浮床植物水质净化能力及其影响因素研究

张 劲，黄 薇，桑连海

（长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）

浮床植物水质净化能力及其影响因素研究

张 劲，黄 薇，桑连海

（长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）

比较了12种常用浮岛植物的净水能力，并总结了影响生物浮岛净水能力的影响因素。结果表明：在12种植物中，红叶甜菜（Beta vulgaris var.cicla）对总氮的去除率最高，可达85.72%；空心菜（Ipomoea aquatica）对总磷的去除率最高，达到95.6%；美人蕉和空心菜对氨氮的去除率均接近100%。在生物浮岛技术应用中，应该根据不同水体、不同季节来选择不同的作物，并且，一般控制浮床的覆盖率在30%左右会达到最佳效果。研究结果为利用生物浮岛进行水体生态修复提供理论依据。

生物浮岛；植物；水质；净水能力；影响因素

人工浮岛技术在上世纪70年代开始被德国Bestmann公司运用于水体生态修复，并进行了一系列的推广应用，取得了很好的效果［1］。1982年，日本首次在滋贺县琵琶湖运用生物浮岛技术，初衷是为了构建鲤鱼、鲫鱼、诸子等鱼类的孵卵场，取得了很好的效果，发展至90年代中期，人工浮岛技术逐渐被日本科学家所接受。由于生物浮岛占地小、生态环保，且运行稳定，所以其作为富营养化水体生态修复技术被引入中国，并得到广泛应用。生物浮岛技术发展至今，有80余种陆生植物被成功移栽至人工浮岛，实现了生物浮岛一年四季不间断发挥作用。作物包括景观花卉、经济作物以及园林观赏植物等。目前，对生物浮岛技术的研究主要集中在浮床载体制作［2］、植物遴选［3］、作物生长特性及其对营养物质的吸收量［4，5］等方面，其对水质的影响以及影响其净水能力的研究则很少。

文章总结了前人对于人工浮岛技术对水中总氮、氨氮及总磷去除能力的研究，并对影响人工浮岛净水能力的影响因素作了概括，可为浮岛技术应用及净化机理研究提供参考。

1 人工浮岛水质净化能力研究

不同植物移栽至浮床后，其对水中污染物质的去除率是不一样的，总结了12种植物对总氮、总磷、氨氮的去除率，所选植物包括景观作物和经济作物。具体选取的作物及其对种植周期内营养物质的去除率见表1。

表1 12种浮岛植物对污染物的去除率Table 1 Pollutant removal rates by 12 p lants on floating bed

1.1 不同植物对水体中总氮的去除率

资料表明：12种常用的浮岛植物对不同水体的总氮去除率，其中去除率最高的是红叶甜菜，在35 d的种植周期中，红叶甜菜对鱼塘中的总氮去除率达到85.72%；其次是旱伞草和香根草，在60 d的种植周期内，它们对水体中总氮的去除率均达到80%左右。12种植物中，大蒜对总氮的去除率最低，仅为33.3%，其原因主要是由于大蒜在种植周期内生物量增长较少，加之在试验后期出现了枯黄现象。另外，水芹和多花黑麦草对水体中总氮的去除率也不太理想，分别为46.4%和41%，其余几种植物在种植周期内，对总氮的去除率均在50%以上（见图1）。

图1 12种不同浮岛植物对总氮的去除率Fig.1 Total nitrogen removal rates by 12 p lants on floating bed

1.2 不同植物对水体中总磷的去除率

12种植物中，同样是大蒜和黑麦草对总磷的去除率比较低，均在40%左右；其次，水稻对总磷的去除率也仅为49.1%，要略低于50%；其余几种植物对总磷的去除率均为50%以上；去除率最高的为空心菜，达到了95.6%，并且去除的磷中，有63.87%的磷被用作空心菜自身的生长。试验数据说明空心菜在生长过程中对磷的需求比较大，在实际工程应用中，空心菜可被用在磷含量超标的富营养化水体；另外，水芹、美人蕉、香根草在种植周期内均对总磷表现出较高的去除率（见图2）。

图2 12种不同浮岛植物对总磷的去除率Fig.2 Total phosphorus removal rates by 12 p lants on floating bed

1.3 不同植物对水体中氨氮的去除率

在对氨氮的去除率分析中，除水稻、香根草和旱伞草缺乏数据以及大蒜去除率不理想外，其余几种作物对氨氮的去除率均在60%以上，而且，空心菜、美人蕉、水芹等接近100%，生菜、苋菜和红叶甜菜也在80%以上（见图3）。相对于总氮和总磷2种污染因子来说，氨氮有较高的去除率，其主要原因可能是，试验数据大多是通过封闭的培养水箱定量研究得来。试验过程开始后，培养箱内大部分的氨氮会通过硝化作用转化为硝酸盐氮。

图3 12种不同浮岛植物对氨氮的去除效率Fig.3 Ammonia nitrogen removal rates by 12 p lants on floating bed

