韋建華 李茵茵 楊鈣仁

（廣西大學林學院 廣西南寧 530004）

治理水體污染是一項復雜的系統(tǒng)工程，其中生物方法是近年來發(fā)展迅速的一種生態(tài)技術(shù)，其利用人工曝氣充氧、天然跌水曝氣復氧等方法提高水體溶解氧含量（DO），通過利用和強化微生物的生命活動，對水體中污染物進行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化及降解，從而使水體得到凈化[1]。在不同溶解氧含量條件下，DO值越大，污染物去除率越高[2]。

城市封閉水體流動性小、復氧速率慢，水體的自凈功能弱，人工強化增氧可有效提高水體的自凈能力[3-4]。跌水增氧法是增加污染水體中溶解氧含量的有效且清潔的方法，廣泛應用于水污染治理及水景觀工程中[5]。重力跌水是氧氣從空氣向水體的傳質(zhì)過程，影響傳質(zhì)效率因素較多。已有研究發(fā)現(xiàn)，跌水增氧效果與跌水高度及跌水流量有關(guān)[6]，跌水高度、跌水斷面寬度越大，增氧效果越好[7]，但目前針對不同跌水方式間的增氧效果差異了解不多。植物根系是濕地氧氣的重要來源，并顯著影響濕地的污染物凈化功能[8]。水生植物在生長良好的情況下可從根系分泌氧氣，其分泌速率主要受光照強度、氣溫、通氣組織等調(diào)控，泌氧使得濕地形成好氧、兼性好氧和厭氧區(qū)，總體上提高了根周微生物活性，促進污染物質(zhì)的降解和去除[9-10]。但目前對公園常用水生植物的泌氧功能了解并不全面與深入，限制了此類植物在應用時的科學設(shè)計。本研究擬通過不同跌水方式和水生植物水培試驗，了解和量化幾種跌水方式以及不同水生植物間的增氧差異，為重力跌水和水生植物的水體增氧應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 器材多孔角鋼支架、塑料水箱（不同容積）、不銹鋼水槽、黑臭水體、250 mL針筒、自配無氧水、自配污水、紅色綁繩、PVC管、海綿。

1.1.2 植物狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）、金魚藻（Ceratophyllum demersum）、苦草（Vallisneria natans）、鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）、睡蓮（Nymphaea tetragona）、萍蓬草（Nuphar pumilum）、黃花鳶尾（Iris wilsonii）、千屈菜（Lythrum salicaria）、再立花（Thalia dealbata Fraser）、風車草(Cyperus alternifolius)、美人蕉（Canna indica）、花葉蘆竹（Arundo donax）、梭魚草（Pontederia cordata）。

1.2 方法

1.2.1 重力跌水試驗

1.2.1.1 跌水裝置設(shè)計設(shè)置3種跌水裝置，分別為臺階式、坡流式和瀑布式，裝置由進水區(qū)、跌水區(qū)和出水儲存區(qū)3個部分組成，跌水高度均為3 m。3種裝置的進水區(qū)均由2個100 L的塑料大桶構(gòu)成，出水儲存區(qū)均為一個20 L的塑料桶。3種跌水裝置的跌水區(qū)構(gòu)造如下。

臺階式跌水區(qū)：由多孔角鋼支架和6個長30 cm、寬30 cm、深25 cm的水箱構(gòu)成，對準箱口一寬邊居中割出一寬度為20 cm、深度為5 cm的排水口，2個相鄰水箱的出水口高差（即每級跌水高度）為50 cm（圖1-a）。坡流式跌水區(qū)：由多孔角鋼支架、臺階式跌水區(qū)水箱和一長424 cm、寬20 cm、深5 cm的水槽構(gòu)成，水槽傾斜度為45°（圖1-b）。瀑布式跌水區(qū)：由臺階式跌水區(qū)水箱和一長3 m、寬20 cm、厚5 cm垂直于地面放置的水槽構(gòu)成（圖1-c）。

圖1 跌水裝置

1.2.1.2 指標測定試驗用水均采自廣西大學東校園碧云湖，中度黑臭，用水量為200 L，跌水時長均為180 s。各試驗重復3次。分別于第60、120和180 s，用250 mL針筒采集出水儲存區(qū)水樣，置于250 mL容量瓶，并迅速用碘量法測定其溶解氧含量（DO）。

