4種浮床花卉植物及其混種對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果

田 創(chuàng), 張擇瑞, 劉 鑫, 楊 蘭, 胡淑恒

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

據(jù)2017年中國(guó)水資源公報(bào)顯示,123個(gè)湖泊共3.3×104km2,全年總體水質(zhì)為Ⅰ～Ⅲ類(lèi)的湖泊有32個(gè),Ⅳ～Ⅴ類(lèi)湖泊有67個(gè),劣Ⅴ類(lèi)湖泊有24個(gè),分別占評(píng)價(jià)湖泊總數(shù)的26.0%、54.5%、19.5%。主要污染項(xiàng)目是總磷、化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)和五日生化需氧量[1]。我國(guó)水環(huán)境污染現(xiàn)狀依舊嚴(yán)重,對(duì)受污染水體進(jìn)行修復(fù)顯得日益緊迫。20世紀(jì)80年代以來(lái),歐美、日本等國(guó)家相繼采用植物生態(tài)浮床技術(shù)治理污染水域,取得了一定成效[2-4],由于該技術(shù)在水生態(tài)治理方面是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法,我國(guó)很快引進(jìn)了該技術(shù)。近年來(lái),研究者使用美人蕉、車(chē)風(fēng)草、慈菇、茭白、滿江紅、水花生、菱角、香根草、菖蒲、水芹、空心菜、黃菖蒲、水竹等幾十種植物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[5-11],各類(lèi)植物均能降低水體中的氮磷濃度,對(duì)于浮游植物的生長(zhǎng)也有較強(qiáng)的抑制效果[12]。

實(shí)踐證明,人工生態(tài)浮床技術(shù)是一種非常有效的水體凈化技術(shù)。但目前研究者多采用一些常見(jiàn)水陸生植物,且各研究者所采用的多為本地常有物種,使用花卉植物進(jìn)行浮床實(shí)驗(yàn)的較少,因此本研究從植物浮床的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)入手,選用安徽地區(qū)常見(jiàn)的、且觀賞性、實(shí)用性較強(qiáng)的4種花卉植物綠蘿(Epipremnumaureum)、銅錢(qián)草(Hydrocotylechinensis)、白鶴芋(Spathiphyllumkochii)、吊蘭(Chlorophytumcomosum),進(jìn)行單一種植實(shí)驗(yàn)和綠蘿與其他3種植物混種實(shí)驗(yàn)，分析不同植物及各組合對(duì)于水體藻類(lèi)生長(zhǎng)的抑制情況及水體中氮、磷的去除效果,為工程實(shí)際選擇應(yīng)試植物提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在水箱內(nèi)進(jìn)行,水箱長(zhǎng)、寬、高分別為80、60、40 cm,最大容量為200 L,實(shí)驗(yàn)實(shí)際水量為120 L。

1.1.1 實(shí)驗(yàn)植物

選取植物時(shí)考慮到觀賞性及要求生物量大、根系較長(zhǎng)的需求,所選植物為花卉類(lèi)浮床植物,分別為綠蘿、白鶴芋、銅錢(qián)草和吊蘭,所選植物均購(gòu)于合肥市裕豐花鳥(niǎo)蟲(chóng)魚(yú)市場(chǎng),并在實(shí)驗(yàn)前對(duì)各植物去土水培馴化7 d。植物種類(lèi)及生物學(xué)特征見(jiàn)表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)植物種類(lèi)及生物學(xué)特性

1.1.2 浮床結(jié)構(gòu)

浮床框架主體如圖1所示。

圖1 浮床框架主體

浮床整體由PVC管和轉(zhuǎn)接頭連接,外層包裹圍欄網(wǎng)作為植物載體,網(wǎng)格大小約為2 cm×2 cm,浮床長(zhǎng)度為55 cm,寬度為36 cm。在浮床網(wǎng)格間種植植物,1～8號(hào)水箱分別種植綠蘿、白鶴芋、銅錢(qián)草、吊蘭、綠蘿和白鶴芋、綠蘿和銅錢(qián)草、綠蘿和吊蘭、空白。

