3種水培植物對高氮磷水體的耐受性及去除效果

萬蕾 黃亞惠 于箐

摘要：以吊蘭[Chlorophytum comosum （Thunb.） Baker.]、慈姑（Sagittaria trifolia var. sinensis）、銅錢草[Hydrocotyle chinensis （Dunn） Craib]3種水培植物為研究對象，分析其在室內水培條件下，在高氮、磷濃度（實測NO-3-N濃度為41.40 mg/L，PO3-4-P濃度為3.55 mg/L）水體和中高氮、磷濃度（實測NO-3-N濃度為 19.09 mg/L，PO3-4-P濃度為1.80 mg/L）水體中的根長、莖長和葉片葉綠素a含量的變化情況，以及對氮、磷的去除率。結果表明，銅錢草對高氮、磷濃度的耐受性較好，吊蘭次之，慈姑對高氮、磷濃度的耐受性較差。在高濃度氮、磷組，氮的去除率表現為吊蘭>銅錢草>慈姑，而在中高濃度氮、磷組，對氮的去除率表現為銅錢草>吊蘭>慈姑;在高氮、磷濃度組，3種植物對磷的去除率表現為銅錢草>吊蘭>慈姑，在中高氮、磷濃度組，對磷的去除率表現為銅錢草>慈姑>吊蘭。水生植物在生長狀態(tài)不佳的情況下，對氮、磷的吸收去除能力肯定較差，而在生長狀態(tài)較好的情況下，對氮、磷的吸收去除能力不一定強。研究結果為水體富營養(yǎng)化或黑臭水體的治理提供了參考，為水生植被的恢復提供了借鑒。

關鍵詞：水培植物;高濃度;氮;磷;耐受;去除率

中圖分類號： X52? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）21-0235-06

收稿日期：2021-03-02

基金項目：江蘇省高等學校自然科學研究重大項目（編號：19KJA580002）。

作者簡介：萬 蕾（1981—），女，山東煙臺人，博士，副教授，主要從事水環(huán)境污染防治與生態(tài)修復方面的研究。Tel：（0516）83290571;E-mail：hjwanl@163.com。

當前，水體富營養(yǎng)化已經成為全球性的水環(huán)境污染問題，目前我國約有70%的湖泊受到了不同程度的污染，多數湖泊出現了不同程度的富營養(yǎng)化。不僅僅是湖泊，一些流動性較差的河流也出現了富營養(yǎng)化問題，甚至是黑臭現象。近年來，富營養(yǎng)化水體的治理技術日趨成熟，主要有應急除藻技術，包括絮凝沉淀、機械打撈、投加殺藻劑等[1-3]，以及控污截源、生物調控等長期措施[4-6]。其中生物調控措施包括水生植被恢復、生物操縱、投加微生物制劑等。近年來，我國的水生植被恢復存在一個誤區(qū)，即不管本底條件如何一律栽花種草，希望通過水生植物的凈化作用來去除水體中的污染物。因此，前人的研究大多集中在水生植物對污染水體中氮、磷、有機物或是藻類的去除效果上[7-10]，示范工程的應用也是幾種治理技術的盲目集成，耗費了大量人力、物力和財力，對富營養(yǎng)化水體的治理效果不理想，甚至出現短期或局部由于水生植物的腐爛加重造成的水體污染現象。