1.2.2 植物根系增氧試驗

1.2.2.1 供試植物選擇依據(jù)觀賞價值高、易獲取且病蟲害少等特點，參考相關(guān)文獻，確定9種供試植物（表1），用于測定其對水體溶解氧含量的影響。試驗前用自來水對所有植物進行7 d的預培養(yǎng)試驗，選擇標準株，稱量其鮮重；然后烘干，稱量其干重，計算每種植物的生物量。試驗時，控制每個桶內(nèi)的生物量均為30.4 g。

表1 供試植物基本信息

待采用自配無氧水水培的水生植物預培養(yǎng)完成后，對9種供試植物進行簡單的分析，根據(jù)其對水體溶解氧含量影響的大小，進行了初步篩選；在接下來的自配營養(yǎng)水水培水生植物試驗中，除去了睡蓮、萍蓬草、千屈菜和黃花鳶尾4種植物，增加了風車草、美人蕉、梭魚草、花葉蘆竹4種挺水植物。在第二次水生植物對水體溶解氧含量影響試驗前，用自配營養(yǎng)液對所有植物進行7 d的預培養(yǎng)，而后選擇標準株，稱量其鮮重；再烘干，稱量其干重，最后計算每種植物的生物量。在試驗時，控制每個桶內(nèi)的生物量均為20 g。

1.2.2.2 指標測定自配無氧水由自來水中加入消氧劑配置而成，消氧劑包括二氯化鈷（催化劑）和亞硫酸鈉。相關(guān)化學方程式為：

自配污水根據(jù)霍格蘭法，對水中N、P、COD等進行配置，前5個參數(shù)參考富營養(yǎng)化水體設(shè)置。配置好的污水各指標及濃度分別為：COD 50 mg/L、TN 8 mg/L、氨氮4 mg/L、硝氮4 mg/L、TP 2.8 mg/L、DO 9.2 mg/L。無氧水試驗于夏季室外進行，見圖2。在塑料桶（桶高20 cm，上部直徑30 cm，下部直徑20 cm）內(nèi)盛放9 L自配無氧水，而后將根系差異較小的沉水植物和浮水植物均勻放置在小桶中。挺水植物選取植株和根系相對一致的9株，放置于桶中，每桶放置3株，用紅色綁繩將其固定在桶中間。9種植物均設(shè)置1個空白對照值，所有處理均設(shè)置3個重復，共30組。除空白組外，每個桶內(nèi)的水生植物生物量均為30.4 g。此后，在每天的8：00，12：00，16：00，20：00進行取樣，連續(xù)2 d，測量溫度、溶解氧含量2項指標。每天采集完水樣后，用無氧水補充至初始水面高度（20 cm），補充被蒸發(fā)及采集使用的水。

圖2 無氧水試驗裝置

污水試驗于冬季室內(nèi)大棚進行，見圖3。在塑料桶（桶高45 cm，上部直徑35 cm，下部直徑28 cm）內(nèi)盛放9 L試驗用水。沉水植物選取植株和根系差異較小的，均勻放置在桶中間。浮水植物和挺水植物同樣選取植株和根系差異較小的，在桶的上面放置一塊方格PVC板，剪出小孔，讓植物通過小孔，并用海綿圍住剪口，以起到固定植物的作用，確保只有根部浸沒在水中。試驗設(shè)置為9個植物處理和1個空白處理，共10個處理，每種處理設(shè)置3個重復，共30組。浮水植物和挺水植物的種植密度均為每桶4株，沉水植物若干，每個桶內(nèi)的生物量均一致，均為20 g。每隔5日進行取樣，共4組數(shù)據(jù)，為期20 d，測量溫度、溶解氧含量2項指標。每次采集完水樣后，將試驗用水補充至初始水面高度，補充被蒸發(fā)及采集使用的水。

圖3 污水試驗裝置

1.2.3 數(shù)據(jù)處理通過SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析判斷各因素對實驗指標影響的顯著性，采用Excel 2016和Origin 2021軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同跌水方式的增氧效果比較

