劉長(zhǎng)娥， 付子軾， 周勝*， 孫會(huì)峰

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)科技信息研究所， 上海 201403； 2.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所， 上海 201403；3.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心， 上海 201415)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是我國(guó)江河、湖泊面臨的重要水環(huán)境問題之一，而恢復(fù)與建立水生高等植物系統(tǒng)是治理富營(yíng)養(yǎng)化水體的重要內(nèi)容。水生植物在水質(zhì)凈化等方面起著重要的作用，在生態(tài)修復(fù)、人工濕地、富營(yíng)養(yǎng)化以及景觀水體中被廣泛應(yīng)用，不但能直接吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且能輸送氧氣到根區(qū)為微生物的生長(zhǎng)、繁殖和污染物降解創(chuàng)造適宜條件。利用水生植物凈化污染水體因成本低、效率高、改善景觀及生物多樣性、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境等特點(diǎn)而發(fā)展十分迅速。我國(guó)利用水生植物凈化水質(zhì)的研究始于20世紀(jì)70年代中期，包括靜態(tài)條件下單一物種及多種植物配植對(duì)污染物濃度較高的污水凈化作用及動(dòng)態(tài)方法研究水生植物對(duì)污水的處理效果[1-2]。

雖然水生植物凈化污水有很多優(yōu)點(diǎn)，但在其凈化污染水過程中，隨著體內(nèi)養(yǎng)分的飽和及植物生長(zhǎng)的減弱、枯黃和死亡，部分養(yǎng)分重返于水體中，導(dǎo)致二次污染。植物收割是目前被普遍認(rèn)為能夠減少二次污染并將污染物移除水體外的主要措施之一，而適宜的收割頻率和時(shí)機(jī)很重要。不同植物吸收積累養(yǎng)分的特征不同，為了解不同植物適宜的收割頻率及飽和養(yǎng)分吸收量，本試驗(yàn)選取8種生態(tài)凈化中常用的水生高等植物，分析收割與不收割對(duì)水中N、P含量的影響，為凈化污染水體植物的管理與選種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地位于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的莊行生態(tài)環(huán)境試驗(yàn)區(qū)，面積約1 500 m2。2012年根據(jù)低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)綜合體系研究中心的研究規(guī)劃，建立了不同處理的水生植物小區(qū)，每小區(qū)面積約35 m2，種植密度為4株叢·m-2，各處理同種植物按收割與不收割設(shè)置對(duì)照。其中，收割是每年植物枯黃時(shí)期進(jìn)行齊地面刈割，移除植物地上部分。

選取常見挺水植物蘆葦、茭草、水蔥、美人蕉、香蒲、再力花、黃菖蒲和菖蒲8種水生植物系統(tǒng)作為研究對(duì)象，按收割與不收割進(jìn)行相關(guān)研究。

1.2 采樣與分析

1.2.1 植物樣品采集

10月下旬植物枯黃前，對(duì)8種水生植物的地上與地下部分進(jìn)行取樣。為減少對(duì)植物生長(zhǎng)的破壞，保證后續(xù)研究的正常進(jìn)行，根據(jù)植物的大小，每處理選取1～3個(gè)典型分蘗枝連根挖出，洗凈根系，分割為地上與地下部分，分別對(duì)應(yīng)掛上相應(yīng)處理的植物名稱，按一定長(zhǎng)度捆綁放入105 ℃烘箱，殺青15 min，然后調(diào)整為80 ℃烘干至恒量，最后根據(jù)單位面積中植物的分蘗數(shù)，換算為單位面積植物的地上與地下部分的生物量，重復(fù)3次。將烘干后的植物樣品粉碎，送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行總氮(TN)、總磷(TP)的測(cè)定。植物樣品用H2SO4-H2O2消煮制備成溶液，TN用納氏比色法測(cè)定，TP用鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.2.2 水樣品采集

