水生植物对富营养化水体净化效果的初步研究

相　晨，卢剑波，刘　芳，李伟东

(1.杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310036；2. 杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)



水生植物对富营养化水体净化效果的初步研究

相晨1，卢剑波1，刘芳2，李伟东1

(1.杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310036；2. 杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

通过室内水箱种植，设置S1(大薸)、S2(大薸+金鱼藻)和S3(狐尾藻+金鱼藻+大薸)3种水生植物组合在重度富营养水体中进行水培试验，并连续测定水体TN、TP、CODMn、电导率、DO和pH等指标。结果表明：S3对富营养化水体具有较强的净化能力，对TN、TP的吸收效果良好；对TN的去除率S1>S2>S3，对TP的去除率S2>S3>S1； S2、S3与S4(空白对照组)之间的差异都极显著； S1、S2与S4之间的CODMn降低率差异都极显著，在处理效果最佳时期，CODMn降低率S3>S1>S2；S1、S2与S4之间的DO差异都极显著。试验前水体浑浊，试验结束后，水体清澈见底。大薸、狐尾藻和金鱼藻3种水生植物可作为长江中下游地区，特别是浙江省“五水共治”工程中河道富营养化水体治理的优选水生植物材料。

水生植物；富营养水体；水体治理；水质指标；净化效果

0　引言

随着人类对环境资源开发利用活动日益加剧，工农业生产大规模地迅速发展，使得大量含有N、P营养物质的生活污水排入附近的湖泊、水库和河流[1-6]，增加了这些水体营养物质的负荷量，这极大地缩短了水体由贫营养向富营养过渡所需要的时间[7-8]。水体富营养化不仅对水体水质有严重影响，还会影响到周边环境和人文景观，甚至通过水生态系统危害到人类的健康。水体富营养化已成为日趋严重的全球性环境问题,目前在河道、湖泊湿地系统利用水生植物净化水体、水生植物选择和措施方面已经开展了大量研究和实践[9-13]。部分水生植物对N、P去除效果明显[14-15]，并通过水生植物光合作用，增加水质DO含量[16-17]，从而改善水质。本研究筛选大薸(Pistiastratiotes)、狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)和金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)3种水生植物为研究对象，重点观测在富营养水体状态下，水生植物生长状况、其对TN、TP的去除效果和其它水质指标的变化情况，分析不同植物组合对富营养化水体不同指标改善能力的优劣及种植技术，为富营养化水体治理优选高效、适宜的水生生物提供科学支撑，以期为长江中下游地区，特别是浙江省“五水共治”工程中河道富营养化水体治理的水生植物物种优选提供依据。

1　试验概况

试验于2015年7—9月进行，地点为杭州师范大学下沙校区2号试验楼，前期因高温天气将试验地点安排室内，后期试验在阳光照射良好、通透的走廊进行。

2　试验材料

2.1样品采集

依据现有的研究结果，本研究通过查阅大量资料，深入实地调查和比较，本着本土性、适应性和强净化性的原则，选择了大薸(Pistiastratiotes)、狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)和金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)3种对富营养化水体修复效果好的水生植物。

试验物种介绍：

(1)大薸(Pistiastratiotes)

大薸属生飘浮草本。全球热带及亚热带地区广布种。本种喜欢高温多雨的环境，适宜于在平静的淡水池塘、沟渠中生长。在温暖的南方是水田中常见的杂草(中国植物物种信息数据库)。

(2)狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)

多年生粗壮沉水草本。为世界广布种，中国南北各地池塘、河沟、沼泽中常有生长，常与穗状狐尾藻混在一起。夏季生长旺盛,冬季生长慢，能耐低温，一年四季可采收，可为养猪、养鱼、养鸭的饲料(中国植物物种信息数据库)。

(3)金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)

金鱼藻是金鱼藻科金鱼藻属、多年生草本的沉水性水生植物，分布于中国、蒙古、朝鲜、日本、马来西亚、印度尼西亚、俄罗斯及其它一些欧洲国家、北非及北美，为世界广布种(中国植物物种信息数据库)。

水生植物的种苗由杭州天景水生植物园提供。

试验水体由杭州下沙之江东路钱塘江边湿地水体与来自浙江杭州萧山舒兰农业蔬菜基地的沼液3∶1自行配制，依据《GB3838-2002 地表水环境质量标准》中指标的标准值评判，属于严重富营养化的劣V类水体[18]。

