8种植物对2种质量浓度富营养化水体的净化效果

戴汕　李庆卫

(北京林业大学，北京，100083)



8种植物对2种质量浓度富营养化水体的净化效果

戴汕李庆卫

(北京林业大学，北京，100083)

摘要以风车草、花菖蒲、黑三棱、水毛花、花叶香蒲、马蔺、泽泻、花叶芦苇8种水生观赏植物为材料，设置2个富营养化质量浓度水平，进行水培试验。通过对总氮、总磷和化学需氧量等水体富营养化指标及植物生长指标的测定研究8种植物对富营养化水体的净化效果。结果表明：中质量浓度条件下，总氮和总磷去除率较好的植物为黑三棱、风车草、花叶香蒲，去除率均在83%以上。高质量浓度条件下，总氮和总磷去除率较好的植物为风车草、黑三棱，去除率均在75%以上。马蔺及水毛花在两种质量浓度下的综合净化效果较差。化学需氧量的质量浓度前期下降明显，后期持续缓慢上升。植物对总氮、总磷的去除率与其生长量存在相关性，且高质量浓度条件下相关性更显著，而化学需氧量的去除率与植物生长量的相关性较弱。

关键词水生植物；富营养化水体；水体净化

水体富营养化是我国水污染的重要原因之一。目前，国内外用于净化富营养化水体的常见工程技术方法有物理、化学、生物、自然生态净化法[1]。随着人工湿地净化实践不断增多，生物生态方法已成为治理水体富营养化污染的研究重点[2-5]。植物作为生态修复技术的核心要素，具有投资少、运转费用低、节省能源、基本无二次污染等特点，是治理富营养化水体，发挥水体生态效应的关键。近年来，对植物净化富营养水体的研究主要集中于挺水水生植物。由于不同水生植物对富营养化水体的净化效果具有差别[6-8]，筛选观赏性强、净化效率高的景观生态植物，探索更生态、更美观的富营养化水体净化模式，能够为今后利用植物净化富营养化水体提供一定参考和依据。本研究采用水培试验的方式，人工配制两种不同质量浓度的富营养化水体，对8种观赏价值较高的水生观赏植物进行定期培养，测试它们对不同程度富营养化水体中总氮、总磷、化学需氧量的去除能力及其生长情况，分析不同观赏植物对不同富营养化水体的净化效果和适应能力，为今后水体富营养化治理以及湿地、湖泊的景观建设实践提供一定参考。

1材料与方法

供试植物：风车草(Cyperus involucratus)、花菖蒲(Iris ensata)、黑三棱(Sparganium stoloniferum)、水毛花(Schoenoplectus mucronatus)、花叶香蒲(Typha latifolia ‘Variegata’)、马蔺(Iris lactea)、泽泻(Alisma plantago-aquatica)、花叶芦苇(Phragmites australis var.variegates)8种水生观赏植物。

试验于2015年夏季在北京林业大学苗圃内进行。试验场地避雨且有自然光照。选取生长健壮、长势一致的8种植物苗，先在清水中预培养15 d，待其长出新根后用蒸馏水冲洗，移入试验塑料桶(13 L)中进行静态水培试验。种植密度均为2株·桶-1，每个处理设3次重复，另外，设无植物的空白对照。试验采用葡萄糖、氯化铵、硝酸钾、磷酸二氢钾模拟富营养化水体水质，并设置两个不同质量浓度梯度，初始水质指标见表1。每周定期加入蒸馏水，补充由于水体蒸发、植物蒸腾和人为采样所消耗的水分，保持桶中水位。分别于第1、8、15、22、29天，取水样测定不同富营养化程度水体中的总氮、总磷、化学需氧量的质量浓度，取样时间为09:00—10:00。试验开始和结束时，记录各桶中植株的生长情况。