用抽水泵對(duì)25個(gè)處理小區(qū)的表層(0 cm)和10 cm深的底層水進(jìn)行取樣，每個(gè)樣品重復(fù)3次，分別裝入0.5 L塑料瓶中，注明相應(yīng)名稱編號(hào)與重復(fù)號(hào)，立即送入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行TN和TP的測(cè)定。TN用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定，TP采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

植物N、P積累量=植物N、P濃度×植物生物量。利用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與繪圖，采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析各特征指標(biāo)值間的相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

植物對(duì)污染物的凈化效果與植物的種類、生長(zhǎng)速度、生長(zhǎng)階段、植物生物量、植物自身N、P累積量及植物根際微生物的作用有關(guān)，不同水生植物對(duì)污染物質(zhì)的去除能力有較大的差異[3-6]。

2.1 不同植物種類對(duì)水質(zhì)的影響

利用水生高等植物治理富營(yíng)養(yǎng)化水體的工程中，植物種類的選取非常重要，不同植物種類對(duì)水中N、P去除效果存在差異。

由圖1可知，8種水生植物對(duì)0～10 cm水體中N的凈化效果由高至低依次為美人蕉>菖蒲>水蔥>香蒲>蘆葦>黃菖蒲>茭草>再力花；對(duì)0～10 cm水體中P的凈化效果由高至低依次為美人蕉>茭草>水蔥>蘆葦>香蒲>黃菖蒲>再力花>菖蒲。美人蕉的水體凈化效果較好；再力花對(duì)水體中N的凈化效果較差，菖蒲對(duì)水中P的凈化能力較弱；空白對(duì)照的水質(zhì)相比植物系統(tǒng)處于中上等，具體原因還有待進(jìn)一步研究。

圖1 不同植物凈化水體N、P含量對(duì)比

圖2顯示，各植物系統(tǒng)表層中N、P含量普遍顯著高于底層水，這可能與根際效應(yīng)有關(guān)。根區(qū)是植物去除污染物的活性區(qū)，根際是土壤微生物活動(dòng)非常活躍的微生態(tài)環(huán)境，也是“植物—土壤”系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)的界面。水生植物系統(tǒng)是植物、動(dòng)物、微生物與環(huán)境要素之間密切聯(lián)系、相互作用，通過物質(zhì)、能量交換所構(gòu)成的具有一定功能的生態(tài)系統(tǒng)[7]。植物在這個(gè)系統(tǒng)中除吸收和吸附污染物質(zhì)外，還將光合產(chǎn)物以根系分泌物的形式為根際微生物提供養(yǎng)分和能源，根際微生物不僅自身參與循環(huán)過程，并影響植物對(duì)污染物質(zhì)的吸收和利用，同時(shí)也是系統(tǒng)污染物質(zhì)去除的主要執(zhí)行者之一[8]。

不同大小寫字母分別表示處理間在0.01和0.05水平差異顯著。圖2 植物凈化不同水位N、P含量對(duì)比

2.2 植物收割對(duì)水質(zhì)的影響

水生植物凈化污水過程中，若植物枯黃仍不收割，自然凋落會(huì)導(dǎo)致部分植物殘?bào)w在水體中滯留，殘?bào)w溶出并釋放C、N(以有機(jī)氮和氨氮的形式)和P，導(dǎo)致水體惡化。因此，采用收割方式將植物殘?bào)w移出水體外是目前凈化污水過程中常用的植物管理措施。通過收割植物移除水體N、P量的多少，取決于植物收割的頻率和時(shí)期、進(jìn)水負(fù)荷、氣候條件和植物物種等因素[9-10]。