表1　试验所用植物分组配比

2.2水生植物培养

本试验采用人工控制的方法，选取经驯养适应一段时间后生长状况基本一致的健康幼苗移栽入16个45cm×41cm×31cm(长×宽×高)敞口塑料培养箱，箱底预置约6cm厚的底泥。底泥取自杭州师范大学下沙校区花房土壤，使用旱地土壤的目的是降低土壤内水草繁殖体对试验结果的干扰。

各处理重复4次。试验过程中定期添加待纯水至箱内水线以补给蒸发造成的水分损失。

2.3测定指标与测定方法

测定指标包括DO、pH、水温、电导率、TN、TP、CODMn。其中DO、pH、水温、电导率采用HACH HQ40D测定仪测定；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)测定；TP采用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)测定；CODMn使用CODMn法(GB11892-89)测定。从试验开始，连续记录植物生长状况并测定相应水质指标，每3d分析测定DO、pH、水温、电导率；每7d分析测定TN、TP、CODMn。试验开始前先测定污水各项水质指标，之后每7d取水样1次测定，每个水样进行3次平行测定。取样时间均为上午8∶00—9∶00，以减少试验误差。

2.4数据处理与分析

数据通过SPSS19.0进行统计分析，显著性水平设置为0.05，相关图标制作在Excel中完成。

3　结果与分析

3.1水生植物对试验水体DO的改善效果

经过长达7 周的试验，利用SPSS19.0分析可以看出：S1、S2各组与S4空白对照组之间的差异都极显著，其P(Sig)<0.01；S3与S4之间的差异显著，其P(Sig)<0.05。结合图4可以看出，3个植物组合对污水的DO均有良好的改善，效果明显。各组合植物对试验水体DO的改善效果在前12d较不稳定，之后效果逐渐显现，在后15d效果非常明显。这可能由于：①后期生物量明显增加；②水质在前期试验过程中已有所改善，更适合水生植物生长；③从高温天气转为非高温天，温度条件的改善也促进了水生植物的生长。比较各组合对试验水体DO的改善效果，DO的增加值S2>S3>S1，而S1组合不稳定，这与大薸在人工环境中生长状况不佳，常萎蔫死亡，植物凋落物向水体提供了大量的有机物质有关。另外，也与试验时间过长，超过植物生长周期导致其死亡有关。

在各组合总生物量一样的情况下，狐尾藻和金鱼藻对增加水体DO含量具有良好的效果。S2和S3在前期水体DO增加较慢，主要是由于金鱼藻生长与光照关系密切，试验初期水质过于浑浊，水中透入光线较少，金鱼藻生长状况不佳。空白对照组的DO值的增加效果与各组合表现为趋势一致性，是由于空白组与其他组合在试验过程中都处在同一温度、光照等相同外界条件下，水体中都存在有对DO值有增加效果的微生物，这些微生物可能来自沼液和水样。

3.2水生植物对试验水体电导率的改善效果

利用SPSS19.0对数据进行处理分析，可以看出：S1、S2、S3各组与S4之间的差异都极显著，其P(Sig)<0.01；S3与S2及S1之间差异也极显著，其P(Sig)<0.01。说明水生植物对水中导电离子有很大的吸附作用。电导率降低率S3>S1>S2，分别为37.46%、35.1%和31.88%，S3、S1与S4比较分别高出2.62%和0.67%。由图5可以看出，试验水体 4个组合的电导率均有下降趋势。各组合植物对试验水体的电导率改变在试验前期效果明显，之后趋于平缓，在试验中期出现第二次效果明显后重新趋于平缓。

3.3水生植物与试验水体pH的关系

pH影响试验水体碳酸盐平衡体系，影响水生生物对水中CO2的吸收作用，对水生生物初级生产力有显著影响。由SPSS19.0分析可知： S3与S4之间的差异显著，其P(Sig)=0.026<0.05，这是由于S3种植了3 中水生植物，而S4没有种植植物。由图6可以看出， 4个组合的试验水体的pH均有一定的变化。各组合试验水体的pH值在前15d稳中有降，12～15d急剧下降后有所回升。比较各组合试验水体pH的变化情况，下降率S3>S1>S2，分别为7.17%、6.17%和4.87%，与S4比较各高出6.49%、5.49%和4.19%。在各组合总生物量一样的情况下，S3(狐尾藻+金鱼藻+大薸)植物组合对试验水体pH的改变能力最强。植物生长良好时期，水体pH比较高，这与水生生物光合作用吸收水中CO2有关。从第12d气温开始快速上升，伴随部分生物开始枯黄，生长代谢明显变慢，使pH明显下降。

