楊小紅 趙文 林陶

摘要：在貴陽市麥西河小菁村六砂段監(jiān)測了人工植物塘滯留并聯(lián)不同水力滯留時間及植物塘貫通串聯(lián)條件下水體中氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果及動態(tài)規(guī)律。結(jié)果表明，滯留并聯(lián)、貫通串聯(lián)植物塘對總氮和總磷都有很好的去除效果，其中擁有沉水、挺水、浮水植物的綜合植物塘處理效果最好，滯留并聯(lián)時滯留5 d總氮和總磷的去除率分別為92.81%、80.77%，貫通串聯(lián)時總氮和總磷的去除率平均值為11.28%、27.83%。水生植物對水體中氮磷的去除效果與植物種類有關(guān)。

關(guān)鍵詞：河道修復(fù)；水生植物；人工植物塘；總氮；總磷；去除率

中圖分類號：X173；X522 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）14-3376-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.012

Removal of N and P in River Channel by Artificial Hydrophytes Pond

YANG Xiao-hong1，ZHAO Wen1，LIN Tao2

（1.Guizhou Institute of Walnut/Guizhou Forestry Academy， Guiyang 550011， China； 2.Key Laboratory of Mountainous Environmental Information System and Ecological Environment Protection in Guizhou Province， Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China）

Abstract：Under the conditions of different parallel hydraulic retention time and a tandem flowing， the removal effects and dynamic laws of total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） were monitored in the artificial hydrophytes pond in Liusha of Maixi River in Xiaojing Village， Guiyang City. The results showed that， parallel and tandem flowing had a good removal efficiency of TN and TP. The artificial hydrophytes pond which had submerged， emerged， floating plants had the best effect， the removal rates for TN and TP were 92.81%，80.77% after five days parallel， and the average removal rates for TN and TP were 11.37%，28.25% after tandem flowing. The removal effect of hydrophytes on water TN and TP has a relationship with the hydrophyte species.

Key words：river restoration； hydrophytes； artificial hydrophytes pond； total nitrogen； total phosphorus； removal efficiency

研究表明，超過一半的收納水體氮磷負(fù)荷來自于農(nóng)業(yè)流域的非點(diǎn)源氮磷[1]，尤其是農(nóng)田的地表徑流對水體的污染貢獻(xiàn)最大[2，3]，非點(diǎn)源污染物主要通過河流系統(tǒng)進(jìn)入湖泊、水庫。大量研究證明，水生植物可以吸收、富集水中的營養(yǎng)物質(zhì)及其他元素，增加水體中的溶解氧含量，或抑制有害藻類繁殖，遏制底泥營養(yǎng)鹽水中再釋放，利于水體的生態(tài)平衡等[3-5]。水生高等植物能有效地凈化富營養(yǎng)化水體，提高水體自凈能力[6]。彭劍峰等[7]考察浮萍塘中氨氮、氮氧化物和有機(jī)氮在底泥、水體和水生生物間的遷移轉(zhuǎn)化過程，構(gòu)建了浮萍塘中氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化模型。相洪旭等[8]通過小型模擬實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)考察水葫蘆、大藻、聚草塘對化糞池出水的凈化效果，分析主要污染物的去除特性，探索解決農(nóng)村分散生活污水的收集處理及河道治理問題。受損河道水生植物群落恢復(fù)與重建是被廣泛采用的河道生態(tài)修復(fù)手段。水生植被的重建能恢復(fù)河道自凈能力，改善污染水體，從而減少農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物對湖泊、水庫的輸入，控制湖庫富營養(yǎng)化進(jìn)程[9]。本研究采用現(xiàn)場試驗(yàn)方法，研究水生植物水質(zhì)凈化機(jī)理及凈化效果，為山區(qū)污染河道的生態(tài)修復(fù)與治理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件與方法