恢復水生植物的前提條件是必須創(chuàng)造適合植物生長的水體環(huán)境。關于大型水生植物適宜的生存環(huán)境特別是營養(yǎng)鹽閾值的研究較少。在水生植物對營養(yǎng)元素的耐受性方面，與浮水植物相關的主要是萬志剛等通過研究6種水生維管束植物在人工培養(yǎng)條件下對不同濃度氮、磷元素培養(yǎng)液的耐受性，發(fā)現鳳眼蓮（水葫蘆）對氮、磷元素的耐受性最高，當水體中氮濃度達到1 514. 26 mg/L時死亡，當水體中磷濃度達到200.4 mg/L時死亡，對水體中氮耐受性最差的是浮萍、水鱉，對水體中磷濃度耐受性最差的是水鱉[11]。在挺水植物方面，黃丹萍等在水培條件下觀察3個濃度梯度的氮、磷污水對菖蒲脅迫后的根系釋氧、通氣組織的變化規(guī)律發(fā)現，高氮、磷濃度（N：120 mg/L，P：12 mg/L）脅迫明顯抑制了菖蒲株高、根系長度的生長，從而減少植物根系數量[12]。在沉水植物方面，劉少博等研究了狐尾藻在生態(tài)濕地系統(tǒng)對高銨態(tài)氮的耐受及氮、磷吸收能力，結果表明，NH+4質量濃度達到420 mg/L時，莖高、生物量生長速率分別僅為對照的27.4%、17.9%，植物受到嚴重脅迫，生長受阻甚至死亡[13];熊劍等研究發(fā)現，金魚藻在硝態(tài)氮濃度達到10～30 mg/L 時仍可生長，但是會抑制其生長，從而導致生物量降低，隨著濃度升高，會導致金魚藻葉片脫落更加嚴重[14]。關于營養(yǎng)鹽對水生植物生長的影響機制研究一直存在分歧[15]。總之，營養(yǎng)鹽濃度是大型水生植物生長的脅迫因子之一，但不是限制其生長的關鍵因子，在一定范圍的營養(yǎng)鹽濃度下，水生植物具有較高的耐受性，其生長過程不會受到顯著影響，但要保證水生植物的正常萌發(fā)、生長，水體營養(yǎng)鹽濃度存在上限閾值，該閾值與水生植物的類型、水生植物的生長階段有關。

本研究分析了吊蘭[Chlorophytum comosum （Thunb.） Baker.]、慈姑（Sagittaria trifolia var. sinensis）、銅錢草[Hydrocotyle chinensis （Dunn） Craib]3種水培植物在濃度較高的有機物、氮、磷營養(yǎng)水平下的生長狀況及對氮、磷的去除效果，以期為水體富營養(yǎng)化或黑臭水體的治理提供參考，并為水生植被的恢復提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用水取自校園景觀湖，靜置后取上清液，測定其NO-3-N、PO3-4-P及CODMn濃度，通過投加葡萄糖、硝酸鉀和磷酸二氫鉀以配制不同濃度的營養(yǎng)液，其實測濃度見表1。試驗裝置為長方形塑料水槽，尺寸為27 cm×20 cm×10.5 cm，試驗用水約為5 L。選取生長良好的植物，洗凈根部后用泡沫板固定，直接放置在水槽上方，每個水槽種植3株體積相近的吊蘭或慈姑， 銅錢草種植量為水槽平面面積的50%左右，3種植物的初始凈生物量相近。

1.2 分析方法

試驗開始后，每5 d取50 mL水樣，測定NO-3-N、PO3-4-P的濃度。隨機取多片植物葉片，測定葉綠素a含量，并且測定植物的株高、根長，取平均值后進行分析。每天補充原水，保證培養(yǎng)液總體積不變。其中NO-3-N、PO3-4-P、CODMn濃度的測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》，葉綠素a含量的測定參照《植物生理學實驗指導（第三版）》。本試驗從2019年7月1日開始，8月9日結束，共計40 d，后期由于室內氣溫過高，停止試驗。每組試驗設置2個平行樣，取其平均值進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同水培植物對高氮、磷水體的耐受情況

