劉義滿 王愛新 樂有章 魏玉翔

2 菱角對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果

2.1 菱角植株生物量大，有利于大量吸收和積累水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及重金屬等污染物

菱角植株生長(zhǎng)迅速，生物量大。特別的一點(diǎn)，菱角除了具有土中根系外，其沉水莖上具有大量兼具吸收、光合及貯藏功能的不定根（圖1），有利于大量吸收和富集水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及重金屬等污染物。李文朝[24]在江蘇無錫五里湖的研究結(jié)果表明，菱角耐污性較強(qiáng)，生物量大；6月定植時(shí)植株水面葉片覆蓋率約20%，1個(gè)月后水面葉片覆蓋率即可達(dá)100%，最高生物量（鮮質(zhì)量）達(dá)7 kg/m2以上。楊孟等[25]報(bào)道的太湖菱角（紅菱）生物量則高達(dá)22.5 kg/m2。有人在美國(guó)哈德遜河流域調(diào)查，菱角植株干物質(zhì)生產(chǎn)量可達(dá)1 kg/m2以上[26]。日本佐賀大學(xué)（Saga University）Arima等[27]利用從我國(guó)杭州及上海引進(jìn)的大果型（單果鮮質(zhì)量15～30 g，包括四角菱、二角菱及無角菱），源自日本的中果型（單果鮮質(zhì)量5～10 g，均為四角菱）和小果型（單果鮮質(zhì)量5 g以下，均為二角菱）菱角進(jìn)行種植比較試驗(yàn)，結(jié)果植株干質(zhì)量（包括地上和地下部分）大果型和中果型菱角大于600 g/m2（400 kg/667 m2），小果型菱角植株干質(zhì)量產(chǎn)量300～500 g/m2（200～334 kg/667 m2）。易磊[28]在河北白洋淀調(diào)查結(jié)果表明，菱生長(zhǎng)期4月至10月初，主要生長(zhǎng)期7～9月，高速生長(zhǎng)期集中于40～80天（即7～8月），植物生物量在果實(shí)成熟的9月下旬達(dá)到最大值。植株體內(nèi)氮、磷累積量在植株生長(zhǎng)最旺盛的8月上旬達(dá)到最大值。其中，葉片具有最大生物量和氮、磷積累量，其次為莖，根最小。在種植水生植物的水體中，污染物去除總量中，有一部分是通過植株吸收作用去除的。植物通過吸收作用去除的污染物量占污染物去除總量的比例，即為植株吸收貢獻(xiàn)率。徐蕾等[11]研究結(jié)果表明，在嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化和異常富營(yíng)養(yǎng)化水體中，TN和TP去除率中的菱角植株吸收貢獻(xiàn)率可以分別達(dá)34.8%～36.9%和24.1%～34.5%。

圖1 菱角植株生長(zhǎng)量大、不定根眾多，水體凈化功能強(qiáng)，可以做到生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益協(xié)調(diào)統(tǒng)一

2.2 菱角對(duì)重金屬的富集積累能力

黃亮等[29]2000年對(duì)武漢地區(qū)相關(guān)湖泊的調(diào)查結(jié)果（表1）顯示，除Pb為葉片富集能力大于根部外，其他為根部大于葉部，如武湖的菱角植株根部和葉部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值分別為Zn 2.30、Cr 2.80、Cu 2.20、Co 3.80、Ni 2.60、Cd 2.30、Pb 0.85。菱角葉部對(duì)水中重金屬富集 系 數(shù)F（×103）分 別為Zn 3.53、Cr 2.57、Pb 5.00、Cu 3.99、Co 3.69、Ni 3.61、Cd 66.20。生物體內(nèi)Cd與金屬硫蛋白的緊密度比Zn大3 000倍，Zn和Cd與硫蛋白中的巰基結(jié)合時(shí)，Cd可以置換Zn。Zn/Cd值可以反映重金屬積累能力，也間接指示植物的破壞程度，如武漢斧頭湖、漲渡湖及武湖菱角葉片內(nèi)的Zn/Cd值分別為73.1、9.1及15.1。

表1 武漢斧頭湖、漲渡湖及武湖內(nèi)菱角葉片重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)[29] μg/g

周娜[30]研究結(jié)果表明，菱角不定根對(duì)Hg2+和Cu2+的最大吸附量分別為5.5、9.75 mg/g，最大吸附比表面積分別為0.65、1.51 m2/g。

