6種植物水質(zhì)氮、磷凈化能力的比較研究

李楠，范澤，董陽 ，喬秀亭，孫金輝，通信作者

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6種植物水質(zhì)氮、磷凈化能力的比較研究

李楠1，范澤2，董陽2，喬秀亭2，孫金輝2，通信作者

（1.天津市水產(chǎn)研究所，天津300221；2. 天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院，天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點試驗室，天津300384）

選取空心菜（Forsk）、綠蘿（）、天南星（Schott）（包括前期天南星和后期天南星）、金鉆（Koch）、黃金葛（）等 6種植物作為試驗材料，采用浮床種植方式進行水培種植，在靜水條件下對富營養(yǎng)化水體中氮、磷去除動態(tài)及效率進行了比較研究。結(jié)果表明：（1）6種植物對氮、磷去除率的平均能力強弱為：空心菜＞黃金葛＞初期天南星＞金鉆＞綠蘿＞后期天南星，其中空心菜對總氮（TN）、總磷（TP）、亞硝酸氮（NO2--N）、硝酸氮（NO3--N）、氨氮（NH4＋-N）、正磷酸鹽（PO43--P）的去除率依次為41.81%、54.92%、88.57%、73.67%、57.81%和85.83%；（2）6種植物的溶解氧DO回升率依次為：后期天南星＞初期天南星＞黃金葛＞金鉆＞綠蘿＞空心菜，其中后期天南星的DO回升率為40.23%。綜合考慮氮、磷去效率及DO回升率的效果，黃金葛和初期天南星可作為優(yōu)選的生態(tài)浮床植物。

植物；凈化水質(zhì)；氮、磷去除率；DO回升率

利用水生植物凈化富營養(yǎng)化水體及污水處理的工作已開展多年[1-3]，水生植物對富營養(yǎng)水體的凈化綜合了吸附沉淀、吸收代謝、富集濃縮等作用[4]。在廢水或受污染水體中大量種植耐污且凈化能力強的水生植物，通過其自身的生命活動將水中污染物分解轉(zhuǎn)化或富集到植物體內(nèi)，然后再除去，進而恢復(fù)水域的養(yǎng)分平衡；同時通過它們的光合作用釋放氧氣，增加水中溶解氧含量，從而改變水質(zhì)，減輕或消除污染。但是在陸生植物如何發(fā)揮凈化水質(zhì)的作用上，尤其在池塘水質(zhì)凈化方面應(yīng)用不多，而進一步研究植物去除水域中N、P等營養(yǎng)成分方面的報道相對較少[5]。

本試驗采用浮床種植方式進行水培種植，選取典型水生植物空心菜及金鉆、初期天南星、后期天南星、綠蘿及黃金葛等6種典型陸生植物為研究對象，在靜水條件下對總氮（TN）、總磷（TP）、亞硝酸氮（NO2--N）、硝酸氮（NO3--N）、氨氮 （NH4＋- N）、正磷酸鹽（PO43--P）等的去除效率及溶解氧（DO）回升率等多指標(biāo)進行分析，對6種植物的氮、磷吸收和水質(zhì)凈化能力進行比較研究，以期找出對富營養(yǎng)化水體具良好凈化效果的優(yōu)選生態(tài)浮床植物。

1 材料與方法

1.1 研究概況

試驗在天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點試驗室中進行，選用長寬高為70 cm×60 cm×50 cm的水族箱進行試驗。首先在水族箱中放入水培床體供 6種植物扎根，試驗用水為濾去浮游植物和浮游動物的池塘水，每個水族箱分別裝入20 L。

將試驗植物放置于水培床體的穴孔中，并使其上部根系暴露在水面上，滿足其根系正常的呼吸作用，其余根系浸入水體中，保證其水分和養(yǎng)分的正常吸收，植物在放入水中之前用鹽海綿固定好。本試驗選取空心菜（Forsk）、綠蘿（）、天南星（Schott）（包括前期天南星和后期天南星）、金鉆（Koch）、黃金葛（）等6種植物，每種植物設(shè)3個重復(fù)，另外設(shè)3個無植物的空白對照。試驗期間平均水溫為27.8 ℃，pH值為8.1，原水指標(biāo)情況如表1所示。

表1 原水水質(zhì)指標(biāo) mg/L

整個試驗在通風(fēng)寬敞的試驗室內(nèi)進行，所以本次試驗為靜態(tài)試驗，添加蒸餾水以保持水體體積不變，進而觀察所測指標(biāo)濃度的變化情況。

