人工浮床栽培蕹菜对不同总氮(TN)浓度水体的净化效果研究

陈红兵，翁沁玉，卢进登

(1.湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062; 2.湖北大学生命科学学院，湖北 武汉 430062)



人工浮床栽培蕹菜对不同总氮(TN)浓度水体的净化效果研究

陈红兵1，2，翁沁玉1，卢进登1

(1.湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062; 2.湖北大学生命科学学院，湖北 武汉 430062)

人工浮床技术修复富营养化水体已得到较多的研究和应用，但对其净化水质的机理和规律研究尚不够深入.通过自配4种不同浓度受污染水样，浮床栽培蕹菜(Ipomoeaaquatica)的静态试验，定量分析在浮床栽培蕹菜条件下不同浓度受试水样中TN的变化规律，构建其净化方程.结果表明：浮床栽培蕹菜对水中TN的去除，与蕹菜的生长状况密切相关，TN浓度与植物的生长时间之间呈显著负相关关系，水样中TN浓度呈三次曲线(立方曲线)或逆曲线的形式衰减.

人工浮床；蕹菜；总氮；净化效果；净化方程

0　引言

随着经济的高速发展，我国湖泊资源受到严重破坏，湖泊环境日益恶化，富营养化现象突出.人工浮床技术是按照自然界自身规律，运用无土栽培技术原理，采用现代农艺与生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术，人工把高等水生植物或改良的陆生植物无土种植到富营养化水域水面上，通过植物根系的截留、吸收、吸附作用和物种竞争相克机理、水生动物的摄食以及栖息期间微生物的降解等作用，削减水体中的氮、磷及有害物质，达到水质净化的目的.

尽管人工浮床技术在很多水环境治理工程和实验中已经有了很多的研究和应用，但是同一种植物在不同浓度污染水体净化效果的差异性、植物对污染水体的适应性；栽培植物在不同浓度受试水样中生长、存活的最佳营养水平；受试水样在一定的植物生长期内污染物动态变化等[14-20]都有待解决.本研究通过定量分析蕹菜在不同浓度受试水样中TN的净化规律，构建其净化方程，研究浮床栽培植物净化污染水体的效果及对污染因子的去除机理，以及受试水样在植物生长期内污染物的动态变化规律进行了探索.

1　材料与方法

1.1试验植物本实验受试植株蕹菜(Ipomoeaaquatica)为江西(华赣)大叶空心菜，采自中国农科院油料作物研究所试验地，所有植物均来自土培苗(如表1所示).在实验开始前计算实验所需栽培植物的用量，提前两周将受试植物去土洗净后种植在污染水体上驯化培养，使受试植物适应水上生长、存活.随时观察受试植物的生长情况，及时补种，以保证盆栽试验的植株用量.进行盆栽实验时，经培养驯化两周后的植物，先用自来水冲洗，然后用蒸馏水洗净根部后移栽到定制好的浮床载体上开始盆栽实验.

表1　所选受试植物种类及其生物学特性

表2　某湖泊水初始水质指标　mg/L

某湖泊水质以2015年7月现场采样监测为准

图1　载体材料俯视图和侧视图

1.4水样的采集与保存每间隔10 d给试验桶中加水至刻度线处后，采样150 mL，水样立即带回实验室冷藏保存，并于24 h内测定.

1.5分析测定本研究所采用的水质指标分析方法均按国家环境保护总局编制的《水和废水监测分析方法》(第四版)执行.

1.6数据统计分析及处理使用Excel和SPSS软件对实验数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)分析，并对样本的均值分析进行t检验，分析受试植物与对照组的水质指标检测结果之间是否存在显著性差异(用不同的字母表示).根据实验分析结果，用线性或非线性回归分析拟合得出相关的净化线性关系和植物对不同浓度受试水样中污染因子的处理模型.