印度Vinod等[31]進(jìn)行的植物修復(fù)研究（Phytoremediation experiments）中，利用菱角（Trapa natans）處理城市污水（municipal wastewater），文中城市污水取自活性污泥法城市污水處理廠（activated sludge process-based municipal wastewater treatment plant），結(jié)果顯示，菱角能在P〈0.05、0.01或0.001水平上顯著減少Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Pb、Zn等重金屬含量。菱角對(duì)這些指標(biāo)的去除速率在處理15～45天內(nèi)逐漸增加，處理60天時(shí)略有放緩，但去除量達(dá)到最大值。Cd、Cu、Fe、Mn及Zn的大部分積累于葉部，而大部分Cr和Pb積累于根部。

王方園等[32]研究表明，培養(yǎng)液中添加砷和汞后18天，菱角根、莖、葉對(duì)水體砷和汞的富集系數(shù)明顯大于對(duì)土壤砷和汞的富集系數(shù)；對(duì)水體汞的富集能力大于水體砷；根部的富集能力大于莖和葉（表2）。該研究結(jié)果還表明，菱角對(duì)砷和汞的富集能力大于茭白。分析還認(rèn)為，汞的存在會(huì)抑制水中砷向菱角遷移。

表2 菱角根、莖、葉對(duì)水體和土壤中的砷、汞的富集系數(shù)[32]

雖然不同研究結(jié)果中，菱角對(duì)重金屬等的富集能力差異較大，但總體而言，菱角對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的富集能力，可以用于重金屬清除。

2.3 菱角對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化作用

關(guān)于菱角對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化作用，我國(guó)一些研究人員進(jìn)行過模擬研究（表3）。綜合表3模擬研究結(jié)果，種植菱角對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體化學(xué)需氧量去除率為42.40%～67.52%，總磷去除率33.86%～87.50%，總氮去除率44.10%～87.92%，氨氮去除率58.0%～74.5%，均明顯高于對(duì)照（高出對(duì)照的幅度，不同研究結(jié)果不一，低者13.3%～16.6%，高者267.43%），顯示出較好的水體凈化能力。另外，研究結(jié)果顯示，種植菱角還可較大幅度增加水體透明度。至于水體溶解氧，有個(gè)別模擬研究顯示，種植菱角可以大幅度增加其含量，但該結(jié)果與多數(shù)調(diào)查檢測(cè)結(jié)果不相符合。

表3 模擬實(shí)驗(yàn)中菱角植株對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)的去除率 %

我國(guó)不同地區(qū)利用菱角進(jìn)行的工程化水體凈化示范項(xiàng)目中，亦顯示出很好的效果。廖榮明[39]2008-2009年調(diào)查，安徽合肥烔煬河水質(zhì)基本維持在Ⅲ～Ⅴ類，雖然菱角植株使水體溶解氧含量有一定程度降低，但總體上對(duì)水體氮、磷有良好凈化效果。高吉喜等[40]在云南滇池流域自然條件下研究前置庫(kù)對(duì)面源污水凈化效率，7～8月，定植期菱角水面覆蓋率約80%，結(jié)果氮凈化率48.9%、磷凈化率50.9%。王琴等[41]在白洋淀的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，相較于無植被區(qū)，菱角種植區(qū)水體透明度（SD）0.74 m（增加45%）；菱角種植區(qū)和菱角種植區(qū)外圍水體TN、NH4+-N、TP以及底泥總氮（STN）和總磷（STP）均有一定削減效果，其中菱角種植區(qū)外圍9月下旬TN去除率達(dá)63.5%，7月下旬和10月中旬TP去除率分別達(dá)到55.6%和88.4%；菱角種植區(qū)8月下旬銨氮去除率31.4%，10月中旬凱氏氮去除率45.2%。但是，9月下旬菱角進(jìn)入采收期后，水體溶解氧低于無植被區(qū)。而且，菱角植株腐爛沉積會(huì)導(dǎo)致底泥總磷含量增加。劉存歧等[42]在河北白洋淀的研究結(jié)果顯示，種植菱角的水體透明度比對(duì)照區(qū)平均增加0.55 m，增幅65%；浮游植物密度顯著降低。另外，菱角的生物量、氮和磷含量以及氮、磷積累量均在7月30日達(dá)到峰值，水體透明度也最高，此后氮、磷積累量逐漸下降，到9月30日菱種植區(qū)水質(zhì)反而劣于對(duì)照。王琴等[41]和劉存歧等[42]的研究結(jié)果均提示，利用菱角凈化水體時(shí)，應(yīng)注意合理配置種植密度，并及時(shí)清除菱角植株。

