鄭紅芳，趙瑜佳，周浩宇，郭 鴻，王 杰，楊翔宇

(長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

人工浮床栽植黃花鳶尾對水體富營養(yǎng)化的抑制作用

鄭紅芳，趙瑜佳，周浩宇，郭 鴻，王 杰，楊翔宇

(長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

本文利用人工浮床無土栽培黃花鳶尾，進(jìn)行小型池塘水質(zhì)凈化實(shí)驗。實(shí)驗表明：在栽植面積為整個池塘面積10%的情況下，黃花鳶尾對于其核心保護(hù)區(qū)的水質(zhì)有著明顯的保護(hù)和緩沖作用，其根系能夠明顯吸收和吸附水中的有機(jī)物和氮、磷營養(yǎng)元素；同時，其對于水中藻類的爆發(fā)也有著明顯的抑制作用。黃花鳶尾的存在能夠使得核心保護(hù)區(qū)水質(zhì)始終處于富營養(yǎng)化水平之下。

黃花鳶尾；富營養(yǎng)化；人工浮床

利用生物法對污水進(jìn)行凈化處理具有成本低的優(yōu)勢，其包括微生物處理和植物修復(fù)兩個方面，微生物可以顯著降低水中膠體態(tài)有機(jī)物的含量，而植物則能迅速吸收水中氮、磷營養(yǎng)元素[1]。近年來，利用挺水植物，如蘆葦、香蒲、黃花鳶尾、千屈菜等進(jìn)行水質(zhì)凈化已經(jīng)成為熱點(diǎn)[2-3]。挺水植物具有生物量大、能夠迅速提取水中營養(yǎng)元素的特點(diǎn)，其根系釋放的化感物質(zhì)能夠抑制藻類的生長[4-6]，特別是千屈菜、黃花鳶尾等還具有一定的觀賞價值，所以利用挺水植物對富營養(yǎng)化水體進(jìn)行凈化已經(jīng)成為了新的研究熱點(diǎn)。

1 實(shí)驗試劑與儀器

1.1 實(shí)驗試劑

過硫酸鉀(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，AR)；重鉻酸鉀(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，AR)；磷酸二氫鉀(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，AR)；硝酸鈉(北京化學(xué)試劑三廠，AR)；磷酸二氫鉀氫氧化鈣(北京化學(xué)試劑三廠，AR)；蘆丁(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，AR)。

1.2 實(shí)驗儀器

紫外可見分光光度計(752，上海菁華科技儀器有限公司)；電子天平(FA1604，上海雷韻試驗儀器制造有限公司)；高壓滅菌器(YXQ-LS-100SII，中國博迅)。

2 實(shí)驗方法

2.1 供試植物的采集、修剪與馴化

供試挺水植物選擇黃花鳶尾，于長春市北湖濕地公園采集而得，采集時平均株高16.9 cm。將采集到的黃花鳶尾根系修成直徑為10 cm的近乎圓形形狀，座落于人工浮床的孔隙中。人工浮床為80 cm×80 cm的方形泡沫板材，每塊浮床上有16個直徑為15 cm的圓形孔隙。將裝滿植物的人工浮床置于模擬實(shí)驗的小型水體中進(jìn)行無土栽培的馴化，馴化持續(xù)兩周時間，待黃花鳶尾重新開始生長并發(fā)出須根。模擬試驗場為長春師范大學(xué)院院內(nèi)的一處小型池塘。

圖1 池塘中采樣點(diǎn)設(shè)置

2.2 實(shí)驗設(shè)計

將24塊栽植了黃花鳶尾的浮床拼接成4 m×4 m的方形，中心處空缺不栽種植物，設(shè)置為核心保護(hù)區(qū)域(采樣點(diǎn)1)，如圖1所示。將連接好的浮床置于池塘北側(cè)，在采樣點(diǎn)1正西方向設(shè)置采樣點(diǎn)2，在采樣點(diǎn)1正南方向設(shè)置采樣點(diǎn)3和采樣點(diǎn)4。以周為采樣周期，在開始實(shí)驗后，連續(xù)四周對4個采樣點(diǎn)進(jìn)行水樣采集。對采集后的水樣分別進(jìn)行如下5項水質(zhì)指標(biāo)的檢測：COD(化學(xué)需氧量)、TP(總磷)、TN(總氮)、葉綠素、黃酮類物質(zhì)。

3 實(shí)驗結(jié)果與討論

3.1 黃花鳶尾對水中富營養(yǎng)化元素的控制

導(dǎo)致富營養(yǎng)化的主要物質(zhì)基礎(chǔ)是水中氮、磷元素，但水中有機(jī)物的存在也會刺激藻類的爆發(fā)。從圖2中可以看出，隨著時間推移，4個采樣點(diǎn)COD均有所下降，其原因有二：一是實(shí)驗期間降水量較大；二是隨著實(shí)驗期間水溫的升高，微生物將水中還原性有機(jī)物消耗、分解。但隨著植物的成長，采樣點(diǎn)1(核心保護(hù)區(qū))的COD與其他三個采樣點(diǎn)的COD差值越來越大，說明植物對水中有機(jī)物的緩沖以及植物根系對有機(jī)物的吸附作用十分明顯。

