吳慎獨(dú)，陳 菁，郭少壯，陳 潔，劉 敏，包 克

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

水體富營(yíng)養(yǎng)化是全球水環(huán)境整治的重難點(diǎn)問(wèn)題。自從2007年中國(guó)太湖藍(lán)藻事件發(fā)生后，水體氮磷濃度的原位削減與外源減排等問(wèn)題在中國(guó)水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域上升到了一個(gè)新的高度[1]。然而，城市與農(nóng)村的土地兼并使得部分灌溉水網(wǎng)承受更多的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加劇了城鄉(xiāng)水網(wǎng)中的污染問(wèn)題。為了保證水生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定，不僅要加大現(xiàn)行污水集中處理量，更需要強(qiáng)化河道湖泊水體凈化處理[2]。

為了降低含高濃度氮磷污水直接排入水體產(chǎn)生的污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者一直關(guān)注高效率削減工藝的發(fā)展。目前采用的一些物理化學(xué)類生態(tài)修復(fù)技術(shù)包括底泥疏浚、機(jī)械除藻或者投放化學(xué)藥劑等方法，能夠有效地降低內(nèi)在氮磷污染的負(fù)荷。但這類方法不具有一定的持續(xù)性，易造成二次污染等問(wèn)題，故需要生物修復(fù)技術(shù)輔助達(dá)到對(duì)藻類和污染物的控制[3]。生物生態(tài)技術(shù)通過(guò)邊坡與河底種植水生植物，利用植物凈化水土的能力，來(lái)達(dá)到原位削減的目標(biāo)。這種方法可以直接利用現(xiàn)有的水網(wǎng)河道，減少了集中處理的管道鋪設(shè)費(fèi)用。栽植的水生植物可以通過(guò)自身對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的聚集效應(yīng)，將氮、磷等元素富集在根際[4]。其基本原理：植物通過(guò)根系分泌物改變沉積物-水界面的微生物群落，經(jīng)光合作用產(chǎn)生氧氣利用莖稈傳輸至根系，改變根際氧區(qū)分布，使得在根系區(qū)域形成小型的富氧-厭氧區(qū)域，進(jìn)一步加快水體與沉積物之間氮磷元素的吸收與轉(zhuǎn)換，因此根系區(qū)域成為整個(gè)生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域[5-7]。生態(tài)修復(fù)技術(shù)受自然條件影響較大，不同水文條件對(duì)根系區(qū)域的生態(tài)平衡都會(huì)產(chǎn)生影響。水位的改變會(huì)帶來(lái)水溫、溶解氧、pH值等條件的改變，對(duì)植物的生長(zhǎng)生理狀況產(chǎn)生影響，造成植物生長(zhǎng)機(jī)制的變化，間接地影響到根際區(qū)間中微生物群落種群的分布與相關(guān)酶生成，最終使得生態(tài)工程的凈化效果達(dá)不到預(yù)期[8]。

本文選取長(zhǎng)江中下游常見本土挺水植物鳶尾(Iristectorum)作為研究對(duì)象。鳶尾具有對(duì)水位變化敏感、水質(zhì)凈化效果好和觀賞價(jià)值高等特點(diǎn)，可避免植物選擇的單一與外來(lái)物種的入侵問(wèn)題[9]。以生長(zhǎng)水位為控制條件，分別研究不同水位條件下鳶尾對(duì)其生存微環(huán)境的調(diào)控效應(yīng)、水質(zhì)凈化效果的影響，旨在為生態(tài)工程設(shè)計(jì)中提供植物的最優(yōu)選取與配植條件，以期達(dá)到較優(yōu)的水質(zhì)凈化效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)選取宜興市丁蜀鎮(zhèn)八房港附近自然生長(zhǎng)的鳶尾科挺水植物鳶尾(Iristectorum)，株高在55 cm±2 cm，生長(zhǎng)狀況良好，移栽至聚乙烯塑料桶(150 L)中。試驗(yàn)桶底部?jī)?nèi)徑50 cm，頂部?jī)?nèi)徑66.5 cm，高度73 cm。底泥選取植株原位底泥，均勻鋪至桶底，厚度保持在20 cm左右。

