戴汕　李慶衛(wèi)

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

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8種植物對2種質(zhì)量濃度富營養(yǎng)化水體的凈化效果

戴汕李慶衛(wèi)

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

摘要以風(fēng)車草、花菖蒲、黑三棱、水毛花、花葉香蒲、馬藺、澤瀉、花葉蘆葦8種水生觀賞植物為材料，設(shè)置2個富營養(yǎng)化質(zhì)量濃度水平，進(jìn)行水培試驗。通過對總氮、總磷和化學(xué)需氧量等水體富營養(yǎng)化指標(biāo)及植物生長指標(biāo)的測定研究8種植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果。結(jié)果表明：中質(zhì)量濃度條件下，總氮和總磷去除率較好的植物為黑三棱、風(fēng)車草、花葉香蒲，去除率均在83%以上。高質(zhì)量濃度條件下，總氮和總磷去除率較好的植物為風(fēng)車草、黑三棱，去除率均在75%以上。馬藺及水毛花在兩種質(zhì)量濃度下的綜合凈化效果較差?；瘜W(xué)需氧量的質(zhì)量濃度前期下降明顯，后期持續(xù)緩慢上升。植物對總氮、總磷的去除率與其生長量存在相關(guān)性，且高質(zhì)量濃度條件下相關(guān)性更顯著，而化學(xué)需氧量的去除率與植物生長量的相關(guān)性較弱。

關(guān)鍵詞水生植物；富營養(yǎng)化水體；水體凈化

水體富營養(yǎng)化是我國水污染的重要原因之一。目前，國內(nèi)外用于凈化富營養(yǎng)化水體的常見工程技術(shù)方法有物理、化學(xué)、生物、自然生態(tài)凈化法[1]。隨著人工濕地凈化實踐不斷增多，生物生態(tài)方法已成為治理水體富營養(yǎng)化污染的研究重點[2-5]。植物作為生態(tài)修復(fù)技術(shù)的核心要素，具有投資少、運轉(zhuǎn)費用低、節(jié)省能源、基本無二次污染等特點，是治理富營養(yǎng)化水體，發(fā)揮水體生態(tài)效應(yīng)的關(guān)鍵。近年來，對植物凈化富營養(yǎng)水體的研究主要集中于挺水水生植物。由于不同水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果具有差別[6-8]，篩選觀賞性強(qiáng)、凈化效率高的景觀生態(tài)植物，探索更生態(tài)、更美觀的富營養(yǎng)化水體凈化模式，能夠為今后利用植物凈化富營養(yǎng)化水體提供一定參考和依據(jù)。本研究采用水培試驗的方式，人工配制兩種不同質(zhì)量濃度的富營養(yǎng)化水體，對8種觀賞價值較高的水生觀賞植物進(jìn)行定期培養(yǎng)，測試它們對不同程度富營養(yǎng)化水體中總氮、總磷、化學(xué)需氧量的去除能力及其生長情況，分析不同觀賞植物對不同富營養(yǎng)化水體的凈化效果和適應(yīng)能力，為今后水體富營養(yǎng)化治理以及濕地、湖泊的景觀建設(shè)實踐提供一定參考。

1材料與方法

供試植物：風(fēng)車草(Cyperus involucratus)、花菖蒲(Iris ensata)、黑三棱(Sparganium stoloniferum)、水毛花(Schoenoplectus mucronatus)、花葉香蒲(Typha latifolia ‘Variegata’)、馬藺(Iris lactea)、澤瀉(Alisma plantago-aquatica)、花葉蘆葦(Phragmites australis var.variegates)8種水生觀賞植物。

試驗于2015年夏季在北京林業(yè)大學(xué)苗圃內(nèi)進(jìn)行。試驗場地避雨且有自然光照。選取生長健壯、長勢一致的8種植物苗，先在清水中預(yù)培養(yǎng)15 d，待其長出新根后用蒸餾水沖洗，移入試驗塑料桶(13 L)中進(jìn)行靜態(tài)水培試驗。種植密度均為2株·桶-1，每個處理設(shè)3次重復(fù)，另外，設(shè)無植物的空白對照。試驗采用葡萄糖、氯化銨、硝酸鉀、磷酸二氫鉀模擬富營養(yǎng)化水體水質(zhì)，并設(shè)置兩個不同質(zhì)量濃度梯度，初始水質(zhì)指標(biāo)見表1。每周定期加入蒸餾水，補(bǔ)充由于水體蒸發(fā)、植物蒸騰和人為采樣所消耗的水分，保持桶中水位。分別于第1、8、15、22、29天，取水樣測定不同富營養(yǎng)化程度水體中的總氮、總磷、化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度，取樣時間為09:00—10:00。試驗開始和結(jié)束時，記錄各桶中植株的生長情況。