2.1.1 3種水培植物根長變化情況 植物的根部是直接接觸培養(yǎng)液的部位，由圖1可以看出，試驗組1（高氮、磷組）的慈姑根長一直在減小，說明該氮、磷濃度不適合慈姑生長，并且在7月20號以后出現明顯爛根現象，因此試驗在第20天后停止;試驗組2（中高氮、磷組）的慈姑前期根長增長明顯，第20天后也呈現萎縮、減少的趨勢，第30天后出現明顯爛根的情況，試驗周期為30 d。吊蘭在試驗組1（高氮、磷組）經歷了10 d的適應期后，根長逐漸增長，第25天以后呈現萎縮，緩慢變短;而在試驗組2（中高氮、磷組），前期根長呈現波動緩慢增長的趨勢，第30天以后明顯變短，試驗組1的根長大于試驗組2的根長。銅錢草的根長變化與慈姑、吊蘭不同，前期經歷了較長時間的適應期，第25天以后，試驗組1 （高氮、磷組）和試驗組2（中高氮、磷組）的根長都明顯增大，試驗組2（中高氮、磷組）的根長比試驗組1 （高氮、磷組）的根長長25%以上。

2.1.2 植物莖長變化情況 從圖2可以看出，慈姑在高氮、磷濃度條件下，莖長一直呈減少趨勢，而在中高氮、磷濃度下則呈緩慢增加的趨勢。吊蘭的莖長變化規(guī)律在試驗組1與根長的變化規(guī)律基本一致，試驗第25天之前呈增加趨勢，第25天以后呈明顯減少的趨勢;而試驗組2在前期（試驗15 d之前）有減少的趨勢，后期緩慢增長，試驗組1的莖長大于試驗組2。銅錢草莖長的變化規(guī)律與慈姑、吊蘭不同，2個試驗組的莖長在試驗10 d之前都呈下降趨勢，可以看作存在1個適應期，試驗10～20 d都呈增加趨勢，而且試驗組1的莖長比試驗組2長10%左右，但在試驗后期（1個月以后），試驗組2的莖長明顯呈增加的趨勢，而試驗組1的莖長則明顯減少。

2.1.3 植物葉片葉綠素a含量的變化 從圖3可以看出，試驗前5 d，3種水培植物的葉綠素a含量都有不同程度的下降，第10天以后基本呈增加趨勢，并且試驗組2的植物葉片葉綠素a含量均高于試驗組1。對于慈姑而言，雖然在試驗第15天時葉綠素a含量有升高的趨勢，但在試驗組1在第20天時葉綠素a含量明顯減少，第25天時發(fā)現明顯爛根，沒有測量;而試驗組2的慈姑在試驗第20天時的葉片葉綠素a含量達到最大值，之后開始逐漸減少。對于吊蘭而言，試驗組1的葉綠素a含量在試驗第25天以后出現減少趨勢，而試驗組2的葉綠素a含量在第35天后明顯升高，至試驗結束時，達到3.25 mg/g，試驗組1低于試驗組2。相比于慈姑、吊蘭， 試驗組1銅錢草的葉片葉綠素a含量在前期沒有明顯下降，在試驗結束時的葉綠素a含量與試驗初期相當， 并且在試驗后期呈現增加的趨勢;而試驗組2的慈姑同樣在第30天后明顯升高。在試驗后期，不同試驗組的銅錢草的生長情況見圖4，可以看出，試驗組2的銅錢草的生長情況明顯好于試驗組1。

2.2 不同水培植物對高氮磷的去除能力

2.2.1 氮濃度的變化情況 從圖5可以看出，3種水培植物對NO-3-N的去除能力差別較大。試驗組1的慈姑培養(yǎng)液的氮濃度一直呈增加的趨勢，結合植物的生長情況分析可知，40 mg/L氮濃度已經不利于慈姑生長，而試驗組2的慈姑培養(yǎng)液中的氮濃度緩慢下降，至試驗結束時（30 d），對氮的去除率為50.55%。試驗組1的吊蘭氮濃度在前期下降較快，第15天以后變化趨勢變緩，第30天以后至試驗結束時，氮濃度基本保持不變;試驗組2的吊蘭氮濃度在第15天之前呈現波動，而第15天以后快速減少，至試驗結束時，氮質量濃度的去除率為64.90%。銅錢草在試驗組1中的氮濃度在前20 d下降較快，第20天以后下降趨勢明顯變緩，甚至在后期有升高的趨勢;試驗組2的氮濃度一直減少，至試驗結束時，氮濃度的去除率為71.33%。在氮、磷高濃度組，吊蘭對氮的去除率高于銅錢草，而在中高濃度氮、磷處理組，銅錢草對氮的去除率高于吊蘭。