如圖4所示，3種跌水方式相對空白對照，都顯著增加了水體中溶解氧含量（DO），表現(xiàn)為階梯式＞瀑布式＞坡流式，增加的DO分別達到2.00、0.60、0.20 mg/L，相比空白組，分別增氧66.7%、20%、6.7%。

圖4 不同跌水方式對溶解氧含量（DO）的影響

圖5 不同臺階級數(shù)對溶解氧含量（DO）的影響

2.2 不同臺階級數(shù)跌水溶解氧增氧效果比較

如5圖所示，在水體溫度為30℃時，初始溶解氧含量（DO）為3.00 mg/L的污水分級沿著六級階梯跌下，水中的DO逐漸升高，每級臺階的增加量為0.20～0.50 mg/L，每增加一級階梯都顯著增加DO；到最后一級階梯上，DO已經(jīng)達到了5.00 mg/L，比未經(jīng)過跌水的空白組高出了2.00 mg/L。

2.3 無氧水中不同植物根系泌氧能力比較

2.3.1 沉水植物如圖6所示，苦草的根系泌氧能力最強，最高溶解氧含量（DO）達到9.60 mg/L，接近于此溫度（26℃）下的飽和濃度；金魚藻次之，最高DO為7.00 mg/L，狐尾藻最低，只有4.30 mg/L。從試驗時間8：00開始，種植苦草桶內(nèi)的水體DO隨著時間的延長和光照的增強而顯著上升，到16：00達到一天內(nèi)峰值。經(jīng)過一個晚上，DO下降至3.00 mg/L，第二天8：00，DO又開始快速上升，在第二天16：00達到試驗期內(nèi)的峰值（9.60 mg/L）?？嗖莺徒痿~藻的曲線趨勢基本相同，而狐尾藻不一樣。以種植狐尾藻為主的水體DO在第一天都有上升的趨勢；到第二天，水中DO則基本不變。

圖6 沉水植物溶解氧含量（DO）隨時間變化

2.3.2 浮水植物如圖7所示，3種水生浮水植物中水體溶解氧含量（DO）表現(xiàn)為：水葫蘆＞睡蓮＞萍蓬草。隨著時間變化趨勢基本保持一致，在第一天12：00～16：00時，DO快速增加；16：00—20：00，增速緩慢，20：00之后則下降，第二天呈現(xiàn)相同趨勢，并在16：00達到峰值。3種浮水植物中，水葫蘆的根系泌氧能力最強，最高DO值為4.40 mg/L。

圖7 浮水植物溶解氧含量（DO）隨時間變化曲線

2.3.3 挺水植物如圖8所示，千屈菜的根系泌氧能力最強，最高溶解氧含量（DO）達到5.92 mg/L；再力花次之，達到4.60 mg/L；黃花鳶尾最低，僅有3.40 mg/L。挺水植物的根系泌氧能力從強到弱依次為千屈菜＞再力花＞黃花鳶尾。第一天，隨著時間的延長，所有挺水植物DO逐漸上升，第二天16：00到達峰值；16：00—20：00，DO有下降的趨勢。第一天20：00到第二天16：00的變化曲線趨于平緩，DO值較穩(wěn)定。

圖8 挺水植物溶解氧含量（DO）隨時間變化曲線

2.4 污水中不同植物根系泌氧能力比較

由圖9可知，溶解氧含量（DO）9種植物水體中DO都顯著少于空白組。其中，梭魚草、再力花、花葉蘆竹和水葫蘆的水體DO較高，接近于空白組，為8.00～9.00 mg/L。風車草、美人蕉、金魚藻和苦草大致相同，為6.00～7.00 mg/L。狐尾藻最低，僅有5.00 mg/L。水生植物對富營養(yǎng)液水體DO的影響從強到弱依次是：梭魚草≈再力花≈水葫蘆≈花葉蘆竹>苦草≈美人蕉≈風車草>金魚藻≈狐尾藻。

