不同季节部分鸢尾属植物对富营养化水体的净化研究

原海燕，张永侠，刘清泉，杨永恒，苗 金，黄苏珍

(江苏省中国科学院植物研究所 南京中山植物园， 江苏 南京 210014)

【研究意义】近年来，随着城镇化及工农业的迅速发展，水体富营养化已成为日益严重的环境问题[1]。美国的2084个湖泊、河流中由于氮磷营养盐浓度超标而不能达标的水体占61 %，我国富营养化和超富营养化湖泊也已达湖泊总量的66 %和22 %[2-3]。水生植物在水体生态系统中占有重要的生态位，它不仅能起到净化水体的作用，还能改善水体生态环境，促进退化水体生态系统的恢复[4]。因此，在各种物理、化学和生态修复措施中水生植物修复净化污染水体因耗能低、效果好、具有生态环保特性而成为极受关注的一种有效生态修复技术[5]。【前人研究进展】利用水生植物构建人工湿地，对农村生活污水进行拦截净化进而降低水体富营养化已成为控制面源污染行之有效的生态治理措施[6-7]。然而目前在水生植物修复技术应用中水生植物种类还相对较为单一，观赏价值不高，影响了城市水体和湿地景观效果[8-10]，因此，筛选观赏性强、净化效率高的景观生态植物，已成为湿地生态治理中亟待解决的问题。鸢尾属(IrisL.)是鸢尾科中最具有观赏价值的宿根草本花卉，生态类型多，分布广，适应性强，在城市绿化中起着非常重要的作用，特别是鸢尾属中的水生和湿生生态类型，花姿奇特，花色丰富，加之其繁殖方法简单，既可分株亦可播种，是水生植物中的佼佼者[11-12]。【本研究切入点】为此，本研究利用鸢尾属植物中部分水、湿生生态类型，通过研究其在不同季节、不同富营养化水体中生长情况，及其对水体TN、TP和COD去除能力，系统评价不同鸢尾属植物对不同富营养化水体的净化效果，以期筛选出净化效果好，观赏价值高的水生鸢尾属植物。【拟解决的关键问题】为其在人工湿地或水体富营养化治理中推广应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物为花菖蒲(Irisensatavar.hortensis)、黄菖蒲(I.pseudacorus)、路易斯安那鸢尾(I.hybirds)、红籽鸢尾(I.foetidissima)、鸢尾(I.tectorum)、蝴蝶花(I.japonica)和德国鸢尾(I.germanica)

1.2 试验设计

1.2.1 夏季实验 本研究于2013年7月在江苏省中科院植物研究所玻璃温室进行。供试材料为花菖蒲、黄菖蒲、路易斯安那鸢尾、红籽鸢尾、鸢尾和蝴蝶花。试验水体取自南京市农科院水塘，西岗村和上坝河地区农村生活污水，水质见表1。试验采用10 L圆形塑料盆(上口径27 cm，下口径18 cm，深20 cm)，选取生长状况基本一致的植物，先用自来水对其根部清洗干净后，用海绵定植于圆形泡沫板上，放置于盆上，为保证每盆植株栽植密度合理，每盆浮板上栽植3株生物量相似的供试植株，盆内水体积为9 L。植株先用自来水预培养2周，待长出新根后进行水体净化试验，不栽植物的作为空白对照，试验设置3个重复，实验开始后第30天采集水样，测其pH、总氮(TN)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)。为保证模拟室外条件的真实性，试验过程中不对水体进行曝气充氧，试验中用蒸馏水补充因植物蒸腾和水质采集耗损的水分。实验结束后收获植物，并测定植株鲜重的相对增加量。

表1 不同浓度富营养化水体初始水质指标

表2 富营养化水体初始水质指标

1.2.2 冬季实验 本研究于2013年12月在江苏省中科院植物研究所玻璃温室进行。供试材料为路易斯安那鸢尾、红籽鸢尾、蝴蝶花和德国鸢尾，试验用水取自南京市锁金村生活污水，水质见表2。材料种植方法同上，实验开始后第10和20天各采集1次水样，测其TN、TP和COD。同时，第20天实验结束时收获植物，并测定植株鲜重的相对增加量。