表1　试验初始水质指标

注:表中数据为平均值±标准差。

测定指标分为生长指标和水质指标。生长指标包括植物的株高、根长、鲜质量；水质指标包括总氮、总磷、化学需氧量质量浓度。水样指标依据中国环境监测标准[9]，并参考国家环保局最新监测方法，总氮质量浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)测定，总磷质量浓度采用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)测定，化学需氧量质量浓度采用连华公司5B-3(B)型COD多元速测仪进行测定。

各水体指标的去除率按下列公式计算：去除率=[(Co-Ci)/Co]×100%。其中，Co为试验开始时水体中的污染物质量浓度；Ci为第i天时水体中的污染物质量浓度。

植株单位去除量按下列公式计算：单位去除量=(Co-Ce)×V/ΔW。其中，Co为试验开始时水体中的污染物质量浓度；Ce为试验结束时水体中污染物的质量浓度；V为水体体积；ΔW为试验期间植株鲜质量增加量。

试验结束时植株株高、鲜质量、根长的量分别减去其初始值，即为株高、鲜质量、根长的增量。计算时，各桶中水质指标与桶中植物的生长指标一一对应。

采用Microsoft Excel 2007对数据进行处理并绘图，并用SPSS20.0进行数据分析。采用Duncan法进行多重比较，Pearson法进行相关性分析。

2结果与分析

2.1植物对富营养化水体中总氮的去除效果

各植株经过预培养和清洗之后几乎无碎屑残余，因此，水体总氮、总磷质量浓度的变化基本反映了植物本身对富营养化水体的净化效果。

随着处理时间的延长，总氮质量浓度呈下降的趋势。总氮在前一周的去除率最好，而后去除力逐渐降低。试验29 d后，对照桶中总氮质量浓度比初始质量浓度降低了35%左右，这可能是由于夏天气温较高，水中的氨根离子更容易转化为NH3[10]。各桶中总氮质量浓度均显著比对照低(P<0.05)，不同植物间下降程度不同且差异显著。

由表2可知，在中质量浓度条件下，黑三棱、风车草、花叶香蒲对总氮的去除效果较好，29 d后总氮平均质量浓度分别为0.566、0.935、1.173 mg·L-1，平均去除率分别为95.36%、92.14%、90.29%。而水毛花对总氮的去除效果最差，平均去除率为62.00%。在高质量浓度条件下，风车草、黑三棱对总氮的去除效果依旧较好，去除率分别为95.63%、93.09%。而马蔺和水毛花的去除率较低，分别为62.84%、58.99%。高质量浓度条件下，各植物对总氮的去除率普遍不及中质量浓度条件下植物对总氮的去除率，其中花叶香蒲变化最为显著。而泽泻则在高质量浓度条件下表现出更好的去除效果。

2.2植物对富营养化水体中总磷的去除效果

水体中总磷的质量浓度随处理时间延长也均有一定程度的下降，这表明沉降作用对总磷的去除有一定作用。试验29 d后，对照桶中总磷质量浓度比初始质量浓度降低了17%左右，其余桶中总磷质量浓度均显著比对照低(P<0.05)。

由表2可以看出，在中质量浓度条件下，风车草、黑三棱、花叶香蒲对总磷的去除效果较好，平均去除率分别为89.58%、85.95%、83.14%。而马蔺对总磷的去除效果显著低于其他植物，平均去除率仅为26.32%。在高质量浓度条件下，风车草、黑三棱对总磷的去除效果依旧较好，而马蔺和水毛花的去除率较低，分别为25.71%、39.27%。高质量浓度条件下，各植物对总磷的去除率普遍不及中质量浓度条件下植物对总磷的去除率，而花菖蒲在高质量浓度条件下反而表现出更好的总磷去除效果。同一植物对不同质量浓度富营养化水体中总磷的吸收有一个相对最适值。水体富营养化程度过低或者过高都会降低植物对总磷的去除率。整体上看，植物对不同质量浓度富营养化水体中总氮和总磷的吸收效果具有一定的差异性，水毛花对总磷的去除效果明显好于其对总氮的去除效果。

