6种植物水质氮、磷净化能力的比较研究

李楠，范泽，董阳 ，乔秀亭，孙金辉，通信作者



6种植物水质氮、磷净化能力的比较研究

李楠1，范泽2，董阳2，乔秀亭2，孙金辉2，通信作者

（1.天津市水产研究所，天津300221；2. 天津农学院水产学院，天津市水产生态及养殖重点试验室，天津300384）

选取空心菜（Forsk）、绿萝（）、天南星（Schott）（包括前期天南星和后期天南星）、金钻（Koch）、黄金葛（）等 6种植物作为试验材料，采用浮床种植方式进行水培种植，在静水条件下对富营养化水体中氮、磷去除动态及效率进行了比较研究。结果表明：（1）6种植物对氮、磷去除率的平均能力强弱为：空心菜＞黄金葛＞初期天南星＞金钻＞绿萝＞后期天南星，其中空心菜对总氮（TN）、总磷（TP）、亚硝酸氮（NO2--N）、硝酸氮（NO3--N）、氨氮（NH4＋-N）、正磷酸盐（PO43--P）的去除率依次为41.81%、54.92%、88.57%、73.67%、57.81%和85.83%；（2）6种植物的溶解氧DO回升率依次为：后期天南星＞初期天南星＞黄金葛＞金钻＞绿萝＞空心菜，其中后期天南星的DO回升率为40.23%。综合考虑氮、磷去效率及DO回升率的效果，黄金葛和初期天南星可作为优选的生态浮床植物。

植物；净化水质；氮、磷去除率；DO回升率

利用水生植物净化富营养化水体及污水处理的工作已开展多年[1-3]，水生植物对富营养水体的净化综合了吸附沉淀、吸收代谢、富集浓缩等作用[4]。在废水或受污染水体中大量种植耐污且净化能力强的水生植物，通过其自身的生命活动将水中污染物分解转化或富集到植物体内，然后再除去，进而恢复水域的养分平衡；同时通过它们的光合作用释放氧气，增加水中溶解氧含量，从而改变水质，减轻或消除污染。但是在陆生植物如何发挥净化水质的作用上，尤其在池塘水质净化方面应用不多，而进一步研究植物去除水域中N、P等营养成分方面的报道相对较少[5]。

本试验采用浮床种植方式进行水培种植，选取典型水生植物空心菜及金钻、初期天南星、后期天南星、绿萝及黄金葛等6种典型陆生植物为研究对象，在静水条件下对总氮（TN）、总磷（TP）、亚硝酸氮（NO2--N）、硝酸氮（NO3--N）、氨氮 （NH4＋- N）、正磷酸盐（PO43--P）等的去除效率及溶解氧（DO）回升率等多指标进行分析，对6种植物的氮、磷吸收和水质净化能力进行比较研究，以期找出对富营养化水体具良好净化效果的优选生态浮床植物。

1 材料与方法

1.1 研究概况

试验在天津市水产生态及养殖重点试验室中进行，选用长宽高为70 cm×60 cm×50 cm的水族箱进行试验。首先在水族箱中放入水培床体供 6种植物扎根，试验用水为滤去浮游植物和浮游动物的池塘水，每个水族箱分别装入20 L。

将试验植物放置于水培床体的穴孔中，并使其上部根系暴露在水面上，满足其根系正常的呼吸作用，其余根系浸入水体中，保证其水分和养分的正常吸收，植物在放入水中之前用盐海绵固定好。本试验选取空心菜（Forsk）、绿萝（）、天南星（Schott）（包括前期天南星和后期天南星）、金钻（Koch）、黄金葛（）等6种植物，每种植物设3个重复，另外设3个无植物的空白对照。试验期间平均水温为27.8 ℃，pH值为8.1，原水指标情况如表1所示。