1.2 采樣與分析

試驗持續(xù)40 d，在0、5、10、15、20、25、30、35、40 d采取水樣，每隔5 d為一個周期，分別記為第1～8個周期，并測定亞硝態(tài)氮（NO2--N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮 （NH4＋-N）、總氮（TN）、正磷酸態(tài)磷（PO43--P）、總磷（TP）、溶解氧（DO），取樣時間為下午5：00 —6：00。

水樣采集后，立即用YSI 550A型便攜式溶解氧測量儀測定水溫和水體溶解氧（DO）。測定DO時不斷攪拌，讀數(shù)時取偏大值較為準(zhǔn)確[6]。水質(zhì)TN用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP采用鉑酸鉸分光光度法測定[8]。NO3--N、NH4＋-N、PO43--P均采用HANNA-HI8320多參數(shù)離子濃度測定儀進行測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

氮和磷的去除率（）的計算公式為：

其中，0為試驗開始時的濃度（mg/L），C為第天的濃度（mg/L）[9]。6種植物的TN、TP凈水增效作用為植物TN、TP去除率與空白對照組TN、TP去除率的差值。試驗數(shù)據(jù)使用Microsoft Office Excel 2003進行分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 6種植物對水體亞硝態(tài)氮（NO2--N）的去除效果

從圖1看出，亞硝態(tài)氮含量最終均降為0，其中效果最顯著的是空心菜組，在第1個周期測定時，水樣中的NO2--N的濃度從起始的0.35 mg/L直線下降到0.12 mg/L，其曲線出現(xiàn)最大去除率，后面趨勢漸緩；其次是金鉆組，后期天南星在整體變化趨勢上較平穩(wěn)。6種水生植物對NO2--N的去除效果的順序依次為：空心菜＞金鉆＞初期天南星＞黃金葛＞綠蘿＞后期天南星。除后期天南星外，其余5種水生植物對水體中NO2--N的去除能力高達100%。

2.2 6種植物對水體硝態(tài)氮（NO3--N）的去除 效果

從圖2可知，本次試驗所采用的6種水生植物對NO3--N的去除效果均比較明顯，從原水樣中4.7 mg/L的NO3--N最終均降到了1 mg/L以下，曲線出現(xiàn)出最大去除率；空心菜組從第3到第6周期的曲線較緩和；去除率最高的為黃金葛組中的NO3--N，降到0.1 mg/L。其中，綠蘿、初期天南星的去除能力曲線較緩和；6種植物對NO3--N的去除效果的順序依次為：空心菜＞后期天南星＞黃金葛＞金鉆＞初期天南星＞綠蘿?？招牟?、后期天南星和黃金葛NO3--N的去除率達到90%以上，初期天南星和綠蘿的去除率一致，為80.85%，金鉆組的效果較差，只有78.72%。

2.3 6種植物對水體銨態(tài)氮（NH4＋-N）去除效果

從圖3可知，6種植物NH4＋-N的去除效果較顯著；在第1周期中，除后期天南星的其他5種植物對氨氮的去除效果比較一致?？招牟私M在第2周期出現(xiàn)最大去除率，后期天南星的去除曲線較平緩，且類似于線性。6種水生植物對NH4＋-N的去除能力的順序依次為：空心菜＞綠蘿＞初期天南星＞金鉆＞黃金葛＞后期天南星。空心菜對NH4＋-N的去除率最高，達到90.62%，其余5種植物均處于60%～70%之間。

2.4 6種植物對水體總氮（TN）的去除效果

從圖4看出，金鉆在第1個周期內(nèi)出現(xiàn)了反彈現(xiàn)象，試驗水體中的TN含量上升，但在第2周期時，TN含量顯著下降，出現(xiàn)最大去除率。綠蘿從第3周期至第6周期的過程中，TN的去除曲線較平緩。6種水生植物對TN的去除能力的順序依次為：空心菜＞黃金葛＞后期天南星＞金鉆＞初期天南星＞綠蘿。6種水生植物對TN的去除率處于40%～50%之間，最高的為空心菜組，為52.70%。

2.5 6種植物對水體正磷酸態(tài)磷（PO43--P）的去除效果

一般自然水體的磷酸鹽含量較低，當(dāng)磷含量過高（超過0.02 mg/L）時，養(yǎng)殖水體開始富營養(yǎng)化，對水產(chǎn)動物造成威脅。從圖5看出，空白水樣有較為嚴(yán)重的富營養(yǎng)化。在本試驗中，最大PO43--P去除率出現(xiàn)在綠蘿組和空心菜組，金鉆組的曲線變化情況較大，6組水樣中的磷含量均降為0。6種水生植物對PO43--P的去除能力的順序依次為：黃金葛＞空心菜＞初期天南星＞綠蘿＞金鉆＞后期天南星。所選6種水生植物對PO43--P中的磷去除率都高達96%以上。其中后期天南星、綠蘿及黃金葛的對PO43--P的去除率最高，均為98.33%。說明這3種植物可能為了保持葉片正常的綠色，從水中吸收了大量磷元素。