山東濟(jì)寧南四湖湖區(qū)淺水域、廢棄池塘、塌陷地水域、入湖河口水域等不同生態(tài)區(qū)內(nèi)，種植菱角對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體起到很好凈化效果。高敏等[43]調(diào)查結(jié)果表明，菱角種植區(qū)水體COD、TP、TN及NH3-N去除率分別為46.37%～57.03%、98.38%～99.60%、93.10%～96.15%及93.07%～98.63%。楊孟等[25]報(bào)道，在太湖梅梁灣中犢山和管社山菱控制性種養(yǎng)工程樣地中，種植菱角（紅菱）水域水質(zhì)明顯改善，與無水生植物水域相比，TN濃度降低約50%，TP降低20%～76%，Chla降低68%，水體透明度增加1倍。菱角生物量15 t/667 m2，其中氮同化去除量30.33 kg/667 m2，磷同化去除量4.87 kg/667 m2。

戴偉東等[44]對(duì)浙江溫州三篛濕地內(nèi)的2塊大面積種植菱角種植區(qū)（分別約6 000、3 000 m2，用種量10 kg/667 m2，主要種植期5～10月）調(diào)查結(jié)果，與對(duì)照區(qū)比較：①水體透明度、營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素a濃度等指標(biāo)均有明顯改善；②與非種植區(qū)比較，2個(gè)菱角種植區(qū)水體透明度在7月差異最顯著，分別提高0.4和2.3倍；③TN在5月差異最顯著，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別下降39.7%和20.6%；④TP含量在5～6月差異最顯著，分別下降58.6%和42.6%；⑤氨氮在6月差異最顯著，分別下降72.1%和61.3%；⑥葉綠素a分別在5～7月差異最顯著，分別下降61.4%和77.5%，均差異顯著。另外，菱角種植區(qū)內(nèi)的高錳酸鹽指數(shù)均低于非種植區(qū)，浮游動(dòng)物密度顯著降低。邵珊等[45]調(diào)查結(jié)果表明，在旱生蔬菜種植區(qū)排水下游種植一定面積菱角，使TN和TP分別下降98.08%和85.66%，表明菱角能有效攔截地表徑流中的TN和TP。

印度Vinod等[31]研究結(jié)果顯示，菱角能在P〈0.05、0.01或0.001水平上顯著減少城市污水中總 溶 解 固 體（total dissolved solids，TDS）、電 導(dǎo) 率（electrical conductivity，EC）、五 日 生 化 需 氧 量（biochemical oxygen demand，BOD5）、化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）、總凱氏氮（total Kjeldahl nitrogen，TKN）、磷酸鹽（phosphate，PO43-）、鈉（Na+）、鉀（K+）、鈣（Ca2+）、鎂（Mg2+）等含量。修復(fù)研究結(jié)束后，菱角植株各生化成分（biochemical component）含量依次為總糖（total sugar）〉粗蛋白（crude protein）〉總灰分（total ash）〉粗纖維（crude fiber）〉總脂肪（total fat）。綜合認(rèn)為，菱角凈化城市污水效果良好，用于處理活性污泥法城市污水處理廠污水，可以有效降低污染物含量。

2.4 菱角對(duì)氮素再懸浮的影響

黃沛生等[46]曾經(jīng)在太湖梅梁灣口調(diào)查研究菱角對(duì)氮素再懸浮的影響，結(jié)果顯示，菱角生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)（生長(zhǎng)區(qū)邊緣20 m內(nèi)處）水底泥層表層2 cm沉積物的有機(jī)物含量5.95%～11.49%，水面再懸浮物（resuspension）有機(jī)物含量21.86%～50.39%；菱角生長(zhǎng)區(qū)外（生長(zhǎng)區(qū)邊緣30 m外處）水底泥層表層2 cm沉積物的有機(jī)物含量6.41%～12.03%，水面再懸浮物有機(jī)物含量15.19%～50.40%。菱角生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)的沉積物和再懸浮物有機(jī)物含量差異不明顯。但是，菱角生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)和區(qū)外沉積物的再懸浮速率存在明顯差異。菱角生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)沉積物平均再懸浮速率218.46 g·m-2·d-1，僅為菱角生長(zhǎng)區(qū)外（658.13 g·m-2·d-1）的33.20%。通過再懸浮作用，8月下旬至11月上旬菱角種植區(qū)內(nèi)沉積物平均每天每1 m2帶入水中的TN為719.63 mg，僅為菱角種植區(qū)外（1 536.14 mg）的48.85%。也就是說，在富營(yíng)養(yǎng)化水體中種植菱角，能夠顯著降低沉積物再懸浮速率，進(jìn)而降低水體TN含量。

