常见水生植物对农田退水中总氮和总磷的净化能力研究

刘作云，王雅丽，龚道新，焦雨婷

（1.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2.湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005）

农田退水是农业非点源污染的主体，也是造成水体污染的重要原因之一[1]。为解决水污染问题，建设污水处理厂虽然是非常有效的措施，但投资巨大。此外，农田退水的排放具有一定的时空分布性，工程治理往往得不到预期的效果。从世界各国的经验来看，仅靠工程措施仍很难使已恶化的水环境得以完全修复，尤其是对富营养化的水体[2]。植物修复技术作为一种与污水处理厂互补的水处理技术[3]，以其投资少、运行维护费用低、没有二次污染[4-5]，且能够有效地改善生态和景观环境质量等优点而日益受到人们的关注[6-7]。研究通过实验室模拟，较为系统地探讨了6种常见水生植物对农田退水中总氮（TN）和总磷（TP）的净化作用，同时对比研究了这6种水生植物对农田退水中TN和TP净化能力的差别，以期为农田退水进行高效、低成本的中端治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试植物的采集与驯化 供试植物：水芹菜、空心菜、紫背浮萍、水浮莲、三叶浮萍和满江红。采集地点：湖南省长沙县黄兴镇水稻种植区边的小池塘；湖南省长沙县泉塘果蔬种植地边的小池塘；湖南省园艺研究所果树基地附近的小池塘；湖南农业大学试验研究基地的小池塘。

将从野外采集回来的供试植物分别在湖南农业大学农业环保研究所的生态模拟池中驯化培养一段时间。生态模拟池中加入一定量的农田退水，并加入一定量的人工营养液，其组成为：20 mg/L NH4NO3，15 mg/L CaCO3（用浓HCl溶解），50 mg/L MgSO4·7H2O，40 mg/L K2HPO4，50 mg/L FeSO4·7H2O，1 mg/L Na2-EDTA，1.42 mg/L H3BO3，1.54 mg/L MnSO4·7H2O，6.59 mg/L ZnSO4·7H2O，2.52 mg/L Na2MoO4·2H2O，0.39 mg/L CuSO4·5H2O，0.09 mg/L CoSO4·7H2O。培养液的pH值用KOH溶液调至7左右，培养温度为23~28℃，光照为3 000~5 000 Lx，光暗时间比为16 h∶8 h，待供试植物大量扩增后用作试验材料。

1.1.2 农田退水样品的采集分析与人为模拟 从长沙县或湖南省农科院水稻、蔬菜及果树种植区的周边，选择一些小池塘并从中采集水样分析其中TN和TP的量，在此基础上配制试验用农田退水：从湖南农业大学教学科研试验基地的小池塘中采集水样，水样经初次沉淀等预处理后，分别加入NH4HCO3和K2HPO4，使模拟农田退水中TN含量为45.0 mg/L，TP含量为18.5 mg/L，同时调节pH值为7.2左右。

1.2 试验设计

8月11日选取6种水生植物（水浮莲、紫背浮萍、水芹菜、三叶浮萍、满江红、空心菜）在供试水体中适应培养7 d后，分别称取（用吸水纸吸干水分）200.0 g，移入直径为75 cm、高度为18 cm的圆心塑料盆中（其内装有供试用农田退水），试验用水20 L。试验在玻璃温室里进行，用蒸馏水来补充容器中蒸发和蒸腾所耗的水分，以保持恒定水位。在培养 1、2、3、5、7 d后，直接测定水体中 TN 或 TP 的含量，计算不同处理下水生植物对TN或TP的净化率。净化率（%）=100×培养前后农田退水中TN或TP浓度差/培养前农田退水中TN或TP浓度。试验重复3次，并设对照处理。

1.3 测定方法与步骤

TN测定采用GB11894-89《碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》[8]。吸取水样10 mL于25 mL具塞比色管中，加5 ml碱性过硫酸钾溶液，塞紧磨口塞，用纱布及纱绳裹紧管塞，将比色管置于压力蒸汽灭菌锅中，调节温度至120～124℃，保持30 min，自然冷却，开阀放气后，取出比色管，冷却至室温，加入HCl（1∶9）1 mL，用无氨水稀释至25 mL标线，移取部分溶液至10 mm石英比色皿中，以无氨水为参比，分别测定其在波长220 nm和275 nm处的吸光度。用无氨水代替水样进行空白校正，用硝酸钾标准溶液配制标准系列，绘制标准曲线定量。试验重复3次，取平均值。

TP测定采用GB11893-89《钼酸铵分光光度法》[9]。吸取水样25 mL于50 mL具塞比色管中，加入4 mL过硫酸钾溶液，塞紧磨口塞，用纱布及纱绳裹紧管塞，将比色管置于压力蒸汽灭菌锅中，调节温度至120℃，保持30 min，自然冷却，开阀放气后，取出比色管，冷却至室温，再加入1 mL抗坏血酸溶液，混匀，30 s后加入2 mL钼酸盐溶液，混匀，放置15 min，移取部分溶液至30 mm石英比色皿中，以蒸馏水为参比，测定其在波长700 nm处的吸光度。用蒸馏水代替水样进行空白校正，用磷酸盐标准溶液配制标准系列，绘制标准曲线定量。试验重复3次，计算平均值。

