人工浮床栽培蕹菜對(duì)不同總氮(TN)濃度水體的凈化效果研究

陳紅兵，翁沁玉，盧進(jìn)登

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062; 2.湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062)

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人工浮床栽培蕹菜對(duì)不同總氮(TN)濃度水體的凈化效果研究

陳紅兵1，2，翁沁玉1，盧進(jìn)登1

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062; 2.湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062)

人工浮床技術(shù)修復(fù)富營養(yǎng)化水體已得到較多的研究和應(yīng)用，但對(duì)其凈化水質(zhì)的機(jī)理和規(guī)律研究尚不夠深入.通過自配4種不同濃度受污染水樣，浮床栽培蕹菜(Ipomoeaaquatica)的靜態(tài)試驗(yàn)，定量分析在浮床栽培蕹菜條件下不同濃度受試水樣中TN的變化規(guī)律，構(gòu)建其凈化方程.結(jié)果表明：浮床栽培蕹菜對(duì)水中TN的去除，與蕹菜的生長狀況密切相關(guān)，TN濃度與植物的生長時(shí)間之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，水樣中TN濃度呈三次曲線(立方曲線)或逆曲線的形式衰減.

人工浮床；蕹菜；總氮；凈化效果；凈化方程

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國湖泊資源受到嚴(yán)重破壞，湖泊環(huán)境日益惡化，富營養(yǎng)化現(xiàn)象突出.人工浮床技術(shù)是按照自然界自身規(guī)律，運(yùn)用無土栽培技術(shù)原理，采用現(xiàn)代農(nóng)藝與生態(tài)工程措施綜合集成的水面無土種植植物技術(shù)，人工把高等水生植物或改良的陸生植物無土種植到富營養(yǎng)化水域水面上，通過植物根系的截留、吸收、吸附作用和物種競爭相克機(jī)理、水生動(dòng)物的攝食以及棲息期間微生物的降解等作用，削減水體中的氮、磷及有害物質(zhì)，達(dá)到水質(zhì)凈化的目的.

盡管人工浮床技術(shù)在很多水環(huán)境治理工程和實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)有了很多的研究和應(yīng)用，但是同一種植物在不同濃度污染水體凈化效果的差異性、植物對(duì)污染水體的適應(yīng)性；栽培植物在不同濃度受試水樣中生長、存活的最佳營養(yǎng)水平；受試水樣在一定的植物生長期內(nèi)污染物動(dòng)態(tài)變化等[14-20]都有待解決.本研究通過定量分析蕹菜在不同濃度受試水樣中TN的凈化規(guī)律，構(gòu)建其凈化方程，研究浮床栽培植物凈化污染水體的效果及對(duì)污染因子的去除機(jī)理，以及受試水樣在植物生長期內(nèi)污染物的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了探索.

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)植物本實(shí)驗(yàn)受試植株蕹菜(Ipomoeaaquatica)為江西(華贛)大葉空心菜，采自中國農(nóng)科院油料作物研究所試驗(yàn)地，所有植物均來自土培苗(如表1所示).在實(shí)驗(yàn)開始前計(jì)算實(shí)驗(yàn)所需栽培植物的用量，提前兩周將受試植物去土洗凈后種植在污染水體上馴化培養(yǎng)，使受試植物適應(yīng)水上生長、存活.隨時(shí)觀察受試植物的生長情況，及時(shí)補(bǔ)種，以保證盆栽試驗(yàn)的植株用量.進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)培養(yǎng)馴化兩周后的植物，先用自來水沖洗，然后用蒸餾水洗凈根部后移栽到定制好的浮床載體上開始盆栽實(shí)驗(yàn).

表1　所選受試植物種類及其生物學(xué)特性

表2　某湖泊水初始水質(zhì)指標(biāo)　mg/L

某湖泊水質(zhì)以2015年7月現(xiàn)場采樣監(jiān)測為準(zhǔn)

圖1　載體材料俯視圖和側(cè)視圖

1.4水樣的采集與保存每間隔10 d給試驗(yàn)桶中加水至刻度線處后，采樣150 mL，水樣立即帶回實(shí)驗(yàn)室冷藏保存，并于24 h內(nèi)測定.

1.5分析測定本研究所采用的水質(zhì)指標(biāo)分析方法均按國家環(huán)境保護(hù)總局編制的《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)執(zhí)行.

1.6數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及處理使用Excel和SPSS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)分析，并對(duì)樣本的均值分析進(jìn)行t檢驗(yàn)，分析受試植物與對(duì)照組的水質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果之間是否存在顯著性差異(用不同的字母表示).根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，用線性或非線性回歸分析擬合得出相關(guān)的凈化線性關(guān)系和植物對(duì)不同濃度受試水樣中污染因子的處理模型.