試驗(yàn)所用污水為自行配置，即通過(guò)向自來(lái)水添加不同濃度的KNO3、NH4Cl、KH2PO4和葡萄糖，將配水水質(zhì)濃度控制在總氮(TN)15 mg/L，氨氮(NH3-N)5 mg/L，總磷(TP)0.5 mg/L和化學(xué)需氧量(COD)50 mg/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2019年10月，在宜興市丁蜀鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生態(tài)園大棚中進(jìn)行。移栽的鳶尾先加入清水培育7 d，選取長(zhǎng)勢(shì)良好的植株。按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配水，水位分別設(shè)置為低水位(10 cm)、中水位(30 cm)和高水位(50 cm)。

每組水位都設(shè)3組平行，另設(shè)一組不種植物的空白組。為了減少試驗(yàn)反應(yīng)器受不同位置的自然條件影響，隨機(jī)擺放3組。反應(yīng)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of test device

試驗(yàn)周期為20 d，每3 d取一次水樣，并用蒸餾水補(bǔ)充每次因取樣、植物吸收和蒸發(fā)損失的水分，以保證試驗(yàn)水位相對(duì)恒定。試驗(yàn)檢測(cè)方法按照地表水和 污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(HJ 91—2002)實(shí)行。試驗(yàn)初始與結(jié)束時(shí)，采集植物根系樣品與沉積物樣，按照相關(guān)說(shuō)明書與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)得植物根系酶活與土壤理化指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，使用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，Origin 2019b對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析作圖，圖中數(shù)據(jù)都以均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體中氮磷濃度變化

不同水位下COD濃度變化如圖2所示。栽種鳶尾水體中的COD都在試驗(yàn)期間明顯下降，3種水位削減率均在80%以上，去除效果明顯。相較于空白組，各個(gè)水位的植物組在前期都表現(xiàn)出更好的去除效果，前一周的下降趨勢(shì)明顯，去除率在70.9%～76.7%。這可能是由于底泥中微生物的消耗與植物的富集作用同時(shí)作用使得初期的濃度迅速下降[10]?？瞻捉M中缺少植物富集作用，初期僅依靠土壤吸附，污染物濃度下降并不如植物組。隨著物質(zhì)前期沉降作用逐漸減少，原位泥與配水之間存在濃度差，污染物質(zhì)逐漸從底泥中釋放，導(dǎo)致COD濃度呈現(xiàn)波動(dòng)，逐漸趨于平衡。

不同水位植物組之間，低水位組COD濃度削減最多，達(dá)到88.4%。在低水位情況下，COD沉降效果最好，溶解氧充足，保證了植物根系處的氧氣供應(yīng)，對(duì)于處理COD有一定的幫助[11]。中高水位情況下，植物對(duì)COD的處理效果就不如低水位明顯。從中水位組COD濃度變化中可以看出植物的凈化效果有限，濃度整體下降趨勢(shì)與同水位空白組相似。這可能與根系區(qū)域溶解氧不足有關(guān)。高水位組中缺氧情況更加明顯，在底泥釋放與水位脅迫植物生長(zhǎng)的情況同時(shí)影響下，濃度甚至高過(guò)了對(duì)照組。

