不同生活型水生植物混合种植对氮磷等营养物质的去除研究

曾嘉敏，邹任炯，姚家敏，吴画屏，黎楚婷，郭玉娟

（肇庆学院 生命科学学院，广东 肇庆 526061）

水体富营养化研究一直是水生态系统修复的热门领域之一[1]，随着人类对自然环境的开发，N、P等营养盐流入湖泊、河流，造成水体富营养化.目前富营养化水体的治理方法主要包括：物理、化学和生物手段.其中，利用水生植物净化水体的方法具有技术简单、效果良好等优点.朱斌研究认为水生植物在生长过程中会吸收大量的氮磷等营养物质合成自身结构，一方面通过根系吸收，另一方面通过茎叶等器官的体表吸收[2].水生植物本身对富营养化水体净化就有综合吸附沉淀、吸收代谢和富集浓缩等作用[3].李龙山利用芦苇作为净化污水的净化原料研究表明，芦苇对污水的N、P具有很好的净化效果[4].另外，张志勇等认为将水生植物进行合理搭配能够取得优势互补、共同促进等效果，还能增加景观观赏价值[5].国内外对于不同生活型水生植物混合种植的研究较少，因此通过实验室条件下研究不同生活型水生植被对水体的修复净化效果，以探讨混合配植不同生活型水生植物对水体中N、P去除的可行性，关注植物营养盐去除机理层面，为水体的富营养化修复提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 材料

实验所用的2种水生植物均采自肇庆学院生命科学学院生物园的自然水体，其中挺水植物选用芦苇，属于禾本科芦竹亚科芦苇属，是多年水生或湿生的高大禾草，具有生态、观赏价值等.实验共挑选了54株芦苇，平均生物量为4.7±0.5g，株高为13±2cm.沉水植物选用苦草，是多年生无茎沉水草本，具有药用、观赏和生态等价值.实验共挑选了54株苦草，平均生物量为3.5±0.8g，株高为5±0.5cm.

1.2 实验方法

选用相同规格的12个90 L的塑料箱，规格为66 cm×45 cm×36 cm，分别加入30 L自来水.将芦苇和苦草的根部用定植篮固定后放入塑料箱，试验箱包括各3箱芦苇、苦草及组合型，每个箱子放12株水生植物，株间距10 cm，另外设置3个无水生植物的空白对照组，对塑料箱进行编号.用硝酸钾、磷酸二氢钾作为实验的N源和P源进行配置，分别向塑料箱添加不同浓度梯度的氮磷营养盐，分别为水样1：TN：5.0 mg/L、TP：0.5 mg/L；水样2：TN：3.0 mg/L、TP：0.3 mg/L；水样3：TN：1.0 mg/L、TP：0.1 mg/L，每种水样设置3个重复，每3天为一个周期测定水体中的氮磷浓度.另外，实验于温棚中进行，实验期间，温棚温度在20～25℃之间，温度测量采用直立式采水器内置温度计，测量实验过程中湿地植物种植的温度，并进行比较.采用碘量法测定溶解氧的含量.

1.3 水质监测指标

1.3.1 总氮含量测定

测定方法采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894-89）测定.氮含量CN（mg/L）可按下式计算：

其中：m—测出的含氮量，mg；V—测定所用的试样体积，L.1.3.2 总磷含量测定

测定方法采用钼锑抗分光光度法（GB 11893-89）测定.磷含量Cp（mg/L）按以下公式计算：

其中：m—试样测出的含磷量，mg；X—样品稀释倍数；V—测定用试样体积，L.

1.3.3 去除率计算

水体中氮磷去除率计算公式为：去除率（%）=(C0-C1)/C0×100%

式中C0为初始水体中污染物的浓度，mg/L；C1为水体中污染物的浓度，mg/L.

2 结果与分析

2.1 湿地植物种植对水样TN的去除效果

从图1～3可以看出，试验植物在3种不同富营养化水体中均表现出一定的净化能力.在试验第一个周期，3种水体中总氮浓度下降的幅度最大，各试验组的去除效率均显著高于空白组（P＜0.05），其中水样1中的试验植物表现出最强的净化能力；在水样2以及水样3中，水生植物在第一个水质测定周期中对总氮的去除能力均表现为苦草＞组合型＞芦苇.

在第一个测定周期以后，植物在3种水样中对总氮的去除速率均趋于平缓，且水体中总氮的浓度略有上升.可能原因如下：由水体自身硝化、反硝化作用的相对强弱所引起的，若水体中的硝化作用强度大于反硝化作用强度，硝态氮将累积，反之则降低[6]；试验后期，植物的生长状况变差，叶子出现发黄和腐烂等现象，对水体中的总氮含量产生了影响.