2　結(jié)果分析

2.1植株生物量變化蕹菜在試驗(yàn)前后的每次取樣測定時(shí)都將植物連同載體板一起稱重，以試驗(yàn)期間植株的增重計(jì)算其平均生長速率(g/g·d).蕹菜生物量的變化情況如表3所示，蕹菜在4種不同濃度(稀釋9倍、7倍、5倍、原水)的受試水樣中植株的生物量增加率分別為129.92%、131.79%、139.28%、216.41%，其平均生長速率分別為0.022、0.022、0.023、0.036 g/g·d，其平均速率為0.026 g/g·d.表明蕹菜生物量的增加速率與受試水樣的濃度呈正相關(guān)關(guān)系，營養(yǎng)鹽濃度越大，植物吸收利用的速度也越快，生物量的增加速率越大.

表3　蕹菜生物量變化情況　(g，g/g·d)

2.2總氮的去除率分析由圖2可知，蕹菜對(duì)原水中TN有一定的去除效果.從時(shí)間上來看，在開始的10 d，蕹菜試驗(yàn)桶中TN從初始的15.371 mg/L降至5.192 mg/L，去除率為66.2%.在隨后的試驗(yàn)時(shí)間里，蕹菜的試驗(yàn)桶中TN含量呈現(xiàn)出緩慢的降低和波動(dòng)，在第60 d結(jié)束時(shí)TN的濃度為1.681 mg/L，在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)的去除率分別為89.1%，而原水空白對(duì)照因?yàn)榇嬖谧詢糇饔茫銽N的自凈降解率為40%，扣減空白水樣自身的凈化作用，則蕹菜對(duì)原水TN的凈去除率為59.1%.

由圖3可知，蕹菜對(duì)5倍水樣的TN去除效果情況，在整個(gè)60 d的試驗(yàn)期內(nèi)，蕹菜對(duì)試驗(yàn)水樣中TN有較大程度的去除，使TN從3.570 mg/L降至0.641 mg/L，其去除率為82.1%，而5倍試驗(yàn)水樣的自凈TN去除率為21.2%，因此，蕹菜栽培的凈去除率為60.9%.

如圖4所示，蕹菜栽培對(duì)7倍水樣的TN去除率，在試驗(yàn)開始的10 d內(nèi)，植株表現(xiàn)出快速生長，因此對(duì)水樣中的氮有較強(qiáng)的吸收和利用，試驗(yàn)水樣中TN含量出現(xiàn)一段顯著的降低，在試驗(yàn)期內(nèi)蕹菜試驗(yàn)水樣從2.590 mg/L降至0.732 mg/L，其去除率為71.7%，而7倍水樣的自凈率為28.4%，則植物的凈去除率為43.3%.

如圖5所示，蕹菜栽培植物對(duì)9倍水樣的TN去除率比較，在試驗(yàn)開始的10 d內(nèi)，蕹菜表現(xiàn)出快速的生長，因此對(duì)水樣中的氮有較強(qiáng)的吸收和利用，試驗(yàn)水樣TN含量出現(xiàn)一段顯著的降低，出現(xiàn)拐點(diǎn)，在后續(xù)的試驗(yàn)過程中，表現(xiàn)為緩慢的降低，可能是因?yàn)樗畼訝I養(yǎng)物質(zhì)不足，影響植物對(duì)TN的吸收利用所致.在整個(gè)試驗(yàn)中蕹菜試驗(yàn)桶TN從1.710 mg/L降至0.433 mg/L，其去除率為74.7%，而9倍水樣的自凈率為30.7%，則植物的凈去除率為44.0%.

圖2　蕹菜栽培對(duì)原水TN去除

圖3　蕹菜栽培對(duì)稀釋5倍水樣TN去除

圖4　蕹菜栽培對(duì)稀釋7倍水樣TN去除率

圖5　蕹菜栽培對(duì)稀釋9倍水樣TN去除

比較不同濃度水樣中總氮的凈化趨勢發(fā)現(xiàn)，浮床栽培蕹菜在試驗(yàn)的前10 d里，由于試驗(yàn)桶中TN處于較高濃度，植物能較好較快地生長，并長出濃密的根系，植物的生長過程加劇了對(duì)氮素的吸收利用和植物根系微生物的生長，因此在前10 d TN都有顯著的降低，由于植物的呼吸作用和硝化菌的硝化，使水中的溶解氧快速的消耗，即在TN顯著下降的同時(shí)伴隨著溶解氧的急劇減少，在10 d的時(shí)候出現(xiàn)拐點(diǎn).10 d后由于水樣中營養(yǎng)元素的缺乏，植物的生長速率變慢，后續(xù)的試驗(yàn)中TN呈緩慢下降的過程.總體來說，在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)，浮床栽培蕹菜對(duì)TN的去除表現(xiàn)出初期快速去除和后期緩慢去除的特點(diǎn).

試驗(yàn)結(jié)果表明，蕹菜對(duì)不同濃度水樣中的TN都有較好的去除效果，蕹菜對(duì)TN具有較高的吸收效率.根據(jù)計(jì)算得知，植物對(duì)TN的去除率及凈去除率與試驗(yàn)水樣的營養(yǎng)濃度呈正相關(guān)關(guān)系，即濃度越高，去除率越高，表明植物在高濃度時(shí)的去除效果優(yōu)于低濃度.

