常會(huì)慶，王世華，徐曉峰，何俊瑜

（1.河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003；2貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴陽(yáng)55002）

近年來(lái)，地表水體富營(yíng)養(yǎng)化的加劇已經(jīng)成為全世界水質(zhì)量最為關(guān)注的問(wèn)題［1］，中國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題尤為突出，已經(jīng)威脅到人們引用水體的供應(yīng)，即使在水源豐富的地區(qū)，也因?yàn)樗|(zhì)的下降導(dǎo)致淡水的缺乏。植物修復(fù)技術(shù)是處理富營(yíng)養(yǎng)化水體最具前景的生物技術(shù)之一。生長(zhǎng)快速并有較高去除養(yǎng)分能力的水生植物用于廢水處理和資源化已經(jīng)引起了研究者的關(guān)注。例如水生植物系統(tǒng)可以高效的去除畜禽廢水［2］、生活廢水［3］、工業(yè)廢水［4］、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的養(yǎng)分含量，并可用于處理土壤滲透液［5］。植物修復(fù)技術(shù)還用于處理太湖富營(yíng)養(yǎng)化水體引用水源工程中［6］。因此本研究選擇漂浮和沉水兩種水生植物，采用漂浮式生長(zhǎng)方式，研究它們?cè)谕画h(huán)境條件下對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體養(yǎng)分的去除效果，為確定有效的植物修復(fù)方式和富營(yíng)養(yǎng)化水體植物深度修復(fù)技術(shù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇兩種水生植物伊樂(lè)藻（Elodea nuttallii）和黃花水龍（Jussiaea stipulacea Ohwi）作為試驗(yàn)材料。伊樂(lè)藻雖然是沉水植物，但是由于它可以直接從水體中吸收養(yǎng)分，因此可以以漂浮的方式進(jìn)行培養(yǎng)，而且便于收獲。伊樂(lè)藻不但生長(zhǎng)較快，而且是水產(chǎn)養(yǎng)殖良好的飼料，水產(chǎn)養(yǎng)殖方面得到了廣泛的應(yīng)用［7］。黃花水龍是一種生長(zhǎng)在淺水湖泊或河道中的漂浮水生植物。這兩種水生植物在太湖流域分布較為廣泛，將收集的兩種植物于試驗(yàn)開(kāi)始一周前馴養(yǎng)于溫室中。

1.2 試驗(yàn)處理和實(shí)施

試驗(yàn)包括3個(gè)處理，分別為對(duì)照（CK）、沉水植物（Elodea nuttallii）（S）和漂浮植物（Jussiaea stipulacea Ohwi）（F），每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。培養(yǎng)容器體積約為60L，直徑為0.6m，有效深度0.6m，表面積為0.28m2。試驗(yàn)設(shè)在溫室內(nèi)進(jìn)行（其中氣溫為25～35℃，水溫27～32℃）。采用人工模擬的富營(yíng)養(yǎng)化水體，在試驗(yàn)處理前加入葡萄糖，NH4NO3和NaH2PO4，使得水體中總氮、總磷和氨態(tài)氮濃度分別為40.2，7.99，19.85mg／L；pH 和 COD分別調(diào)整至7.02，41.26mg／L；葉綠素a的濃度為75.46μg／L。第個(gè)處理中加入200g的水生植物，使得水體植物的覆蓋率達(dá)到容器表面積的一半，空白處理在其上漂浮一個(gè)蓋子以阻止藻類(lèi)的生長(zhǎng)。伊樂(lè)藻漂浮于水面下約0.2m處。每個(gè)處理中加入模擬的富營(yíng)養(yǎng)化水60 L，每隔一天用去離子水補(bǔ)足由于蒸發(fā)而損失的水量，植物生長(zhǎng)的溫室溫度變化為22.4～35.3℃，水溫為23.20～32.6℃，試驗(yàn)處理19d后結(jié)束。

1.3 取樣和分析

分別在0，2，6，12，19d進(jìn)行水樣采集，每次采樣固定在上午8：00，用100ml的量筒在水面下0.35m處的3個(gè)地方進(jìn)行采樣。試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)定根據(jù)水和廢水的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)分析方法［8］。水生植物生物量和養(yǎng)分含量在試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)分別進(jìn)行測(cè)定，植物樣品中的氮含量經(jīng)消煮后用凱氏法測(cè)定，磷含量用比色法測(cè)定［9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 重富營(yíng)養(yǎng)化水體中總氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化

總氮濃度除了對(duì)照隨試驗(yàn)處理的過(guò)程而降低外，其它處理呈波動(dòng)變化。有水生植物的培養(yǎng)系統(tǒng)中，總氮在第6天時(shí)，由于此時(shí)培養(yǎng)的水生體植物部分碎屑腐爛呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；此后總氮在漂浮植物處理中呈下降趨勢(shì)。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)總氮含量最低的出現(xiàn)在漂浮植物（F）處理中，此時(shí)總氮的水平為（2.59±0.88）mg／L，并且與其它處理呈顯著性差異（P＜0.05）（圖1）。