表1 原水水质指标 mg/L

整个试验在通风宽敞的试验室内进行，所以本次试验为静态试验，添加蒸馏水以保持水体体积不变，进而观察所测指标浓度的变化情况。

1.2 采样与分析

试验持续40 d，在0、5、10、15、20、25、30、35、40 d采取水样，每隔5 d为一个周期，分别记为第1～8个周期，并测定亚硝态氮（NO2--N）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮 （NH4＋-N）、总氮（TN）、正磷酸态磷（PO43--P）、总磷（TP）、溶解氧（DO），取样时间为下午5：00 —6：00。

水样采集后，立即用YSI 550A型便携式溶解氧测量仪测定水温和水体溶解氧（DO）。测定DO时不断搅拌，读数时取偏大值较为准确[6]。水质TN用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP采用铂酸铰分光光度法测定[8]。NO3--N、NH4＋-N、PO43--P均采用HANNA-HI8320多参数离子浓度测定仪进行测定。

1.3 数据分析

氮和磷的去除率（）的计算公式为：

其中，0为试验开始时的浓度（mg/L），C为第天的浓度（mg/L）[9]。6种植物的TN、TP净水增效作用为植物TN、TP去除率与空白对照组TN、TP去除率的差值。试验数据使用Microsoft Office Excel 2003进行分析及作图。

2 结果与分析

2.1 6种植物对水体亚硝态氮（NO2--N）的去除效果

从图1看出，亚硝态氮含量最终均降为0，其中效果最显著的是空心菜组，在第1个周期测定时，水样中的NO2--N的浓度从起始的0.35 mg/L直线下降到0.12 mg/L，其曲线出现最大去除率，后面趋势渐缓；其次是金钻组，后期天南星在整体变化趋势上较平稳。6种水生植物对NO2--N的去除效果的顺序依次为：空心菜＞金钻＞初期天南星＞黄金葛＞绿萝＞后期天南星。除后期天南星外，其余5种水生植物对水体中NO2--N的去除能力高达100%。

2.2 6种植物对水体硝态氮（NO3--N）的去除 效果

从图2可知，本次试验所采用的6种水生植物对NO3--N的去除效果均比较明显，从原水样中4.7 mg/L的NO3--N最终均降到了1 mg/L以下，曲线出现出最大去除率；空心菜组从第3到第6周期的曲线较缓和；去除率最高的为黄金葛组中的NO3--N，降到0.1 mg/L。其中，绿萝、初期天南星的去除能力曲线较缓和；6种植物对NO3--N的去除效果的顺序依次为：空心菜＞后期天南星＞黄金葛＞金钻＞初期天南星＞绿萝。空心菜、后期天南星和黄金葛NO3--N的去除率达到90%以上，初期天南星和绿萝的去除率一致，为80.85%，金钻组的效果较差，只有78.72%。

2.3 6种植物对水体铵态氮（NH4＋-N）去除效果

从图3可知，6种植物NH4＋-N的去除效果较显著；在第1周期中，除后期天南星的其他5种植物对氨氮的去除效果比较一致。空心菜组在第2周期出现最大去除率，后期天南星的去除曲线较平缓，且类似于线性。6种水生植物对NH4＋-N的去除能力的顺序依次为：空心菜＞绿萝＞初期天南星＞金钻＞黄金葛＞后期天南星。空心菜对NH4＋-N的去除率最高，达到90.62%，其余5种植物均处于60%～70%之间。

2.4 6种植物对水体总氮（TN）的去除效果

从图4看出，金钻在第1个周期内出现了反弹现象，试验水体中的TN含量上升，但在第2周期时，TN含量显著下降，出现最大去除率。绿萝从第3周期至第6周期的过程中，TN的去除曲线较平缓。6种水生植物对TN的去除能力的顺序依次为：空心菜＞黄金葛＞后期天南星＞金钻＞初期天南星＞绿萝。6种水生植物对TN的去除率处于40%～50%之间，最高的为空心菜组，为52.70%。

