不同水生植物种植模式对富营养化水体的净化效果研究

曾明颖，顾凡强，王仁睿

（1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010；2.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621010））

随着社会经济的快速发展，工业、农业、城市污水的排放量剧增，我国水体普遍受到污染[1]，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口海湾等水体，造成水体出现富营养化现象，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，溶解氧浓度降低，水质恶化，鱼类大量死亡，已成为最严重的水质问题之一[2-3]。水生植物具有克藻效应，并对水体中的氮磷具有吸收、富集、过滤、转移和沉淀作用，对富营养化水体的净化起到非常重要的作用[4-6]。不同水生植物对富营养化水体的净化效果已有多种研究，狐尾藻、伊乐藻等沉水植物能够明显降低水体中的氮磷营养盐及有机物，改善水体溶解氧和透明度，抑制藻类生长[5]；雨久花、菖蒲等挺水植物对水体中的氮有很好的净化作用[7]。目前研究主要集中在水生植物对水体的净化能力，较少考虑景观效果。筛选水生植物种类及种植模式，并以核心植物为中心，加大不同空间植物配置对于水体净化和湿地景观打造具有重要作用。本研究以净化水质为目的，充分考虑植物配置的效果，结合易成活、病虫害少、抗倒伏以及美学价值高的原则，从现有报道具有水质净化能力的挺水植物、浮水植物和沉水植物中各挑选两种植物，通过设置单独种植、2种混种和3种混种的种植模式，比较不同种植模式对水质的净化效果。本研究通过检测不同水生植物及种植模式下富营养化水体中总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）、氨氮和 pH值的变化，筛选出对富营养化水体净化效果最佳的水生植物及种植模式，该结果可为水生植物的筛选提供技术指导，并为湿地景观营造提供借鉴。

1 材料和方法

1.1 试验用水

本试验用水取自西南科技大学污水处理厂二级处理出水口（经30 min静置沉淀后的上清液）。

1.2 试验材料及种植模式

从挺水植物、浮水植物和沉水植物中各挑选2种植物进行试验（表1），采用单独种植、2种混种和3种混种的种植模式，不放植物的试验用水作为对照（表2）。试验前对植物表面进行冲洗，并用自来水进行5 d的预培养。植物经过预培养后，选取长势良好、大小相近的植株，清洗干净。选用塑料箱（长宽高为44 cm×33 cm×10 cm）作为栽培容器，体积为14.5 L，倒入2/3体积的试验用水，每盆称取240 g植物放入，确保植物的根系完全浸没在水中，挺水植物用尼龙绳和小卵石进行固定，植物在温室大棚中（温度20℃～25℃）生长。

表1 试验使用的水生植物种类Table 1 The kind of aquatic plants in the experiment

表2 水生植物不同种植模式对水质净化的影响Table 2 Effect of different configuration modes of aquatic plants on water purification

1.3 试验设计

每种种植模式设置6个塑料箱，重复3次，不放植物、只加试验用水的处理作为对照组。试验每间隔5 d于早上10：00对水样进行采集和检测，试验时间为25 d。

1.4 检测指标与方法

按照国家环境保护总局《水和废水检测分析方法》测定TN、TP、COD、氨氮和pH值[8]。TN测定采用过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP测定采用钼锑抗分光光度法，COD测定采用快速密闭催化消解法，氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法，pH值测定采用玻璃电极法。

各指标的去除率按以下公式计算：

式中，C0为初始浓度，Ci为处理后的浓度

1.5 数据统计与分析

数据通过SPSS 20.0进行单因素方差分析，数据为平均值±标准误，同处理中不同字母代表最小显著性差异P20.05，数据经Sigmaplot软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 试验用水的水质情况

试验用水略带异味，水体颜色偏暗黄，根据检测，TN、TP、COD 和氨氮分别为 32.088、2.830、37.640和 1.397 mg/L，pH 为 7.560（表 3），根据《地表水环境质量标准》的相关分类标准[9]，试验用水的TN、TP浓度远超类水的标准，属于富营养化现象[9]。

表3 试验用水的主要指标Table 3 Major indexes of the experimental water

2.2 水生植物的不同种植模式对水质的净化效果

25 d后，对照水体及盆壁大量滋生肉眼可见的藻类生物，盆底部沉淀大量杂质（图1a）。水生植物的不同种植模式下水体与对照相比均有明显的改善，总的来说，单种水生植物种植的水体中肉眼能观察到部分藻类生物和杂质，水面有少量漂浮物（图1b）；两种水生植物混种的水体沉淀物更少，无肉眼可见的藻类生物，水面有极少量漂浮物（图1c）；3种水生植物混合的水体水质清澈，水面无漂浮物（图 1d）。

图1 25 d时水生植物不同种植模式下水体的情况Figure 1 Observation of eutrophic water treated with different configuration modes of aquatic plants on twenty-fifth day