2 结果与分析

2.1 农田退水中总氮的动态变化

6种供试水生植物对农田退水中TN的净化率见表1。可见：当有水生植物存在时，农田退水中TN的净化率大为提高，这说明6种供试水生植物对农田退水中TN的净化能力很强。在试验1~3 d时供试水体中的TN浓度急速下降，到5 d时水体中的TN浓度趋于平稳，5~7 d后水体中的TN浓度变化不大；在试验进行5 d后，6种供试水生植物对农田退水中TN的净化能力的大小顺序为：空心菜>水芹菜>紫背浮萍>水浮莲>三叶浮萍>满江红。在处理20 d后，供试水生植物对农田退水中TN的净化率达85.8%~95.6%，净化率大小顺序为：空心菜>水芹菜>水浮莲≈紫背浮萍>满江红≈三叶浮萍。但是在试验早期（前3 d），三叶浮萍和满江红对农田退水中TN的净化能力较强，而在后期（3 d以后）则逐渐减弱；水芹菜、紫背浮萍和水浮莲则正好相反，它们在试验早期对农田退水中TN的净化能力相对较弱，而在后期则逐渐加强。导致这种差异的主要原因是三叶浮萍和满江红的根系较短、单位体积的重量较小，相同质量的水生植物的个体数量多；而水芹菜、空心菜、紫背浮萍和水浮莲的根系较长，单位个体的重量较大，相同质量的水生植物的个体数量少。而且，满江红和三叶浮萍等还可吸收固定大气中的氮，导致其后期对农田退水中TN的净化作用减弱。

表1 6种供试水生植物对农田退水中TN的净化率（%）

2.2 农田退水中总磷的动态变化

6种供试水生植物对农田退水中TP的净化率见表2。可见：当有水生植物存在时，农田退水中TP的净化率大为提高，远高于对照组，尤以水芹菜对水体中TP的净化率最高；处理7 d后，6种供试水生植物对农田退水中TP的净化率大小为：水芹菜>空心菜>水浮莲>紫背浮萍>三叶浮萍>满江红。处理20 d后，TP的净化率达95.3%~97.2%，净化率大小顺序为：水芹菜>空心菜>水浮莲>紫背浮萍≈三叶浮萍≈满江红。在试验处理7 d后对照处理组中TP的去除率仅为41.2%，而有水生植物的处理组则在85%以上，这说明水生植物的种植可以显著地加快对农田退水中TP的净化作用。

表2 6种供试水生植物对农田退水中TP的净化率（%）

3 讨论

试验发现，水芹菜、空心菜、紫背浮萍、水浮莲、三叶浮萍和满江红都能有效地加速净化农田退水中的TN和TP，利用这些常见的水生植物及其群落组合系统净化农田退水中的TN和TP是农业面源污染治理的一个可行途径。不过，试验所选择的6种水生植物仅是湖南地区常见的很少一部分植物，在不同地区的生态环境条件下还有更多的植物可供选择，今后还应扩大范围在更广的区域筛选出更多的对农田退水中的TN和TP等有良好净化作用的植物。

由于研究目前尚局限于实验室的模拟研究阶段，目的在于筛选对农田退水中氮、磷等具有净化能力的植物，研究时间有限，所得到的数据也不是长期稳定的，仅进行了初期的分析，对以后的实地推广应用还应深入系统地研究。此外，由于影响污染物质在水体及植物组织体内迁移转化规律的因素较多，而本研究是在玻璃温室中进行的，所设计的环境条件均处于一种较为理想的状态（pH=7左右，温度为23~28℃，光照为3 000~5 000 Lx，光暗时间比为16 h∶8 h），适合于植物生长，因而试验效果也是一种较为理想的状态；而且研究的目的重在观察和分析对模拟农田退水的处理效果，而对污染物去除的机制缺乏深入的探讨，还需要进一步的分析。

4 小结

6种供试水生植物（水浮莲、紫背浮萍、水芹菜、三叶浮萍、满江红、空心菜）可以大量吸收利用农田退水中的TN和TP等营养物质。利用水生植物净化20 d后，其中TN的净化率达85.8%～95.6%，TP的去除率达95.3%～97.2%，均远高于对照组的55.6%（TN）和58.9%（TP）。而且，生物方法处理后，水生植物及其产品可以作为肥料、饲料或蔬菜，这样不仅可以有效净化农田退水中氮、磷等营养物，又可以实现物质的循环利用。

[1]张爱平，杨世琦，张庆忠.宁夏灌区农田退水污染形成原因及防治对策[J].中国生态农业学报，2008，16（4）：1037-1042.

[2]李 俊，李科林.水生植物处理污染水研究现状及应用前景[J].安徽农业科学，2007，35（34）：11159-11161.

[3]王旭明，匡 晶.水芹菜对污水净化的研究[J].农业环境保护，1999，18（1）：34-35.

[4]刘 音，张升堂.被污染水体的植物修复技术研究进展 [J].安徽农业科学，2009，37（15）：7147-7149.

[5]李安明，邓青云，李德华，等.内生细菌在植物修复中的应用[J].湖北农业科学，2011，50（19）：3893-3896.

[6]Arnlg Meizer.Aquatic macrophytes as tools for lake management[J].Hydrobiologia，1999，395/396:181-190.

[7]吴玉树.根生沉水植物菹草对滇池水体的净化作用[J].环境科学学报，1991，11（4）：411-416.

[8]GB 11894-89.碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[S].

[9]GB 11893-89.钼酸铵分光光度法[S].