3.4水生植物对试验水体TP的去除效果

经统计分析：S2、S3与S4之间的差异都极显著，其P(Sig)<0.01，对磷的去除率S1>S3>S2，其去除率分别为89.89%、84.36%和82.5%，与S4比较各高出15.81%、10.28%和8.51%。从图7可以看出，4个试验组合对TP均有一定的去除效果。各组合试验水体的TP浓度变化趋势均是第1周明显下降后稍有回升，第3、4 周明显下降，后半段时期TP浓度略有增加。在处理效果最佳的时期，各组合对TP的去除率从高到低依次为：S2>S3>S1, 与S4比较各高出43.86%、14.41%和12.11%。

对试验结果分析可知，在处理效果最佳的时期，大薸和金鱼藻组合对试验水体的TP的处理能力较强，达到91.95%。一方面说明水生生物通过同化作用去除磷，另一方面本组合沉水植物金鱼藻的茎、叶、表皮与根一样具有对磷的吸收作用，在此发挥了除磷效果。

3.5水生植物对TN的去除效果

分析结果显示：S1、S2和S3与S4之间的差异并不显著，其P(Sig)>0.05，可能与试验时间过长，试验过程中植物体死亡向水体提供了大量的氮有关。有试验研究表明，水生植物在枯黄死亡后，随着植物的腐烂分解会释放出氮、磷等营养物质，其分解释放的影响因素包括植物生理和环境多重因子的相互作用[19-20]。本试验进行了45d左右，气温随气候有所波动，高温时伴随着部分植物的枯黄，水生植物的生长代谢也相对变慢，对TN 的吸收速率也较小。另外，枯萎死亡的植物向试验水体中释放N元素，这使得试验水体的TN浓度随时间呈现不稳定变化趋势。

由图8可以看出，各组合对试验水体的TN有一定去除效果。各组合均在试验进行到第2周和后3周时表现出较好的去除效果。第1周TN明显升高，可能是由于部分植物不适应高浓度富营养化水体发生死亡及沼液自身进一步发酵；第2周时表现出较好的去除效果；随后第3周各组合试验水体中TN浓度都有一定的增加；试验后3周各组合植物均表现出良好去氮效果，TN稳步下降。比较各组合后3周对试验水体TN的去除效果，其中S1去除效果最好，TN 的去除率达72.30%，S2、S3对TN的去除率分别为59.94%和66.79%。但与S4相比各组合对TN的去除优势并不大，可能与试验时间过长，试验过程中植物体死亡向水体提供了大量的氮有关。

3.6水生植物对CODMn的改善效果

统计分析显示：S1、S2与S4之间的差异都极显著，其P(Sig)<0.01，S3与S4之间的差异显著，P(Sig)<0.05， S2与S3之间的差异显著，其P(Sig)<0.05。由图9可以看出，4个组合试验水体的CODMn均有一定下降。各组合试验水体的CODMn变化趋势均是第1周明显下降后有所回升，第3、4 周明显下降，后2周略有上升。在处理效果最佳的时期，各组合对CODMn的降低率：S3>S1>S2,与S4比较各高出27.75%、25.36%和19.39%。各组合CODMn降低率S3>S1>S2，分别为56.21%、53.70%和40.71%，与S4相比优势不大。这与试验时间过长，试验过程中植物体死亡向水体提供了大量的有机物质有关，在实际运用中，应清晰了解植物的生长规律，及时收割，保证处理效果。在各组合总生物量一样的情况下，处理效果最佳的时期，S3(狐尾藻+金鱼藻+大薸)组合对于试验水体的CODMn的处理能力最强，达到46.91%。

4　讨论

4.1前期波动大

大薸在人工环境中生长状况不佳，常萎蔫死亡，植物凋落物向水体提供了大量的有机物质。

4.2后期去除效果稳定

在后15d效果非常明显。这可能由于：①后期生物量明显增加；②水质在前期试验过程中已有所改善，更适合水生植物生长；③从高温天气转为非高温天，温度条件的改善也促进了水生植物的生长。