2.5 6种植物对水体正磷酸态磷（PO43--P）的去除效果

一般自然水体的磷酸盐含量较低，当磷含量过高（超过0.02 mg/L）时，养殖水体开始富营养化，对水产动物造成威胁。从图5看出，空白水样有较为严重的富营养化。在本试验中，最大PO43--P去除率出现在绿萝组和空心菜组，金钻组的曲线变化情况较大，6组水样中的磷含量均降为0。6种水生植物对PO43--P的去除能力的顺序依次为：黄金葛＞空心菜＞初期天南星＞绿萝＞金钻＞后期天南星。所选6种水生植物对PO43--P中的磷去除率都高达96%以上。其中后期天南星、绿萝及黄金葛的对PO43--P的去除率最高，均为98.33%。说明这3种植物可能为了保持叶片正常的绿色，从水中吸收了大量磷元素。

2.6 6种植物对水体总磷（TP）的去除效果

从图6可知，空白水样中的TP含量较低，为0.28 mg/L。本试验中6种植物对TP去除效果较好，最终集中到0.08 mg/L左右。其中，最大去除率出现在第1周期的初期天南星组中。6种植物对TP的去除能力依次为：初期天南星＞黄金葛＞绿萝＞空心菜＞金钻＞后期天南星。6种植物对TP的去除率处于65%～75%，最高为绿萝，达75.65%；最低为空心菜，达67.28%。

2.7 6种植物对DO含量的回升效果

从图7可知，6种水生植物均能有效稳定地 回升水中的DO，且不影响自身生长。在试验前期，回升趋势较为缓和，从第4周期起，曲线呈现上升状态，且在第5周期至第6周期，后期天南星出现最大回升率。6种植物对DO回升能力的顺序依次为：后期天南星＞初期天南星＞黄金葛＞金钻＞绿萝＞空心菜。6种植物对水中溶氧都有不同程度的回升作用，其中，回升率最高的为后期天南星，为84.81%；最低为空心菜，只达53.16%，其余4种在65%左右。

3 讨论

本研究发现，6种植物对水体中NH4＋-N的去除效果均好于对照组，这与苏小东等[6]利用狐尾藻、水蕴草、轮叶黑藻、长叶久冠和铜线草，及周真明等[7]利用风车草、菖蒲和富贵竹去除水体中氮磷的研究结果一致，这说明植物在除NH4＋-N过程中所起作用要显著高于挥发作用，而周晓红等[8]的研究结果却与此不同。造成上述差异的主要原因与水体的pH值有关。水体的pH值决定了氨挥发程度以及NH4＋-N与NH3之间的平衡。周晓红等发现，对照组NH4＋-N去除效率高达88.62%的原因是由于其研究中原水pH值在8～9.4之间，使得NH4＋-N/NH3平衡更偏向于NH3，增强了氨挥发程度，而前述研究的原水pH值在7.6～8之间。但需注意的是，究竟是植物同化吸收作用还是微生物硝化作用占除氮作用的主导地位，有待进一步研究。

水体中NO2--N、NO3--N的去除效果与DO浓度的变化密切相关。NO2--N的去除是通过硝化菌在有氧条件下将其氧化为NO3--N，NO3--N的去除是通过反硝化菌在无氧条件下利用其进行呼吸，氧化分解有机物，从而将其还原成N2或N2O[9]。本试验中，原水的溶解氧即约为6.32 mg/L，随着试验的进行，6种植物的水体中DO浓度均有显著回升，其中后期天南星效果最佳，DO浓度回升至11.08 mg/L。相关研究表明，当DO浓度为1.5 mg/L即可满足硝化菌的硝化作用，而反硝化过程中DO浓度应在0.5 mg/L以下，若DO浓度过高则会抑制反硝化菌合成硝酸盐还原酶[10]。因此在本试验条件下可得出，NO2--N的去除主要是通过硝化菌的硝化作用，植物则作为促进硝化作用的有效载体，而NO3--N的去除主要是通过植物的同化吸收作用。值得注意的是，后期天南星的DO浓度回升效果虽在几种植物中为最佳，但其对NO2--N的去除能力相对弱于其他5种植物，但并无明显差别，原因是由于硝化反应中硝酸菌将NO2--N进一步氧化为NO3--N是一个耗氧过程，而后期天南星处于生长后期，其光合作用及呼吸作用能力均在减弱，虽在DO积累总量上满足了反应需求，但在DO产生速率即光合作用速率方面无法满足于硝化作用。

