不同植物组合对水体氮磷的去除效果

邓鸿杨，傅斌，韦杰，何洪任，阳林

(1.重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 401331； 2.中国科学院/水利部 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041； 3.重庆源泽水生植物有限公司，重庆 400038)

水体富营养化是三峡库区当下最突出的水环境问题之一。2016年，三峡库区长江主要支流监测的24个地表水基本项目中，总氮(total nitrogen, TN)、总磷(total phosphorus,TP)超标率分别为89.5%和79.1%[1]。富营养化水体的修复通常有物理、化学等方法，但传统方法存在净水成本高、耗时长、易造成二次污染等缺陷[2]。水生植物在水生态系统物质、能量循环中具有重要作用。当前，在农业面源污染、城市污水处理，以及富营养水体治理中普遍采用水生植物修复技术[3]。该方法具有投资省、见效快、极少再次污染、管理维护方便的优势，并可以同时兼顾生态效益与经济利益[4-6]。

目前，大多数研究是配置试验水池，选择黑藻、金钱草、美人蕉等水生植物[7-8]进行去除氮、磷和重金属的人工模拟试验[9-13]。这些研究主要集中在单种植物对氮磷和重金属的去除上，关于水生植物组合去除氮、磷效果的研究较少。然而，自然界中极少存在孤立的单植物生态环境，单一的净化环境在现实中难以存在，多植物系统更贴近自然生态环境。本研究选取三峡库区常见且具有一定观赏或经济价值的水生植物，在室外自然光温条件下进行更贴近自然环境的水生植物组合净水试验，研究不同水生植物组合对水体氮磷的去除效果，为三峡库区水环境生态修复工程提供植物材料与参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于三峡库区腹地万州区长岭镇(30°46′04″N，108°29′39″E)，属中亚热带季风性湿润气候，雨量丰富，年均降水量1 293.3 mm，降水季节差异大，集中于5—10月。年平均气温17.7 ℃，无霜期183～260 d。地层分布为中生代侏罗系沙溪庙组(J2s)和自流井组岩层(J1z)。紫色成土母质占优势，土壤为中性紫色土和水稻土。自然植被以亚热带常绿阔叶林为主，山地多针阔混交林。主要种植作物有玉米(Zeamays)、小麦(Triticumaestivum)和水稻(Oryzasative)等。试验区人口众多，水环境极易受生产生活影响而富营养化。

1.2 处理设计

本试验于2017年3月27日—8月16日在中国科学院成都山地灾害与环境研究所万州典型区生态环境监测重点站进行。3月27—31日选取同坡向现成水池共14个进行试验，水池采用砖混结构砌成，尺寸为1 m×1 m×1 m，采集同地底泥混合后平铺于池底至15 cm，加自来水没过底泥2 cm，底土充分浸透后铺平，再各加50 L自来水浸泡10 d。根据水生植物分类，选择茭白(Zizanialatifolia, ZL)、黄花鸢尾(Iriswilsonii, IW)2种挺水植物，以及浮叶植物睡莲(Nymphaeatetragona, NT)、漂浮植物浮萍(Lemnaminor, LM)和沉水植物金鱼藻(Ceratophyllumdemersum, CD)。根据不同水生植物生长空间特点，确定浮萍+茭白(LM+ZL)、金鱼藻+黄花鸢尾(CD+IW)、睡莲+黄花鸢尾(NT+IW)3种组合。于4月10日在万州花鸟市场挑选健壮幼苗，将洗净的根部浸入盛有自来水的培养容器中，24 h后移植至观测池并扶正，结合“四角+中点”和“四边+中点”两种方式布局各观测池种植点，缓慢注入自来水至观测池壁40 cm处。使用分析天平(0.01 g)称取每株植物质量，合理配置，使各观测池同植物的生物量一致。试验设置高(H)、中(M)、低(N)3种氮磷浓度：20 mg·L-1(TN)/10 mg·L-1(TP)、11.5 mg·L-1(TN)/6 mg·L-1(TP)、2 mg·L-1(TN)/0.5 mg·L-1(TP)，每种浓度下每种植物组合用1个观测池，另设中浓度鸢尾池、浮萍池、金鱼藻池、茭白池、睡莲池各一个，合计14个观测池。