4.3空白对照组的净化效果与各组合表现较为一致

(1)空白组合与其他组合试验水体中都在同一温度、光照等外界条件下，水体中都存在有净化效果的微生物——来自沼液。

(2)水中本身有小浮萍。

(3)沉淀作用。

5　结论

(1)狐尾藻、大薸、金鱼藻3种植物通过不同组合组成的水生生态系统对富营养化水体具有较强的净化能力，对TN、TP的吸收效果良好。对TN的去除率S1>S2>S3，分别为72.30%、66.79%和59.94%；对TP的去除率S2>S3>S1，其去除率分别为89.89%、84.36%和82.5%；CODMn降低率S3>S1>S2，其各自的去除率分别为56.21%、53.70%和40.71%；S2(大薸+金鱼藻)组合DO的增加明显，DO从试验前0.2mg/L增至7.61mg/L。试验前水体浑浊，试验结束后，水体清澈见底。大薸和金鱼藻组合对于试验水体的TP的处理能力较强, 且对降低CODMn浓度和提升DO显效较快；大薸对TN的去除率较高。

(2)在水生植物组合处理水体的生态系统中，水生植物死亡释放N和P对水质影响较大，甚至短时内严重影响水质。随着温度、生长周期、环境状态等的变化应及时打捞枯黄和死亡的水生植物，防止死亡的水生植物释放N和P。

(3)植物生长良好时期，水体pH比较高，N、P去除率较高。南方夏季高温(尤其在通风条件欠佳的室内)对水生生物生长有抑制作用。从试验第2周气温开始快速上升，部分水生植物开始枯黄、生长代谢相对变慢，使pH明显下降，TN、TP去除效率降低。

(4)狐尾藻、大薸、金鱼藻3种植物对富营养化水体具有较强的净化能力，都适合作为长江中下游地区，特别是浙江省“五水共治”工程中河道富营养化水体治理的优选植物物种，但它们对富营养化水体的净化功能存在一定差异。

(5)水生植物对富营养化水体的净化作用是以水生植物为主体的整个水生生态系统综合作用的结果。

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Effects of Aquatic Plants on Purifying Eutrophic Water

XIANG Chen1,LU Jian-bo1,LIU Fang2,LI Wei-dong1

(1. Qianjiang College, Hangzhou Normal University, Hangzhou Zhejiang 310036, China)

This study analyzed the effects ofPistiastratiotes,CeratophyllumdemersumL.,Myriophyllumaquaticum,andtheircombinationstoclean nitrogen and phosphorous from eutrophic water. Through indoor Water tank,thecombinationsofthree kinds of aquatic plants for water cultureexperiment in severelyeutrophic water were set, which respectively includedthree groups of S1 (Pistiastratiotes), S2 (Pistiastratiotes+CeratophyllumdemersumL.), andS3 (Pistiastratiotes+CeratophyllumdemersumL.+Myriophyllumaquaticum). The concentration of TN, TP, CODMn,conductivity, pHandDO were test continually. The results showed that the S3 (Pistiastratiotes+Myriophyllumaquaticum+CeratophyllumdemersumL.) aquatic ecosystem was of strong purifyingability for the entropic water, and its absorption effects of TN and TP were best. The removal rate of TN was in the order of S1, S2, and S3. The removal rate of TP was S2> S3> S1. The difference between S2 and S3 and S4 (blank group) was significant.Meanwhile,the difference between S1 and S2 and S4 are significant. In the best treatment effect period, the decreased rate of CODMnwas S3> S1> S2. The difference of DO between S1 and S2 and S4 was significant. Before the experiment，the water was turbid. After the experiment, the water became crystal clean.Pistiastratiotes,CeratophyllumdemersumL. andMyriophyllumaquaticumcould be preferred optimization for entropic water control in the Middle and lower reaches of Yangtze River,particularly in the rivers in Zhejiang Province, where “five water governance” project isin force.

water quality index; purification; aquatic plants; eutrophication; water treatment

2016-03-21

2015年浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划(No.2015R423033)。

相晨(1995- )，女，浙江杭州人，杭州师范大学钱江学院环境科学专业学生。

卢剑波，杭州师范大学钱江学院教授,博士,副院长。

X82

A

1673-9655(2016)05-0032-05