不同水位下TP濃度變化如圖3所示。水質(zhì)中總磷濃度變化空白組都出現(xiàn)了濃度升高后下降的趨勢(shì)，這與張晶[12]關(guān)于再覆水導(dǎo)致土壤磷素的釋放研究類似，水體總磷濃度產(chǎn)生變化后，土壤中的穩(wěn)定態(tài)無(wú)機(jī)磷向活性無(wú)機(jī)磷進(jìn)行轉(zhuǎn)化，再重新釋放和遷移吸附后達(dá)成新的平衡。不同水位組的濃度升高量不同，這與土壤體積不變而水位不同濃度稀釋有關(guān)。隨著磷素的消耗，水中總磷濃度與底泥形成了新的動(dòng)態(tài)平衡，并逐漸由微生物吸收處理。植物組相較于空白組都有明顯的去除效果。低水位條件下，空白組總磷濃度連續(xù)明顯下降，前期快速去除效果明顯。對(duì)比中高水位濃度在第6天和第3天濃度削減速率就放緩，低水位的快速去除時(shí)間持續(xù)到了9 d。水位深度改變沉積物-水界面的溶解氧濃度，溶解氧濃度上升促進(jìn)了無(wú)機(jī)磷的氧化轉(zhuǎn)換，從而更容易被微生物所吸收利用。

圖3 不同水位下TP濃度變化Fig.3 Changes of TP concentration at different water levels

在不同水位植物組之間，植物對(duì)磷素的低水位吸收效果更加明顯。植物在低水位的平均總磷去除貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到55.8%，高于中高水位的41.2%和42.9%。低水位植物組在第1～6天貢獻(xiàn)最多總磷去除效果。中高水位去除效率最佳區(qū)間在第3～6天和第6～9天?？梢娫诘退粻顩r下，植物能更快速地發(fā)揮總磷的去除效果，而且隨著水位的升高，植物的快速去除的時(shí)間區(qū)間后移同時(shí)縮短。水位不同導(dǎo)致的根系區(qū)域溶解氧濃度不同，影響植物氧化吸收無(wú)機(jī)磷及產(chǎn)生根系分泌物中磷酸酶對(duì)有機(jī)磷成分的水解效果[13]。同時(shí)，高水位對(duì)鳶尾的生長(zhǎng)生理壓迫，可能導(dǎo)致植物陳舊組織的脫落，造成有機(jī)磷濃度升高，使得18 d后高、中水位植物濃度高于低水位植物組(0.06>0.05>0.02 mg/L)[14]。

不同水位下NH3-N濃度變化如圖4所示?？瞻捉M中NH3-N濃度都大幅削減，去除率均>86.2%。不同水位情況下，低水位前期快速去除水體中的NH3-N濃度，第6天后整體濃度趨于穩(wěn)定。而中高水位情況下，空白組前后期的削減能力沒有明顯的變化。3組水位NH3-N濃度逐漸下降至0.4 mg/L后維持動(dòng)態(tài)平衡。

圖4 不同水位下NH3-N濃度變化Fig.4 Changes of NH3-N concentration at different water levels

相比較于空白組，植物組在不同水位下都對(duì)NH3-N濃度的削減提供了幫助。低水位植物組與空白組趨勢(shì)相似，前期都呈現(xiàn)了快速去除的能力，但植物的貢獻(xiàn)并不明顯。當(dāng)水位提升到30 cm的情況下，植物的輸氧能力得以體現(xiàn)。通過(guò)植物光合作用及挺水植物維管束的傳輸能力，改善了中水位根區(qū)硝化細(xì)菌的微環(huán)境，使得有植物的組內(nèi)仍然保有一定時(shí)長(zhǎng)的快速去除能力，能夠快速地將水體中的氨進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理。但是當(dāng)水位再次升高，植物對(duì)于沉積物-水界面的氧氣供給能力有限，不能維持微環(huán)境的好氧條件，NH3-N濃度的降解走勢(shì)仍與空白組趨同。

2.2 土壤氮磷濃度變化

不同水位條件下土壤氮磷變化如圖5所示。不同于水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變化，表層沉積物中氮、磷元素都相較于初始有所增長(zhǎng)。土壤中氮元素相較于磷元素，變化并不明顯。植物組相較于初始全氮濃度都有所下降，空白組與初始全氮濃度變化不大，低水位植物組相較于其他組別對(duì)于土壤氮元素的凈化效果最好。這與低水位條件下，沉積物表層溶解氧相較于中高水位更高，硝化反應(yīng)更加充分，水體與土壤中的氨得到充分的反應(yīng)分解有關(guān)。隨著水位升高，植物根系泌氧能力有限，硝化反應(yīng)逐漸減弱，但凈化效果仍然優(yōu)于空白無(wú)植物組。