2.6 6種植物對水體總磷（TP）的去除效果

從圖6可知，空白水樣中的TP含量較低，為0.28 mg/L。本試驗中6種植物對TP去除效果較好，最終集中到0.08 mg/L左右。其中，最大去除率出現(xiàn)在第1周期的初期天南星組中。6種植物對TP的去除能力依次為：初期天南星＞黃金葛＞綠蘿＞空心菜＞金鉆＞后期天南星。6種植物對TP的去除率處于65%～75%，最高為綠蘿，達75.65%；最低為空心菜，達67.28%。

2.7 6種植物對DO含量的回升效果

從圖7可知，6種水生植物均能有效穩(wěn)定地 回升水中的DO，且不影響自身生長。在試驗前期，回升趨勢較為緩和，從第4周期起，曲線呈現(xiàn)上升狀態(tài)，且在第5周期至第6周期，后期天南星出現(xiàn)最大回升率。6種植物對DO回升能力的順序依次為：后期天南星＞初期天南星＞黃金葛＞金鉆＞綠蘿＞空心菜。6種植物對水中溶氧都有不同程度的回升作用，其中，回升率最高的為后期天南星，為84.81%；最低為空心菜，只達53.16%，其余4種在65%左右。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，6種植物對水體中NH4＋-N的去除效果均好于對照組，這與蘇小東等[6]利用狐尾藻、水蘊草、輪葉黑藻、長葉久冠和銅線草，及周真明等[7]利用風(fēng)車草、菖蒲和富貴竹去除水體中氮磷的研究結(jié)果一致，這說明植物在除NH4＋-N過程中所起作用要顯著高于揮發(fā)作用，而周曉紅等[8]的研究結(jié)果卻與此不同。造成上述差異的主要原因與水體的pH值有關(guān)。水體的pH值決定了氨揮發(fā)程度以及NH4＋-N與NH3之間的平衡。周曉紅等發(fā)現(xiàn)，對照組NH4＋-N去除效率高達88.62%的原因是由于其研究中原水pH值在8～9.4之間，使得NH4＋-N/NH3平衡更偏向于NH3，增強了氨揮發(fā)程度，而前述研究的原水pH值在7.6～8之間。但需注意的是，究竟是植物同化吸收作用還是微生物硝化作用占除氮作用的主導(dǎo)地位，有待進一步研究。

水體中NO2--N、NO3--N的去除效果與DO濃度的變化密切相關(guān)。NO2--N的去除是通過硝化菌在有氧條件下將其氧化為NO3--N，NO3--N的去除是通過反硝化菌在無氧條件下利用其進行呼吸，氧化分解有機物，從而將其還原成N2或N2O[9]。本試驗中，原水的溶解氧即約為6.32 mg/L，隨著試驗的進行，6種植物的水體中DO濃度均有顯著回升，其中后期天南星效果最佳，DO濃度回升至11.08 mg/L。相關(guān)研究表明，當(dāng)DO濃度為1.5 mg/L即可滿足硝化菌的硝化作用，而反硝化過程中DO濃度應(yīng)在0.5 mg/L以下，若DO濃度過高則會抑制反硝化菌合成硝酸鹽還原酶[10]。因此在本試驗條件下可得出，NO2--N的去除主要是通過硝化菌的硝化作用，植物則作為促進硝化作用的有效載體，而NO3--N的去除主要是通過植物的同化吸收作用。值得注意的是，后期天南星的DO濃度回升效果雖在幾種植物中為最佳，但其對NO2--N的去除能力相對弱于其他5種植物，但并無明顯差別，原因是由于硝化反應(yīng)中硝酸菌將NO2--N進一步氧化為NO3--N是一個耗氧過程，而后期天南星處于生長后期，其光合作用及呼吸作用能力均在減弱，雖在DO積累總量上滿足了反應(yīng)需求，但在DO產(chǎn)生速率即光合作用速率方面無法滿足于硝化作用。

本研究發(fā)現(xiàn)，典型水生植物空心菜對水體中NO2--N、NO3--N、NH4＋-N及TN的去除效果均好于本研究所選的5種可用于浮床種植的陸生植物，這與戴全裕等[11]及周小平等[12]對空心菜的研究結(jié)果相符。但空心菜與5種陸生植物的去氮能力差別不大，說明5種陸生植物通過浮床種植的方式也能夠有效除氮，其中去氮效果最佳的為黃金葛。

