徐凌悅，馬宏海，王晨雯，汪秀芳，王勝利

(1.蘭州大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000;2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

1 研究背景

近年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，大量的工農(nóng)業(yè)與生活污水被排入江河湖泊，其污染物含量遠(yuǎn)超過(guò)水體的自凈能力，造成了水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。富營(yíng)養(yǎng)化水體失去了其原有的資源功能與使用價(jià)值，導(dǎo)致周圍景觀的破壞，甚至危害人類的身體健康。目前我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題突出［1－3］，如何治理污染水體，實(shí)現(xiàn)原位修復(fù)和控制污染物成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題［4－8］。

生態(tài)浮床技術(shù)具有可操作性強(qiáng)、運(yùn)行成本低、易維護(hù)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小、景觀效果好等優(yōu)勢(shì)，作為一種富營(yíng)養(yǎng)化水體原位修復(fù)和控制技術(shù)，已得到廣泛的研究與應(yīng)用［1－3］。如有的研究成果已涉及到浮床植物的選擇［9］、對(duì)污染水體的凈化效果［10－12］、生長(zhǎng)特性及凈化機(jī)理［3］等方面。為在凈化水體的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)變廢為寶、化害為利，選擇使用經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)更具有實(shí)用價(jià)值。

目前，用于修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的常見植物主要有黑麥草、美人蕉、水芹菜、燈芯草等。本試驗(yàn)選擇水稻與空心菜這2種植物作為研究對(duì)象，主要從植物的生長(zhǎng)特性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值2個(gè)方面考慮。從植物生長(zhǎng)特征來(lái)看，水稻不定根發(fā)達(dá)，生長(zhǎng)需要吸收大量水分與礦物質(zhì)元素，吸收氮磷元素的能力強(qiáng)［1］，且在其整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)都要浸在水中，相對(duì)于其他植物來(lái)說(shuō)，吸收氮磷元素的時(shí)間長(zhǎng)，自身對(duì)水生環(huán)境比較適應(yīng)，不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期浸水導(dǎo)致根部潰爛而影響生長(zhǎng);空心菜耐高溫高濕，耐污性能及抗病力強(qiáng)，生長(zhǎng)快，可以一次栽種多次收割且采收期長(zhǎng)［3］，產(chǎn)量高，適應(yīng)性強(qiáng)。同時(shí)，這2種植物多見于我國(guó)長(zhǎng)江流域及以南地區(qū)，對(duì)研究區(qū)域(杭州)的環(huán)境適應(yīng)程度好，可保證試驗(yàn)時(shí)植物的存活率，減少試驗(yàn)結(jié)果的誤差。從植物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值來(lái)看，水稻所結(jié)稻粒去殼后所得的大米，不僅是中國(guó)人最常食用的主食之一，還可以用作釀酒、制糖，稻殼、稻稈也有很多用處;空心菜的營(yíng)養(yǎng)豐富，是夏季高溫時(shí)期極為重要的綠葉蔬菜，有良好的藥用價(jià)值，對(duì)冠心病、心絞痛、胃神經(jīng)官能癥、腸胃炎、慢性氣管炎等均有療效。2種植物可把營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)直接從污染水體中去除而不產(chǎn)生二次污染，因此，可作為浮床植物應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷的去除。

植物對(duì)于不同N/P水體中氮磷的去除率是不同的，而浮床水稻、空心菜對(duì)不同N/P水體的氮磷去除效果的研究尚未見報(bào)道。本試驗(yàn)以基本不受自然環(huán)境影響的水桶作為試驗(yàn)場(chǎng)所，配制的不同N/P水體作為凈化對(duì)象，水稻、空心菜為試材，旨在明確浮床水稻、空心菜對(duì)不同N/P水體中氮磷的去除效果，為不同水體浮床植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 供試材料

試驗(yàn)材料為筆者等人在浙江省杭州市浙江水利河口研究院試驗(yàn)基地內(nèi)選取的水稻、空心菜植株。在基地內(nèi)選取大小基本一致的植株，洗凈植物根系待用。

2.2 供試水體

取自來(lái)水作為本底配置不同N/P的水模擬富營(yíng)養(yǎng)化水體。配置后實(shí)測(cè)的3種水體指標(biāo)見表1。

表1 水體主要水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Main indexes of water quality (mg·L－1)

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2012年7月6日至20日進(jìn)行，在浙江省杭州市浙江水利河口研究院試驗(yàn)基地大棚內(nèi)進(jìn)行。盛水桶為25 L塑料桶，實(shí)用水樣體積約為20 L。試驗(yàn)所用的3種水樣均設(shè)3種處置:放置浮床的空白對(duì)照處理;種有3株水稻的浮床水稻處理;種有3株空心菜的浮床空心菜處理。每個(gè)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)周期為14 d，期間不補(bǔ)充蒸發(fā)與蒸騰所消耗的水分。

2.4 取樣方法

分別在第1天和第14天取水樣，測(cè)定水體的氨氮、總氮、總磷含量?？瞻讓?duì)照組與處理組均在水體表面取樣200 mL用于檢測(cè)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)取3次重復(fù)的平均值。

2.5 測(cè)定項(xiàng)目與方法

氨氮采用納氏試劑比色法;總氮采用TOC測(cè)定儀;總磷采用鉬酸銨分光光度法。

2.6 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Excel和SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 2種浮床植物對(duì)氮磷元素的凈化效果