1.2.3 人工湿地动态流水试验 本研究于2015年1月在东南大学无锡分校污水处理系统人工湿地中进行。供试植物为路易斯安那鸢尾和红籽鸢尾2种冬季常绿鸢尾。人工湿地由蓄水池和净化水槽及排水管道构成，单个净化水槽长2.20 m，宽0.2 m，深0.35 m，试验水深0.15 m。该校区内生活污水经过污水处理工艺系统处理后的出水流入人工湿地中作为本试验的试验用水。材料种植方法同上，放置36株供试植株于水槽内，不栽植物的作为空白对照，试验设置3个重复，实验开始后第4、8和12天采集各水槽出水口和进水水样，进水流速设置为150 mL/min。测其TN、TP和COD。试验过程中不对水体进行曝气充氧。

1.3 测定方法

水质总氮：采用流动分析和光谱检测法；水质总磷：采用流量分析法；CODCr：采用重铬酸钾法。

TN、TP去除率=[(C0-Ci)/C0]× 100 %[13]

式中，C0为试验开始时水体中的污染物浓度，Ci为第i天水体中的污染物浓度。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007软件对数据进行处理和绘图，并用SPSS 20.0统计软件对数据进行统计分析，Duncan法对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 夏季不同鸢尾属植物对富营养化水体的净化研究

2.1.1 不同鸢尾鲜重变化 从图1可以看出，黄菖蒲、花菖蒲和路易斯安那鸢尾鲜重增加明显(P<0.05)。中浓度和高浓度下黄菖蒲的鲜重增加量均最大，每盆分别为0.062和0.042 kg。同时从图中可看出试验结束后红籽鸢尾、鸢尾和蝴蝶花3种植物的鲜重均下降，部分叶片萎蔫，证明这3种植物不适宜用作夏季污水净化材料。

图1 6种鸢尾鲜重增加量Fig.1 Increase of fresh weight of six species of Iris L.

2.1.2 不同鸢尾对富营养化水体TN、TP和COD的净化能力 从图2可以看出，低、中、高3种浓度下对照组TN水平均最高(图 2A)，分别为1.27，4.12，8.69 mg/L，黄菖蒲组水体TN最低，依次为0.52，0.54，0.61 mg/L，去除率分别为91.2 %、94.7 %和95.5 %，与对照组差异显著(P<0.05)。去除水体自净化作用对TN的去除率后，高浓度下花菖蒲、黄菖蒲、路易斯安那鸢尾对氮素去除的贡献分别为47.47 %、59.23 %和39.23 %；中浓度下花菖蒲、黄菖蒲、路易斯安那鸢尾对氮素去除的贡献分别为15.84 %、34.66 %、23.25 %；低浓度下花菖蒲、黄菖蒲、路易斯安那鸢尾对氮素去除的贡献分别为10.02 %、12.85 %、13.25 %，可见水体的富营养化程度越高，3种鸢尾对TN的去除作用贡献越大。图中还可以看出，随水体富营养化程度的增加，对照组水体TN去除率呈逐渐下降趋势，即水体富营养化越低，水体的自净化能力越强。

图2B显示了种植3种鸢尾对水体TP质量浓度的影响，低、中、高3种浓度下黄菖蒲和花菖蒲的磷素吸收量均较大，其中黄菖蒲组水体TP最低，依次为0.05、0.11、0.13 mg/L，去除率分别为56.8 %、89.3 %和93.1 %，随着水体TP浓度的递增，黄菖蒲对磷的去除量递增趋势不如TN明显。总体来看几种植物对磷素的去除能力从大到小依次为：黄菖蒲>花菖蒲>路易斯安那鸢尾。

图2C显示了种植3种鸢尾对水体COD含量的影响。由图中可知，供试植物对降低水体COD基本上有一定促进作用，但中浓度下花菖蒲和高浓度下黄菖蒲水体COD含量高出空白对照。除了高浓度下路易斯安那鸢尾的COD去除效果优于黄菖蒲外，与路易斯安那鸢尾和花菖蒲相比不同浓度富营养化水体下依然是黄菖蒲对COD的去除效果最佳。

2.2 冬季4种常绿鸢尾对富营养化水体的净化研究

图2 夏季不同处理组水体TN、TP和COD质量浓度比较Fig.2 Comparison of total nitrogen, total phosphorus and COD concentration in eutrophic water with different treatments in summer