圖9 不同時期下水生植物對溶解氧含量（DO）的影響

挺水植物組中，水體溶解氧含量組在20 d內(nèi)基本維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，以美人蕉為例，水中的DO在6.80～7.20 mg/L浮動，無差異性（p>0.05）。而沉水植物組中，水體溶解氧含量不高，比挺水植物平均值低2.00 mg/L左右，隨著時間的延長，DO不斷減少。此外，未經(jīng)處理的空白組DO隨時間推移有所下降，從開始的9.80 mg/L到9.00 mg/L，下降了0.80 mg/L。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究結(jié)果表明，不同跌水方式的增氧效果大小為：階梯式＞瀑布式＞坡流式，對比圖4、5發(fā)現(xiàn)：瀑布流跌水式的增氧能力接近于臺階跌水的第一和第二級，瀑布式跌水只有一次跌水碰撞過程，第一級階梯式跌水同樣經(jīng)過一次跌水碰撞過程，高度僅有3 m的1/5，但增氧效果只差0.10 mg/L，說明跌水碰撞的氧氣傳質(zhì)過程的次數(shù)和跌水高度共同影響跌水增氧效率。

每一級跌落的過程中，都伴隨著一次水與水跌落碰撞的過程，這個過程水體發(fā)生擾動，增加了氧氣與水面的接觸面積，加快了氧氣融入水中，形成溶解氧含量的過程[11]。階梯式跌水共經(jīng)過6次跌水碰撞過程，最后水體溶解氧含量增幅達到2.00 mg/L，而瀑布流和坡流方式，都只經(jīng)歷了一次跌水碰撞過程，因此，階梯式跌水的增氧效率最好。瀑布式和坡流式雖然也可顯著增加水體溶解氧含量，但效果不及階梯式跌水。在相同水流量的情況下，與空氣接觸面大，則增氧程度高，液相和氣相的交互面會發(fā)生物質(zhì)的交換，即空氣中的溶解氧含量會擴散到水體中，擴散的動力是濃度差[12-13]。

在臺階式跌水試驗中，水體中的溶解氧含量始終未達到飽和狀態(tài)（30℃，飽和溶解氧含量為8 mg/L），證明在溶解氧含量水平較低的狀態(tài)下，多級重力跌水增氧方式具有顯著的效果；但在高度為3 m的狀態(tài)下，經(jīng)過六級臺階，增氧不完全，說明此時溶解氧含量有增加的空間。此外，各級臺階具有顯著性差異，說明臺階式的跌水增氧方式可以較好地增加水中的溶解氧含量，且每經(jīng)過一次跌水碰撞，水中的溶解氧含量會顯著上升。

從生態(tài)學宏觀角度研究水生植物對溶解氧含量的影響發(fā)現(xiàn)，水生植物在富營養(yǎng)化水體內(nèi)構(gòu)造了一個生境，為好氧微生物、兼性厭氧微生物和厭氧微生物提供棲息環(huán)境[14-15]。在小型水生生態(tài)系統(tǒng)中，水生植物可以同化吸收水體中富含的N、P等物質(zhì)，用于自身的生長發(fā)育，并轉(zhuǎn)化為生物量，達到凈化水質(zhì)的效果，微生物特別是好氧微生物，可礦化降解水中有機物，達到凈化水體的作用[16]。除水生植物和微生物對富營養(yǎng)水體具有凈化作用外，植物根系和微生物的耦合作用是修復水體的重要機制，表現(xiàn)出不一樣的去除污染物機制。在植物根際范圍內(nèi)，植物的根際分泌物能夠為根際微生物提供碳源，影響根際微生物的群落結(jié)構(gòu)及其對有機物的分解[17]。而根際微生物在植物的營養(yǎng)循環(huán)、根部環(huán)境的維持、有害污染物的降解以及植物的生長代謝方面發(fā)揮著重要的作用，二者相互作用，形成共生關(guān)系。

根據(jù)本研究分析得出，影響水體溶解氧含量的主要因素有以下幾個：

第一，不同生活類型和不同種類植物對溶解氧含量影響效果不同，沉水植狐尾藻DO趨于穩(wěn)定，可能是根系泌氧產(chǎn)生的氧氣和整株植物呼吸作用在水里攝取的氧氣達到了平衡。研究顯示，浮水植物鳳眼蓮葉柄連在莖上，中下部有膨脹的類葫蘆狀的氣囊，通氣組織發(fā)達，并且葉片的葉面系數(shù)、葉綠素含量和光合速率均處于高水平狀態(tài)，因此，鳳眼蓮的根系泌氧能力十分優(yōu)越[18-19]