本研究发现，典型水生植物空心菜对水体中NO2--N、NO3--N、NH4＋-N及TN的去除效果均好于本研究所选的5种可用于浮床种植的陆生植物，这与戴全裕等[11]及周小平等[12]对空心菜的研究结果相符。但空心菜与5种陆生植物的去氮能力差别不大，说明5种陆生植物通过浮床种植的方式也能够有效除氮，其中去氮效果最佳的为黄金葛。

氮和磷都是生物的重要营养物质，因此在控制水体中氮平衡的同时，也要协调磷的平衡。在富营养化水体中，除磷途径主要为植物吸收及底质和根系吸附[13-14]，本研究也佐证了这一观点。本研究发现，6种植物对水体中的PO43--P、TP的去除效果与对照组均有明显差异，说明植物吸收是水体除磷的主要途径，这与苏小东等[6]及徐秀玲 等[15]的研究结果相符。值得注意的是，在上述研究中均采用浮床植物系统，并未涉及到底质的吸附作用，因此在自然条件下，植物吸收与底质吸附在水体除磷过程中发挥主要作用，这有待于进一步研究。

本研究发现，典型水生植物空心菜对水体中PO43--P及TP的去除效果均好于本研究所选的5种可用于浮床种植的陆生植物，但空心菜与5种陆生植物的去磷能力差别不大，说明5种陆生植物通过浮床种植的方式也能够有效除磷，其中去磷效果最佳的为黄金葛。

4 小结

本试验采用浮床种植方式进行水培种植，选取典型水生植物空心菜及金钻、初期天南星、后期天南星、绿萝及黄金葛等6种典型陆生植物为研究对象，发现6种植物均能正常生长，对富营养化水体中的氮、磷均有较明显的去除效果，其中NO2--N的去除主要是通过硝化菌的硝化作用，植物则作为促进硝化作用的有效载体，NO3--N、NH4＋-N、PO43--P及TP的去除主要是通过植物的同化吸收作用。去除氮、磷的平均能力强弱为：空心菜＞黄金葛＞初期天南星＞金钻＞绿萝＞后期天南星；6种植物对水体中的DO都有一定的回升效果，其回升能力依次为：后期天南星＞初期天南星＞黄金葛＞金钻＞绿萝＞空心菜。综合考虑氮、磷去效率及DO回升率的效果，黄金葛和初期天南星可作为优选的生态浮床植物。

本研究主要存在两点不足：第一，没有测定植物种植前后组织中的氮磷含量，以及比较不同植物的氮磷累计吸收能力；第二，pH值的变化也是衡量水生植物对水体净化能力强弱的一个重要指标，本文并没有进行详细分析。这些内容有待今后进行补充研究。

参考文献：

[1] 李慎瑰，赵以军，程凯. 湿地植物根际微生物生物处理生活污水的模型规模研究[J]. 工业安全与环保，2009，35（8）：9-10.

[2] 吴湘，王友慧，郭建林，等. 3类水生植物对池塘养殖废水氮磷去除效果的研究[J]. 西北植物学报，2010，30（9）：1876-1881.

[3] 李艳蔷.植物浮床改善城市污染水体水质的试验研 究[D]. 武汉：武汉理工大学，2012.

[4] 赵汉取，韦肖杭，王雨辰，等. 生物修复在水产养殖水体净化中的研究进展[J].科学养鱼，2008（7）：1-2.