2.3植物对富营养化水体中化学需氧量的去除效果

试验前一周化学需氧量质量浓度下降速度最快，到第2～3周，化学需氧量质量浓度出现一定的回升，这种升高在高质量浓度组表现尤为明显。其原因可能是由于植物老根腐烂分解，产生新的有机物质[11]，也可能是由于水体中微生物代谢产生了有机物，从而增加了水体化学需氧量的质量浓度。

水体中化学需氧量去除率见表2。在中质量浓度条件下，水毛花、马蔺、花叶芦苇化学需氧量的去除效果较好，平均去除率分别为80.89%、80.32%、74.87%，而花菖蒲和黑三棱对化学需氧量的去除效果较差。在高质量浓度条件下，花叶芦苇、花叶香蒲对化学需氧量的去除效果较好，去除率分别为80.50%、69.70%，而马蔺和水毛花的去除率较低。各植物对化学需氧量的去除效果在中、高质量浓度条件下变化较大。水体中化学需氧量质量浓度的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[12]，因此，水体pH值、透明度等均对微生物的影响较大，这可能是导致本次试验中化学需氧量变化较大的原因。

表2　植株对2种不同质量浓度富营养化水体的净化效果

注：数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

2.4植物在富营养化水体中生长指标的变化及影响

试验期间各种植物均长势良好，株高、根长、鲜质量均有不同程度的增加(表3，表4)。除风车草、花叶芦苇外，其余植物的株高在中质量浓度条件下的增长量大于在高质量浓度条件下的增长量。而根长则与之相反，除泽泻外，其余植物的根长在中质量浓度条件下增长更快。可见，在这几种被试植物中，中质量浓度条件更有利于植株地上部分的增长，而高质量浓度条件则更有利于植株地下部分的增长。

由表4可知，各植物试验前后鲜质量的变化显著(P<0.05)。分析各植物单位质量去除效果可以发现，植物对于总氮、总磷的单位去除量随质量浓度增大而增加，且各植物间总氮、总磷的单位去除量差异小于化学需氧量的单位去除量差异。尽管马蔺对总氮、总磷、化学需氧量都表现出较强的单位去除量，但是从去除量的角度来看，其净化效果明显弱于其他植物。

表3　植株株高、根长增长量

注：数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

表4　植株对2种不同质量浓度富营养化水体中污染物的单位去除量

注：数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

植物生长量与各指标去除效果之间的相关性分析见表5。中质量浓度和高质量浓度条件下，总磷去除率与植物生长量呈正相关，r分别为0.752和0.915；中质量浓度条件下，总氮去除率与植物生长量的相关性不显著，而在高质量浓度条件下，相关性极显著，r为0.825。可见，总氮、总磷的去除率与植物生长量的相关性较好，且高质量浓度条件下其相关性更加明显。因此，在重度富营养化水中，可用植物生长量作为快速鉴定植物净化能力的重要指标。这与葛滢等[13]、金树权等[14]的研究结论一致。高浓度条件下，化学需氧量去除率与植物生长量相关性不显著，因此，此时化学需氧量降低主要是依靠系统中微生物和藻类的生长对其中碳源的利用和植物根系对其颗粒有机物的过滤作用[15]，与植物生长量关系并不明显。而在中质量浓度条件下，化学需氧量去除率与植物生长量呈显著负相关，这是由于此时生长量小的植物，如马蔺，化学需氧量反弹量小，而生长量大的植物，如风车草、黑三棱等，水质情况不稳定，后期化学需氧量反弹回升，抵消吸收效果，使得植物对化学需氧量的去除率降低。

