水生植物对富营养化水体氮磷的净化效果研究

杨 雪，李辕成，王慧芳，周 俊，吕东蓬*

（1.大理大学农学与生物科学学院，云南大理 671003；2.云南省高校微生物生态修复技术重点实验室，云南大理 671003）

水体富营养化是指水体中的氮、磷等营养物质过量导致水体受到严重污染的现象。我国有3/4以上的水体都呈现出富营养化的状态〔1〕。水体富营养化在国外也是比较突出的问题，美国、英国等国大量的河流处于中营养和富营养状态。可见，水体富营养化问题是国内外一直存在的环境问题，颇受人们的关注。导致水体富营养化的氮、磷等营养物质主要来自处理不达标或者完全没有采取任何处理措施就排放的工业废水、生活污水、农田用水等。

近年来，治理富营养化水体的方法和途径越来越多，其中物理法、化学法和生物法比较常见。物理法投资耗费较大，后期维护成本也较高〔2〕，因此一般作为应急处理的措施备选。化学法往往反应速度快，可以在短期内取得一定的效果，但是该方法的治理不彻底、化学试剂的成本也相对较高，容易造成二次污染，还会使得目标生物产生抗药性〔3〕。相比物理法和化学法，生物法是一种长久有效的治理方法，作为一种新兴的环境修复技术，生物修复技术具有经济效益高、没有二次污染、生态效益好以及处理效果显著等优点〔4〕。

水生植物修复技术是利用水生植物对富营养化水体进行修复治理，选择适宜的水生植物对富营养化水体中的氮、磷等营养物质进行吸收固定，并利用其自身的代谢活动，以达到去除水体中氮、磷等营养物质并且净化水体的目的〔5〕。用于修复的水生植物主要有沉水植物、挺水植物、浮水植物、漂浮植物以及湿生植物，各种水生植物在富营养化水体修复过程中的作用也大不相同〔6〕。利用水生植物来构建生态修复系统是当前对受污染水体进行生态修复的研究热点，运用水生植物吸收固定氮、磷等营养物质是一项既能够治理污染水体，又能够美化生态环境的工程。

本研究选取4种水生植物对云南省大理市洱海水域进行水质修复处理，选取洱海周边水域对洱海富营养化进行研究可以更直观地认识洱海现状，同时也能大致反映洱海主要入湖河道的水质现状。实验选取的是洱海入湖河道莫残溪的溪水，对莫残溪水质进行现状分析有利于总结洱海及其入湖河道面临的问题，为日后洱海的综合治理提供参考数据和理论依据。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂电子天平（CP21，上海奥豪斯仪器有限公司）；立式高压蒸汽灭菌锅（LDZX-50KBS，上海申安医疗器械厂）；可见分光光度计（V-5100，上海元析仪器有限公司）；紫外分光光度计（UV-2600，青岛明博环保科技有限公司）；超纯水器（EPED-E2-30TJ，南京易普易达科技发展有限公司）。

酒石酸钾钠、酒石酸锑钾（天津市福晨化学试剂厂）；硫酸锌（天津市登封化学试剂厂）；盐酸（西陇化工股份有限公司）；过硫酸钾（国药集团化学试剂有限公司）；抗坏血酸（广东光华科技股份有限公司）；钼酸铵（天津市化学试剂四厂）；氢氧化钠（成都市科龙化工试剂厂）。

1.2 水生植物及水样供试的水生植物购自网上，经大理大学农学与生物科学学院植物学博士刘天猛老师鉴定，确定4种供试植物为：狐尾藻（Myriophyllum verticillatum L.）、凤眼蓝（Eichhornia crassipes（Mart.）Solme）、再力花（Thalia dealbata）、水葱（Scirpus validus）。选择长势良好且植株大小相近的植物，将整株水生植物用去离子水反复冲洗多次，去除其原本带有的杂质，清洗干净的植物放在清水中培养1周左右，消除原生生长环境带来的影响，待到实验开展时，再取出进行称重备用。