2.2.1 不同植物鲜重变化 冬季不同鸢尾对水体净化效果不尽相同，而已有研究表明根据生物量增加量的大小可以直接作为选择去污植物的重要指标[14-15]。图3为4种常绿鸢尾在富营养化水体生长20 d 后鲜重增加量，可以看出路易斯安那鸢尾鲜重增加量最大，每盆增重0.0325 kg，增加明显(P<0.05)；其次是蝴蝶花和德国鸢尾，分别为每盆0.0125、0.0113 kg；鲜重增加量最小的是红籽鸢尾。

2.2.2 不同鸢尾对水体TN、TP和COD的净化能力 图4(A、B、C)显示了4种不同鸢尾对冬季富营养化水体TN、TP和COD的净化能力。由图4A可知，随着试验的进行，对照组水体的TN质量浓度基本保持恒定，而种植了鸢尾的水体TN质量浓度均不同程度降低。其中路易斯安那鸢尾对TN净化效果显著(P<0.05)，种植10、20 d后其TN质量浓度依次为4.754、0.925 mg/L，TN去除率依次为59.2 %、92.1 %，实验结束时其TN水质指标达到国家Ⅲ类水质标准(TN≤1 mg/L)。

图3 4种鸢尾鲜重增加量Fig.3 Increase of fresh weight of four species of Iris L.

图4B为不同鸢尾对富营养化水体TP的净化效果，试验期间路易斯安那鸢尾对总磷去除效果最为显著(P<0.05)，种植路易斯安那鸢尾第10天水体TP质量浓度为0.318 mg/L，达到我国Ⅴ类水质标准(TP≤0.4 mg/L)；试验第20天路易斯安那鸢尾组水质达到Ⅱ类水质(TP≤0.2 mg/L)，在不同鸢尾种植水体中效果最好。其次为德国鸢尾和蝴蝶花，其TP去除率分别为42.8 %和41.5 %。对水体TP去除效果较弱的是红籽鸢尾，试验结束时其TP去除率分别为27.9 %。

图4C显示了对照组和植物组水体COD质量浓度的变化，试验第10天时，路易斯安那鸢尾和红籽鸢尾对COD的净化效果较为明显，但试验第20天时，植物组和对照组COD质量浓度基本无明显差异。

2.3 路易斯安那鸢尾和红耔鸢尾在冬季人工湿地动态流水试验中的净化效果

图5A为路易斯安那鸢尾和红籽鸢尾对流动污水TN的去除情况，试验期间进水TN浓度变化范围12.60～23.69 mg/L，其中第4天进水TN质量浓度最高。3次数据显示，路易斯安那鸢尾在流水实验中表现较好，其TN去除率 46.0 %～67.8 %，红籽鸢尾TN去除率39.5 %～55.9 %。而未经植物处理的空白水槽TN去除率13.3 %～17.3 %。试验期间进水TP浓度变化范围1.54～1.64 mg/L，其中第8天进水TP质量浓度最高，路易斯安那鸢尾在流水实验中表现最好，其TP去除率54.3 %～67.9%，红籽鸢尾28.6 %～52.5 %，未经植物处理的空白水槽TP去除率11.9 %～37.5 %(图5B)。试验期间进水COD浓度变化范围41.07～61.0 mg/L，其中第12天进水COD质量浓度最高。3次数据显示，路易斯安那鸢尾、红籽鸢尾和对照组对水体COD的去除均有效果，但是路易斯安那鸢尾和红耔鸢尾对水体COD的去除效果不稳定。可能的原因是受到试验时的水温、光照等因素影响较大[16]。

图4 冬季不同处理组水体TN、TP和COD质量浓度比较Fig.4 Comparison of total nitrogen, total phosphorus and COD concentration in eutrophic water with different treatments in winter

图5 冬季流动污水TN、TP和COD质量浓度比较Fig.5 Comparison of total nitrogen, total phosphorus and COD concentration in flowing eutrophic water in winter