2.5 菱角對(duì)藻類的抑制作用

唐萍等[47]進(jìn)行的克藻研究中，柵藻（Scenedesmus arcuatusL.）藻液光密度OD650值達(dá)0.05時(shí)，植入菱角植株，植株葉片水面覆蓋率50%，培養(yǎng)7天時(shí)，對(duì)照OD650值上升至0.12，而菱角種植處理的藻液OD650值降至約0.03。柵藻體內(nèi)丙二醛積累量（常可反映機(jī)體脅迫損傷，特別是膜結(jié)構(gòu)破壞程度）達(dá)150.3 nmol/g，為對(duì)照的1.69倍；SOD活性（其活性對(duì)多種環(huán)境因子的脅迫敏感）為671.7 U/g，僅為對(duì)照的60.02%。另外，利用已培養(yǎng)種植菱角6天的種植水，接種柵藻（起始OD650值0.05）培養(yǎng)7天時(shí)，OD650值下降至0.087，為對(duì)照的66.92%；柵藻內(nèi)Chla含量963.1 U/g，僅為對(duì)照的68.39%。綜合試驗(yàn)結(jié)果，菱角對(duì)柵藻生長(zhǎng)具有抑制作用。李峰民等[48]試驗(yàn)結(jié)果，菱角不同部位浸出液對(duì)蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）均有一定抑制作用，而且植物體經(jīng)過干燥保存后，其浸出液仍具有化感作用。

3 菱角種植對(duì)水體質(zhì)量的負(fù)面作用

利用菱角進(jìn)行水體凈化時(shí)，亦可能產(chǎn)生一定負(fù)面作用。例如，有調(diào)查結(jié)果顯示，菱角覆蓋度增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水體溶解氧含量降低。水體溶解氧在硝化作用中起重要作用，硝化細(xì)菌正常代謝也需要溶解氧。每1 g氨氮（以氮元素計(jì)）轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，最大需要消耗4.57 g溶解氧。溶解氧較高時(shí)不會(huì)抑制硝化細(xì)菌的繁殖和硝化作用，較低時(shí)對(duì)硝化細(xì)菌有明顯抑制作用。保障硝化作用徹底進(jìn)行，硝化系統(tǒng)中的溶解氧含量應(yīng)保持在2 mg/L以上。也就是說，水體溶解氧高有利于對(duì)水體中各類污染物的降解，從而使水體較快得以凈化；反之，溶解氧低，水體中污染物降解較緩慢。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11607-1989《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》要求水體溶解氧含量“在連續(xù)24 h中，16 h以上必須大于5 mg/L，其余任何時(shí)候不得低于3 mg/L，對(duì)于鮭魚類棲息水域冰封期其余任何時(shí)候不得低于4 mg/L”。天然水體中溶解氧含量一般為8～10 mg/L。

Caraco等[49]調(diào)查結(jié)果表明，在美國(guó)哈德遜河（Hudson River）流域，以菱角（Trapa natans）為主的植被區(qū)中40%的生長(zhǎng)期內(nèi)水體溶解氧濃度值低于2.5 mg/L，相比之下，在同一時(shí)期，以美國(guó)本地物種美洲苦草（Vallisneria americana）為主的植被區(qū)，水體溶解氧濃度5 mg/L以上。廖榮明[39]2008-2009年調(diào)查表明，安徽合肥烔煬河水體溶解氧含量4.80～6.25 mg/L，其與高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、亞硝態(tài)氮（NO2--N）及總氮（TN）之間的偏性關(guān)系數(shù)（partial correlation coefficient）均為極顯著負(fù)相關(guān)。表明水體溶解氧含量在4.80～6.25 mg/L范圍內(nèi)降低的同時(shí)，水體CODMn、NH4+-N、NO3--N、NO2--N及TN的含量會(huì)極顯著增加。而曹新光等[50]在湖北黃州市遺愛湖的調(diào)查結(jié)果表明，水體溶解氧（DO）含量7.2～10.0 mg/L，與天然水體含量一致，屬于正常水平。計(jì)算表明，遺愛湖水體溶解氧含量、pH值（7.5～8.5）、CODMn（6.50～11.10 mg/kg）、NH3-N（0.32～0.72 mg/kg）、TP（0.09～0.21 mg/kg）、TN（0.88～1.46 mg/kg）、F-（0.31～0.37 mg/kg）、Chla（0.040～0.092 mg/kg）及SD（水體透明度，0.31～0.47 m）等指標(biāo)之間，盡管TP與pH、SD與Chla之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，NH3-N與F-之間呈顯著正相關(guān)，CODMn與Chla之間呈極顯著正相關(guān)，但水體溶解氧其他指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)則均未達(dá)顯著水平。