2.2.2 磷濃度的變化情況 從圖6可以看出，慈姑培養(yǎng)液中PO3-4-P濃度的變化規(guī)律與氮相似，不同的是，試驗組2的磷濃度始終較低。在吊蘭試驗組1中，磷濃度在第5天后基本呈增加趨勢，試驗組2的磷濃度在第15天以后也有增加的趨勢，30 d后有減少的趨勢。在試驗組1中，銅錢草中磷濃度在第15天之前基本不變，第25天以后呈下降趨勢，而且始終較低，至試驗結束時，去除率為86.70%;在試驗組2中，磷濃度一直呈現緩慢下降的趨勢，至試驗結束時，去除率為99.0%?？傮w來看，在高氮、磷組，3種植物對磷的去除率表現為銅錢草>吊蘭>慈姑;在中高氮、磷組，3種植物對磷的去除率表現為銅錢草>慈姑>吊蘭。

3 討論與結論

3.1 植物生長狀況與氮、磷凈化效果的關系

通常認為，植物的生長狀態(tài)越好，其對水體中氮磷的吸收能力越強。由表2可以看出，無論是試驗組1還是試驗組2，慈姑的植物生長狀況與其對氮、磷去除率的相關系數總體較吊蘭、銅錢草高，尤其是在試驗組1中，慈姑對NO-3-N的去除率與根長、莖長和葉綠素a含量的相關系數（r）均大于0.7，而吊蘭和銅錢草對NO-3-N的去除率與根長、莖長和葉綠素a含量的相關系數均較小，尤其是銅錢草甚至出現多個弱負相關。由此可以看出，在試驗組1中，慈姑的生長狀況最差，而吊蘭、銅錢草在試驗組1的試驗期內沒有腐爛，在試驗組2的條件下生長狀態(tài)較好，說明水生植物在生長狀態(tài)不佳的情況下對氮、磷的吸收去除能力較差，而在生長狀態(tài)較好的情況下，對氮、磷的吸收去除能力不一定強。推測其原因，可能與不同植物對氮磷的耐受程度不同有關，對氮磷耐受能力強的植物，能夠在高濃度氮、磷條件（即逆境條件）下清除體內的過氧化氫，維持體內的活性氧代謝平衡，保護膜結構，從而在一定程度上忍耐、減緩或抵抗逆境脅迫，阻止水體中高氮、磷濃度對植物組織的損害[16-18]。由此可見，即使在高濃度氮、磷條件下能夠正常生長的植物，其對氮、磷的吸收去除能力不一定強。

3.2 不同水生植物凈化效果的比較

不同水生植物對氮、磷的耐受程度不同，對氮、磷的去除能力也不同。關于慈姑凈化富營養(yǎng)化水體方面的研究，不同學者的研究結果差異較大，高丁梅等認為，慈姑對磷的去除效果較其他幾種植物突出[19-22]。而付曉云等認為，慈姑對污水的凈化能力不如水花生、菖蒲等植物[23-24]。關于銅錢草的研究，也有研究者認為，銅錢草對總氮的吸收能力較好[25-26]，而余紅兵等認為，在5種水生植物中，水生美人蕉吸收的氮、磷量最高，而銅錢草吸收的氮、磷量最低[27]。這與不同研究者的試驗條件如氣溫、容器高度、植物初始狀態(tài)、進水方式、是否有底泥以及生物量大小、培養(yǎng)液的初始濃度等有關，因此很難將水生植物對氮、磷的吸收能力進行簡單的排序，只能在特定條件下進行比較。慈姑雖然主要分布在我國的華東、華南一帶，但是從慈姑的生長周期可以看出，過高的溫度不適宜慈姑生長。從本研究結果也可以看出，慈姑的生長狀態(tài)不好，對氮、磷的凈化能力不如吊蘭和銅錢草，可能與試驗期間氣溫過高及容器高度過低有關，需要改進試驗裝置及在春秋季進行進一步研究。