1.1.1 試驗(yàn)場地 麥西河是貴州高原百花湖的第二大入湖河流，發(fā)源于貴陽市烏當(dāng)區(qū)野鴨鄉(xiāng)小龍?zhí)?，至金陽新區(qū)麥乃村附近入百花湖，河流長9.5 km，多年平均徑流量0.26億m3。是一個典型農(nóng)業(yè)景觀為主的小流域，旱坡地和水田是流域內(nèi)兩種主要的農(nóng)業(yè)耕作景觀，旱坡地由于經(jīng)常耕作和使用農(nóng)藥化肥，成為了流域內(nèi)主要的非點(diǎn)源污染源地。麥西河流域居民主要為農(nóng)業(yè)人口，交通條件落后，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，經(jīng)濟(jì)較為落后。獨(dú)特的氣候與經(jīng)濟(jì)條件也是本區(qū)域非點(diǎn)源污染的部分原因[10]。

野外試驗(yàn)現(xiàn)場位于貴陽市麥西河小菁村六砂河段，氣候?yàn)榧撅L(fēng)濕潤型氣候區(qū)，冬暖夏涼，年平均氣溫13.5～14.5 ℃，多年來平均降雨量為961.4 mm，多年平均氣溫14℃，年最大降雨量1 158.5 mm，年最小降雨量729.6 mm，年降雨量在時間上分布不均勻，主要集中在5～9月，約占全年降雨量的72%。

修建4個人工植物塘（圖1），面積分別為54.88、65.52、47.6、78.4 m2。通過管道及溝渠將麥西河河水引入人工植物塘。各植物塘有獨(dú)立的進(jìn)出水口，并設(shè)置可串聯(lián)貫通的管道。試驗(yàn)區(qū)土壤總氮含量1 759.61 mg/kg，總磷含量705.84 mg/kg。

1.1.2 水生植物引種馴化 于貴陽市羊艾農(nóng)場、平壩縣、情人谷等河中采集生長狀況好的野生水生植物移植入人工植物塘。按菱形排列方式種植，每平方米約25株。在C2植物塘引種石菖蒲130窩，在C3植物塘引種7～30 cm苦草218窩，在C4植物塘引種慈姑11株，藨草、水蔥16株。配合自然生長的原生植物形成水生植物群落。C1為空白對照，不引種植物；C2為挺水植物塘，塘內(nèi)植物為菖蒲（Acorus calamus L.）、石菖蒲（Acorus tatarinowii）、水芹菜[Oenanthe javanica （Blume） DC.]；C3為沉水植物塘，塘內(nèi)植物為苦草（Vallisneria natans （Lour.） Hara）、眼子菜（Potamogeton distinctus A.Benn.）、慈姑（Sagittaria trifolia Var. sinensis）、竹葉眼子菜（Potamogeton malaianus Miq.）、小茨藻（Najas minor All.）、輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）；C4為混合植物塘，引種有挺水、浮葉、沉水植物，包括眼子菜、慈姑、竹葉眼子菜、小茨藻、輪葉黑藻、水莎草（Cyperus glomeratus L.）、水蔥（Scirpus validus）、球穗扁莎（Pycreus globosus （All.） Reichb.）、絲葉球柱草[Bulbostylis densa （Wall.） Hand.-Mzt.]、菹草（Potamogeton crispus）、喜旱蓮子草[Alternanthera philoxeroides （Mart.） Griseb.]、金魚藻（Certophyllum demersum）、藨草（Scirpus triqueter Linn.）、蓖齒眼子菜（Potamogeton pectinatus L.）、睡蓮（Nymphaea alba）、狐尾藻（Alopecurus pratensis L.）。但由于試驗(yàn)場地在野外，試驗(yàn)監(jiān)測期較長，4塊植物塘內(nèi)在一些時期都不同程度生長了原生植物，如滿江紅[Azolla imbricata （Roxb.） Nakai]、喜旱蓮子草、浮萍（Lemna minor L.）、水綿（Spirogyra）。打開進(jìn)出水口，根據(jù)天氣、溫度及降雨情況關(guān)、放水，馴養(yǎng)植物3個月。