于4月11日分别称取氮肥(N≥46.4%)10.36、5.96、1.04 g，磷肥(P2O5≥12%)41.67、25.00、2.08 g，对应配置后随流水缓慢注入观测池，5 d后取初始水样，循环水真空泵滤除杂质后，使用德国产全自动连续流动分析仪(AA3)测定TN、TP[14]。经测试(5月1日)，各处理池中TN、TP的实测浓度分别为：L-LM+ZL，1.995和0.657 mg·L-1；M-LM+ZL，12.390和5.166 mg·L-1；H-LM+ZL，20.805和10.438 mg·L-1；L-CD+IW，1.770和0.471 mg·L-1；M-CD+IW，10.930和5.303 mg·L-1；H-CD+IW，20.260和9.794 mg·L-1；L-NT+IW，1.883和0.570 mg·L-1；M-NT+IW，10.185和5.574 mg·L-1；H-NT+IW，20.520和9.525 mg·L-1；M-LM，10.501和5.232 mg·L-1；M-CD，11.430和5.670 mg·L-1；M-NT，9.615和5.120 mg·L-1；M-ZL，10.930和5.500 mg·L-1；M-IW，10.323和5.479 mg·L-1。

水样采集频次为每月1日、16日，观测时间从4月15日至8月16日，历时4个月，共9组数据。试验场地露天，为保持水深统一，每日使用水位尺测量水位，增补去离子水保持水深。同时，为避免降水对试验的影响，降雨时使用聚氯乙烯膜遮挡并保持通风，每日巡查拾出杂物。

2 结果与分析

2.1 水生植物生长情况

经过4个月的自然生长，各组合池内生物量相差较大。中浓度条件下各植物组合的总生物量相应高于其他浓度条件下。各浓度条件下，金鱼藻+黄花鸢尾组合的黄花鸢尾均生长较好，生物量超过450 g，而睡莲+黄花鸢尾组合中黄花鸢尾因生长空间受睡莲影响生长较差，仅高浓度条件下生物量超500 g，其余均不超200 g。试验过程中，人工培育的金鱼藻全部死亡，5月下旬中、低浓度条件下自然生长的野生金鱼藻可替代原金鱼藻，以保证试验顺利进行。睡莲生长较好，根系与茭白根系类似，但长度与数量均不如茭白根系。3个组合中，浮萍+茭白的生物量最大，其中，中浓度条件下生物量总计达27 426 g。睡莲与浮萍在中低浓度生长较好，茭白与黄花鸢尾在中高浓度下生物量更大。整体来看，茭白生长旺盛，植株挺拔，收割时地下茎粗壮，根系发达。浮萍5—6月生长极快，3～5 d铺满水面后即收割一半，7—8月因高温生长停滞，变小或沉底。

单种植物池中，浮萍累积生物量最大，为11 190 g，人工培育的金鱼藻全部死亡，不计生物量，其他植物生物量从高到低依次为茭白(2 515 g)>睡莲(1 482 g)>黄花鸢尾(379 g)。

表1 不同植物组合下各水生植物的生物量

注：浮萍生物量为累积生物量。表中金鱼藻数据来自池中的野生金鱼藻。

2.2 不同植物组合去除氮磷的效果

图1是整个试验周期水样TN、TP含量变化情况，总体上两指标变化规律较一致。试验从4月15日开始至8月16日结束，各处理条件下，水体TN、TP浓度总体呈不同程度的下降趋势。从试验开始至5月初，各池TN、TP含量变化极小，原因可能是水生植物均为刚种入幼苗，吸收氮磷的能力较弱。自5月起，各植物池TN、TP下降幅度增加，原因可能是随着气温持续升高，植物进入旺盛生长期，对氮、磷的吸收能力增强。3种植物组合对水体氮、磷的去除能力差异明显，去除效果最好的是浮萍+茭白，高、中、低浓度下TN和TP的去除量分别为1.781和0.538 mg·L-1、3.628和0.879 mg·L-1、1.914和0.585 mg·L-1。金鱼藻+黄花鸢尾组合总体上强于睡莲+黄花鸢尾。高浓度下，金鱼藻+黄花鸢尾组合里金鱼藻死亡后黄花鸢尾生长较好，但叶面下半部分略发黑。

