5种水生植物对模拟菜地径流中总氮和硝氮净化效果

邵凯迪，段婧婧，薛利红*，薛利祥，周贝贝，徐德福

1.南京信息工程大学环境科学与工程学院 2.农业部长江下游平原农业环境重点实验室，江苏省农业科学院农业资源与环境研究所

水生植物净化技术因其高效和生态友好被广泛应用于农业面源污染及富营养化水体的治理[6]。水生植物不仅能吸收水体中氮、磷等营养成分，还可以形成根际氧化区，通过分解有机物和根际细菌的硝化反硝化作用，达到净化水质和修复水体的目的[7-9]。张树楠等[10-11]研究表明，刈割狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)可带走氮109.12 g/(m2·a)，磷17.95 g/(m2·a)。刘晓波等[12]研究发现，在流动污水中，24 h后苦草对TN、总磷(TP)的去除率分别达63.39%及58.52%。黄花水龙(Ludwigiapeploides)是江浙地区的土著植物，生命力顽强且具有较好的去除水体中氮、磷的能力。黄花水龙群丛可形成天然浮床，在处理浓度分别为3和11 mg/L的水体时，经过5 d即可表现出显著除氮效果[13]。因此，黄花水龙可作为净化菜地径流的备选水生植物。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 试验方法

试验时间为2018年9月中旬—11月中旬。试验在江苏省农业科学院大棚科研试验基地进行，依次排放18个周转箱。设置2个浓度梯度的模拟富硝水：低浓度TN为5 mg/L，TP为1 mg/L；高浓度TN为15 mg/L，TP为1 mg/L。共设6个处理，除5种植物处理外，设1个无植物的对照，每个处理分别设3个重复。在周转箱底部铺设10 cm的细沙作为植物的栽培基质，将苦草、伊乐藻、狐尾藻、黄花水龙和铜钱草分别栽种于箱中，栽种时植物生理参数见表1。栽种植物后，用水泵将配制好的模拟富硝水抽至各周转箱中，每箱每次进水约156 L。静态试验以1周为1个周期，1周试验结束，排尽箱中模拟水，加入新配置的同一初始浓度的模拟水，重新开始1周的试验，以此类推，共开展4周的净化试验。分别在加入模拟水后的第1、2、3、5、7 天采集水样。先开展4周低浓度的净化试验，再开展4周高浓度的净化试验。低浓度试验期昼间水温保持在25.1～29.7 ℃，高浓度试验期保持在12.5～27.7 ℃。

采用五点取样法取100 mL水样，保存于4 ℃冰箱中。试验结束后(2018年11月中旬)，收集每个箱中的植物，用自来水洗净沥干，及时称量鲜质量(FW)。植物在105 ℃下杀青0.5 h后，于60 ℃恒温烘至恒重，称其干质量(DW)。同时测定试验前后植物体内的氮、磷浓度。

表1 不同植物初始株数、鲜质量及收割后鲜质量

1.3 氮去除及平衡计算

图1 低浓度下各处理的氮浓度变化Fig.1 Variations of nitrogen concentration in different treatments under low concentration condition

1.4 指标测定

1.5 数据处理

试验数据采用SPSS 19软件进行方差分析，采用Duncan法进行差异显著性分析(P<0.05)，采用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 对低浓度富硝水体氮的去除效果

图3 高浓度下各处理的氮浓度变化Fig.3 Variations of nitrogen concentration in different treatments under high concentration condition

由图1(b)可知，进水TN浓度为6.32～6.80 mg/L，均值为6.46 mg/L。经过第1周的处理，与无植物的对照相比，黄花水龙和狐尾藻明显促进了氮的净化，水体TN浓度分别下降至0.83和0.88 mg/L，TN去除率高达87%；苦草、伊乐藻和铜钱草对TN去除率虽也达80%，但其TN浓度均略微高于无植物的对照(0.95 mg/L)。第2～3周，5种植物的TN去除率均有所下降，且不同植物间差异逐渐加大。第4周，苦草、伊乐藻和铜钱草水体的TN浓度分别为3.85、3.44和2.30 mg/L，显著高于无植物的对照(1.88 mg/L)；而黄花水龙和狐尾藻则明显低于对照，分别为0.92和1.36 mg/L。总体来讲，黄花水龙和狐尾藻对TN平均去除率保持在80%以上；铜钱草次之，为70%左右，与无植物对照的TN平均去除率相当；而苦草和伊乐藻对TN平均去除率仅为55%左右〔图2(b)〕。

2.2 对高浓度富硝水体氮的去除效果

2.3 水生植物对氮的净化能力

表2 收割后5种水生植物氮、磷吸收量及单位净化能力

注：字母不同表示同一列中不同处理间差异显著(P<0.05)；字母相同表示差异不显著。

2.4 氮平衡计算

通过养分平衡法计算了试验各处理对系统中氮的去除途径,结果如表3所示。由表3可知，各处理通过反硝化等作用脱除的氮量为3 875.34～5 328.21 mg，占系统中氮去除总量的66.56%～98.28%。不同处理通过反硝化等脱除的氮量无显著差异，其中黄花水龙最大，为5 328.21 mg，高于无植物的对照。水生植物吸收占系统中氮去除总量不足34%，不同水生植物对氮的吸收量差异较大，其中黄花水龙和狐尾藻显著高于其他植物，分别达2 201.89 和2 304.68 mg，约为伊乐藻的3.5倍、苦草的10.9倍、 铜钱草的28.8倍。各处理中氮去除率(氮去除总量占初始氮量比例)为28.1%～51.6%，其中黄花水龙最高，为51.6%,狐尾藻次之，为47.2%。

表3 各处理对氮的去除途径 Table 3 Nitrogen removal pathways by different treatments mg

注：同表2。

3 讨论

3.1 水体中的不同去除途径分析

3.3 不同水生植物系统反硝化脱氮能力比较

水生植物可以通过光合作用增加水体中溶解氧浓度，创造好氧-厌氧的微环境，促进微生物的硝化/反硝化作用[33]。黄花水龙和狐尾藻茎部粗壮，沉没于水中的茎部能很好地蔓延和伸展，水中茂密的叶片可以为微生物提供良好的附着场所；且大量叶片和茎杆浮出水面，一定程度上削减了水面以下的光照强度，使水下部分植株光合作用减弱，促进了植物根际区域厌氧界面的生成，为微生物的反硝化作用提供更加适宜的环境。由于黄花水龙不仅可通过自身的快速生长带走水体中大量的氮，其强大的根系结构也可促进水体的反硝化脱氮，因此对氮去除效率最高。无植物的对照也具有一定的氮去除能力，这主要是产生的藻类及反硝化作用共同的结果[34]。

4 结论