氨態(tài)氮濃度在試驗(yàn)中呈下降趨勢(shì)，兩種水生植物的氨態(tài)氮濃度都比對(duì)照低。有漂浮植物（F）處理要比有沉水植物（S）處理去除的氨態(tài)氮更多。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，3個(gè)處理氨態(tài)氮的濃度分別為（10.96±1.04）mg／L，（1.82±0.17）mg／L，（0.52±0.02）mg／L。

硝態(tài)氮的變化與總氮的變化趨勢(shì)相似，經(jīng)過(guò)19d后3個(gè)處理的硝態(tài)氮濃度分別降低到（0.31±0.22）mg／L，（9.1±0.16）mg／L，（0.11±0.01）mg／L。與有沉生植物（S）的處理相比，對(duì)照總是可以減少更多的硝態(tài)氮。沉水植物處理中硝態(tài)氮的濃度與其它處理呈顯著性差異。

圖1 不同處理對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體總氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮的影響

2.2 重富營(yíng)養(yǎng)化水體中總磷的變化

各培養(yǎng)系統(tǒng)中TP的變化過(guò)程見(jiàn)圖2。在第2天時(shí)，總磷在各處理中由于pH的上升導(dǎo)致TP的下降。而且總磷濃度在有漂浮植物的處理中要比沉水植物降低的快。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)漂浮植物與其它兩個(gè)處理相比較，總磷濃度的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）?？偭自?個(gè)處理中的值分別為（3.94±0.71）mg／L，（2.30±0.15）mg／L，（0.81±0.13）mg／L。

2.3 重富營(yíng)養(yǎng)化水體中COD和葉綠素a的變化

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)照處理的COD降低了56.39%。沉水植物（S）處理對(duì)COD降低能力最低，其值為43.33%。COD的降低主要是依靠系統(tǒng)中微生物和藻類(lèi)的生長(zhǎng)對(duì)其中碳源的利用，還有植物根系對(duì)其顆粒有機(jī)物的過(guò)濾作用。水體中葉綠素a的含量與水體中藻類(lèi)的含量成正相關(guān)，種植水生植物可以有效的抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng)繁殖。對(duì)照與其它處理相比較水體中的葉綠素含量最高。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)漂浮植物（F）對(duì)葉綠素a的降低最高為58.34%。類(lèi)似于COD的變化，植物系統(tǒng)更有效的降低了葉綠素a的含量（圖3）。

2.4 各處理中養(yǎng)分去除效率

試驗(yàn)各處理在19d試驗(yàn)期間總氮、總磷和氨態(tài)氮的去除率見(jiàn)圖4。在第19天時(shí)漂浮植物（F）處理中總氮去除率最高，沉水植物的處理對(duì)總氮的降低率最低。與伊樂(lè)藻相比較黃花水龍可以去除較多的氮素，在第19天時(shí)比沉水植物多去除31%。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)氨態(tài)氮在各處理都達(dá)到最低的水平，在F處理中氨態(tài)氮的降低量為97.38%。對(duì)照與其它處理相比，氨態(tài)氮降低效果不明顯。然而沉水植物和漂浮植物對(duì)氨態(tài)氮的去除在第19天時(shí)為95%～100%?？偭椎慕档驮谟兴参锾幚碇信c對(duì)照相比顯著降低，在F處理達(dá)到了97.75%，比有沉水植物的處理要高出約25%。

圖2 不同處理對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中總磷影響

圖3 不同處理對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中COD和葉綠素a影響

圖4 不同處理試驗(yàn)時(shí)期養(yǎng)分去除效果

2.5 重富營(yíng)養(yǎng)化水體中pH和DO的變化

pH在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)約為7.0，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)在各處理中都有不同程度的增加。有沉水植物（S）的處理與對(duì)照相比pH的增加約為兩個(gè)單位（圖5）。而有漂浮植物（F）的處理與對(duì)照相比變化較小，約增加了0.7個(gè)單位。較高的pH有利于降低磷的可溶性和生物有效性，同時(shí)也阻止了硝化和反硝化作用的進(jìn)行。有漂浮植物（F）的處理，pH總是小于8.02，因此與有伊樂(lè)藻的處理相比較，在這樣的pH范圍內(nèi)適合硝化和反硝化作用的進(jìn)行。

溶解氧的濃度在試驗(yàn)開(kāi)始為2.64mg／L，有S的處理可以增加90%的水體溶解氧，S與漂浮植物（F）的處理相比，有較高濃度的溶解氧（圖5）。這些結(jié)果表明，沉水植物在白天可以增加光合作用的產(chǎn)氧量。

