美人蕉、鸢尾、黄菖蒲和千屈菜对富营养化水体净化效果研究

吴诗杰，陈慧娟，许小桃，马小丽，杨　佳，王淑萍，梁文裕

（宁夏大学生命科学学院，宁夏银川750021）



美人蕉、鸢尾、黄菖蒲和千屈菜对富营养化水体净化效果研究

吴诗杰，陈慧娟，许小桃，马小丽，杨佳，王淑萍，梁文裕＊

（宁夏大学生命科学学院，宁夏银川750021）

摘 要：以美人蕉、鸢尾、千屈菜和黄菖蒲4种水生观赏植物为材料，分析单种植物和不同植物组合在富营养化水体中的生物量变化及对富营养化水体中总氮、总磷、pH、化学需氧量、溶解氧及叶绿素a含量的影响.结果表明，不同水生植物在富营养化水体中生长的生物量增加值差异性显著，变化范围为3.77～12.17g· L-1.单种植物和不同组合对富营养化水体中总氮、总磷和CODMn均具有良好的去除效果，对DO值有显著的增加作用（P＜0.05），且降低了水体pH.在处理35d时，单种植物对磷素去除率在87.24%～91.38%，植物组合对总磷去除率为62.67%～88.44%，对CODMn的去除效果达到显著水平（P＜0.05）；此外，美人蕉和美人蕉＋鸢尾组合对富营养化水体净化效果明显，各指标间有极显著相关性.该研究结果为利用水生观赏植物防止富营养化水体提供了依据和植物资源.

关键词：水生观赏植物；富营养化；水体净化

我国60%以上的湖泊处于富营养化状态，控制水体富营养化已经成为当今世界各个国家关注和重视的水环境问题［1］.水体富营养化的主要原因是氮和磷营养物质的增加.目前，对水体富营养化的控制措施主要有物理方法、化学方法和生物方法.由于物理方法和化学方法成本高，时效短，对生态环境本身有一定潜在威胁，生物方法受到越来越多的重视.研究表明，水生植物对水体中氮、磷的富集和转移效果明显［2-7］，对藻类的过度生长有很好的抑制作用［8-9］，尤其是挺水植物可通过根系吸收和吸附在其表面的微生物硝化和反硝化作用将水体中过剩的氮、磷等元素转移出水体，同时水生植物根系也为微生物生长提供合适的营养环境，并且具有吸附水体中大量悬浮物质以提高水体透明度的作用.

目前水生植物处理富营养化水体的研究较多，所选择的植物各异，而对于适合北方气候的观赏性水生植物研究偏少.因此，开展适合北方气候的水生植物的筛选研究，对于北方利用观赏水生植物净化富营养化水体具有重要的意义.美人蕉、鸢尾、千屈菜、黄菖蒲等植物因其生长期长，生命力强，观赏性好，且具有经济价值而备受人们关注，而且其对水体中氮、磷的吸收具有较强的能力.因此，作者选用美人蕉、鸢尾、千屈菜、黄菖蒲4种水生观赏植物，分别进行单种植物和不同植物组合净化富营养化水体的研究，旨在挖掘具有高效净化能力的水生观赏植物，为利用水生观赏植物控制和防止水体富营养化提供试验依据和植物资源.

1　材料与方法

1.1 供试植物

选择观赏价值和经济价值较高的美人蕉（Canna indica L.），鸢尾（Iris tectorum），千屈菜（Lythrum salicaria L.）和黄菖蒲（Iris pseudacorus）作为供试材料.

1.2 方 法

1.2.1 材料处理

将植株大小相近的植物清洗干净，置于装有营养液的培养容器（长×宽×高，50cm×30cm×40 cm）中进行培养，共30个培养容器，每个培养器栽种6株植物，平均鲜重180g，处理水体体积为50L，平均单位水体积对应的生物量分别是3.6g·L-1.植物经预培养后，选取长势良好、大小一致的植株，清洗干净，栽培于模拟富营养化水体中.植物在自然光照、避风雨的条件下生长，试验期间用蒸馏水补充蒸发量和蒸腾所耗的水分，以保持容器中的水位.