2.3浮床栽培蕹菜的TN-t曲線方程利用實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，對(duì)各植物對(duì)不同濃度水樣中TN濃度和處理時(shí)間應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件作回歸分析，得出各植物對(duì)TN去除的TN-t回歸方程式如表4所示.蕹菜對(duì)TN有較強(qiáng)的去除能力，水樣中TN濃度與植物的生長時(shí)間之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即在植物生長期內(nèi)，隨著時(shí)間的推移水中TN濃度越低，水樣中TN濃度呈三次曲線(立方曲線)或逆曲線的形式衰減.

表4　3種植物在不同濃度下的TN-t回歸方程

3　結(jié)論

3.1浮床栽培植物的生長情況在整個(gè)靜態(tài)試驗(yàn)中，蕹菜在不同濃度的受試水樣中均能正常生長，并分蘗出新的植株，植株根系生長較快，相互交錯(cuò)，形成一個(gè)密實(shí)整體.在試驗(yàn)初期，水樣中營養(yǎng)鹽充足，蕹菜能較好較快生長，后期由于水樣營養(yǎng)鹽的缺乏等因素的影響，蕹菜生長受到一定的抑制.例如，蕹菜在試驗(yàn)開始時(shí)株高為34.97 cm，10 d后增至47.31 cm，增長率為35.3%，后期由于受到抑制，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)株高為51.29 cm，增長率為8.4%.

3.2不同濃度水樣中營養(yǎng)鹽的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律每隔10 d對(duì)試驗(yàn)水樣水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測分析，結(jié)果表明：試驗(yàn)水樣中TN濃度與浮床栽培植物的生長情況密切相關(guān).蕹菜能夠吸收、吸附、降解水樣中的氮，進(jìn)行新陳代謝活動(dòng)，合成自身所需的物質(zhì).在試驗(yàn)初期水中TN隨蕹菜的快速生長而迅速降低，在后期受水樣營養(yǎng)鹽減少的影響，植物的新陳代謝活動(dòng)減慢，植物對(duì)TN的去除速率呈降低的趨勢.

3.3浮床栽培植物的凈化方程浮床栽培植物對(duì)試驗(yàn)水樣中TN有較強(qiáng)的去除能力，水樣中TN濃度與植物的生長時(shí)間之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，水樣中TN濃度呈三次曲線或逆曲線的形式衰減.

3.4浮床栽培植物對(duì)營養(yǎng)鹽的凈化效果及規(guī)律蕹菜對(duì)不同濃度水樣中TN的凈去除率表明初始TN濃度越大，凈化速率越大.整個(gè)試驗(yàn)過程中，快速出根末期，對(duì)氮的凈化速率也達(dá)到最大.隨后，各實(shí)驗(yàn)組內(nèi)出現(xiàn)氮吸收速率的下降和氮營養(yǎng)轉(zhuǎn)化釋放，這與蕹菜的老根衰亡及微生物活躍度密切相關(guān)[21].根系的腐爛分解，不但影響植物對(duì)氮的吸收能力，甚至?xí)尫懦龃罅康兀鹚畼又械降牟▌?dòng).結(jié)果表明：蕹菜在中濃度水樣(原水稀釋5倍)中對(duì)TN的凈化效果最好.

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(責(zé)任編輯游俊)

Purification effect on water with different concentrations of TN by artificial floating bed cultivation of Ipomoea aquatica

CHEN Hongbing1，2， WENG Qinyu1， LU Jindeng1

(1.Faculty of Resources and Environmental Science，Hubei University， Wuhan 430062，China;2.College of Life Science， Hubei University， Wuhan 430062，China)

Artificial floating bed technology has been studied and applied in the remediation of eutrophic water， but the mechanism and laws of the purification of water quality are not enough.Artificial floating bed technology is a biological treatment technology based on the cyclic pattern， which has the advantages of low cost， easy operation， and the conversion and utilization of pollutants.In this paper， floating bed cultivation ofIpomoeaaquaticain four different concentrations of polluted water was tested static， the variation law of TN was analyzed quantitatively， and the purification equation was constructed in different concentrations.The results show that the removal of TN in water byIpomoeaaquaticafloating bed cultivation and growth status was closely related， the TN concentration was significantly negatively correlated with the growth time of plants， the TN concentration in the water sample was in the form of the three curves (cubic curve) or the inverse curve.

artificial floating bed;Ipomoeaaquatica; TN; purification effect; purification equation

2015-11-21

科技惠民計(jì)劃項(xiàng)目(S2013GMD100042)資助

陳紅兵(1982-)，男，實(shí)驗(yàn)師， E-mail：hbchen7112@163.com；盧進(jìn)登，通信作者，教授， E-mail：ljd@hubu.edu.cn

1000-2375(2016)05-0440-05

Q178.1；X171.4

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2016.05.009