2　结果分析

2.1植株生物量变化蕹菜在试验前后的每次取样测定时都将植物连同载体板一起称重，以试验期间植株的增重计算其平均生长速率(g/g·d).蕹菜生物量的变化情况如表3所示，蕹菜在4种不同浓度(稀释9倍、7倍、5倍、原水)的受试水样中植株的生物量增加率分别为129.92%、131.79%、139.28%、216.41%，其平均生长速率分别为0.022、0.022、0.023、0.036 g/g·d，其平均速率为0.026 g/g·d.表明蕹菜生物量的增加速率与受试水样的浓度呈正相关关系，营养盐浓度越大，植物吸收利用的速度也越快，生物量的增加速率越大.

表3　蕹菜生物量变化情况　(g，g/g·d)

2.2总氮的去除率分析由图2可知，蕹菜对原水中TN有一定的去除效果.从时间上来看，在开始的10 d，蕹菜试验桶中TN从初始的15.371 mg/L降至5.192 mg/L，去除率为66.2%.在随后的试验时间里，蕹菜的试验桶中TN含量呈现出缓慢的降低和波动，在第60 d结束时TN的浓度为1.681 mg/L，在整个试验期内的去除率分别为89.1%，而原水空白对照因为存在自净作用，其TN的自净降解率为40%，扣减空白水样自身的净化作用，则蕹菜对原水TN的净去除率为59.1%.

由图3可知，蕹菜对5倍水样的TN去除效果情况，在整个60 d的试验期内，蕹菜对试验水样中TN有较大程度的去除，使TN从3.570 mg/L降至0.641 mg/L，其去除率为82.1%，而5倍试验水样的自净TN去除率为21.2%，因此，蕹菜栽培的净去除率为60.9%.

如图4所示，蕹菜栽培对7倍水样的TN去除率，在试验开始的10 d内，植株表现出快速生长，因此对水样中的氮有较强的吸收和利用，试验水样中TN含量出现一段显著的降低，在试验期内蕹菜试验水样从2.590 mg/L降至0.732 mg/L，其去除率为71.7%，而7倍水样的自净率为28.4%，则植物的净去除率为43.3%.

如图5所示，蕹菜栽培植物对9倍水样的TN去除率比较，在试验开始的10 d内，蕹菜表现出快速的生长，因此对水样中的氮有较强的吸收和利用，试验水样TN含量出现一段显著的降低，出现拐点，在后续的试验过程中，表现为缓慢的降低，可能是因为水样营养物质不足，影响植物对TN的吸收利用所致.在整个试验中蕹菜试验桶TN从1.710 mg/L降至0.433 mg/L，其去除率为74.7%，而9倍水样的自净率为30.7%，则植物的净去除率为44.0%.

图2　蕹菜栽培对原水TN去除

图3　蕹菜栽培对稀释5倍水样TN去除

图4　蕹菜栽培对稀释7倍水样TN去除率

图5　蕹菜栽培对稀释9倍水样TN去除

比较不同浓度水样中总氮的净化趋势发现，浮床栽培蕹菜在试验的前10 d里，由于试验桶中TN处于较高浓度，植物能较好较快地生长，并长出浓密的根系，植物的生长过程加剧了对氮素的吸收利用和植物根系微生物的生长，因此在前10 d TN都有显著的降低，由于植物的呼吸作用和硝化菌的硝化，使水中的溶解氧快速的消耗，即在TN显著下降的同时伴随着溶解氧的急剧减少，在10 d的时候出现拐点.10 d后由于水样中营养元素的缺乏，植物的生长速率变慢，后续的试验中TN呈缓慢下降的过程.总体来说，在整个试验期内，浮床栽培蕹菜对TN的去除表现出初期快速去除和后期缓慢去除的特点.

试验结果表明，蕹菜对不同浓度水样中的TN都有较好的去除效果，蕹菜对TN具有较高的吸收效率.根据计算得知，植物对TN的去除率及净去除率与试验水样的营养浓度呈正相关关系，即浓度越高，去除率越高，表明植物在高浓度时的去除效果优于低浓度.