表5　植物生长量与各指标去除效果之间的相关性

注：n为样本数；*表示在0.05水平上差异显著；** 表示在0.01水平上差异显著。

3结束语

供试的所有植物在中、高质量浓度条件下对总氮、总磷、化学需氧量的去除效果均十分显著。在中质量浓度条件下，黑三棱、风车草对总氮和总磷的去除效果均较好，平均去除率分别超过90%和81%，水毛花对总氮的去除效果最差，马蔺对总磷的去除效果最差。在高质量浓度条件下，黑三棱、风车草总氮和总磷的去除效果依旧较好，马蔺和水毛花对总氮和总磷的去除率均较低。综合本次试验结果，黑三棱、风车草、花叶香蒲的综合净化效果较好，应用范围广，潜力大。

在这几种被试植物中，中质量浓度条件更有利于植株地上部分的增长，而高质量浓度条件则更有利于植株地下部分的增长。分析植物单位增质量的去除量可以发现，植物对于总氮、总磷、化学需氧量的单位去除量随质量浓度增大而增加，这表明植物对富营养化水体的净化仍具有潜力。马蔺虽对总氮、总磷、化学需氧量都表现出较强的单位去除量，但是其净化效果明显弱于其他的植物。因此，不能仅以单位去除量来评价植物对富营养化水体的净化能力，还需参考植物实际净化效果。

总氮、总磷的去除量与植物生长量具有相关性，且高质量浓度条件下相关性更显著。因此，在重度富营养化水中，提高植物生物量可大大提高对总氮和总磷的去除率。同时，在重度富营养化水中，可用植物生长量作为快速鉴定植物净化能力的重要指标。在本次试验中，大部分水体的化学需氧量质量浓度在试验后期都出现了一定程度的反弹，其中，黑三棱、花叶香蒲、花菖蒲反弹最明显，这与唐金艳等[16]的研究结果类似。由于化学需氧量的变化受水体中的藻类及微生物的影响较大，其与植物生长量的相关性仍有待进一步试验和分析，因此，今后测定化学需氧量时应该同时考虑水体的透明度、藻类含量、水体pH值、水体细菌含量等一系列指标。

实际应用中，植物群体的净化效果可能与种植密度有关，今后的研究中应考虑被试植物在园林应用中的种植密度，综合计算出其净化效果。另外，试验时间为夏季，未能检测春、秋两季植物净化能力的变化，在今后的研究中，有必要加长试验周期，研究植物在其整个生命周期中的生长状态和净化水平。

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第一作者简介：戴汕，女，1992年2月生，北京林业大学园林学院，硕士研究生。E-mail:sunny_d1992@126.com。 通信作者：李庆卫，北京林业大学园林学院，副教授。E-mail:lqw6809@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2015年11月12日。

分类号S68;X52

Removal Efficiency of Eight Plants in Two Different Eutrophic Water//

Dai Shan, Li Qingwei(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P.R.China)//

Journal of Northeast Forestry University，2016,44(7)：80-83.

Selecting eight hydrophytes including Cyperus involucratus, Iris ensata, Sparganium stoloniferum, Schoenoplectus mucronatus, Typha latifolia ‘Variegata’, Iris lactea, Alisma plantago-aquatica, and Phragmites australis var.variegates, and setting two kinds of eutrophic water by using hydroponics, we studied the effects on the removal of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), chemical oxygen demand (CODcr) and the growing situation of eight hydrophytes in 29 d.All these plants had a significant purifying effect.In moderate degree eutrophic water, Sparganium stoloniferum, Cyperus involucratus, and Typha latifolia have better effect on removing TN and TP after incubation of 29 d, with the removal rates of above 83%.In high degree eutrophic water, Sparganium stoloniferum, and Cyperus alternifolius have better effect with the removal rates of above 75%.But Iris lacteal and Schoenoplectus mucronatus don’t have a relatively poor purifying effect in both two degree eutrophic water.The decrease of CODcr was obvious in the early stage of the experiment, but it rose slowly in the later stage.Purification effect of plants on TN and TP is correlated with the growth of the plants, and the correlation is more significant under high degree eutrophic water conditions, while CODcr has lower correlation with the growth of plants.

KeywordsHydrophytes; Eutrophic water; Water purification

责任编辑：任俐。