2 人工浮岛净水能力的影响因素

2.1 处理时间

处理时间长短的不同，植物对水体中营养物质的去除率以及自身生物量的增长速度也不一样。前人试验表明，水芹菜在移栽之后20 d内总氮的去除率不断上升，但是到了20 d后会逐步下降；而空心菜则不同，其总氮的去除率在50 d内会不断上升，50 d后会持续在一定的水平上下波动，但不会出现大的下降，直至生长结束。浮岛种植水稻，同样也有类似规律，在水面种植40 d内，水稻的干物质累积量会不断上升，但是，40 d后会逐步下降，直至试验结束［14］。马立珊等人用浮床香根草对南京的秦淮河、金川河一级玄武湖等水体进行生态修复发现，在试验的60 d内，3种水体的总氮去除率不断上升，但是总磷的去除率却在试验50 d后趋向平缓［11］。对生菜和苋菜的试验研究也发现，在试验开始的14 d内，植物对营养物质的去除率不断上升，但是14 d以后，逐渐下降［7］。

2.2 受试水体

受试水体中营养物质含量不同，也会直接影响浮岛作物的净水能力。陈红兵等用3种植物对4种不同浓度的生活污水进行处理，试验结果表明：浮岛植物对水体中总磷的去除率与污水中营养物质浓度成正比；但是，对总氮的去除率却以受试水体总氮含量在3 mg／L时效果最佳［15］。

2.3 栽培季节

在不同季节，生物浮岛发挥的净水作用也不一样，如在图1中，水芹、多花黑麦草和大蒜均为冬季种植作物，其总氮去除率明显小于其他几种作物。同一种作物，在不同的栽培季节，对污染物质的去除率也不一样。孙连鹏等对不同季节美人蕉对水体氮素去除率进行研究后发现，虽然美人蕉在秋季仍起到净化水体的作用，但是相比春季而言，其净化速度有所减慢，并且氮素的去除率有所降低，但是对COD的去除率在不同季节却差异不明显。同样，旱伞草在秋季种植时，其对总氮的去除率分别达到77%和72%，但是在冬季种植时仅为43%和45%［16］。对美人蕉和旱伞草在低温下对水体中营养物质去除率的研究表明，在秋季水温高于10℃时，美人蕉的去除率大于旱伞草；但是到了水温低于10℃的冬季，旱伞草的净化效果要优于美人蕉［17］。

2.4 种植密度

浮床在水面的覆盖率不同，也会导致其对水体中营养物质去除率不一样。郭沛涌等人用不同覆盖率的黑麦草对富营养化水体进行了试验，试验分为15%，30%，45%，60%这4个不同的覆盖率。试验结果显示：当黑麦草覆盖率处在30%时，其生长情况最好，且对总氮的去除率最高；当覆盖率在60%时，其对总氮的去除率反而最低［18］。同样，在对风车草、香根草和菖蒲进行不同去除率与覆盖率之间的关系研究发现，覆盖率以30%为分界点，营养物质的去除率与覆盖率之间的关系有明显的变化；当覆盖率小于30%时，营养物质去除率随覆盖率增加显著；而当覆盖率超过30%时，覆盖率增加对提高去除率的贡献则十分有限［19］。

3 结 论

（1）浮岛植物对不同营养物质的去除效率不同。在总结的12种植物中，红叶甜菜对总氮的去除率最高；空心菜对总磷的去除率最高；美人蕉和空心菜对氨氮的去除效率均接近100%。在运用浮岛进行水体生态修复时，可针对不同污染水体选用不同植物，以达到最佳净化效果。

（2）影响生物浮岛净化能力的因素很多，主要影响因素有：处理时间长短、受试水体水质、栽培季节、种植密度。其中，不同植物可在一定时间内达到污染物质去除率的最高值，随后可能下降；不同植物对受试水体中营养物质的含量要求不一，处理率也不同；不同植物有不同的适宜种植季节，浮岛作物遴选时应根据季节需要来选取；一般来说，作物对受试水面的覆盖率在30%左右时能达到最佳的处理效果。

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（编辑：曾小汉）

The W ater Purification Ability of Plants on Floating Bed and Its Influencing Factors

ZHANG Jin，HUANGWei，SANG Lian-hai
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The water purification ability of 12 plants commonly used on floating island are compared，and factors that influence the ability are summarized.The results reveal that red leave beet（Beta vulgaris var cicla）has the highest total nitrogen removal rate amounting to 85.72%，whilewater spinach（Ipomoea aquatica）keeps the highest total phosphorus removal rate of 95.6%，and water spinach（Ipomoea aquatica）and Canna（Canna indica）both are able to remove nearly all the ammonia nitrogen in the water.Moreover，the water body and the season should be considered when selecting plants on the floating bed，and a 30%floating bed coverage could help achieve the besteffect.The results could provide theoretical basis for applying biological floating island towater ecological restoration.

floating island；plant；water quality；purification ability；influencing factor

X171.4

A

1001－5485（2011）12－0039－04

2011-10-20

科技部农业科技成果转化资金项目（2009GB23320484）

张 劲（1982-），男，湖北黄冈人，硕士，主要从事水体生态修复工作，（电话）15926353488（电子信箱）zj67c＠163.com。