2.3浮床栽培蕹菜的TN-t曲线方程利用实验所得数据，对各植物对不同浓度水样中TN浓度和处理时间应用SPSS统计软件作回归分析，得出各植物对TN去除的TN-t回归方程式如表4所示.蕹菜对TN有较强的去除能力，水样中TN浓度与植物的生长时间之间呈显著的负相关关系，即在植物生长期内，随着时间的推移水中TN浓度越低，水样中TN浓度呈三次曲线(立方曲线)或逆曲线的形式衰减.

表4　3种植物在不同浓度下的TN-t回归方程

3　结论

3.1浮床栽培植物的生长情况在整个静态试验中，蕹菜在不同浓度的受试水样中均能正常生长，并分蘖出新的植株，植株根系生长较快，相互交错，形成一个密实整体.在试验初期，水样中营养盐充足，蕹菜能较好较快生长，后期由于水样营养盐的缺乏等因素的影响，蕹菜生长受到一定的抑制.例如，蕹菜在试验开始时株高为34.97 cm，10 d后增至47.31 cm，增长率为35.3%，后期由于受到抑制，在实验结束时株高为51.29 cm，增长率为8.4%.

3.2不同浓度水样中营养盐的动态变化规律每隔10 d对试验水样水质进行监测分析，结果表明：试验水样中TN浓度与浮床栽培植物的生长情况密切相关.蕹菜能够吸收、吸附、降解水样中的氮，进行新陈代谢活动，合成自身所需的物质.在试验初期水中TN随蕹菜的快速生长而迅速降低，在后期受水样营养盐减少的影响，植物的新陈代谢活动减慢，植物对TN的去除速率呈降低的趋势.

3.3浮床栽培植物的净化方程浮床栽培植物对试验水样中TN有较强的去除能力，水样中TN浓度与植物的生长时间之间呈显著的负相关关系，水样中TN浓度呈三次曲线或逆曲线的形式衰减.

3.4浮床栽培植物对营养盐的净化效果及规律蕹菜对不同浓度水样中TN的净去除率表明初始TN浓度越大，净化速率越大.整个试验过程中，快速出根末期，对氮的净化速率也达到最大.随后，各实验组内出现氮吸收速率的下降和氮营养转化释放，这与蕹菜的老根衰亡及微生物活跃度密切相关[21].根系的腐烂分解，不但影响植物对氮的吸收能力，甚至会释放出大量氮素，引起水样中氮水平的波动.结果表明：蕹菜在中浓度水样(原水稀释5倍)中对TN的净化效果最好.

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(责任编辑游俊)

Purification effect on water with different concentrations of TN by artificial floating bed cultivation of Ipomoea aquatica

CHEN Hongbing1，2， WENG Qinyu1， LU Jindeng1

(1.Faculty of Resources and Environmental Science，Hubei University， Wuhan 430062，China;2.College of Life Science， Hubei University， Wuhan 430062，China)

Artificial floating bed technology has been studied and applied in the remediation of eutrophic water， but the mechanism and laws of the purification of water quality are not enough.Artificial floating bed technology is a biological treatment technology based on the cyclic pattern， which has the advantages of low cost， easy operation， and the conversion and utilization of pollutants.In this paper， floating bed cultivation ofIpomoeaaquaticain four different concentrations of polluted water was tested static， the variation law of TN was analyzed quantitatively， and the purification equation was constructed in different concentrations.The results show that the removal of TN in water byIpomoeaaquaticafloating bed cultivation and growth status was closely related， the TN concentration was significantly negatively correlated with the growth time of plants， the TN concentration in the water sample was in the form of the three curves (cubic curve) or the inverse curve.

artificial floating bed;Ipomoeaaquatica; TN; purification effect; purification equation

2015-11-21

科技惠民计划项目(S2013GMD100042)资助

陈红兵(1982-)，男，实验师， E-mail：hbchen7112@163.com；卢进登，通信作者，教授， E-mail：ljd@hubu.edu.cn

1000-2375(2016)05-0440-05

Q178.1；X171.4

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2016.05.009