第25天检测各处理组的水质，可以看出，与对照相比，各处理组的TN、TP、COD和pH均有不同程度的下降，说明水生植物的不同种植模式均对水质具有净化效果（表2）。

水体中TN浓度最低的是菖蒲[10-11]+凤眼莲[12-13]+狐尾藻[14]，为0.86 mg/L；与菖蒲+大 薸[15]+狐尾藻（1.28 mg/L）无显著性差异，显著低于其他处理组。对照水体的TN浓度分别是两个处理组的31倍和21倍，两个处理组对TN的去除率分别为97.3%和96.0%。

水体中TP浓度最低的是再力花[16-17]+ 薸大 +伊乐藻[18]，为 0.06 mg/L，与菖蒲+ 薸大 +伊乐藻（0.07 mg/L）、菖蒲+凤眼莲+狐尾藻（0.07 mg/L）无显著性差异，显著低于其他处理组。对照水体的TP浓度分别是3个处理组的15倍、13倍和13倍，3个处理组对TN的去除率分别为97.9%、97.5%和97.5%。

水体中COD浓度最低的是菖蒲+凤眼莲+狐尾藻，为 15.99 mg/L，与再力花（16.22 mg/L）、菖蒲（16.68 mg/L） 、大 薸（17.32 mg/L）、菖蒲+凤眼莲+伊乐藻（17.49 mg/L）无显著性差异，显著低于其他处理组。对照水体的COD浓度分别是5个处理组的1.6倍、1.5倍、1.5倍、1.4倍和1.4倍，5个处理组对COD的去除率分别为57.5%、56.9%、55.7%、53.9%和53.5%。

水体中氨氮浓度最低的是再力花+ 薸大 +伊乐藻，为0.37 mg/L，显著低于其他处理组。对照水体的氨氮浓度是该处理组的2.6倍，再力花+ 薸大 +伊乐藻对氨氮的去除率为62.2%。各处理组水体中pH值为7.57～8.01，与对照水体相比下降了0.37～0.81。

综合上述几个指标，菖蒲+凤眼莲+狐尾藻为最佳种植模式，TN为0.86 mg/L，TP为0.07 mg/L，COD为 15.99 mg/L，氨氮为 0.49 mg/L，pH 值为 7.79，根据《地表水环境质量标准》的相关分类标准，处理后的水质已达到Ⅲ类水的标准。

2.3 菖蒲+凤眼莲+狐尾藻最佳种植模式在不同时间段对水质的改善情况

2.3.1 TN浓度的变化

随着时间的增加，对照水体中TN浓度缓慢下降，0～5 d TP 浓度无显著性差异，10～20 d TN 浓度显著性低于0～5 d，25 d时TN浓度进一步降低。菖蒲+凤眼莲+狐尾藻水体中TN浓度急剧下降，5 d时，菖蒲+凤眼莲+狐尾藻水体中TN的浓度显著低于对照，为29.2 mg/L；25 d时，菖蒲+凤眼莲+狐尾藻水体中TN的浓度降至0.86 mg/L，对照水体中TN浓度（29.65 mg/L）是菖蒲+凤眼莲+狐尾藻水体的34倍（图2）。

图2 水生植物最佳种植模式对富营养化水中总氮浓度的影响Figure 2 Effect of optimal configuration mode of aquatic plants on total nitrogen （TN）concentration in eutrophic water

2.3.2 TP浓度的变化

5 d时，对照水体中TP浓度显著低于0 d，随着时间的延长，TP浓度逐渐下降。菖蒲+凤眼莲+狐尾藻水体中TP浓度在5 d时急剧降低，为0.69 mg/L，显著低于对照水体5～25 d TP的浓度；此后TP浓度随着时间的延长继续降低，20～25 d时，TP浓度趋于平稳，分别降至0.08 mg/L和0.07 mg/L，对照水体中TP浓度（1.38 mg/L和0.92 mg/L）是菖蒲+凤眼莲+狐尾藻水体的17.3～13.1倍（图3）。

图3 水生植物最佳种植模式对富营养化水中总磷浓度的影响Figure 3 Effect of optimal configuration mode of aquatic plants on total phosphorus（TP）concentration in eutrophic water

2.3.3 COD浓度的变化

对照水体中COD浓度在0～10 d无显著差异，15 d之后开始显著降低。菖蒲+凤眼莲+狐尾藻水体中COD浓度在5 d时急剧降低，为28.61 mg/L，显著低于对照水体0～15 d COD的浓度；此后COD浓度随着时间的延长继续降低，25 d时，COD浓度降至15.99 mg/L，对照水体中COD浓度（24.87 mg/L）是菖蒲+凤眼莲+狐尾藻水体的1.6倍（图4）。

图4 水生植物最佳种植模式对富营养化水中COD浓度的影响Figure 4 Effect of optimal configuration mode of aquatic plants on chemical oxygen demand（COD）concentration in eutrophic water