[5] 邓来富，江兴龙. 池塘养殖生物修复技术研究进展[J]. 海洋与湖沼，2013，44（5）：32-33.

[6] 苏小东，李艳，原金海，等. 不同水生植物对水体中氮磷吸收去除效果的试验[J]. 净水技术，2014，33（2）：48-51.

[7] 周真明，叶青，沈春花，等. 3种浮床植物系统对富营养化水体净化效果研究[J]. 环境工程学报，2010，4（1）：91-95.

[8] 周晓红，王国祥，冯冰冰，等. 3种景观植物对城市河道污染水体的净化效果[J]. 环境科学研究，2009，22（1）：108-113.

[9] 郭昌梓，程飞，孙根行. 溶解氧对氧化沟生物脱氮除磷的影响[J]. 环境工程，2011，29（5）：28-31.

[10] Liu Y C，Shi H C，Xia L，et al. Study of operational conditions of simultaneous nitrification and denitrification in a Carrousel oxidation ditch for domestic wastewater treatment[J].，2010，101（3）：901-906.

[11] 戴全裕，蒋兴昌，汪耀斌，等. 太湖入湖河道污染物控制生态工程模拟研究[J]. 应用生态学报，1995，6（2）：201-205.

[12] 周小平，王建国，薛利红，等. 浮床植物系统对富营养化水体中氮、磷净化特征的初步研究[J]. 应用生态学报，2005，16（11）：195-199.

[13] 徐红灯，席北斗，王京刚，等. 水生植物对农田排水沟渠中氮、磷的截留效应[J]. 环境科学研究，2007，20（2）：81-88.

[14] Polomki R F，Taylor M D，BiclcnbEerg D U，et al. Nitrogen and phosphorus remediation by three floating aquatic macrophytes in greenhouse-based laboratory- scale subsurface constructed wetlands[J].，2009，197（1）：223-232.

[15] 徐秀玲，陆欣欣，雷先德，等. 不同水生植物对富营养化水体中氮磷去除效果的比较[J].上海交通大学学报（农业科学版），2012，30（1）：8-14.

Comparison of Nitrogen and Phosphorus Purification Ability of Six Plants

LI Nan1, FAN Ze2, DONG Yang2, QIAO Xiu-ting2, SUN Jin-hui2,Corresponding Author

（1.Tianjin Fisheries Research Institute, Tianjin 300221, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Aqua-ecology and Aquaculture, College of Fisheries, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Mean purification ability and remove efficiency of nitrogen（N）and phosphorus（P）were investigated by using six plants withForsk,,Schott（including earlierstage and later stage）,Koch andin the condition of static water. The results as the following:（1）the order of the removal efficiency of N and P was expressed as:ForskSchott（later stage）KochSchott（earlier stage）＞The remove efficiency of total nitrogen（TN）, total phosphorus（TP）, NO-N, NO-N, NH4＋-N andPO43--P was 41.81%, 54.92%, 88.57%, 73.67%, 57.81% and 85.83%, respectively.（2）the order of the recovery rate of dissolved oxygen was expressed as:Schott（later stage）＞Schott（earlier stage）＞KochForsk. The recovery rate of dissolved oxygen was 40.23%. In conclusion, combined the results of the remove efficiency and recovery rate,andSchott（earlier stage）could be chosen as the possible plants to purify water.

plants; purify water; removal efficiency of N and P; recovery rate of DO

S912

A

1008-5394（2016）03-0015-05

2016-02-28

天津市科技计划项目“鲤鱼低氮高效饲料的开发与应用”（15ZXZYNC00070）

李楠（1988-），男，天津市人，助理工程师，硕士在读，从事水产养殖相关的工作与研究。E-mail: 305890045@qq.com。

孙金辉（1979-），男，山东烟台人，副教授，硕士，研究方向为水产动物营养与饲料。E-mail：jhsun1008@163.com。