1.1.3 供試水體

基底為自來(lái)水,加入部分合肥工業(yè)大學(xué)主教學(xué)樓前水池里富營(yíng)養(yǎng)化程度較高的水體補(bǔ)充微生物群落。通過(guò)葡萄糖調(diào)節(jié)CODCr,采用NH4Cl與NH4HCO3調(diào)節(jié)總氮質(zhì)量濃度,采用KH2PO4調(diào)節(jié)總磷質(zhì)量濃度。所有水箱各物質(zhì)質(zhì)量濃度保持一致,ρ(CODCr)為(80±2) mg/L;ρ(總氮)為(7.2±0.2) mg/L;ρ(總磷)為(0.52±0.02) mg/L。

1.2 取樣和測(cè)試

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2018-09-08—2018-10-21。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2天采樣1次,之后每隔2 d采樣1次,每次采樣均為300 mL,因?yàn)椴蓸酉乃终急容^少,所以實(shí)驗(yàn)期間不補(bǔ)充水分。每次采樣測(cè)試每個(gè)水箱中總磷、總氮、總有機(jī)碳(total organic carbon,TOC)、藻密度、葉綠素。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)分別對(duì)各水箱內(nèi)植物生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)定,其中生長(zhǎng)率公式[13]為:

ρ(總磷)采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定(GB11839-89);ρ(總氮)采用K2S2O8氧化消解比色法測(cè)定[14],ρ(TOC)采用TOC分析儀(差減法)進(jìn)行測(cè)定;水體中的葉綠素、藻密度使用YSL多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)定,該設(shè)備設(shè)有藍(lán)綠藻藻藍(lán)蛋白探頭,測(cè)量范圍在0～2.8×108個(gè)/L之間。

1.3 統(tǒng)計(jì)及分析

所有數(shù)據(jù)使用SPSS21.0和Orign9.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物生長(zhǎng)情況

植物生長(zhǎng)情況見(jiàn)表2所列。

表2 植物生長(zhǎng)情況

由表2可知,各組植物在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中生長(zhǎng)情況良好。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)前統(tǒng)一把各植物的根長(zhǎng)裁剪為5 cm,所以在生長(zhǎng)過(guò)程中各植物根系生長(zhǎng)率較大,均超過(guò)200%。白鶴芋在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)生物量?jī)H增長(zhǎng)了78 g,生長(zhǎng)率為15.6%,為各種植物及組合中生長(zhǎng)率最低的植物,但生長(zhǎng)正常,有花苞的部分已經(jīng)開(kāi)花。單種植物銅錢(qián)草在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后生長(zhǎng)迅速,生長(zhǎng)率達(dá)到了111.6%,在結(jié)束時(shí)已經(jīng)漫出水箱,是所有植物及組合中生長(zhǎng)率最高的植物。

2.2 藻密度的變化情況

藻密度變化如圖2所示。

圖2 藻密度變化情況

從圖2可以看出,各水箱除銅錢(qián)草、空白外均在第7天時(shí)藻密度達(dá)到頂峰,之后藻密度緩慢下降,銅錢(qián)草水箱藻密度在第18天達(dá)到頂峰后開(kāi)始下降,空白水箱藻密度在第21天開(kāi)始穩(wěn)定，一直保持在較高水平。

水箱模擬的中等富營(yíng)養(yǎng)化程度水體及外加的生物群落極易造成藻類(lèi)爆發(fā)生長(zhǎng)。浮床系統(tǒng)通過(guò)浮床植物和浮游植物的營(yíng)養(yǎng)鹽競(jìng)爭(zhēng)[15]、浮床植物的遮光作用、植物根系釋放化感物質(zhì)(酚、生物堿等)等途徑來(lái)抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)。在經(jīng)過(guò)幾天的適應(yīng)期后,各水箱的藻密度均存在不同程度地上升。

相對(duì)空白對(duì)照,各水箱的植物均能夠在一定程度上抑制藻類(lèi)的爆發(fā),但是每種植物抑藻能力不同,且不同植物混種的抑藻程度也不同。在單種植物的水箱中,種植銅錢(qián)草水箱藻密度的峰值為3 703×104個(gè)/L,穩(wěn)定期為(1 595～1 741)×104個(gè)/L,均處于較低的水平,抑藻率為82.64%。吊蘭的抑藻能力較差,為66.09%,峰值為6 648×104個(gè)/L,穩(wěn)定期為(2 679～3 401)×104個(gè)/L。這是由于銅錢(qián)草生長(zhǎng)速度較快,在水箱水面的覆蓋面積較大,導(dǎo)致水體藻類(lèi)得不到充足的陽(yáng)光生長(zhǎng);而吊蘭生長(zhǎng)量較小,對(duì)于營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收速率也不及其他植物,藻類(lèi)獲得了一定的生長(zhǎng)空間。

