3種鄉(xiāng)土水生植物對富營養(yǎng)化水體凈化能力比較

陳 敏，崔大方，黃 平，袁素芬

(1.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東佛山 528216；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510642；3.中山大學(xué)，廣東廣州 510275)

隨著經(jīng)濟(jì)活動的加劇，工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，由于人類活動的影響而造成水體富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重，已引起人們的廣泛關(guān)注。研究表明，氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入水體，可引發(fā)藻類及其他浮游生物迅速繁殖，造成水體溶解氧不斷下降，水質(zhì)惡化，致使魚類及其他生物大量死亡等生態(tài)環(huán)境惡化問題[1-2]。水生植物是水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠從水體和底泥中吸收氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，調(diào)節(jié)水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)速度，增加水體生物多樣性，控制藻類營養(yǎng)成分，改善水質(zhì)，是治理、調(diào)節(jié)和抑制水體富營養(yǎng)化的有效途徑[3-8]，但是當(dāng)前對于一些不易引人注意的鄉(xiāng)土野生植物的研究則較少[9-10]，由于本土野生植物具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、來源豐富等優(yōu)勢，因此，選用鄉(xiāng)土野生植物處理富營養(yǎng)化水體對于環(huán)境保護(hù)具有重要價值。筆者選取華南地區(qū)鄉(xiāng)土水生植物種酸模葉蓼(Polygonumlapathifolium)、野荸薺(Eleocharisplantagineiformis)、水龍(Ludwigiaadscendens)3種具有觀賞價值的水生植物為試驗(yàn)對象，研究其在室內(nèi)環(huán)境下對不同濃度富營養(yǎng)化水體的凈化效果，為今后運(yùn)用鄉(xiāng)土野生植物進(jìn)行富營養(yǎng)化水體凈化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)植物選取3種本土常見水生植物酸模葉蓼(Polygonumlapathifolium)、野荸薺(Eleocharisplantagineiformis)、水龍(Ludwigiaadscendens)，這3種植物采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樹木園，所選植物均生長狀況良好且性狀統(tǒng)一。

1.2試驗(yàn)方法試驗(yàn)設(shè)計了3個富營養(yǎng)化水平(表1)，將磷酸二氫鉀(KH2PO4)、硝酸銨(NH4NO3)配制成3個不同氮、磷質(zhì)量濃度(TN 2 mg/L、TP 0.2 mg/L；TN 5 mg/L、TP 0.4 mg/L；TN 10 mg/L、TP 0.8 mg/L)的培養(yǎng)水體5 L加入到6 L的塑料桶中，以研究不同富營養(yǎng)化水平下3種植物對水體的凈化效果。首先植物在自來水中經(jīng)過7 d的適應(yīng)性馴化，然后選取長勢相當(dāng)?shù)?種植物，每個處理95 g，植物種植于不同濃度的培養(yǎng)水體中(5 L)，每個水平設(shè)無植物對照CK，每個處理設(shè)3個重復(fù)。試驗(yàn)期間，向各處理水桶內(nèi)定期加入新鮮自來水以補(bǔ)充蒸發(fā)流失。每5 d取各水桶中層水樣，試驗(yàn)時間25 d，測定TP、TN、NH3-N，方法參照國家環(huán)?？偩值摹端蛷U水監(jiān)測分析方法》[11]。水質(zhì)指標(biāo)的去除率按下式計算：

去除率=(C0-C)/C0×100%

式中，C0為此次測定時的某種水質(zhì)指標(biāo)的原始濃度；C為此次測定時經(jīng)過某種植物凈化之后的水樣的對應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1水體中TP的濃度變化水體中總磷主要通過化學(xué)沉淀、藻類細(xì)菌的合成代謝和水生植物的吸收3種方法去除[12]。由圖1可知，包括對照組在內(nèi)，所有試驗(yàn)組內(nèi)的磷含量均有不同程度的下降。3種不同濃度(0.2、0.4、0.8 mg/L)下，酸模葉蓼、水龍、野荸薺對水體中TP均有較明顯的去除效果，隨著時間的延長，植物處理組和對照組的TP都呈現(xiàn)下降的趨勢，植物組TP的下降速度均超過對照組。其中，在A濃度(0.2 mg/L)水體中，水龍和野荸薺處理組在5～15 d表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，去除率分別達(dá)63.22%、64.87%；但在后續(xù)水龍?zhí)幚斫M水體中TP的下降緩慢，去除率僅為27.56%；同樣的，在B濃度(0.4 mg/L)水體中，水龍?zhí)幚斫M的水體中TP濃度也表現(xiàn)出在5～10 d下降最快，去除率達(dá)60.26%。從總體來看，在3個設(shè)計濃度中，酸模葉蓼對水體中TP的濃度表現(xiàn)出良好的去除優(yōu)勢，對TP的去除率分別為91.19%、85.99%、81.79%；其次為野荸薺，在A濃度至C濃度對TP的去除率分別為90.19%、83.09%、80.54%；最后為水龍，在A濃度至C濃度對TP濃度中的去除率分別為76.81%、77.06%、69.29%。