水样采自洱海入湖河流莫残溪，将采集的水样倒入5个体积完全相同的水箱中，留部分水样作为原水样进行测定，原水样的测定在水样采集当天和植物种养当天完成。

1.3 方法运用国际标准检测方法和称重法定期对水体中总氮、氨氮和总磷3项指标及其植物鲜重进行测定与分析。测定分10次进行，每次间隔2 d，分别设置种植了4种水生植物及植物群落的各1个水样、2个平行，以蒸馏水为空白对照，并计算各测量指标的总去除率：

总去除率（%）=［（原水样中测定值-末次测定值）/原水样中测定值］×100%。

所有数据用Excel 2010进行整理、SPSS 23.0软件作显著性分析，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 总去除率对未进行处理的原水样进行测定，得到总氮含量15.065 mg/L，氨氮含量5.358 mg/L，总磷含量6.783 mg/L，采用同样的方法定期对种植了水生植物的水样中总氮、氨氮和总磷3项指标进行测定与分析得到各指标含量，计算各指标的总去除率。见表1。

表1 各测量指标的总去除率

2.2 总氮含量变化不同类型水生植物对总氮的净化效果不同，凤眼蓝和狐尾藻净化效果较佳，其次是植物群落。总氮含量变化在各水生植物间比较差异无统计学意义（P>0.05）。见图1。

图1 总氮含量变化

2.3 氨氮含量变化各类水生植物处理水样后氨氮含量呈现一定的变化，不同水生植物对氨氮的去除效果不一致，再力花效果最佳，其次是植物群落和凤眼蓝。再力花、植物群落与凤眼蓝之间以及与其他水生植物间氨氮含量变比较差异有统计学意义（P＜0.05）。见图2。

图2 氨氮含量变化

2.4 总磷含量变化各类水生植物对总磷的净化效果不同，但都表现出较好的净化效果。植物群落净化效果最佳，其次是凤眼蓝和再力花，其中，植物群落和狐尾藻中总磷含量变化与其余水生植物比较差异有统计学意义（P＜0.05）。见图3。

图3 总磷含量变化

2.5 植物生物量的变化水生植物的原始质量分别为：植物群落0.17 kg、狐尾藻0.04 kg、凤眼蓝0.08 kg、水葱0.11 kg、再力花0.19 kg。在整个实验阶段，各个水箱中水生植物的生物量整体呈现缓慢上升的趋势，其中增势较为明显的是凤眼蓝和水葱，凤眼蓝增长了0.05 kg，水葱增长了0.04 kg，其次是狐尾藻、植物群落和再力花，分别增长了0.03、0.02和0.01 kg。见图4。

图4 植物生物量变化曲线

3 结论

随着测定时间的增加，各水样中氮磷含量存在明显下降的趋势，不同类型水生植物对水体中氮磷的去除效果为：总氮总去除率：凤眼蓝>狐尾藻>植物群落>水葱>再力花；氨氮总去除率：再力花>植物群落>凤眼蓝>狐尾藻>水葱；总磷总去除率：植物群落>凤眼蓝>再力花>狐尾藻>水葱。水生植物对氮磷的去除能力与其自身的生长特性有关〔7〕，植物的生长特性和修复时间会影响水质净化效果，在一定的时间内，与水体有较大接触面积、易于生长的水生植物对水质修复的效果相对较好〔8〕。在实验室条件下，水生植物会通过光合作用合成自身所需的有机物，使得自身的生物量增加〔9〕，对植物在整个实验周期的生长情况以及叶片枯萎程度进行观察发现不同类型水生植物的生长情况有所差异，其中，凤眼蓝、狐尾藻以及植物群落的生长状况较好，没有出现凋亡或者枯叶的情况，水葱和再力花在实验初期生长较慢，后期长势良好，萌发出大量的侧芽，没有出现凋亡的现象，但叶子略有枯黄。

综合考虑经济成本、修复效果和植物生长特性等因素，凤眼蓝不仅有着发达的根系，与水体的接触面积较大，对污染物质吸收能力强〔10〕，而且经济成本相对较低，实验的复杂程度远远低于群落体系，可控度更高。在整个实验过程中，生长迅速，生物量增加较快，易于回收处理，因此，凤眼蓝可以作为水生植物修复技术的首选植物。