在秋季植物生長旺盛時封閉每個植物塘之間的連接口，將麥西河水分別引入C1、C2、C3、C4人工植物塘后封閉，稱之為并聯(lián)，然后每日在各個田中部采水樣500 mL進(jìn)行水質(zhì)化學(xué)分析，測定河水在人工植物塘中滯留時植物群落對水體中氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果。貫通每個植物塘之間的連接口，將河水引入植物塘，依次流入C1、C2、C3、C4號塘，最后經(jīng)C4號塘出口流出，稱之為串聯(lián)。監(jiān)測持續(xù)20 d，分別采集進(jìn)水和各植物塘進(jìn)出水處500 mL水樣測定水質(zhì)指標(biāo)，分析河水在人工植物塘貫通串聯(lián)后植物群落對水體中氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果。測定指標(biāo)包括總氮（過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法）、總磷（鉬銻抗分光光度法）、硝氮（紫外分光光度法）、氨氮（鈉氏試劑光度法）、亞硝氮（N1-萘基-乙二胺光度法），測定方法詳見《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》[11]。溶解氧、溫度、飽和度和pH用哈希HQ25d溶氧儀測定。

1.2 數(shù)據(jù)處理

各項(xiàng)指標(biāo)的去除率按下列公式計(jì)算：去除率=[（C0-Ci）/C0]×100%。

式中C0表示初始時濃度；Ci表示第i個塘或者第i天某個人工植物塘水體中的污染物濃度。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Execl 2003作圖，對利用水生植物群落對水體中氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 并聯(lián)氮磷去除效果

從圖2、圖3可以看出，C1人工植物塘總氮有升高趨勢，但規(guī)律性不強(qiáng)。C2、C3、C4人工植物塘均能有效去除水體中的總氮、總磷，在一定時間范圍內(nèi)，處理時間越長，去除效果越好?？偟コЧ蠲黠@的是C4，1～5 d的去除率為35.84%～92.81%（表1），去除能力為C4>C3>C2?？偭兹コЧ蠲黠@的也是C4，1～5 d的去除率為1.4%～80.77%（表1），去除能力為C4>C3>C2。C1塘中并未引種植物，其總氮和總磷含量的不規(guī)則變化是受降雨、雜草生長或人為攪動等因素的影響。有研究顯示，挺水+浮葉+沉水區(qū)水體水質(zhì)優(yōu)于挺水+沉水區(qū)和單純的挺水區(qū)，對氮磷的去除效果也較為穩(wěn)定[12]，與本試驗(yàn)結(jié)論一致。C4塘是有挺水、浮葉和沉水植物構(gòu)成的混合植物塘，植物種類多于其他塘，植物生長較好。

2.2 人工植物塘貫通串聯(lián)氮磷去除效果

麥西河河水經(jīng)過4個現(xiàn)場人工植物塘后，水體中的總氮、氨氮、硝氮、亞硝氮、總磷能被有效地去除（表2），相對原水其去除率總氮最高達(dá)29.10%，氨氮最高達(dá)100%，硝氮最高達(dá)22.64%，亞硝氮最高達(dá)100%，總磷最高達(dá)54.32%。

在各個人工植物塘的出水中，氮磷營養(yǎng)鹽濃度均呈逐級下降趨勢，經(jīng)過4個現(xiàn)場人工植物塘凈化后總氮濃度從4.145 mg/L降低到3.659 mg/L，總?cè)コ蕿?1.72%。氨氮濃度從0.737 mg/L降低到0.084 mg/L，總?cè)コ蕿?8.60%。硝氮濃度從3.280 mg/L降低到3.020 mg/L，總?cè)コ蕿?.93%。亞硝氮濃度從0.235 mg/L降低到0.046 mg/L，總?cè)コ蕿?0.43%。總磷濃度從0.108mg/L降低到0.078 mg/L，總?cè)コ蕿?7.78%（表3）。

貫通串聯(lián)時，水體是流動的，且監(jiān)測時間為20 d，水流、水位等水文特征將干預(yù)水生植物生長和氮磷去除。水位變動將影響水生植物的形態(tài)特征、生物量、物種分布和物種結(jié)構(gòu)。水流會影響水生植物群落結(jié)構(gòu)、物種分布、繁殖傳播、新陳代謝過程和形態(tài)特征[13]。且20 d中植物的生長發(fā)育死亡也將影響氮磷去除效果。