圖5 不同處理對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中pH和DO的影響

3 結(jié)論

該研究表明沉水植物伊樂(lè)藻不但可以漂浮生長(zhǎng)在水面上，而且可以對(duì)水質(zhì)起到一定的凈化作用。因此在富營(yíng)養(yǎng)化程度低的水體中可以嘗試用漂浮栽培的方式進(jìn)行，這樣不但便于植物的收獲，而且對(duì)養(yǎng)分去除和藻類(lèi)的生長(zhǎng)起到了抑制作用。就養(yǎng)分的去除而言，黃花水龍可以更好去除養(yǎng)分提高水質(zhì)。在試驗(yàn)過(guò)程中黃花水龍要比伊樂(lè)藻生長(zhǎng)快速，生長(zhǎng)的根系較長(zhǎng)較密。試驗(yàn)期間對(duì)總氮，氨態(tài)氮，硝態(tài)氮，總磷，COD，葉綠素a的去除分別達(dá)到了93.56%，97.38%，99.44%，97.74%，52.49%，58.34%。因此漂浮植物黃花水龍更適用于重富營(yíng)養(yǎng)化水體中養(yǎng)分的去除，而伊樂(lè)藻更適合修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化程度較低的污水水體并對(duì)其水質(zhì)起到維持作用，而且收獲的伊樂(lè)藻具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值可直接作為水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼料使用。

4 討論

本研究的結(jié)果表明：漂浮植物黃花水龍對(duì)水質(zhì)的提高效果最為明顯。伊樂(lè)藻對(duì)水質(zhì)的影響表明：選取植物進(jìn)行修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體時(shí)，要針對(duì)不同的水體特性來(lái)合理的進(jìn)行植物的選取和培養(yǎng)，如當(dāng)處理水體中有較低的pH和DO時(shí)，則可以選用伊樂(lè)藻，并把它培養(yǎng)在水體的表面，這樣有利用二者的提高，然后再鑲嵌其它的水生植物將會(huì)有較好的修復(fù)水體的效果。

在各系統(tǒng)中溶解氧DO水平不同，主要是由于各體系中具有不同的產(chǎn)氧率，以及氧氣在輸氧組織和根區(qū)交換造成的。Moorhead等［10］的研究表明，水生植物根系的量越少，輸氧效率越高，主要由于根系多的水生植物由于根系呼吸作用會(huì)消耗掉更多的氧氣。本研究中也證實(shí)了這一結(jié)論。

本試驗(yàn)漂浮植物處理體系中，由于生物量增加而去除的總氮和總磷最高為36.32%和34.68%。而Taylor研究的水生植物處理系統(tǒng)中由植物吸收和收獲而去除的總氮僅為3%，這個(gè)差異可能與他們種植的植物處于低的生產(chǎn)率時(shí)期有關(guān)。由于體系中總氮和總磷的質(zhì)量平衡可以根據(jù)體系中輸入和輸出的量進(jìn)行推導(dǎo)［11－12］。其中在一些植物系統(tǒng)中通常把反硝化作用去除對(duì)氮素作為不能加以定量計(jì)算而損失的部分，約占到總氮去除對(duì)10%～20%［13－14］，因此這些機(jī)理仍然需要進(jìn)一步研究。

［1］ Carpentar S R，Caraco N F，Correll D F，et al.Nonpoint pollution of surface waters with nitrogen and phosphorus［J］.Ecological Applications，1998，8（3）：559－568.

［2］ Sooknah R D，Wilkie A C.Nutrient removal by floating aquatic macrophytes cultured in anaerobically digested flushed dairy manure wastewater［J］.Ecological Engineering，2004，22（1）：27－42.

［3］ Vaillant N，Monnet F，Sallanon H.Treatment of domestic wastewater by an hydroponic NFT system ［J］.Chemosphere，2003，50（1）：121－129.

［4］ Xia H L，Ma X J.Phytoremediation of ethion by water hyacinth（Eichhornia crassipes）from water［J］.Bioresource Technology，2006，97（8）：1050－1054.

［5］ Fraser L H，Carty S M，Steer D.A test of four plant species to reduce total nitrogen and total phosphorus from soil leachate in subsurface wetland microcosms［J］.Bioresource Technology，2004，94（2）：185－192.

［6］ 蘇玉萍，林穎昕，林佳，等.福建省典型飲用水源地水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀況調(diào)查與［J］.亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，3（1）：59－56.

［7］ 谷孝鴻，陳開(kāi)寧，胡耀輝.東太湖伊樂(lè)藻的營(yíng)養(yǎng)繁殖及對(duì)漁業(yè)污水的凈化［J］.上海環(huán)境科學(xué)，2002，21（1）：43－45.

［8］ 魏復(fù)盛.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［9］ 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1981.

［10］ Moorhead K K，Reddy K R.Oxygen transport through selected aquatic macrophytes［J］.J.Environ.Qual.，1988，17（1）：138－142.

［11］ Reddy K R.Fate of nitrogen and phosphorus in a waste－water retention reservoir containing aquatic macrophytes［J］.J.Environ.Qual.，1983，12（1）：137－143.

［12］ Reddy K R，Tucker J C.Growth and nutrient uptake of pennywort（Hydrocotyle umbellata L.）as influenced by the nitrogen concentration of the water［J］.J.Aquat.Plant Manage.，1985，23：35－40.

［13］ Alaerts G J，Mahbubar M R，Kelderman P.Performance of a full－scale duckweed－covered sewage lagoon［J］.Wat.Res.，1996，30（4）：843－852.

［14］Vermaat J E，Hanif M K.Performance of common duckweed species（Lemnaceae）and the waterfern Azolla Filiculoides on different types of wastewater［J］.Wat.Res.，1998，32（9）：2569－2576.