3 讨 论

水生植物因在生长过程中对水体氮、磷等元素的营养吸收，当其从水生生态系统移出时，被吸收的营养元素也随之被带走，因此可利用其净化富营养化水体，降低了水体富营养化程度[17-19]。本研究中夏季生长在富营养化水体中的红籽鸢尾、鸢尾和蝴蝶花植株根部均出现不同程度腐烂，并最终导致地上部干枯死亡，因此认为这3种鸢尾均不适合作为夏季富营养化水体净化植物材料；而富营养化水体中生长良好的黄菖蒲、花菖蒲和路易斯安那鸢尾对水体TN、TP也具有良好的净化效果，经过在不同程度富营养化水体种植3种鸢尾1个月后，水体中的TN、TP含量均显著低于空白对照，特别是花菖蒲和黄菖蒲，其中黄菖蒲对TN的去除率高达95.5 %，在供试植物中净化效果最佳。路易斯安那鸢尾相对净化效果较低，可能是由于路易斯安那鸢尾在夏季处于休眠期，但与对照相比，其对TN、TP的去除效果依然明显。从不同鸢尾对富营养化水体中COD的净化效果来看，黄菖蒲组COD含量最高，甚至高于空白对照，原因可能是由于实验水体体积较小而限制了黄菖蒲根系的生长，在高温和营养胁迫的环境下根系处于腐烂和再生的动态变化中，并在这一过程中向水体中释放的还原性物质造成水体化学需氧量的上升[16]。综合看来在夏季所有供试植株中黄菖蒲对富营养化的净化效果最好，因此最适合作为夏季水体净化材料，其次为花菖蒲，路易斯安那鸢尾具有潜在的净化能力。

就水体氮去除途径已有相关研究表明，水体中氮素去除主要存在3种途径，植物体同化吸收、氨氮挥发和硝化反硝化过程，其中，植物吸收对TN的去除作用较小，仅占TN去除量的0.6 %～17.3 %，氨氮的挥发途径需在pH>8的条件下才能进行[20-22]。本研究夏季试验中随着水体TP浓度的递增，黄菖蒲对磷的去除量递增趋势并不如TN明显，其原因可能是由于水体中绝大多数氮素是通过硝化和反硝化作用去除，根系直接吸收的氮只占很小一部分，而磷素无法通过气态挥发离开水体，绝大部分磷以不溶性磷酸盐形式存在，本试验结束时低、中、高浓度富营养化水体中对照组TP去除率为8.51 %～11.8 %，而种植黄菖蒲的水体TP去除率在56.8 %～93.1 %，因此磷素主要的去除途径可能来自于黄菖蒲根系的直接吸收，其原因仍有待进一步研究。

另外，4种冬季常绿鸢尾对冬季富营养化水体净化的研究中，路易斯安那鸢尾对TN、TP的净化效果最为显著(P<0.05)，种植 20 d后水体达到国家Ⅲ类水质标准。冬季植物对氮的去除途径与夏季有所不同，由于硝化细菌和反硝化细菌的数量和活跃程度与温度有密切关系，因此，冬季水体氨氮的去除效果会相对弱些[23]，因此，冬季路易斯安那鸢尾对TN的高效去除机制仍有待进一步研究。冬季四种常绿鸢尾对降低水体COD有一定作用，尤其是第10天时路易斯安那鸢尾组和红籽鸢尾组水体COD含量与对照组差异显著，但20 d 时所有植物组与对照组差异不显著，说明实验末期，随着污水中容易降解的还原性物质浓度的下降，还原性物质的降解速率降低，水中COD的去除速度也随之减缓[24]。冬季人工湿地动态流水试验也显示，与红籽鸢尾相比，路易斯安那鸢尾表现最好，其TN去除率46.0 %～67.8 %，TP去除率54.3 %～67.9 %；而红籽鸢尾TN去除率39.5 %～55.9 %，TP去除率28.6 %～52.5 %。

4 结 论

夏季高温季节水生鸢尾黄菖蒲因生长旺盛，植株高大，适应繁殖能力强，且对水体TN、TP净化效果优于其他鸢尾属植物，因此非常适于夏季富营养化水体的修复。而路易斯安那鸢尾在4种常绿鸢尾属植物中对冬季水体TN、TP去除效果最佳。

综合来看，尽管黄菖蒲夏季对水体TN、TP净化效果优于其他鸢尾属植物，但黄菖蒲美中不足之处在于其花色单一、冬季地上部枯萎休眠，观赏效果欠佳；而水生路易斯安那鸢尾与黄菖蒲相比，生物量虽然相对小，夏季TN、TP去除率相对低，但路易斯安那鸢尾因品种极为丰富，花色五颜六色，水体景观效果极佳，且四季常绿，因此具有绿化，美化、净化水体的三重功效，可直接引植于污染水体沿岸地带，也可在人工生物浮床、人工湿地中应用，在城市景观水体生态修复中具有更大的实际应用前景。

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