對(duì)于混種的情況,綠蘿和銅錢(qián)草混種對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的抑制效果顯著,峰值(3 365×104個(gè)/L)比綠蘿(5 950×104個(gè)/L)單種低很多;穩(wěn)定期一直保持在1 000×104個(gè)/L以下,抑藻率最高為91.31%。這可能與綠蘿分泌的化感物質(zhì)有關(guān),直接抑制了藻類(lèi)的生長(zhǎng),且與銅錢(qián)草的高覆蓋率協(xié)同使水體藻類(lèi)密度降低。

空白對(duì)照水箱由于無(wú)植物影響,藻密度增長(zhǎng)期持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間,穩(wěn)定后一直保持較高的水平(10 000×104個(gè)/L以上),且至實(shí)驗(yàn)后期藻類(lèi)死亡開(kāi)始散發(fā)惡臭。

2.3 葉綠素質(zhì)量濃度的變化情況

葉綠素質(zhì)量濃度的變化如圖3所示,從圖3可以看出，除種植銅錢(qián)草和空白水箱外，其他水箱葉綠素的質(zhì)量濃度均在第7天達(dá)到頂峰,種植銅錢(qián)草水箱于第21天達(dá)到頂峰,但空白水箱在第7天后基本可視作在較高范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)。

圖3 葉綠素質(zhì)量濃度的變化情況

在實(shí)驗(yàn)情況下,水體葉綠素的質(zhì)量濃度基本由藻類(lèi)提供,因此各水箱葉綠素的質(zhì)量濃度增長(zhǎng)情況與藻密度基本一致。以種植綠蘿水箱為例,采用SPSS21.0軟件對(duì)水箱藻密度與葉綠素質(zhì)量濃度進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示在0.01水平上顯著相關(guān)(R2=0.977 2),綠蘿的相關(guān)性分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 綠蘿的相關(guān)性分析

2.4 總氮和總磷的凈化效果

水體中的氮、磷通過(guò)植物根系的吸收作用[16]、根系微生物吸附[17]及植物根系的截留吸附[18]等功能得到凈化,并可以通過(guò)收割植物的方式把氮、磷搬離水體。

各水箱總氮質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化如圖5所示。

圖5 總氮的凈化效果對(duì)比

從圖5可以看出,各水箱中總氮質(zhì)量濃度均有不同程度的下降，由于在實(shí)驗(yàn)前對(duì)于植物進(jìn)行了饑餓適應(yīng)馴化,水體無(wú)機(jī)養(yǎng)分充足,各植物生長(zhǎng)較快,前7 d各水箱總氮去除率均保持快速上升,7 d后各水箱總氮去除速度開(kāi)始下降,至30 d后各水箱總氮去除率維持在穩(wěn)定水平,這是由于在實(shí)驗(yàn)后期,水體無(wú)機(jī)養(yǎng)分負(fù)荷降低,使得植物生長(zhǎng)速度變緩,造成植物對(duì)總氮去除變緩。

其中,綠蘿和白鶴芋混種對(duì)總氮的去除率最高,達(dá)到98.39%,綠蘿和銅錢(qián)草混種去除率為96.66%,銅錢(qián)草的為96.42%,綠蘿和吊蘭的為96.49%,綠蘿的為94.14%,吊蘭的為89.3%,白鶴芋的為85.81%,空白對(duì)照的為79.85%,總氮質(zhì)量濃度分別降至0.13、0.30、0.31、0.31、0.50、0.94、1.20、1.74 mg/L。綠蘿與其他植物混種對(duì)總氮的去除率均比綠蘿單一植物種植效果要稍好。

單種和混種植物組合對(duì)總磷的凈化效果對(duì)比如圖6所示。從圖6可以看出,各水箱對(duì)于總磷均有較好的去除效果，其中,綠蘿和銅錢(qián)草混種對(duì)總磷的去除率最高，達(dá)到73.32%。各種植物水箱的去除率均在59.15%～72.05%之間,空白對(duì)照對(duì)總磷的去除率為51.66%。

圖6 總磷的凈化效果對(duì)比

有機(jī)酸會(huì)增強(qiáng)水體中土著菌的活性,如磷細(xì)菌和反硝化聚磷菌,加速不同形態(tài)磷的轉(zhuǎn)變,不同的植物根系活力、根系面積及根系分泌物存在一定程度的差異,從而導(dǎo)致各種植物對(duì)水體磷的吸收去除能力不同。