表1顯示，不同植物種類收割后的污染物去除效果不同。相比未收割，收割菖蒲的表層水N、P含量分別減少43.4%、75.3%，底層水分別減少51.1%、95.3%；收割再力花的表層水N、P含量分別減少44.0%、60.8%，底層水分別減少62.9%、83.9%；收割蘆葦?shù)腘、P含量表層水分別減少22.1%、18.2%，底層水分別減少37.7%、12.5%；收割黃菖蒲表層水N含量增加5.5%、P含量減少55.6%，底層水N、P含量分別減少44.0%、68.0%；收割美人蕉N、P含量表層水分別減少51.6%、22.2%，底層水分別減少14.9%、33.3%。茭草、水蔥和香蒲收割對(duì)水體的凈化作用不大，收割后其水體中N、P含量普遍高于未收割處理，香蒲收割后水中N含量較未收割僅減少3%左右。

表1 植物收割對(duì)水質(zhì)的影響

綜合而言，8種水生植物系統(tǒng)中，除茭草、水蔥和香蒲外，其他5種植物收割后的水質(zhì)普遍好于未收割，水體中N、P含量大幅降低。

2.3 植物收割移除污染物量與水質(zhì)凈化相關(guān)因子

水生植物對(duì)污染物的去除能力與植物種類、植物凈生長(zhǎng)量、單位生物量的污染物蓄積強(qiáng)度有關(guān)，植物還可通過根系分泌物影響系統(tǒng)中微生物的特性，進(jìn)而影響對(duì)污染物的凈化效果[11-13]。分析表明，植物收割移除的N、P量與水體中去除的N、P量呈正相關(guān)，但均不顯著。其中，通過植物收割對(duì)表層水水質(zhì)的影響略高于底層水(表2)。

表2 植物收割移除N、P量與水中去除N、P量相關(guān)分析

有關(guān)研究表明，通常生物量大、N、P積累量高的植物對(duì)污染水體中N、P吸收能力較大[3,14-15]。通過植物適時(shí)收割可以徹底將污染物移除水體，并且減少凋落物腐爛造成的二次污染，這也是收割對(duì)表層水水質(zhì)影響較大的其中一個(gè)原因，植物收割有利于污染水的凈化。

3 小結(jié)與討論

研究中的8種水生植物通過適度收割管理具有良好的凈化能力，植物收割前0～10 cm水體平均N含量普遍為地表水GB3838—2002中Ⅲ～Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，P含量為Ⅲ～Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，個(gè)別種類(再力花)水質(zhì)為劣Ⅴ類水。植物收割后，除茭草外，0～10 cm水體平均N含量達(dá)到Ⅱ-Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，P含量達(dá)到Ⅲ～Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

有研究認(rèn)為，N、P主要集中在植物的地上部[16]，也有研究認(rèn)為大部分植物地下部分N、P含量與地上部分基本相當(dāng)[17]。本研究中，75%水生植物地上部分N含量高于地下部分，50%植物地上部分P含量高于地下部分，具體依植物種類而定。年末對(duì)植物地上部分收割，經(jīng)過一個(gè)生長(zhǎng)期后，大部分水體水質(zhì)可提高1～2個(gè)等級(jí)，單次移除的植物N、P積累量對(duì)凈化水質(zhì)的貢獻(xiàn)較小，與其去除的N、P量相關(guān)不顯著，因此，需要掌握適宜的收割頻率和時(shí)機(jī)。

水生植物在水環(huán)境治理中起著重要的作用，一方面是自身可以吸納同化大量污染物，另一方面，通過發(fā)達(dá)的根系為微生物提供良好的生存環(huán)境，進(jìn)而提高系統(tǒng)對(duì)污染物的吸收與利用能力，其中通過植物生長(zhǎng)吸收去除的量很小，研究表明，植物通過吸收去除N、P一般占5%～10%[18-19]，而根系微生物的硝化與反硝化作用是N去除的主要途徑[20-23]。因此，在利用水生植物凈化污染水的過程中，除了選取適宜的植物種類外，根據(jù)不同植物的養(yǎng)分積累特征、再生能力等對(duì)植物地上部分進(jìn)行及時(shí)收割，以保證水生植物系統(tǒng)長(zhǎng)效凈化效能。