3種水培植物對青山湖富營養(yǎng)化水體氮磷的去除研究

章漣漪，姜 丹，葛燕燕，費婷婷，葛雷鵬，戴書羿，李偉東

（1 杭州師范大學錢江學院理工分院，浙江 杭州310036；2 杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，生態(tài)系統(tǒng)保護與恢復杭州市重點實驗室，浙江 杭州310036）

隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，水污染問題日益嚴重.目前國內超過90%以上的大中型湖泊已處于中營養(yǎng)化或富營養(yǎng)化狀態(tài)［1］.水體的富營養(yǎng)化不僅影響水體水質，還會對周邊生態(tài)環(huán)境和景觀視覺造成影響，乃至危及公眾的健康.利用水生植物開展富營養(yǎng)化水體的治理，不僅成本低廉，對環(huán)境擾動少，而且凈化效果良好，一般還不會產生二次污染等優(yōu)點而廣受關注［2-6］.劉曉丹等人［7-8］的研究表明，空心菜等的水培植物能有效降低富營養(yǎng)化水體的氮磷質量濃度，具備良好的應用前景.

研究以青山湖水體為對象，利用生物操縱技術探索人工種植的木耳菜、空心菜和空心蓮子草等水培植物對水體中氮、磷的去除效能，為探索富營養(yǎng)化水體的植物生態(tài)修復提供技術參考.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗中木耳菜（IpomoeaaquaticaForsk）、空心菜（Gynuracusimbua）和空心蓮子草（Alternanthera Philoxeroides）等3種水培蔬菜均購自杭州市海天城農貿市場.實驗中同類植物選取高度、重量和發(fā)育狀況良好且相近的植株作為實驗材料，并在實驗室中進行預培養(yǎng).預培養(yǎng)實驗中浮床載體為塑料泡沫板，水培容器為125 cm×40 cm×25 cm 的透明玻璃箱，水量約為70 L.預培養(yǎng)實驗用水取自杭州師范大學校園內湖水，水質總氮（TN）和總磷（TP）的質量濃度分別為0.41 mg／L和0.21mg／L.對照富營養(yǎng)化水體的氮磷含量判別指標［9-11］，可知預培養(yǎng)實驗水體已處于富營養(yǎng)化狀態(tài).

1.2 實驗設計

1.2.1 實驗區(qū)域

青山湖地處杭州西郊臨安市境內，中心位置坐標東經119°45′，北緯30°15′，是1964年建成的大型人造湖，也是杭州地區(qū)重要的飲用水源地之一.近年來，由于湖區(qū)周邊區(qū)域社會的快速發(fā)展，大量未經處理的生產廢水和生活污水直接排放入湖區(qū)，導致庫區(qū)水體呈現富營養(yǎng)化現象.

1.2.2 浮床系統(tǒng)的構建

圖1 浮床種植示意圖Fig.1 The sketch map of floating-bed

實驗所用浮床如圖1所示，由EVA 泡沫條和PVC 透明膜加工而成，每個浮床面積為3 m2，由15個EVA 泡沫條組成.每個泡沫條上有6個直徑約0.6 cm 的種植孔用于水培植物的扦插種植和水培生長.水培扦插時需保證每棵水培植物均有1-2個莖節(jié)浸泡于水中，以利其生根和生長.

1.2.3 實驗方法

為了研究3種水培植物對富營養(yǎng)化水體的凈化能力，2014年8月11日至9月22日期間在青山湖水面種植了9個生態(tài)浮床.每種植物分別種植3個浮床，作為平行研究.每個浮床分別種植大小、發(fā)育一致的70株植物.為避免不同植物之間的相互作用，每種生態(tài)浮床以間隔2 m 的距離進行固定.實驗開始后，每周采集各生態(tài)浮床內水樣測定水體水質TN 和TP 的質量濃度；同時，在距實驗浮床10 m 外的水域，取青山湖湖水作為空白對照.

1.3 分析方法

水體中總氮（TN）測定采用國家標準方法GB／T11894-1989推薦的堿性硫酸鉀消解紫外分光光度法；總磷（TP）測定采用國家標準方法GB／T11893-1989推薦的鉬酸鹽分光光度法.