模拟富营养化水体参照杨涓等［10］的方法并稍作修改.用基本营养液配制含有较高N、P的人工配制富营养化水体.经测定可知营养液中TN浓度为28.53mg·L-1，TP浓度为7.61mg·L-1.根据《地表水环境质量标准》即GB3838-2002中对Ⅴ类水水质的上限规定：TN 3mg·L-1，TP 0.4mg· L-1［11］，该试验水体属于富营养化水体.试验水体除N、P元素外，其他营养元素按照霍格兰培养液设置.

1.2.2 植物配置试验设计

分别将单种植物美人蕉、千屈菜、鸢尾、黄菖蒲以及植物组合（美人蕉＋千屈菜、美人蕉＋黄菖蒲、美人蕉＋鸢尾、鸢尾＋黄菖蒲、鸢尾＋千屈菜）放入配制的模拟富营养化水体中培养，每个处理重复3次，每隔7d进行1次水质检测，试验持续35d.为了减少误差，每次的取样时间固定，取样位置固定.由于植物的蒸腾作用和水分挥发可能导致富营养化水体体积变化，因此在每次取样前加水至培养器固定水位，轻轻搅动水层，用锥形瓶于同一水深处量取水样.

1.3 分析方法

植物生物量（B）测定：每隔7d，称取每组所有植物的鲜重.Bi＝Wi／50（g·L-1），其中：Bi为相应天数植物生物量；Wi为相应天数每组所有植物的鲜重；i＝7，14，21，28，35.

采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定水体总氮（TN），用钼酸铵分光光度法测定水体总磷（TP）.总氮、总磷去除效果以植物试验桶水中氮、磷含量的变化进行评价和比较，主要用氮、磷去除率来表示，即处理水体含氮、磷量的初试值（第0天数据）减去相应天数水体含氮量后比初试值的百分率［19］.

其中：R为氮磷去除率；S0为水体含氮磷初始值；Si为相应天数水体含氮磷值.

用高锰酸钾指数的方法测定生化需氧量（CODMn），用碘量法测定水体溶解氧（DO），用丙酮加热法测定水体中藻类叶绿素a（Chl.a）［12］.用酸度计测定水体pH值.

1.4 数据处理

所有试验为3次生物学重复，数据标准误差S≤1%，利用DPS 7.05软件进行数据统计分析各处理间差异显著性（P＜0.05），显著性结果用字母标识于各数据表中；利用SPSS 19.0软件进行相关性分析，分析结果用＊号标识于数据表里.

2　结果与分析

2.1 4种不同植物对富营养化水体的净化效果比较

2.1.1 植物生物量的变化

经过35d的生长，4种水生植物的生物量差异显著（P＜0.05），总体呈现增长趋势（表1）；其中生物量最高的是美人蕉，35d时为12.17g·L-1；鸢尾和黄菖蒲属生物量变化相差较小，35d时生物量分别为8.93g·L-1和7.69g·L-1；千屈菜生物量增加相对较少.

表1　4种植物在富营养化水体中生长时的生物量变化Tab.1　Changes of plant biomass of four species plants in eutrophic water g·L-1

2.1.2 总氮去除率

不同处理时期各植物的总氮去除率均显著高于对照（表2），且各植物间均有显著差异（P＜0.05）.各时期氮素去除率均表现为美人蕉＞鸢尾＞黄菖蒲＞千屈菜，它们在处理35d时对其水体中总氮去除率分别达到64.83%，61.52%，52.7%和49.76%.上述结果表明，美人蕉对水体中氮素的去除效果最好，去除速率也最快，而千屈菜效果最差.

表2　4种不同植物培养下富营养化水体TN去除率比较Tab.2　Comparison of removal rate of TN of eutrophic water in four different plant culture conditions %

2.1.3 总磷去除率

不同植物间以及植物与对照间的总磷含量均存在显著差异（P＜0.05），处理7d及以后各处理的总磷去除率表现为美人蕉＞鸢尾＞黄菖蒲＞千屈菜＞对照（表3）.对总磷去除效果最明显的是美人蕉，14d的去除率约是7d的2倍.处理35d时，美人蕉、鸢尾、黄菖蒲和千屈菜的总磷去除率分别达到91.38%、90.73%、87.60%和87.24%.