對于富營養(yǎng)化或黑臭水體的治理，需要因地制宜，在充分調查本底條件及當地物種的前提下，結合當地的氣候特征及水體營養(yǎng)鹽濃度、底質條件、坡岸條件等篩選適應能力強、對氮磷吸收效果好的水生植物。對于前人的研究成果可以借鑒，但不能一刀切，需要具體問題具體分析。從本研究的分析中可以看出，慈姑的根系較長，在高氮、磷組的生長狀態(tài)明顯較差，可以種植于水深較深的岸邊帶或用于浮床植物，在一般的富營養(yǎng)化水體中可以正常生長，并且有一定的凈化效果。而銅錢草根系較短，只能種植于水深較淺的岸邊帶，但其耐污能力很強，可種植于生活污水排污口區(qū)域附近，特別是老舊城區(qū)直立坡岸的城市景觀河道的排污口附近水域，可以有效截留進入河道的氮磷污染物。吊蘭對氮的去除能力較強[28]，可以與慈姑、銅錢草搭配種植，提升景觀功能并提高污染水體修復效果。

本研究分析了慈姑、吊蘭、銅錢草3種水培植物在2組濃度較高的氮、磷營養(yǎng)水平下，其根長、莖長及葉片葉綠素a含量的變化情況，同時分析了其對氮、磷的去除效果。結果顯示：（1）在試驗條件下，銅錢草對高氮、磷濃度的耐受性較好，吊蘭次之，慈姑對高氮、磷濃度的耐受性較差。慈姑在高氮、磷濃度組20 d以后出現明顯爛根，中高氮、磷濃度組在20 d以后生長狀況持續(xù)變差，根長和莖長變短，葉片葉綠素a含量下降。吊蘭在高氮、磷濃度組經歷了適應期后，前期根長、莖長、葉綠素a含量升高，25 d以后生長狀態(tài)開始變差;高氮、磷濃度組的根長、莖長大于中高氮、磷濃度組，但葉綠素a含量低于中高氮、磷濃度組。銅錢草在經歷了適應期后，2個試驗組的根長、葉綠素a含量呈緩慢增長的趨勢，高氮、磷濃度組的莖長在25 d以后呈減少趨勢，至試驗結束時，中高氮、磷濃度組的根長、莖長、葉綠素a含量均高于高氮、磷濃度組。（2）在高濃度氮、磷組，3種植物對氮的去除率表現為吊蘭>銅錢草>慈姑，而在中高濃度氮、磷組，3種植物對氮的去除率表現為銅錢草>吊蘭>慈姑;在高氮、磷濃度組，3種植物對磷的去除率表現為銅錢草>吊蘭>慈姑，在中高氮、磷濃度組，3種植物對磷的去除率表現為銅錢草>慈姑>吊蘭。（3）通過分析3種水培植物根長、莖長及葉片葉綠素a含量與氮、磷去除率相關關系發(fā)現，水生植物在生長狀態(tài)不佳的情況下，對氮、磷的吸收去除能力較差，而在生長狀態(tài)較好的情況下，對氮、磷的吸收去除能力不一定強。（4）不同水生植物對氮、磷的吸收去除能力不同，只能在特定條件下進行比較。慈姑可以種植于水深較深的岸邊帶或浮床載體上，銅錢草可以種植于景觀河道的生活污水排污口附近，吊蘭可以與慈菇和銅錢草搭配種植，從而提升景觀功能，提高污染水體的修復效果。

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