最强，分别是0.0031 mg／（L·g FW）和0.0007 mg／（L·g FW）.3种水培植物单位植物生物量对富营养化水体TN 和TP综合净化能力大小为木耳菜＞空心菜＞空心莲子草.

4）实验筛选出的木耳菜对富营养化水体表现出了相对良好的净化能力.对比相关文献可知，木耳菜是一种新的、可以用于富营养化水体治理的新的水培植物品种，其应用前景值得进一步研究.

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