又如，菱角植株腐解也可能導(dǎo)致水體質(zhì)量變劣。湯志凱等[51]設(shè)置菱角植株初始生物量密度為5.7 g/L，在模擬條件下腐解時(shí)，腐解速率在第2天達(dá)到最大值，之后是快速腐解階段，一直到第45天進(jìn)入較低水平的緩慢分解階段，至第120天則腐解率達(dá)到94.5%。腐解速率與水體化學(xué)需氧量（高錳酸鉀指數(shù)CODMn）及可溶性有機(jī)碳（DOC）含量之間均呈極顯著正相關(guān)。整個(gè)腐解周期內(nèi)，平均磷釋放率為0.670 mg/g（以無機(jī)磷酸鹽為主）；腐解120天時(shí)，植株總磷（TP）含量比初始濃度降低52.31%，水體TP與初始值相近，而底泥TP比初始值增加284%，植株腐解向水體釋放的磷與底泥之間發(fā)生明顯交換。王琴等[41]和劉存歧等[42]在河北白洋淀的研究結(jié)果均顯示，9月下旬菱角進(jìn)入采收期后，菱種植區(qū)水質(zhì)反而劣于對(duì)照。其中，水體溶解氧低于無植被區(qū)，菱角植株腐爛沉積導(dǎo)致底泥總磷含量增加。該結(jié)果與有關(guān)研究人員利用芡實(shí)進(jìn)行的研究結(jié)果類似[52]。

盡管菱角種植對(duì)水體環(huán)境有一定的負(fù)面作用，但綜合而言，菱角種植對(duì)水體環(huán)境的改良效果大于負(fù)面效果。

4 提高菱角水體凈化效益的建議

4.1 菱角與其他植物配合，構(gòu)建周年水體凈化植物配置模式

李文朝[24]建議，利用伊樂藻（Elodea nuttallii）、菹草（Potamogeton crispus）等耐寒型沉水植物，與菱（Trapaspp.）、鳳眼蓮（Eichhonia crassipes）等夏季凈化能力較強(qiáng)的喜溫植物組成常綠型水生植被，形成生長(zhǎng)期和凈化功能的季節(jié)性交替互補(bǔ)，在冬季和夏季都具有較強(qiáng)的水質(zhì)凈化能力和抑藻能力。與處理區(qū)外相比，水體透明度提高2倍以上，消光物質(zhì)含量減少80%左右，NH4+、PO43-降低50%左右；浮游藻類受到強(qiáng)烈抑制，Chla僅為處理區(qū)外的20%～50%。如果在水生蔬菜范圍內(nèi)選擇配置植物，則菱角（春夏秋）—水芹或豆瓣菜（秋冬春，浮水種植）也是一個(gè)可行的水體凈化植物周年配置模式。

4.2 對(duì)于主要用于水體凈化的菱角植株而言，要選擇適宜密度、及時(shí)采收產(chǎn)品和清除植株殘?bào)w

多項(xiàng)研究結(jié)果提示，種植菱角進(jìn)行水體凈化時(shí)，除了保持適宜的密度外，宜及時(shí)清除菱角植株殘?bào)w，防止源自菱角植株的有機(jī)質(zhì)過量積累于底泥，導(dǎo)致第二次污染。如易磊[28]在河北白洋淀調(diào)查認(rèn)為，菱角適宜收割時(shí)期為9月末。根據(jù)關(guān)保華等[12]研究，利用菱角進(jìn)行水體凈化時(shí)，適當(dāng)提高密度，有利于莖葉中的磷積累，便于隨同莖葉一同清除。