1.4 數據處理

水培植物對水體中總氮、總磷去除率計算公式為W＝（C0-Ci）／C0×100%，式中：W表示TN 或TP去除率（%），C0表示初始TN 和TP 質量濃度（mg／L），Ci表示第i天后水體中TN 或TP 質量濃度（mg／L）.

水培植物對富營養(yǎng)化水體凈化能力以氮磷的降低質量濃度與植物的增加鮮重量比值為標準，計算公式為M＝（C0-Ci）／FW×100%，式中：M表示氮磷凈化能力（mg／（L.g FW）），C0表示初始TN 或TP 質量濃度（mg／L），Ci表示第i天后水體中TN 或TP質量濃度（mg／L），FW表示水培后植物增加的鮮重量（g）.

實驗獲得的所有數據采用均值±標準差表示，所有統(tǒng)計數據采用統(tǒng)計軟件SPSS 16.0統(tǒng)計，并利用Origin 8.0軟件制圖.

2 結果與分析

2.1 水培植物的生長狀況

3種水培植物在富營養(yǎng)化水體中進行水培，選擇培養(yǎng)時間為0 d、21 d（第3周）和42 d（第6周）時測定水培植物的鮮重量，結果見表1.由表1可知，隨著水培時間的增加，3種水培植物生長良好.在水培前段（21d內），水培植物的生長速率和增加鮮重量均超過水培后期.此外，3種水培植物中，木耳菜的增長變化率最大，水培前后植物重量增長了近12.45倍；而空心菜的增長絕對量最大，單株平均增加鮮重171.97g.木耳菜增長變化率大的主要原因是其植株根系發(fā)達，水培成活率高，生長相對較快.而空心菜增長絕對量大的原因是其初始的植株重量較大，有利于其水培成活和后期生長.

表1 3種水培蔬菜在富營養(yǎng)化水體中的生長情況Tab.1 Growth indexes of three aqua-cultured plants in eutrophic water

2.2 水培植物對總氮去除分析

為驗證3種水培植物對富營養(yǎng)化水體中TN 的去除能力，實驗以無水培植物湖水為空白對照，對富營養(yǎng)化水體經過3種水培植物降解后TN 的質量濃度進行測定，獲得水培植物對水體TN 的去除率，見圖2.由圖可知，隨著水培時間的延長，3種水培植物浮床內水體的TN 質量濃度呈明顯的下降趨勢，且比空白對照下降的更快，說明3種水培植物均可有效去除水體中的TN.對比3種水培植物對水體TN 的去除率可知，水培木耳菜浮床內水體的TN 質量濃度從0.59 mg／L 下降至0.10 mg／L 左右，對TN 的去除率達到81.80%.水培空心菜和空心蓮子草對TN 的去除率分別是68.61%和63.56%.水培木耳菜是3種水培植物中對TN 的去除率最高（81.80%），可有效降低富營養(yǎng)化水體中TN 的質量濃度，實現水體TN指標的正常.

圖2 3種水培植物對富營養(yǎng)化水體總氮含量的去除效果Fig.2 Removal effects of total nitrogen in eutrophic water by three hydroponic plants

圖3 3種水培植物對富營養(yǎng)化水體總磷含量的去除效果Fig.3 Removal effects of total phosphorus in eutrophic water by three hydroponic plants

對比3種水培植物的生長情況和其對浮床內水體TN 的去除率（見表1和圖2）可知，水培植物生長速度越快，植物鮮重量增加越多，其對TN 的去除率就越高.這表明水培植物對水體中TN 去除率與植物的鮮重量（生物量）增加相關.水培植物去除富營養(yǎng)化水體中TN 的主要原因可能是植物生長過程中將水體中的氮元素等轉變成為植物體的一部分（植物生物量），從而實現對富營養(yǎng)化水體的凈化.另外，水體中水培植物和水生微生物之間的共生協(xié)同吸收也可能是其影響因素，待尚需進一步研究.