表1　試驗初始水質(zhì)指標(biāo)

注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

測定指標(biāo)分為生長指標(biāo)和水質(zhì)指標(biāo)。生長指標(biāo)包括植物的株高、根長、鮮質(zhì)量；水質(zhì)指標(biāo)包括總氮、總磷、化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度。水樣指標(biāo)依據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)[9]，并參考國家環(huán)保局最新監(jiān)測方法，總氮質(zhì)量濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)測定，總磷質(zhì)量濃度采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)測定，化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度采用連華公司5B-3(B)型COD多元速測儀進(jìn)行測定。

各水體指標(biāo)的去除率按下列公式計算：去除率=[(Co-Ci)/Co]×100%。其中，Co為試驗開始時水體中的污染物質(zhì)量濃度；Ci為第i天時水體中的污染物質(zhì)量濃度。

植株單位去除量按下列公式計算：單位去除量=(Co-Ce)×V/ΔW。其中，Co為試驗開始時水體中的污染物質(zhì)量濃度；Ce為試驗結(jié)束時水體中污染物的質(zhì)量濃度；V為水體體積；ΔW為試驗期間植株鮮質(zhì)量增加量。

試驗結(jié)束時植株株高、鮮質(zhì)量、根長的量分別減去其初始值，即為株高、鮮質(zhì)量、根長的增量。計算時，各桶中水質(zhì)指標(biāo)與桶中植物的生長指標(biāo)一一對應(yīng)。

采用Microsoft Excel 2007對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪圖，并用SPSS20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用Duncan法進(jìn)行多重比較，Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

2.1植物對富營養(yǎng)化水體中總氮的去除效果

各植株經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)和清洗之后幾乎無碎屑?xì)堄?，因此，水體總氮、總磷質(zhì)量濃度的變化基本反映了植物本身對富營養(yǎng)化水體的凈化效果。

隨著處理時間的延長，總氮質(zhì)量濃度呈下降的趨勢?？偟谇耙恢艿娜コ首詈茫笕コχ饾u降低。試驗29 d后，對照桶中總氮質(zhì)量濃度比初始質(zhì)量濃度降低了35%左右，這可能是由于夏天氣溫較高，水中的氨根離子更容易轉(zhuǎn)化為NH3[10]。各桶中總氮質(zhì)量濃度均顯著比對照低(P<0.05)，不同植物間下降程度不同且差異顯著。

由表2可知，在中質(zhì)量濃度條件下，黑三棱、風(fēng)車草、花葉香蒲對總氮的去除效果較好，29 d后總氮平均質(zhì)量濃度分別為0.566、0.935、1.173 mg·L-1，平均去除率分別為95.36%、92.14%、90.29%。而水毛花對總氮的去除效果最差，平均去除率為62.00%。在高質(zhì)量濃度條件下，風(fēng)車草、黑三棱對總氮的去除效果依舊較好，去除率分別為95.63%、93.09%。而馬藺和水毛花的去除率較低，分別為62.84%、58.99%。高質(zhì)量濃度條件下，各植物對總氮的去除率普遍不及中質(zhì)量濃度條件下植物對總氮的去除率，其中花葉香蒲變化最為顯著。而澤瀉則在高質(zhì)量濃度條件下表現(xiàn)出更好的去除效果。

2.2植物對富營養(yǎng)化水體中總磷的去除效果

水體中總磷的質(zhì)量濃度隨處理時間延長也均有一定程度的下降，這表明沉降作用對總磷的去除有一定作用。試驗29 d后，對照桶中總磷質(zhì)量濃度比初始質(zhì)量濃度降低了17%左右，其余桶中總磷質(zhì)量濃度均顯著比對照低(P<0.05)。

由表2可以看出，在中質(zhì)量濃度條件下，風(fēng)車草、黑三棱、花葉香蒲對總磷的去除效果較好，平均去除率分別為89.58%、85.95%、83.14%。而馬藺對總磷的去除效果顯著低于其他植物，平均去除率僅為26.32%。在高質(zhì)量濃度條件下，風(fēng)車草、黑三棱對總磷的去除效果依舊較好，而馬藺和水毛花的去除率較低，分別為25.71%、39.27%。高質(zhì)量濃度條件下，各植物對總磷的去除率普遍不及中質(zhì)量濃度條件下植物對總磷的去除率，而花菖蒲在高質(zhì)量濃度條件下反而表現(xiàn)出更好的總磷去除效果。同一植物對不同質(zhì)量濃度富營養(yǎng)化水體中總磷的吸收有一個相對最適值。水體富營養(yǎng)化程度過低或者過高都會降低植物對總磷的去除率。整體上看，植物對不同質(zhì)量濃度富營養(yǎng)化水體中總氮和總磷的吸收效果具有一定的差異性，水毛花對總磷的去除效果明顯好于其對總氮的去除效果。