圖5 不同水位條件下土壤氮磷變化Fig.5 Changes of soil nitrogen and phosphorus under different water levels

試驗(yàn)結(jié)束后，土壤全磷濃度都遠(yuǎn)高于初始值。說(shuō)明水中磷元素去除的主要方式是表層沉積物的吸附遷移。隨著水位升高使得沉積物中厭氧反應(yīng)增加，氧化還原電位降低，原先在土壤中的閉蓄態(tài)磷開始釋放，土壤中的全磷濃度減少[15]。低水位情況下，土壤中吸附的磷元素能更快速地轉(zhuǎn)化為活性磷元素，而被植物吸收利用。

在土壤酶活性方面(圖6)，植物組根系附近脲酶均低于空白組脲酶含量，并隨著水深的增加，脲酶含量相較于初始時(shí)期都有所上漲(4.08%～34.50%)。土壤脲酶的主要來(lái)源是植物根系分泌物和微生物殘?bào)w的分解。低中水位情況下，植物組土壤脲酶的活性相較于初始并不明顯，中水位空白組卻有明顯升高。由此可見水位對(duì)鳶尾根系分泌物的刺激并不明顯，反而隨著水位的提升，植物與土壤微生物受到脅迫，生長(zhǎng)環(huán)境受到影響出現(xiàn)衰敗分解，從而提高了沉積物中的脲酶活性[16]。

圖6 不同水位條件下土壤中脲酶與堿性磷酸酶變化Fig.6 Changes of urease and alkaline phosphatase in soil under different water levels

而土壤堿性磷酸酶在植物組與空白組之間的變化十分顯著，并且隨著水位的升高，堿性磷酸酶的含量也在升高，說(shuō)明鳶尾根系分泌物對(duì)于根系土壤內(nèi)堿性磷酸酶的合成有明顯作用。并且隨著水位條件的增高，ALP活性與土壤全磷成負(fù)相關(guān)作用，這與之前學(xué)者研究的高磷酸酶與土壤總磷和溶解性無(wú)機(jī)磷成負(fù)相關(guān)的研究，從而印證了之前不同水位下水體與土壤中磷元素的變化[17]。

3 結(jié)論

(1)挺水植物鳶尾的種植位置對(duì)COD、TP和NH3-N的濃度削減具有一定差異，但20 d內(nèi)去除效果都能達(dá)到80%以上，適合在生態(tài)修復(fù)工程中選擇應(yīng)用。

(2)低中水位(10～30 cm)條件下，COD、TP前期會(huì)有快速削減時(shí)間(1～6 d)，然后到達(dá)新的濃度平衡。而高水位(50 cm)去除效率相對(duì)較緩，污染物濃度在10 d后才能到達(dá)新的濃度平衡。因此，種植在高水位區(qū)域的鳶尾要達(dá)到設(shè)定的凈化目的，需要更長(zhǎng)的水力停留時(shí)間。

(3)對(duì)于不同污染物的情況下，鳶尾不同水位下對(duì)TP去除的貢獻(xiàn)率都較高，但低水位條件下土壤固磷效果更好，高水位條件下土壤ALP活性更強(qiáng)，更有利于磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化；低水位與高水位下，對(duì)NH3-N去除的貢獻(xiàn)并不明顯，中水位下能充分發(fā)揮植物在NH3-N轉(zhuǎn)化中的效果，使得污水中的NH3-N像低水位條件下前期能被快速處理，土壤中氮元素的吸收分解并沒有太大差別；對(duì)于COD的凈化過(guò)程中，低水位凈化效果更好，水位升高后期對(duì)植物的脅迫可能會(huì)導(dǎo)致濃度上升。鳶尾的配植需要根據(jù)污水的主要凈化項(xiàng)目來(lái)改變水位的選擇，以確保生態(tài)工程的凈化效率。