图1 不同植物组合对水体TN、TP的去除效果

对比各试验处理，中浓度条件下各组合生物量大(表1)，去除效果亦较单种植物池效果更好(图1)。对比中浓度条件下，整个试验周期内不同植物组合以及单种植物对水体TN、TP的去除效果可见，总体上组合池效果优于单种植物池，大生物量植物组合的去除速率快于小生物量植物组合。单植物池中去除速率最快的为浮萍池，其余植物TN去除量从高到低依次为茭白>黄花鸢尾>睡莲>金鱼藻，TP去除率从高到低依次为黄花鸢尾>睡莲>茭白>金鱼藻(金鱼藻后期死亡)。相比其他水生植物，浮萍根系没入水中，能直接从试验水体吸取养分，从而直接降低TN、TP含量，加上人为打捞为其创造了生长空间，实现了TN、TP转移，加速了其对水体TN、TP的去除。黄花鸢尾与茭白净化各有特点，茭白去除TN的效果好于黄花鸢尾，但黄花鸢尾对TP的去除量高于茭白。

在本试验过程中，不同植物组合对水体TN、TP的去除表现出一定的季节性。浮萍+茭白组合在5—6月对水体TN、TP的去除效果更好，这是因为5—6月浮萍生长旺盛，TN、TP去除较快，61 d总计去除率分别为9.08%和5.82%，7—8月受高温影响，浮萍生长缓慢，去除速率减缓。而金鱼藻+黄花鸢尾和睡莲+黄花鸢尾组合则是在7—8月去除能力更强，这是因为金鱼藻、鸢尾、睡莲喜暖喜光，夏季比春季生长更旺盛，相比5—6月能消耗更多的N、P。

3 讨论

本试验发现，在TN、TP高、中、低3种浓度下，浮萍+茭白组合对水体TN、TP的去除效果均最好。可能是因为浮萍及其根系数量多，比表面积大，既可直接从水体中吸收氮磷，也可为氮的硝化与反硝化过程提供良好的发生空间。另外，浮萍满池便打捞半池以便为其提供生长空间，而这一过程中随着生物量的转移，也有利于该植物组合持续吸收水中氮磷并将其转移。其他水生植物扎根于底泥中，难以大量吸收水体中氮磷。水生植物组合产生的净化效果总体上好于单一植物，但中浓度下，虽然浮萍+茭白池组合的TN、TP去除量大于对应两单种池之和，但睡莲+黄花鸢尾组合的TN、TP去除量则是大于对应单个单种池，小于对应单种池之和。氮磷浓度对植物净化效果也有一定影响，总体上，浮萍+茭白和金鱼藻+黄花鸢尾的去除效果表现为中浓度>低浓度>高浓度，而睡莲+黄花鸢尾则表现为高浓度>中浓度>低浓度。总体来看，中浓度的试验条件更适合水生植物生长，去除效果最好。

本试验发现，水生植物对水体TN、TP的去除效果具有较为明显的季节性，以浮萍+茭白最为明显，5—6月的效果明显优于7—8月，而另两种植物组合的表现则刚好相反。这可能与植物生长习性有关。万州7—8月平均温度为25～34 ℃，浮萍在高温下变小或沉底[15]，去除能力下降，而黄花鸢尾、睡莲耐高温，夏季生长旺盛，对氮磷消耗量大，金鱼藻虽不耐高温，但因生活在水体内，温度相对较低，因此即使是在7—8月也能消耗较多的氮磷，茭白虽也喜高温，但在本试验中去除效果不及浮萍，难以改变其所在组合的总体效果趋势。

研究表明，生物量与水体中TN去除负荷存在显著的正相关性[16]。这可能是因为，生物量越大，植物对氮磷的需求亦越大，吸收能力亦越强。本研究中浮萍+茭白对水体TN、TP的去除效果较好，可能与其生物量较大亦有关。