表3　4种不同植物培养下富营养化水体TP去除率比较Tab.3　Comparison of removal rate of TP of eutrophic water in four different plant culture conditions %

2.1.4 CODMn去除效果

4种植物对模拟富营养化水体中CODMn的去除效果明显（表4），并达到显著水平（P＜0.05）.处理7～28d时，美人蕉、鸢尾和黄菖蒲所在的水体中CODMn含量呈逐步下降的趋势，且始终低于对照；而千屈菜所在水体中CODMn始终高于对照组.处理35d时，4种植物所在水体中CODMn含量最低，并且显著低于对照组，美人蕉、鸢尾、黄菖蒲和千屈菜CODMn含量分别为9.25、10.24、11.42、12.08mg·L-1.上述结果表明，美人蕉去除CODMn效果最好，鸢尾次之，千屈菜最低，且植物间存在显著差异.

表4　4种不同植物培养下富营养化水体CODMn值比较Tab.4　Comparison of CODMnof eutrophic water in four different plant culture conditions mg·L-1

2.1.5 溶解氧含量的变化

4种植物在各处理时间的溶解氧含量均显著高于对照组（表5）.其中，美人蕉、鸢尾和黄菖蒲在试验期间对模拟富营养化水体中DO含量呈现逐步上升的趋势；千屈菜在所在水体DO含量呈现先增加后降低的趋势.处理35d时，美人蕉、鸢尾、黄菖蒲和千屈菜所在水体的DO含量分别为24.60、22.4、19.40、12.6mg·L-1.因此，美人蕉对水体中DO含量增加效果最显著.

连日的暴雨，乌溪江、信安江陡然上涨了几公尺，没有被日军攻打的衢州城，已率先被洪水攻陷。城外数道堑壕一夜间全成了沟渠，花费几个月修建的堑壕、交通壕、防炮洞、单兵掩体、碉堡现在全淹没在洪水之中。

表5　4种不同植物培养下富营养化水体DO值比较Tab.5　Comparison of DO of eutrophic water in four different plant culture conditions mg·L-1

2.1.6 叶绿素a含量的变化

随着处理时间的延续，美人蕉、鸢尾和千屈菜所在水体叶绿素a含量呈逐渐升高的趋势（表6）.处理35d时，种植美人蕉的水体的叶绿素a含量显著低于其他3种植物所在水体，叶绿素a含量为4.57mg·g-1，且与对照有显著差异（P＜0.05）.

表6　4种不同植物培养下富营养化水体叶绿素a含量比较Tab.6　Comparison of chlorophyll a content of eutrophic water in four different plant culture conditions mg·g-1

2.1.7 pH的变化

4种植物所在水体中pH呈下降趋势（表7）.处理35d，种植4种植物的水体pH在6.98～7.17之间，美人蕉和鸢尾的pH显著低于黄菖蒲和千屈菜，且显著低于对照.以上结果说明，4种水生植物对模拟富营养化水体pH有较好的调节作用.

表7　4种不同植物培养下富营养化水体pH比较Tab.7　Comparison of pH of eutrophic water in four different plant culture conditions

2.2 5种不同植物组合对模拟富营养化水体的净化效果比较

2.2.1 植物生物量的变化

5种植物组合生物量有明显增加（表8），且存在显著差异（P＜0.05）.特别是美人蕉＋鸢尾，生物量增加最明显，在处理35d时，达到10.55g·L-1，是初始生物量的2.9倍；其次是美人蕉＋黄菖蒲生物量增加较多，鸢尾＋千屈菜生物量增加的最少，为7.61g·L-1.

表8　5种植物组合在富营养化水体中生长时的生物量变化Tab.8　Changes of plant biomass of five kinds of plant combination in eutrophic water g·L-1

2.2.2 总氮去除率

随着处理时间的延长，不同植物组合对水体中总氮去除率呈逐渐升高的趋势（表9），且显著高于对照（P＜0.05）.各时期氮素去除率均表现为美人蕉＋鸢尾＞鸢尾＋黄菖蒲＞美人蕉＋黄菖蒲＞美人蕉＋千屈菜＞鸢尾＋千屈菜，在处理35d时对其水体中总氮去除率分别达到64.08%、60.49%、58.68%、58.21%、48.71%.上述结果表明，美人蕉＋鸢尾对水中总氮去除效果最佳.