圖2 不同采樣點(diǎn)COD隨時間的變化

圖3 不同采樣點(diǎn)TP隨時間的變化

不同采樣點(diǎn)TP隨時間的變化見圖3。各采樣點(diǎn)總磷隨著時間的推移有所上升，其原因在于池塘中內(nèi)源磷的釋放，即底泥所吸附的磷元素在水溫升高和池塘被降水酸化后，向水中釋放。但同樣很明顯的是，采樣點(diǎn)1(核心保護(hù)區(qū))在植物根系的保護(hù)下，磷元素含量明顯低于其他采樣點(diǎn)，說明黃花鳶尾根系對磷元素有著極強(qiáng)的吸收能力。

池塘中各采樣點(diǎn)總氮變化不十分顯著(圖4)，其原因有二：一是外源氮隨著降水不斷進(jìn)入，二是此小型池塘中水體富營養(yǎng)化的限制因子是磷元素的含量，而并非氮元素，即氮元素含量是相對過剩的。但是仍然可以觀察到，采樣點(diǎn)1(核心保護(hù)區(qū))的氮元素含量明顯低于其他各采樣點(diǎn)。

圖4 不同采樣點(diǎn)TN隨時間的變化

圖5 不同采樣點(diǎn)黃酮類物質(zhì)隨時間的變化

3.2 黃花鳶尾對水中浮游植物的抑制

挺水植物除了能夠吸收水中的氮磷營養(yǎng)元素，還能夠通過釋放化感物質(zhì)的方式抑制水中藻類的爆發(fā)。挺水植物能向水中釋放的黃酮類物質(zhì)就是能夠抑制浮游植物生長的化感物質(zhì)，但其對浮游動物的影響較小。從圖5可以看出，黃花鳶尾所釋放的黃酮類物質(zhì)以浮床為中心向池塘其他方向擴(kuò)散，采樣點(diǎn)1(核心保護(hù)區(qū))的酮類物質(zhì)含量約為其他采樣點(diǎn)的5倍，一方面說明黃花鳶尾釋放黃酮類物質(zhì)十分明顯，另一方面說明這種化感物質(zhì)在小型水體中擴(kuò)散能力是有限的，這可能與其從植物體內(nèi)釋放出來之后參與的水化學(xué)反應(yīng)相關(guān)，有待進(jìn)一步證明。但黃酮類物質(zhì)對藻類的抑制作用十分明顯。在4周的培養(yǎng)時間內(nèi)，采樣點(diǎn)1(核心保護(hù)區(qū))的水質(zhì)葉綠素始終保持在6 mg/L以下，處于較低水平；而距離植物區(qū)最遠(yuǎn)的采樣點(diǎn)4，葉綠素水平在第4周達(dá)到24.90 mg/L，達(dá)到了富營養(yǎng)化的水平(圖6)。

圖6 不同采樣點(diǎn)葉綠素隨時間的變化

4 結(jié)論

在栽植面積為整個池塘面積10%的情況下，黃花鳶尾對于其核心保護(hù)區(qū)的水質(zhì)有著明顯的保護(hù)和緩沖作用，其根系能夠明顯吸收和吸附水中的有機(jī)物和氮、磷營養(yǎng)元素；同時，其對于水中藻類的爆發(fā)也有著明顯的抑制作用，黃花鳶尾的存在能夠使水體始終處于富營養(yǎng)化水平之下。

[1]徐德福,李映雪,方華,等.4種濕地植物的生理性狀對人工濕地床設(shè)計的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2009,28(3):587-591.

[2]李冰,舒艷,李科林,等.人工濕地寬葉香蒲對重金屬的累積與機(jī)理[J].環(huán)境工程學(xué)報,2016,10(12):2099-2108.

[3]趙慧,郁東寧,孫譞,等.黃菖蒲的組織培養(yǎng)與快速繁殖[J].北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報,2011,26(1):73-75.

[4]閆志強(qiáng),未本如, 劉黽,等.5種沉水植物對斜生柵藻的化感作用[J].應(yīng)用于環(huán)境生物學(xué)報,2015,21(1):75-79.

[5]孫志偉,邱麗華,段舜山,等.化感作用抑制有害藻類生長的研究進(jìn)展[J].生態(tài)科學(xué),2015,34(6):188-192.

[6]孔垂華.植物化感作用研究中應(yīng)注意的問題[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,1998,9(3):332-336.

Inhibition of Eutrophication by Iris Wilsonii Cultivated on Floating Bed

ZHENG Hong-fang,ZHAO Yu-jia,ZHOU Hao-yu,GUO Hong, WANG Jie, YANG Xiang-yu

(Faculty of Chemistry ,Changchun Normal University,Changchun Jilin 130032,China)

Water purification by Iris wilsonii cultavated on floating beds was carried out in a small pond. Tests illustrate that protection and buffering action were supplied by Iris wilsonii when its coverage ratio is only 10%. The nutrient, N and P in this case, was strongly absorbed by its root. Iris wilsonii can keep the core area under eutrophication by its inhibition of algae.

Iris wilsonii; eutrophication; floating bed

2016-10-14

吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“基于人工浮床建立小型可移動濕地的研究”(201610205058)。

鄭紅芳(1997- )，女，長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院學(xué)生，從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。

X703

A

2095-7602(2017)02-0188-04

[通訊簡介]楊翔宇(1983- )，男，講師，從事水污染防治理論與技術(shù)方面的研究。

注：本研究為吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。項目組成員：鄭紅芳，趙瑜佳，周浩宇，郭鴻，王杰；指導(dǎo)教師：楊翔宇。