研究表明,生物量與植物體內(nèi)氮磷積累量的相關(guān)性好于體內(nèi)濃度[19],因此通過(guò)生物量也可較好評(píng)價(jià)它們對(duì)氮磷去除的作用。銅錢(qián)草在實(shí)驗(yàn)期間生長(zhǎng)速度比其他植物要快得多,前期對(duì)于水箱中氮磷的凈化速率也較快,由于水箱空間及水體氮磷質(zhì)量濃度的限制,在實(shí)驗(yàn)后期銅錢(qián)草的生長(zhǎng)受到限制,對(duì)氮磷的凈化速率趨于平緩。而白鶴芋、吊蘭在實(shí)驗(yàn)期間生物量增長(zhǎng)較低,因此氮磷的去除率增長(zhǎng)較低。綠蘿在實(shí)驗(yàn)前期葉片有部分變黃腐爛,可能暫時(shí)不適應(yīng)富營(yíng)養(yǎng)化水體,在剪掉爛葉渡過(guò)適應(yīng)期后,氮磷去除率慢慢超過(guò)其他幾種植物。

而綠蘿與其他植物混種的凈化效果比單種有不同程度的提升,但綠蘿單種對(duì)氮磷凈化效果處于較高水平,與其他植物混種只是提升了吊蘭、白鶴芋組的凈化效果,由此可看出，綠蘿在凈化效果上起主要作用;對(duì)于銅錢(qián)草這種具有較高凈化效果的植物,提升效果不太明顯。

2.5 TOC的凈化效果

水體中的TOC一方面可以通過(guò)植物直接吸收,另一方面通過(guò)植物根系形成的好氧環(huán)境為微生物提供場(chǎng)所降解有機(jī)物[20]。單種和混種對(duì)TOC的凈化效果對(duì)比如圖7所示。

圖7 TOC凈化效果對(duì)比

由圖7可知，各種植植物水箱在培植前5 d對(duì)TOC的去除率增長(zhǎng)迅速，第5天后水箱水體TOC質(zhì)量濃度基本保持穩(wěn)定，空白水箱在第9天保持穩(wěn)定,且去除率比各水箱低,保持在70%～74%之間；綠蘿和銅錢(qián)草混種對(duì)TOC的去除率最高,達(dá)到了88%,最低使水箱內(nèi)TOC質(zhì)量濃度降至3.15 mg/L,其余各水箱植物對(duì)TOC的去除率保持在84%～86%之間，各水箱種植的植物對(duì)TOC去除率相差不大,說(shuō)明各植物根系泌氧能力差別不大。

3 結(jié) 論

與空白對(duì)比,各植物均能有效抑制水體藻類(lèi)的爆發(fā)。綠蘿與其他3種植物混種能夠有效提高抑藻率,效果最好的綠蘿和銅錢(qián)草混種，基本控制了水箱藻類(lèi)的爆發(fā),并把藻類(lèi)抑制到一個(gè)較低的水平。實(shí)驗(yàn)證明,單一種植4種植物都有較好的處理效果,銅錢(qián)草效果最好;綠蘿和銅錢(qián)草混合種植效果最好。生物量增長(zhǎng)越大的植物對(duì)于氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除率越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,綠蘿與其他3種植物混種比單一植物對(duì)各種污染物質(zhì)的去除率都有不同程度的提升,但對(duì)于本身凈化效果較好的植物提升不太明顯。在工程實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于一些本身凈化效果不高的植物可以與綠蘿、銅錢(qián)草等凈化效果高的植物進(jìn)行混種,既能夠提高觀賞性,又能提升凈化效果。

生態(tài)浮床作為一種原位修復(fù)技術(shù),自20世紀(jì)80年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了很多研究,大部分研究通過(guò)在浮床上種植單一植物,測(cè)試該植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果,但在自然生態(tài)環(huán)境中,植物通常是不同種群生長(zhǎng)在一起,它們之間的關(guān)系可能有寄生、競(jìng)爭(zhēng)、互利共生等,不同植物的互利共生在生態(tài)浮床修復(fù)中可能起到更好的處理效果,這在今后的工程實(shí)際應(yīng)用中還有待進(jìn)一步研究。