表9　5种植物组合培养下富营养化水体TN去除率比较Tab.9　Comparison of removal rate of TN of eutrophic water in five kinds of plant combination culture conditions %

2.2.3 总磷去除率

5种不同水生植物组合对富营养化水体中总磷的去除率显著高于对照（P＜0.05）.处理35d时，美人蕉＋鸢尾，鸢尾＋黄菖蒲，美人蕉＋黄菖蒲，美人蕉＋千屈菜和鸢尾＋千屈菜总磷去除率分别为88.44%、87.94%、86.87%、77.91%和62.67%；其中，美人蕉＋鸢尾，鸢尾＋黄菖蒲，美人蕉＋黄菖蒲总磷去除效果较好，且3种植物组合无明显差异（表10）.

表10　5种植物组合培养下富营养化水体TP去除率比较Tab.10　Comparison of removal rate of TP of eutrophic water in five kinds of plant combination culture conditions %

2.2.4 CODMn去除效果

5种植物组合对富营养化水体中CODMn的去除效果明显（表11），并达到显著水平（P＜0.05）.各植物组合CODMn呈逐渐下降的趋势.处理35d时，美人蕉＋鸢尾、鸢尾＋黄菖蒲、美人蕉＋黄菖蒲、美人蕉＋千屈菜和鸢尾＋千屈菜CODMn含量分别为9.3、10.17、10.33、11.50、12.83mg·L-1.其中，美人蕉＋千屈菜去除效果最好.

表11　5种植物组合培养下富营养化水体CODMn值比较Tab.11　Comparison of CODMnof eutrophic water in five kinds of plant combination culture conditions mg·L-1

2.2.5 溶解氧含量的变化

美人蕉＋鸢尾，鸢尾＋黄菖蒲，美人蕉＋黄菖蒲和美人蕉＋千屈菜4种植物组合在各处理时间的溶解氧含量均显著高于对照组（P＜0.05），呈现逐渐上升的趋势（表12）.而鸢尾＋千屈菜在处理35d时，DO值下降至13.00mg·L-1.

表12　5种植物组合培养下富营养化水体DO值比较Tab.12　Comparison of DO of eutrophic water in five kinds of plant combination culture conditions mg·L-1

2.2.6 叶绿素a含量的变化

美人蕉＋鸢尾，鸢尾＋黄菖蒲，美人蕉＋黄菖蒲，美人蕉＋千屈菜和鸢尾＋千屈菜5种植物组合叶绿素a含量呈波动趋势（表13），但在处理35d时，美人蕉＋黄菖蒲、美人蕉＋千屈菜和鸢尾＋千屈菜组合所在水体叶绿素a含量显著高于对照，而美人蕉＋鸢尾和鸢尾＋黄菖蒲显著低于对照，分别是3.68 mg·g-1和5.11mg·g-1.

表13　5种植物组合培养下富营养化水体叶绿素a含量比较Tab.13　Comparison of Chlorophyll a content of eutrophic water in five kinds of plant combination culture conditions mg·g-1

2.2.7 pH的变化

5种植物组合对水体pH均有降低的作用（表14）.处理35d，各处理的水体pH呈中性，在6.94～7.16之间，显著小于对照.以上结果说明，5种水生植物组合对富营养化水体pH有较好的调节作用.

表14　5种植物组合培养下富营养化水体pH值比较Tab.14　Comparison of pH of eutrophic water in five kinds of plant combination culture conditions

2.3 相关性分析

上述研究结果表明，单种植物美人蕉和植物组合美人蕉＋鸢尾对富营养化水体的净化效果最好.对美人蕉和美人蕉＋鸢尾组合的TN去除率、TP去除率、CODMn含量和DO含量进行相关性分析.结果表明（表15），单种美人蕉对富营养化水体TN去除率与TP去除率、DO含量有很好的正相关性（P＜0. 01），分别达到0.933和0.964，与CODMn含量有极显著负相关性（P＜0.01）；TP去除率与CODMn含量具有极显著负相关性（-0.771）（P＜0.01），与DO含量具有正相关性（0.960）；CODMn含量与DO含量具有极显著负相关性（-0.818）（P＜0.01）（表15）.美人蕉＋鸢尾组合对富营养化水体TN去除率与TP去除率、DO含量有极显著正相关性（P＜0.01），分别达到0.985和0.853，与CODMn含量有极显著负相关性（-0.861）（P＜0.01）；TP去除率与CODMn含量具有极显著负相关性（-0.910）（P＜0.01），与DO含量有极显著正相关性（0.875）（P＜0.01）；CODMn含量与DO含量具有极显著负相关性（-0.956）（P＜0.01）（表16）.