2.3.4 氨氮浓度的变化

对照水体中氨氮浓度从第5天开始明显下降，5～15 d无显著差异，之后显著降低。菖蒲+凤眼莲+狐尾藻水体中氨氮浓度在第5天时为0.75 mg/L，显著低于对照水体0～25 d氨氮的浓度；此后氨氮浓度随着时间的延长继续降低，25 d时，氨氮浓度降至0.49 mg/L，对照水体中氨氮浓度（0.85 mg/L）是菖蒲+凤眼莲+狐尾藻水体的1.7倍（图5）。

图5 水生植物最佳种植模式对富营养化水中氨氮浓度的影响Figure 5 Effect of optimal configuration mode of aquatic plants on ammonia nitrogen in eutrophic water

3 讨论

本研究证明水生植物的不同种植模式对富营养化水体的净化效果不同，总体趋势为3种混种3两种混种3单种种植，该结果与刘明文、陈小运和白雪梅等[12，16，19]的研究一致。本研究筛选到菖蒲+凤眼莲+狐尾藻为最佳种植模式，此外菖蒲+凤眼莲+伊乐藻这个组合也表现良好，而菖蒲+凤眼莲两种混种的种植模式对富营养化水体的净化效果明显较差，这代表在菖蒲+凤眼莲的基础上，再加入狐尾藻或伊乐藻两种沉水植物均大大提升对水体的净化能力。沉水植物可通过与浮游植物竞争光照和营养物质来达到净化富营养化水体的作用[20]。已证实沉水植物能够降低富营养化水体的营养负荷，促进悬浮物沉积，改善水体的COD抑制浮游植物生长，提高水体透明度和水体观感[21]。本研究中应用狐尾藻和伊乐藻后可明显观察到水体清澈、表面无表漂浮物的现象。下一步研究需要验证菖蒲+凤眼莲+其它藻类植物是否对富营养水体均具有良好的净化作用，如果证实这种种植模式确实有效，这将在湿地景观的营造上提供多种植物选择。

本研究中水生植物最佳种植模式下在0～25 d，随着时间的延长，TN、TP、COD和氨氮与对照相比均有显著下降，这与周 玥 、王玮等[11，22]，结论一致。25 d时，所有种植水生植物的水体pH处于7～8偏碱水平，与对照相比均有不同程度的下降，证明植物对水体酸碱度具有调节作用，这与王 珺 、柳世袭和Xu L.等[23-24]的研究结果一致，这种pH值有利于微生物的硝化和反硝化作用的进行。

利用水生植物净化富营养化水体的研究在早期多使用单种水生植物，并未考虑到功能性和景观性，现在这方面的研究已逐渐往多种水生植物的种植模式上进行深入。本研究结果已于2018年应用在甘肃省陇南市武都区白龙江滨江步道段滩地生态修复项目，本着以乡土植物为主建四时有景，三季有花的植物造景原则[25]，在试验筛选出菖蒲+凤眼莲+狐尾藻混合种植方式的基础上，在滩地配置各类乡土植物，垂柳、碧桃、樱花和枫杨等乔木，金叶绣线菊和金禾女贞等灌木，大花萱草、香蒲、水葱、芦苇和狼尾草等湿生草本植物。经过2年的验证，这种植物配置形式既保证对白龙江滨江步道段的富营养化水体起到良好的净化效果，又提高城市滨水景观的美学观赏价值。枫杨树冠广展、枝叶茂密、生长快速且根系发达，是河床两岸低洼湿地的良好绿化树种，还可防治水土流失。垂柳枝条长而柔软，喜水湿，将人的视线引向水面，碧桃花色鲜艳，花量大，两者交相辉映，形成春季桃红柳绿的优美景观。陇南市武都区全年光照充足，樱花不仅春季可以观花，秋季红叶也具有很高的观赏价值，金禾女贞色泽鲜亮。金叶绣线菊叶色有丰富的季相变化，新叶橙红，冬季红叶，花期长，花量多，是花叶俱佳的小灌木。大花萱草、香蒲、水葱、芦苇和狼尾草均为多年生，耐寒，抗性强，适合种植在水边、沼泽地或湿地草丛，保持水土，不仅能让滩地展现生态自然的乡野风光，而且岁岁枯荣轮回，景观季相更加明显。

4 结论

本研究基于功能性、生态性和景观效果3个方面从常用的挺水、浮水和沉水中共挑选出6种适合西南地区生长的水生植物，通过设置单独种植、挺水+浮水两种混种、挺水+浮水+沉水3种混种的种植模式，验证水生植物不同种植模式对富营养化水体的净化效果，结果显示，不同种植模式均对水体有不同程度的净化，其中菖蒲+凤眼莲+狐尾藻对水体的净化效果最佳，25 d时，水体的TN为0.86 mg/L，TP为0.07mg/L，COD为15.99 mg/L，氨氮为0.49 mg/L，pH值为7.79，该种植模式下的水体水质已达到Ⅲ类水的标准。