2.3植物對富營養(yǎng)化水體中化學(xué)需氧量的去除效果

試驗前一周化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度下降速度最快，到第2～3周，化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度出現(xiàn)一定的回升，這種升高在高質(zhì)量濃度組表現(xiàn)尤為明顯。其原因可能是由于植物老根腐爛分解，產(chǎn)生新的有機(jī)物質(zhì)[11]，也可能是由于水體中微生物代謝產(chǎn)生了有機(jī)物，從而增加了水體化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度。

水體中化學(xué)需氧量去除率見表2。在中質(zhì)量濃度條件下，水毛花、馬藺、花葉蘆葦化學(xué)需氧量的去除效果較好，平均去除率分別為80.89%、80.32%、74.87%，而花菖蒲和黑三棱對化學(xué)需氧量的去除效果較差。在高質(zhì)量濃度條件下，花葉蘆葦、花葉香蒲對化學(xué)需氧量的去除效果較好，去除率分別為80.50%、69.70%，而馬藺和水毛花的去除率較低。各植物對化學(xué)需氧量的去除效果在中、高質(zhì)量濃度條件下變化較大。水體中化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度的下降是由于水體中的有機(jī)物在自然狀況下受到微生物的作用而逐步轉(zhuǎn)化為無機(jī)物所致[12]，因此，水體pH值、透明度等均對微生物的影響較大，這可能是導(dǎo)致本次試驗中化學(xué)需氧量變化較大的原因。

表2　植株對2種不同質(zhì)量濃度富營養(yǎng)化水體的凈化效果

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

2.4植物在富營養(yǎng)化水體中生長指標(biāo)的變化及影響

試驗期間各種植物均長勢良好，株高、根長、鮮質(zhì)量均有不同程度的增加(表3，表4)。除風(fēng)車草、花葉蘆葦外，其余植物的株高在中質(zhì)量濃度條件下的增長量大于在高質(zhì)量濃度條件下的增長量。而根長則與之相反，除澤瀉外，其余植物的根長在中質(zhì)量濃度條件下增長更快。可見，在這幾種被試植物中，中質(zhì)量濃度條件更有利于植株地上部分的增長，而高質(zhì)量濃度條件則更有利于植株地下部分的增長。

由表4可知，各植物試驗前后鮮質(zhì)量的變化顯著(P<0.05)。分析各植物單位質(zhì)量去除效果可以發(fā)現(xiàn)，植物對于總氮、總磷的單位去除量隨質(zhì)量濃度增大而增加，且各植物間總氮、總磷的單位去除量差異小于化學(xué)需氧量的單位去除量差異。盡管馬藺對總氮、總磷、化學(xué)需氧量都表現(xiàn)出較強(qiáng)的單位去除量，但是從去除量的角度來看，其凈化效果明顯弱于其他植物。

表3　植株株高、根長增長量

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

表4　植株對2種不同質(zhì)量濃度富營養(yǎng)化水體中污染物的單位去除量

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

植物生長量與各指標(biāo)去除效果之間的相關(guān)性分析見表5。中質(zhì)量濃度和高質(zhì)量濃度條件下，總磷去除率與植物生長量呈正相關(guān)，r分別為0.752和0.915；中質(zhì)量濃度條件下，總氮去除率與植物生長量的相關(guān)性不顯著，而在高質(zhì)量濃度條件下，相關(guān)性極顯著，r為0.825?？梢?，總氮、總磷的去除率與植物生長量的相關(guān)性較好，且高質(zhì)量濃度條件下其相關(guān)性更加明顯。因此，在重度富營養(yǎng)化水中，可用植物生長量作為快速鑒定植物凈化能力的重要指標(biāo)。這與葛瀅等[13]、金樹權(quán)等[14]的研究結(jié)論一致。高濃度條件下，化學(xué)需氧量去除率與植物生長量相關(guān)性不顯著，因此，此時化學(xué)需氧量降低主要是依靠系統(tǒng)中微生物和藻類的生長對其中碳源的利用和植物根系對其顆粒有機(jī)物的過濾作用[15]，與植物生長量關(guān)系并不明顯。而在中質(zhì)量濃度條件下，化學(xué)需氧量去除率與植物生長量呈顯著負(fù)相關(guān)，這是由于此時生長量小的植物，如馬藺，化學(xué)需氧量反彈量小，而生長量大的植物，如風(fēng)車草、黑三棱等，水質(zhì)情況不穩(wěn)定，后期化學(xué)需氧量反彈回升，抵消吸收效果，使得植物對化學(xué)需氧量的去除率降低。