表15　美人蕉对水体TN去除率、TP去除率和CODMn相关性分析Tab.15　Correlation analyses among chemical indicators in Canna indica L.

表16　美人蕉+鸢尾组合对水体TN去除率、TP去除率和CODMn相关性分析Tab.16　Correlation analyses among chemical indicators in Canna indica L.+Iris tectorum

3　讨 论

该研究结果表明，美人蕉、鸢尾、千屈菜和黄菖蒲4种水生植物，单种植物和不同组合对富营养化水体中总氮、总磷和CODMn均具有良好的去除效果，同时，对DO值有显著的增加作用，且降低了水体pH值，证明这4种水生观赏植物对富营养化水体具有净化作用，该研究结果与前人的研究结果基本一致［13-16］.随着处理时间的延长，水体中的总氮去除率总体呈逐渐升高的趋势，且显著高于对照（P＜0.05），其中单种植物和植物组合在各时期的总氮去除率分别以美人蕉和美人蕉＋鸢尾最大.原因可能是总氮的去除不仅依靠植物的吸收作用，还可能通过微生物的硝化和反硝化作用来实现［17］，而且美人蕉与鸢尾组合时，所构成的微环境可能更适合微生物的硝化和反硝化作用，但还需通过试验加以证实.此外，美人蕉生长速度快，单位时间内生物量的增加比其他3种植物多，需要从水中吸收的氮等营养元素多，也是导致水中氮的总量迅速下降的因素之一.

磷是植物生长发育所必需的大量营养元素，富营养化水体中的无机磷可直接被植物吸收和同化.生态方法除磷不仅通过水生植物的吸收，而且依赖水生植物和微生物两者之间的联合作用，通过一系列复杂的物理、化学以及生物途径实现磷素去除的目的.而美人蕉、鸢尾、千屈菜和黄菖蒲均具有发达的根系，巨大的根系表面积会附着大量微生物，更有利于创造利于各种微生物生长的微环境［18］.该研究中各处理对富营养化水体中总磷的去除效果明显，在处理35d时，单种植物磷素去除率在87.24%～91.38%，而组合植物总磷去除率为62.67%～88.44%，然而水生植物和微生物两者之间的联合作用对磷素去除的贡献率究竟有多大，还需进一步研究.

总体上9种处理对富营养化水体中CODMn的去除效果达到显著水平（P＜0.05）.但不同处理对CODMn的净化效果存在一定差异，其中35d时，美人蕉和美人蕉＋鸢尾两个处理CODMn含量达到最低，其原因与水生植物通气组织有关，发达的通气组织可将大量氧气输送至其根部，这不仅促进根部的氧化还原反应与好气微生物活动，而且提高了植物对富营养化水体中有机物的去除能力［19］.美人蕉通气组织较其他3种植物发达，故单种美人蕉时，其去除CODMn效果显著，而美人蕉和鸢尾组合种植时，可能其根系微生物大量繁殖分解污染物，从而达到CODMn去除的目的.

叶绿素a是反映藻类数量的重要指标，常被作为评价水体富营养化状况的主导因子.藻类生长与水体中多种环境因子密切相关，例如氮、磷、光照强度和周期、水温、pH和溶解氧等，藻类数量变化是这些因子综合作用的结果.化感物质可对植物的生长产生干扰，作用范围广泛.有研究表明，植物释放的化感物质通过改变细胞酶活性、影响光合作用、破坏细胞膜等多种方式，对多种藻类产生抑制作用［20-25］.潘琦等［26］研究发现，美人蕉根系分泌释放到水体中的己二酸、棕榈酸、硬脂酸等化感物质可有效抑制藻类生长.该研究结果表明，单独种植美人蕉的水体，藻类含量少，可能是因为美人蕉自身代谢产生的化感物质释放于水体中，可有效抑制藻类的正常生长.