表1 試驗(yàn)水體氮磷濃度梯度設(shè)置

圖1 3種水生植物在0.2 mg/L(a)、0.4 mg/L(b)和0.8 mg/L(c)水體中TP的濃度變化Fig.1 Changes of TP concentrations in three aquatic plants in 0.2 mg/L(a)，0.4 mg/L(b)and 0.8 mg/L(c)water

2.2水體中TN的濃度變化總氮含量是指水樣中亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、無機(jī)氨鹽、溶解態(tài)氨以及大部分有機(jī)含氮化合物的總和[12]，水生植物可以通過直接吸收以及氧化、硝化、反硝化的作用去除水體中的氮[13]。從圖2可以看出，這3種水生植物對低、中、高3個不同TN濃度水體均有去除效果，其中酸模葉蓼和野荸薺均表現(xiàn)出良好的TN去除效果，在25 d的生長期內(nèi)，在A濃度(2 mg/L)的水體中，酸模葉蓼處理組中TN減少了1.78 mg/L，去除率為89.22%，野荸薺處理組中TN減少了1.87 mg/L，去除率為93.59%；在B濃度(5 mg/L)水體中，酸模葉蓼處理組中TN減少了3.94 mg/L，去除率為78.90%，野荸薺處理組中TN減少了4.17 mg/L，去除率為83.52%；在C濃度(10 mg/L)水體中，酸模葉蓼與野荸薺均表現(xiàn)出了較強(qiáng)的去除效果，去除率分別為75.73%和77.17%。水龍在這3種不同濃度的TN水體中，水體中TN濃度均表現(xiàn)了明顯的下降趨勢，但相對于酸模葉蓼和野荸齊，去除率較低，去除率分別為73.10%、75.79%、62.72%。由此可知，3種水生植物對水體中TN均有明顯的去除效率，去除率從大到小依次為野荸薺、酸模葉蓼、水龍。

圖2 3種水生植物在2 mg/L(a)、5 mg/L(b)和10 mg/L(c)水體中TN的濃度變化Fig.2 Changes of TN concentrations in three aquatic plants in 2 mg/L(a)，5 mg/L(b)and 10 mg/L(c)water

2.3水體中NH3-N的濃度變化在3種水生植物試驗(yàn)組中，水體中NH3-N的濃度變化情況見圖3。從總體來看，3種水生植物試驗(yàn)組中不同NH3-N濃度均表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，去除率高于對照組。在A濃度(0.293 mg/L)水體中，到25 d時，酸模葉蓼、水龍、野荸薺對水體中NH3-N的去除率分別為83.89%、68.53%、87.53%，然而在0～15 d，酸模葉蓼、水龍、野荸薺對水體中NH3-N的去除率已分別達(dá)55.17%、45.50%、58.86%。由此可知，對于3種植物來說，對水體中NH3-N的去除作用在前15 d已達(dá)到了高峰，并且酸模葉蓼與野荸薺對水體中NH3-N的去除存在明顯優(yōu)勢，說明這期間植物通過吸收和微生物的硝化作用效果明顯[14]，同時這也與酸模葉蓼與野荸薺具有發(fā)達(dá)的根系、微生物附著面積大有關(guān)[15]。在B濃度(0.579 mg/L)水體中，在前15 d，水龍對水體中NH3-N的濃度表現(xiàn)出了明顯的去除優(yōu)勢，去除率達(dá)57.17%，高于酸模葉蓼(41.05%)和野荸薺(34.14%)，但這種優(yōu)勢并未保持；從總體來看，到試驗(yàn)結(jié)束時，酸模葉蓼、野荸薺、水龍的去除率分別為72.59%、76.95%、64.32%。在C濃度(1.762 mg/L)水體中，在5～20 d，酸模葉蓼、野荸薺、水龍對水體中NH3-N表現(xiàn)出了明顯的去除效率，去除率分別達(dá)74.69%、78.54%、57.11%，到試驗(yàn)結(jié)束時，這3種植物的去除率分別為87.24%、84.03%、63.60%，由此表明，在5～20 d，3種水生植物對水體中NH3-N的去除效率最高。水生植物的生長，強(qiáng)化了水體氨氮的去除，NH3-N主要通過揮發(fā)、硝化反硝化、生物吸收3種機(jī)制去除。水生植物的生長，有利于水體中硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等微生物的生長，硝化和反硝化作用是去除水體中氨氮的主要途徑，該研究結(jié)果與Reddy等[16]的結(jié)果較為一致。由上述試驗(yàn)可知，3種水生植物對水體中NH3-N均有明顯的去除效率，去除率從大到小依次為野荸薺、酸模葉蓼、水龍。