3.1.1 對(duì)TN的吸收

由表2可知，短時(shí)間內(nèi)用浮床水稻和空心菜去除TN有一定的效果，但存在一定的差異。在高N/P(55∶1)的水體中，浮床水稻對(duì)TN的凈去除量達(dá)到43.7 mg/桶，凈去除率達(dá)到28.1%，去除效果較浮床空心菜(凈去除率19.09%)好。在中 N/P(25∶1)和低N/P(8∶1)的水體中，浮床空心菜對(duì)TN的去除效果較好。且2種植物在N/P為25∶1條件下對(duì)TN的凈去除率最高，分別為30.8%與57.5%。

表2 不同N/P水體中對(duì)TN的吸收Table 2 Uptake of TN by plants at different N/P ratios

3.1.2 對(duì) NH3－N 的吸收

表3與表2比較，可知2種浮床植物對(duì)NH3－N的去除效果比TN好，短期內(nèi)水體中NH3－N大幅降低。這是由于:①試驗(yàn)時(shí)氣溫較高，引起水溫增加，使得部分NH3－N揮發(fā)，得到去除;②浮床植物對(duì)NH3－N的吸收，得到去除;③植物根際的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌將NH3－N轉(zhuǎn)化為NO3－N，得以去除。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在3種N/P水體中，浮床空心菜對(duì)NH3－N的凈去除率分別為99.2%，59.8%，63.9%，均優(yōu)于浮床水稻的凈去除率91.4%，58.6%，56.3%。另外，在低 N/P(8∶1)的水體中，2種浮床植物對(duì)NH3－N的吸收效果較好，隨著N/P增大，凈去除率逐漸下降，說(shuō)明植物在低NH3－N濃度下，對(duì)NH3－N的去除效果較好。這與唐瑩瑩等［3］人的研究結(jié)果相符。

表3 不同N/P水體中對(duì)NH3－N的吸收Table 3 Uptake of NH3－N by plants at different N/P ratios

3.1.3 對(duì) TP的吸收

由表4可知，不同N/P條件下，2種浮床植物對(duì)TP的吸收差異很大。磷的去除機(jī)理包括:①以磷酸鹽的形式沉降;②被植物吸收。在低N/P(8∶1)的水體中，2種浮床植物對(duì)TP的凈去除率最大，分別為水稻95.0%、空心菜87.2%。隨著N/P增大，TP濃度降低，植物對(duì)TP的去除率呈下降趨勢(shì)。在低N/P(8∶1)與高N/P值(55∶1)的水體中，水稻對(duì) TP的凈去除率高于空心菜。

表4 不同N/P水體中對(duì)TP的吸收Table 4 Uptake of TP by plants at different N/P ratios

3.2 不同N/P對(duì)浮床植物吸收氮磷元素的影響

由圖1(a)至圖1(c)可知，在低N/P(8∶1)的水體中，2種浮床植物對(duì)NH3－N，TP的凈去除率遠(yuǎn)高于其余2種水體，而對(duì)TN的吸收較弱。在N/P為25∶1的水體中，2種浮床植物尤其是浮床空心菜對(duì)TN的去除效果較好。在高N/P(55∶1)的水體中，2種浮床植物對(duì)TN，NH3－N，TP的去除效果都不理想。

圖1 2種浮床植物對(duì)不同N/P水體中TP，TN，NH3－N的凈去除率Fig.1 Net removal rates of TP ，TN，and NH3－N by two floating-bed plants at different N/P ratios

4 討論

本試驗(yàn)成果是采用在塑料水桶中設(shè)置浮床植物得到的，屬于小樣試驗(yàn)，如果要推廣到大面積應(yīng)用，則要考慮多種環(huán)境因素對(duì)植物吸收氮磷元素可能造成的影響。

從水體流速來(lái)看，由于本試驗(yàn)是在靜水條件下進(jìn)行，若要推廣，則需選擇流速較小的河流、湖泊、池塘進(jìn)行浮床植物的栽種。從水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度來(lái)看，要注意水體的氮磷濃度范圍。若濃度過(guò)高，可能引起植物根部失水，導(dǎo)致植物枯死;若濃度過(guò)低，使用浮床植物去除氮磷的效果不顯著。

從應(yīng)用范圍來(lái)看，浮床植物可用于對(duì)城市景觀用水、經(jīng)過(guò)處理的城市污水等水體進(jìn)行氮磷元素的再去除。將浮床鋪設(shè)于水面并進(jìn)行固定，栽入植物，定期察看植物的長(zhǎng)勢(shì)，除蟲，待植物成熟后進(jìn)行收割、補(bǔ)種，既可吸收水體中多余的營(yíng)養(yǎng)元素，又可獲得經(jīng)濟(jì)作物，還可美化環(huán)境。同時(shí)，溫度、光照、水體流速等都會(huì)對(duì)植物吸收氮磷的速率產(chǎn)生影響，因此，要選擇適合植物生長(zhǎng)的環(huán)境條件，這樣才能使修復(fù)效果達(dá)到最佳。

5 結(jié)論

(1)所選的2種試材——浮床水稻與空心菜，能較好地吸收富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷元素，可作為水體富營(yíng)養(yǎng)化防治的浮床栽培植物進(jìn)行推廣。

(2)在所選的3種N/P水體中，浮床水稻對(duì)TP的凈去除率均大于浮床空心菜，而浮床空心菜對(duì)NH3－N，TN的凈去除率大于浮床水稻?？筛鶕?jù)不同的富營(yíng)養(yǎng)化水體，選擇適合的浮床植物進(jìn)行栽種。

(3)總體而言，在低N/P(8∶1)的水體中，2種植物對(duì)TN，NH3－N，TP的吸收為:浮床水稻對(duì)三者的凈去除率分別為19.0%，91.4%，95.0%，浮床空心菜對(duì)三者的凈去除率分別為28.2%，99.2%，87.2%。

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