2.3 水培植物對總磷去除分析

為驗證3種水培植物對富營養(yǎng)化水體中TP的去除能力，實驗以無水培植物湖水為空白對照，對富營養(yǎng)化水體經過3種水培植物降解后TP的質量濃度進行測定，獲得水培植物對水體TP的去除率結果，見圖3.由圖3可知，浮床內水體中TP的質量濃度隨著水培植物培養(yǎng)時間的增加，呈現出下降趨勢，表現出和凈化TN 類似的現象.在培養(yǎng)前段（3周內），3種水培植物對水體TP的去除效果良好，TP質量濃度下降明顯；培養(yǎng)后期（4周后），由于水體中氮磷等營養(yǎng)物質的減少，水培植物對TP 吸收降解效果減緩.3種水培植物中，空心菜對TP 的去除效率最高，達60.03%，水培實驗中可使水體中TP 質量濃度從0.21 mg／L下降到0.09 mg／L.木耳菜和空心蓮子草對TP 的去除率分別為44.24%和31.58%.由此可知，在同等水質條件下，對水體TP的去除，以空心菜為最佳，木耳菜次之，空心蓮子草則相對較低.

結合表1中水培植物的生長情況可知，水培植物重量（生物量）增長量越大，其對總磷的吸收效果越好，表明植物的重量增加與吸收的總磷量呈正比關系.因此，今后在進行水培植物凈化富營養(yǎng)化水體時，可適當考慮植物生物量增重相對較大的品種，例如本實驗中的空心菜等.

2.4 水培植物對水體凈化能力比較

圖4 3 種植物對富營養(yǎng)化水體凈化能力的比較Fig.4 Comparison of purification of eutrophic water by three hydroponic plants

用水培植物對水體中的TN 和TP 質量濃度的去除量與植物增加的鮮重量（生物量）之比來表示3種水培蔬菜對富營養(yǎng)化水體的凈化能力，結果見圖4.由圖4可知，不同水培植物對富營養(yǎng)化水體TN 和TP的凈化能力不同.實驗的3種水培植物中，木耳菜、空心菜和空心蓮子草的單位鮮重量去除TN 能力分別為0.0031 mg／（L.g FW）、0.0022 mg／（L.g FW）和0.0028 mg／（L.g FW）；去除TP能力分別為0.006 mg／（L.g FW）、0.0007 mg／（L.g FW）和0.0005 mg／（L.g FW）.將3種水培植物單位鮮重量對TN 和TP 的凈化能力進行疊加可知，木耳菜綜合凈化能力最強，其次是空心蓮子草.

實驗的3種水培植物對富營養(yǎng)化水體都表現出相對良好的凈化能力，與已有研究結果相符［7-8、12-14］.此外，本次研究實驗篩選的木耳菜，其作為富營養(yǎng)化水體的水培凈化植物是先前未有提及的凈化水培植物.實驗結果表明，木耳菜凈化富營養(yǎng)化水體效果良好，相關研究工作值得后續(xù)深入開展，以便能進一步優(yōu)化凈化參數.另外，今后在進行富營養(yǎng)化水體修復工程時，可以優(yōu)先考慮選用木耳菜等蔬菜類水培植物.一方面這類植物能有效地去除富營養(yǎng)化水體中的TN 和TP，凈化水體；另一方面選用蔬菜類水培植物，可將水培后的植物用于市場銷售，提高富營養(yǎng)化水體生態(tài)植物修復的經濟效益.

3 結 論

1）3種實驗的水培植物均能有效降低富營養(yǎng)化水體的TN 質量濃度.對富營養(yǎng)化水體TN 的去除率，木耳菜、空心菜和空心蓮子草分別為81.80%、68.61%和63.56%，以木耳菜對TN 去除率為最高.

2）3種實驗的水培植物均可使富營養(yǎng)化水體TP 質量濃度下降.對富營養(yǎng)化水體TP 去除率，木耳菜、空心菜和空心蓮子草分別是44.24%、60.03%和31.58%，空心菜對于水體TP的去除效果相對較好.

3）3種實驗的水培植物中，單位植物重量（生物重）去除TN 和TP能力以木耳菜和空心菜為最強，分別是0.0031 mg／（L·g FW）和0.0007 mg／（L·g FW）.3種水培植物單位植物生物量對富營養(yǎng)化水體TN 和TP綜合凈化能力大小為木耳菜＞空心菜＞空心蓮子草.

4）實驗篩選出的木耳菜對富營養(yǎng)化水體表現出了相對良好的凈化能力.對比相關文獻可知，木耳菜是一種新的、可以用于富營養(yǎng)化水體治理的新的水培植物品種，其應用前景值得進一步研究.

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