表5　植物生長量與各指標(biāo)去除效果之間的相關(guān)性

注：n為樣本數(shù)；*表示在0.05水平上差異顯著；** 表示在0.01水平上差異顯著。

3結(jié)束語

供試的所有植物在中、高質(zhì)量濃度條件下對總氮、總磷、化學(xué)需氧量的去除效果均十分顯著。在中質(zhì)量濃度條件下，黑三棱、風(fēng)車草對總氮和總磷的去除效果均較好，平均去除率分別超過90%和81%，水毛花對總氮的去除效果最差，馬藺對總磷的去除效果最差。在高質(zhì)量濃度條件下，黑三棱、風(fēng)車草總氮和總磷的去除效果依舊較好，馬藺和水毛花對總氮和總磷的去除率均較低。綜合本次試驗結(jié)果，黑三棱、風(fēng)車草、花葉香蒲的綜合凈化效果較好，應(yīng)用范圍廣，潛力大。

在這幾種被試植物中，中質(zhì)量濃度條件更有利于植株地上部分的增長，而高質(zhì)量濃度條件則更有利于植株地下部分的增長。分析植物單位增質(zhì)量的去除量可以發(fā)現(xiàn)，植物對于總氮、總磷、化學(xué)需氧量的單位去除量隨質(zhì)量濃度增大而增加，這表明植物對富營養(yǎng)化水體的凈化仍具有潛力。馬藺雖對總氮、總磷、化學(xué)需氧量都表現(xiàn)出較強(qiáng)的單位去除量，但是其凈化效果明顯弱于其他的植物。因此，不能僅以單位去除量來評價植物對富營養(yǎng)化水體的凈化能力，還需參考植物實際凈化效果。

總氮、總磷的去除量與植物生長量具有相關(guān)性，且高質(zhì)量濃度條件下相關(guān)性更顯著。因此，在重度富營養(yǎng)化水中，提高植物生物量可大大提高對總氮和總磷的去除率。同時，在重度富營養(yǎng)化水中，可用植物生長量作為快速鑒定植物凈化能力的重要指標(biāo)。在本次試驗中，大部分水體的化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度在試驗后期都出現(xiàn)了一定程度的反彈，其中，黑三棱、花葉香蒲、花菖蒲反彈最明顯，這與唐金艷等[16]的研究結(jié)果類似。由于化學(xué)需氧量的變化受水體中的藻類及微生物的影響較大，其與植物生長量的相關(guān)性仍有待進(jìn)一步試驗和分析，因此，今后測定化學(xué)需氧量時應(yīng)該同時考慮水體的透明度、藻類含量、水體pH值、水體細(xì)菌含量等一系列指標(biāo)。

實際應(yīng)用中，植物群體的凈化效果可能與種植密度有關(guān)，今后的研究中應(yīng)考慮被試植物在園林應(yīng)用中的種植密度，綜合計算出其凈化效果。另外，試驗時間為夏季，未能檢測春、秋兩季植物凈化能力的變化，在今后的研究中，有必要加長試驗周期，研究植物在其整個生命周期中的生長狀態(tài)和凈化水平。

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第一作者簡介：戴汕，女，1992年2月生，北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，碩士研究生。E-mail:sunny_d1992@126.com。 通信作者：李慶衛(wèi)，北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，副教授。E-mail:lqw6809@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2015年11月12日。

分類號S68;X52

Removal Efficiency of Eight Plants in Two Different Eutrophic Water//

Dai Shan, Li Qingwei(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P.R.China)//

Journal of Northeast Forestry University，2016,44(7)：80-83.

Selecting eight hydrophytes including Cyperus involucratus, Iris ensata, Sparganium stoloniferum, Schoenoplectus mucronatus, Typha latifolia ‘Variegata’, Iris lactea, Alisma plantago-aquatica, and Phragmites australis var.variegates, and setting two kinds of eutrophic water by using hydroponics, we studied the effects on the removal of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), chemical oxygen demand (CODcr) and the growing situation of eight hydrophytes in 29 d.All these plants had a significant purifying effect.In moderate degree eutrophic water, Sparganium stoloniferum, Cyperus involucratus, and Typha latifolia have better effect on removing TN and TP after incubation of 29 d, with the removal rates of above 83%.In high degree eutrophic water, Sparganium stoloniferum, and Cyperus alternifolius have better effect with the removal rates of above 75%.But Iris lacteal and Schoenoplectus mucronatus don’t have a relatively poor purifying effect in both two degree eutrophic water.The decrease of CODcr was obvious in the early stage of the experiment, but it rose slowly in the later stage.Purification effect of plants on TN and TP is correlated with the growth of the plants, and the correlation is more significant under high degree eutrophic water conditions, while CODcr has lower correlation with the growth of plants.

KeywordsHydrophytes; Eutrophic water; Water purification

責(zé)任編輯：任俐。