圖3 3種水生植物在0.293 mg/L(a)、0.579 mg/L(b)和1.762 mg/L(c)水體中NH3-N的濃度變化Fig.3 Changes of NH3-N concentrations in three aquatic plants in 0.293 mg/L(a)，0.579 mg/L(b)and 1.762 mg/L (c)water

3 討論與結(jié)論

氮、磷是水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵指標(biāo)，水生植物對水體中氮、磷、氨氮的去除，使得水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定，是恢復(fù)生態(tài)平衡的主要措施之一。不同的水生植物種類對水質(zhì)有不同的影響，其本身對營養(yǎng)鹽的吸收能力也不同[17]。從3種水生植物對不同濃度總氮、總磷、氮氮的去除效率來看，對于總磷，酸模葉蓼、水龍、野荸薺的平均去除率分別為85.91%、74.38%和84.61%；對于總氮，酸模葉蓼、水龍、野荸薺的平均去除率分別為81.28%、67.20%和83.76%；由此可知，3種植物對于水體中總磷的去除能力從大到小依次為酸模葉蓼、野荸薺、水龍，對于水體中總氮的去除能力從大到小依次為野荸薺、酸模葉蓼、水龍，表現(xiàn)出酸模葉蓼與野荸薺在去除總磷、總氮方面有突出優(yōu)勢，這可能與酸模葉蓼、野荸薺具有發(fā)達(dá)的根、莖有關(guān)，植物根系為微生物提供了良好的生存環(huán)境，營養(yǎng)物質(zhì)充足，微生物降解物質(zhì)的能力越強(qiáng)，從而降低水中污染物質(zhì)濃度[18]。

3種植物對不同濃度水體中氨氮的去除率，從總體來看，對于不同濃度的氨氮去除率變化不大，并沒有因?yàn)闈舛鹊脑龃蠖憩F(xiàn)出去除率減少的情況，這可能是由于水生植物對離子態(tài)NH3-N比較容易吸收利用，而對總氮中的有機(jī)氮并沒有表現(xiàn)出良好的去除能力[12]。

有研究表明，水生植物在培養(yǎng)一定時間后，氮磷的去除能力就會明顯的下降或略有升高，說明隨著水中營養(yǎng)物質(zhì)濃度的升高，水體對水生植物形成逆境脅迫，產(chǎn)生氮、磷危害影響了植物的正常生理活動，抑制植物正常生長，降低去除能力[18]。在該研究中也發(fā)現(xiàn)，隨著氮、磷濃度的增加，3種植物的去除率表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，說明隨著氮、磷濃度的增加在一定程度對水生植物產(chǎn)生了逆境脅迫，抑制了植物正常生長，從而降低了去除能力。

綜上所述，本土水生植物酸模葉蓼、野荸薺、水龍對不同濃度的氮、磷具有良好的去除效率，去除率均超過了60%，3種水生植物對水體中不同濃度TP的去除率從大到小依次為酸模葉蓼、野荸薺、水龍；對水體中不同濃度TN的去除率從大到小依次為野荸薺、酸模葉蓼、水龍，對水體中不同濃度NH3-N的去除率從大到小依次為野荸薺、酸模葉蓼、水龍；同時，試驗(yàn)表明，這3種鄉(xiāng)土植物在水生態(tài)修復(fù)中具有良好的應(yīng)用價值，在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用圍隔技術(shù)、浮床技術(shù)、生態(tài)護(hù)岸技術(shù)等合理選擇水生植物，以發(fā)揮其凈化與美化功能。