第二，溫度對不同水生植物水體溶解氧含量的影響。首先體現(xiàn)在對水生植物的影響，溫度下降，水生植物內(nèi)各種生物酶活性也隨之下降，從而影響整個植株的活性。以苦草為例的沉水植物[20-21]，一般生長期為3—11月，10月為生物量最大時期，此時苦草成熟結(jié)果，種子落在底泥，等到次年3月，種子在水中逐漸萌芽生長?？梢姡谠囼炂趦?nèi)，沉水植物處于生長后期，受到低溫脅迫，水體中植物枯落物增加，造成試驗用水發(fā)生污染，水中溶解氧含量降低[22]。但以挺水植物為例的再力花和鳳眼蓮，在低溫條件下，植物生長正常，可自然越冬。因此，相對于挺水植物和浮水植物，沉水植物受低溫脅迫的影響更顯著。

第三，光照強度對不同水生植物的水體溶解氧含量的影響。由圖6～8可知，水生植物中水體溶解氧含量隨著光照強度的變化而發(fā)生改變，上午的光照強度強，則水中溶解氧含量快速上升；下午的光照強度更強，但由于植物自身的午休現(xiàn)象，氣孔關(guān)閉，雖然水中的溶解氧含量也在增大，但增大的速率比上午低；在傍晚或夜晚，處于弱光照或無光照時，水體的溶解氧含量下降。由此可以推測，當光照強度大時，植物的光合速率也增大，植物根系分泌氧的速率加快，水中溶解氧含量大幅度上升；當光照強度弱或無光照時，植物的光合速率為零，呼吸作用消耗氧氣，水中的溶解氧含量降低。

第四，水中微生物對不同水生植物水體溶解氧含量的影響。從自配污水的試驗來看，對照組的水體溶解氧含量均顯著高于9個植物組，由此猜測，空白組在試驗初期沒有水生植物，水體中的微生物含量較少，因此溶解氧含量還處在一個比較高的水平；但隨著時間的延長，水中的微生物增加，尤其厭氧微生物增加，水體的溶解氧含量逐漸下降，慢慢發(fā)展為腐化黑臭水體，空白組的水體也隨時間推移而腐化，溶解氧含量在20 d內(nèi)減少了0.80 mg/L。不同水生植物處理的水體溶解氧含量差異也十分顯著，原因是水生植物構(gòu)造的小型生態(tài)系統(tǒng)、水生植物的根系泌氧活動和微生物礦化分解共同對水體溶解氧含量產(chǎn)生影響[23-24]。水生植物根系泌氧增加水體溶解氧含量，在根區(qū)形成了一個“生物反應圈”，好氧微生物利用根系分泌出來的氧氣對水中富含N的有機物進行氨化—硝化—反硝化作用，從而分解礦化含氮有機物，凈化水質(zhì)[25]。因此，用挺水植物5組數(shù)據(jù)進行推測，對氮、磷有機物去除率高的水生植物組，溶解氧含量低下；對氮、磷有機物去除率低的實驗組，溶解氧含量反而高。

3.2 結(jié)論

（1）在跌水高度為3.0 m的條件下，不同跌水增氧方式的增氧效果差異顯著（p<0.05），3種跌水增氧方式的增氧能力由強到弱的順序為：階梯式>瀑布式>坡流式，增氧率分別為66.7%、20.0%、6.7%。

（2）同一種類型水生植物不同物種對水體溶解氧含量的影響差異顯著（p<0.05），在用自配無氧水開展的植物根系泌氧試驗中，所研究的3種沉水植物由強到弱順序為苦草＞金魚藻＞狐尾藻；浮水水植物由強到弱順序為水葫蘆＞睡蓮＞萍蓬草；挺水植物由強到弱順序為千屈菜>再力花>黃花鳶尾。

（3）不同水生植物對水體溶解氧含量的影響具有較大差異，根系泌氧能力為沉水植物＞挺水植物＞浮水植物，水體中溶解氧含量受3種類型植物生理學特性、生長周期、光照強度、溫度等因素影響。

將增氧效果最佳的階梯式跌水方式和根系泌氧能力較強的濕生植物應用于公園封閉性水體凈化的設(shè)施，可達到生態(tài)治理和景觀美化的雙重效果，對城市凈化黑臭水體和構(gòu)建美觀水體具有重要意義。