氮和磷都是生物的重要營養(yǎng)物質(zhì)，因此在控制水體中氮平衡的同時，也要協(xié)調(diào)磷的平衡。在富營養(yǎng)化水體中，除磷途徑主要為植物吸收及底質(zhì)和根系吸附[13-14]，本研究也佐證了這一觀點。本研究發(fā)現(xiàn)，6種植物對水體中的PO43--P、TP的去除效果與對照組均有明顯差異，說明植物吸收是水體除磷的主要途徑，這與蘇小東等[6]及徐秀玲 等[15]的研究結(jié)果相符。值得注意的是，在上述研究中均采用浮床植物系統(tǒng)，并未涉及到底質(zhì)的吸附作用，因此在自然條件下，植物吸收與底質(zhì)吸附在水體除磷過程中發(fā)揮主要作用，這有待于進一步研究。

本研究發(fā)現(xiàn)，典型水生植物空心菜對水體中PO43--P及TP的去除效果均好于本研究所選的5種可用于浮床種植的陸生植物，但空心菜與5種陸生植物的去磷能力差別不大，說明5種陸生植物通過浮床種植的方式也能夠有效除磷，其中去磷效果最佳的為黃金葛。

4 小結(jié)

本試驗采用浮床種植方式進行水培種植，選取典型水生植物空心菜及金鉆、初期天南星、后期天南星、綠蘿及黃金葛等6種典型陸生植物為研究對象，發(fā)現(xiàn)6種植物均能正常生長，對富營養(yǎng)化水體中的氮、磷均有較明顯的去除效果，其中NO2--N的去除主要是通過硝化菌的硝化作用，植物則作為促進硝化作用的有效載體，NO3--N、NH4＋-N、PO43--P及TP的去除主要是通過植物的同化吸收作用。去除氮、磷的平均能力強弱為：空心菜＞黃金葛＞初期天南星＞金鉆＞綠蘿＞后期天南星；6種植物對水體中的DO都有一定的回升效果，其回升能力依次為：后期天南星＞初期天南星＞黃金葛＞金鉆＞綠蘿＞空心菜。綜合考慮氮、磷去效率及DO回升率的效果，黃金葛和初期天南星可作為優(yōu)選的生態(tài)浮床植物。

本研究主要存在兩點不足：第一，沒有測定植物種植前后組織中的氮磷含量，以及比較不同植物的氮磷累計吸收能力；第二，pH值的變化也是衡量水生植物對水體凈化能力強弱的一個重要指標(biāo)，本文并沒有進行詳細分析。這些內(nèi)容有待今后進行補充研究。

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Comparison of Nitrogen and Phosphorus Purification Ability of Six Plants

LI Nan1, FAN Ze2, DONG Yang2, QIAO Xiu-ting2, SUN Jin-hui2,Corresponding Author

（1.Tianjin Fisheries Research Institute, Tianjin 300221, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Aqua-ecology and Aquaculture, College of Fisheries, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Mean purification ability and remove efficiency of nitrogen（N）and phosphorus（P）were investigated by using six plants withForsk,,Schott（including earlierstage and later stage）,Koch andin the condition of static water. The results as the following:（1）the order of the removal efficiency of N and P was expressed as:ForskSchott（later stage）KochSchott（earlier stage）＞The remove efficiency of total nitrogen（TN）, total phosphorus（TP）, NO-N, NO-N, NH4＋-N andPO43--P was 41.81%, 54.92%, 88.57%, 73.67%, 57.81% and 85.83%, respectively.（2）the order of the recovery rate of dissolved oxygen was expressed as:Schott（later stage）＞Schott（earlier stage）＞KochForsk. The recovery rate of dissolved oxygen was 40.23%. In conclusion, combined the results of the remove efficiency and recovery rate,andSchott（earlier stage）could be chosen as the possible plants to purify water.

plants; purify water; removal efficiency of N and P; recovery rate of DO

S912

A

1008-5394（2016）03-0015-05

2016-02-28

天津市科技計劃項目“鯉魚低氮高效飼料的開發(fā)與應(yīng)用”（15ZXZYNC00070）

李楠（1988-），男，天津市人，助理工程師，碩士在讀，從事水產(chǎn)養(yǎng)殖相關(guān)的工作與研究。E-mail: 305890045@qq.com。

孫金輝（1979-），男，山東煙臺人，副教授，碩士，研究方向為水產(chǎn)動物營養(yǎng)與飼料。E-mail：jhsun1008@163.com。