植物正常生长发育所必需的大量元素主要有碳、氮、磷等.该试验中植物碳的主要来源是大气，而氮和磷主要来源于富营养化水体.研究发现：不同配置水生植物的生物量有较大差异，美人蕉和美人蕉＋鸢尾生物量增加较快，可能是因为美人蕉地上部分占总生物量比重较大，这样更加有利于通过植物收割去除水体中的富营养化元素；同时，鸢尾地下部分生长较好，根系长，更有利于吸收富营养化水体中的营养物质.

作者根据种植单种植物和组合植物对水体净化效果的比较，选择美人蕉和美人蕉＋鸢尾两个处理，将它们的TN去除率、TP去除率、化学需氧量含量和溶解氧含量做了相关性分析，结果发现，4个指标间具有极显著相关性，说明它们之间相互促进和依赖，原因可能是其根部微生物的存在成就了这样的相关性，但仍然需要试验加以验证，但是就相关性分析结果来看，在需要快速了解水体富营养化程度时，只需选择一个指标作为预测参数.

4　结束语

作者在室内静水条件下通过植物生物量，水体总氮、总磷等多方面分析，对单种植物在各时期净化水质能力比较，发现美人蕉净化水体效果最佳，在处理35d时，生物量为12.17g·L-1；同时，在试验结束时其总氮去除率、总磷去除率、CODMn含量、DO含量、叶绿素a含量和pH值分别是64.83%、91.38%、9.25mg·L-1、24.60mg·L-1、4.57mg·g-1和6.98.植物组合对富营养化水体净化效果最好的是美人蕉＋鸢尾，生物量在结束时达到了10.55g·L-1，在处理35d时，其总氮去除率、总磷去除率、CODMn含量、DO含量、叶绿素a含量和pH值分别是64.08%、88.44%、9.3mg·L-1、22.00mg· L-1、3.68mg·g-1和6.97.且美人蕉和美人蕉＋鸢尾组合对富营养化水体净化效果明显，各指标间有极显著相关性.

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（责任编辑 于 敏）

Analysis of purification effect on eutrophic water by Canna indica L.，Iris tectorum，Lythrum salicaria L.and Iris pseudacorus

WU Shijie，CHEN Huijuan，XU Xiaotao，MA Xiaoli，YANG Jia，WANG Shuping，LIANG Wenyu＊
（School of Life Sciences，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

Abstract：Purification effect on eutrophic water was analyzed by four species of flower plants，including Canna indica L.，Iris tectorum，Lythrum salicaria L.and Iris pseudacorus.The results showed that the biomass of different plants are significantly increased，the range of variation of 3.77-12.17g·L-1，and the four aquatic plants and their combinations had good purification capacity and adaptability in eutrophication water.A single plan and various kinds of plant combinations have a great impact on removing TN，TP，and CODMnin eutrophic water，have a remarkable incremental effect on DO value（P＜0.05），and make pH value of water lower.In dealing with 35d，removal rate of TP of eutrophic water in a different single plant are at 87.24%to 91.38%，meanwhile the rate in several kinds of plant combination are at 62.67%to 88.44%.Besides，this combination has a notable effect onbook=99,ebook=104removing CODMn（P＜0.05）.In addition，Canna indica L.and Canna indica L.＋Iris tectorum has obvious impact on purifying eutrophic water，all the indicators are in a significant positive correlation.The results of the research provide a foundation and plant resources for further explore of purifying eutrophic water by using flower plants.

Key words：ornamental aquatic plants；eutrophication；water purification

doi：10.3969／j.issn.1000-2162.2016.01.016

作者简介：吴诗杰（1989-），女，宁夏银川人，宁夏大学硕士研究生；＊梁文裕（通信作者），宁夏大学教授，博士，E-mail：liangwy2009＠163.com.

基金项目：宁夏回族自治区环境保护科学技术研究项目（2011-9）；宁夏回族自治区科技支撑计划项目（2013ZYS154）；国家级大学生创新创业训练计划项目（141074967）

收稿日期：2015-05-26

中图分类号：Q948

文献标志码：A

文章编号：1000-2162（2016）01-0098-11