图1 水样1中总氮浓度的动态变化

图2 水样2中总氮浓度的动态变化

图3 水样3中总氮浓度的动态变化

从表1可见，在水样1中，试验材料对总氮的去除率在52.95%～67.33%之间，其中去除能力最强的为苦草，最弱的为芦苇；在水样2中，植物对水体的净化能力下降，芦苇与苦草的组合型对总氮的去除率最高，其次为苦草，最低为芦苇；在水样3中，水生植物对污水的净化能力不佳，去除率均在10%以下，其中芦苇和组合型的去除率没有明显差异，苦草的去除率最低.可见，随着水体中总氮浓度的增加，水生植物对总氮的去除率也相应提高，即植物对总氮的去除能力表现为水样1＞水样2＞水样3.

另外，水样3中苦草对总氮去除率较低，为1.84%，这是由于过低的氮浓度会限制沉水植物的生长，导致苦草在不容易生长的同时也容易死亡，从而分解更多的氮元素进入水体，导致水体的去除率降低[7].

表1 植物对不同富营养化水体中总氮的去除率

2.2 湿地植物种植对水样TP的去除效果

图4～6表明，实验结束时，不同水体中的含磷变化量不同，不同水体中芦苇水箱、苦草水箱、组合型水箱的含磷变化量差距细微，且图中反应了芦苇、苦草、组合型对3种浓度的水体中总磷的处理效果.水样1总磷浓度在前2个水质测定周期迅速下降，水样1中各试验组的去除能力显著高于空白组（P＜0.05），后面的周期去除速度逐渐下降.其中，组合型总磷浓度下降较为平缓，而芦苇，苦草单一组总磷浓度下降较快.水样2中不同植物对磷的去除存在相似的去除规律.图6中的数据波动较大，有多个水质测定周期均出现总磷浓度上升的情况，可能原因如下：水样3中的植物在实验之前没有完全冲洗干净，叶子上或茎上带有某些藻类等，实验的第二个周期开始，苦草部分叶子尖端发黄枯萎，芦苇幼苗基部有轻微腐烂现象，影响水体营养物质的含量.已有研究表明，植物对水体污染物的去除效果与植物的生长状态密切相关[8].但从总体上看.总磷含量趋于减少.

图4 水样1中总磷浓度的动态变化

图5 水样2中总磷浓度的动态变化

图6 水样3中总磷浓度的动态变化

从表2可见，水生植物在不同水体中对总磷都有一定的去除作用，去除率均在40%以上.在水样3中，芦苇对水体中总磷去除能力最强，去除率达到67.64%，去除能力最弱的是苦草.在水样2中，植物对总磷去除能力没有显著差异，去除效果在82%～90%之间.在水样1中，芦苇，苦草和组合型对水体中总磷去除率依次为：91.81%、81.08%、90.09%.可以看出，植物对水样1总磷的去除能力强弱依次为：芦苇＞组合型＞苦草.综合上述分析可知.芦苇在3种水体中都表现出最强的去除能力.随着水体中总磷浓度的增加，芦苇和组合型对总磷的去除率也相应升高；而苦草的去除率则表现为：水样2＞水样1＞水样3.

单一型和组合型对水体中总氮、总磷去除效果表现出差异性，这是由于组合型中的植物生长较快，对总氮、总磷的净化效果更好，分析原因可能是不同湿地植物的根系泌氧能力及氮磷吸收性能不同[9]，不同的水生植物，会有不同的功能和特点，有的可以更快地吸收氮，有的能更好地富集磷元素，不同水生植物组合种植时会有利于植物之间取长补短，形成互补关系，保持较为稳定的净化效果.

表2 植物对不同富营养化水体中总磷去除率

3 结论

本研究在室内静水条件下通过水体氮、磷含量及去除率等多方面分析，对不同水生植物的氮、磷吸收和水质净化能力进行比较研究，结果显示：芦苇和苦草及其组合型对同浓度模拟污水中氮磷具有去除能力.高中低3种氮磷浓度水体中总氮和总磷含量均随时间出现下降趋势，且下降过程都会经历2个时期即迅速下降期和缓慢下降期.在总氮浓度为5 mg/L的水体下，苦草对总氮的去除率最高，为67.33%，其次是组合型，去除率为63.74%，总氮浓度为3 mg/L、1 mg/L的水体中，组合型对总氮的净化效果最好，去除率分别为38.81%、6.34%；在对总磷的去除效果比较中，在总磷浓度为0.5 mg/L、0.3 mg/L、0.1 mg/L的水体下,芦苇的去除能力均是最强的，去除率分别为91.81%、89.21%、67.64%.这表明，从植物对氮的去除率来看，选用苦草处理效果较好；从磷的去除率来看，则选用芦苇处理效果较好，但水生植物混合种植对去除水体中的氮、磷的效果与单一种植的效果并无显差异.另外，湿地植物种植的温度也发生了变化，每个水样虽存在差异，但温差都较小，不超过2℃.另外实验前后溶解氧发生了变化，芦苇的3个水样中的溶解氧平均值是1.980 mg/L，苦草的溶解氧平均值为5.409 mg/L，芦苇和苦草混合种植中的溶解氧平均值为3.107 mg/L，其中苦草的溶解氧最高，与溶解氧最低的相比，高3.429 mg/L.实验研究表明：针对不同污水总氮总磷情况与特点进行苦草和芦苇合理搭配种植，对治理富营养化水体具有较好净化效果.