3 小結(jié)與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，滯留并聯(lián)、貫通串聯(lián)植物塘對總氮和總磷都有很好的去除效果，水力滯留時間越長，去除效果越好。相對于挺水植物而言，沉水植物更有利于水體中溶解氧的增加，污染物的去除能力也更強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果還表明，植物種類的多樣性越豐富，更有利于形成一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)使水質(zhì)凈化效果更好。所以在河道治理的實(shí)際應(yīng)用中，保持和培育河道植物的生物多樣性具有重要意義。同時，河道水生植物能降低水溫，在凈化河水的同時還可以達(dá)到調(diào)節(jié)局部小氣候的作用。

有研究認(rèn)為植物對水體中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收作用僅是其對水體凈化作用的一部分，植物根系對水體凈化也有重要作用[14]。水體中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)通過植物根部吸收在植物體內(nèi)貯存。植物收獲時，水中部分營養(yǎng)物質(zhì)被移除水體[15]。所以在水生植物死亡時，應(yīng)該及時收割打撈[16]。

參考文獻(xiàn)：

[1] LINKER L C，STIGALL C G，CHANG C H，et al. Aquatic accounting： Chesapeake Bay watershed model quantifies nutrient loads[J].Water Environment & Technology，1996，8（1）：48-52.

[2] 孫昊宇.基于營養(yǎng)物清算系統(tǒng)的我國農(nóng)業(yè)氮磷流失管理思考[J].科技信息，2006，1（7）：3-4.

[3] 陳荷生，宋祥甫，鄒國燕.太湖流域水環(huán)境綜合整治與生態(tài)修復(fù)[J].水利水電科技進(jìn)展，2008，28（3）：76-79.

[4] 鄧輔唐，孫佩石，鄧輔商，等.幾種水生植物對滇池入湖河道水的凈化性能研究[J].貴州環(huán)?？萍?，2005，11（3）：7-9.

[5] 黃 亮，黎道豐，蔡慶華，等.不同水生植物對滇池入湖河道污水凈化效能的比較[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17（4）：1385-1389.

[6] 高吉喜，杜 娟.水生植物對面源污水凈化效率研究[J].中國環(huán)境科學(xué)，1997，17（3）：247-251.

[7] 彭劍峰，王寶貞，宋永會.浮萍塘中氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化模型的構(gòu)建[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，40（8）：1202-1207.

[8] 相洪旭，李 田，陸 斌，等.漂浮植物塘協(xié)同處理農(nóng)村分散生活污水研究[J].環(huán)境工程學(xué)報，2009，3（12）：2143-2147.

[9] 楊小紅，張邦喜，薛 飛，等.3種沉水植物夏秋季對水質(zhì)的凈化效果[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（10）：206-208.

[10] 謝偉芳，夏品華，林 陶，等.喀斯特山區(qū)溪流上覆水—孔隙水—沉積物中不同形態(tài)氮的賦存特征及其遷移——以麥西河為例[J].中國巖溶，2011，30（1）：9-14.

[11] 國家環(huán)境保護(hù)總局，《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].第四版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[12] 于 超.不同水生植物對人工濕地水體氮磷分布特征的影響[D].江蘇鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2011.

[13] 魏 華，成水平，吳振斌.水文特征對水生植物的影響[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010（7）：13-16.

[14] 羅固源，韓金奎，肖 華，等.美人蕉和風(fēng)車草人工浮床治理臨江河[J].水處理技術(shù)，2008，34（8）：46-48.

[15] 程 偉，程 丹，李 強(qiáng).水生植物在水污染治理中的凈化機(jī)理及其應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2005，31（1）：6-9.

[16] 鄭潔敏，牛天新，李春娟.人工植物床對外塘甲魚養(yǎng)殖水體的凈化作用[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（3）：337-341.