3种乡土水生植物对富营养化水体净化能力比较

陈 敏，崔大方，黄 平，袁素芬

(1.广东环境保护工程职业学院，广东佛山 528216；2.华南农业大学，广东广州 510642；3.中山大学，广东广州 510275)

随着经济活动的加剧，工农业的不断发展，由于人类活动的影响而造成水体富营养化问题日益严重，已引起人们的广泛关注。研究表明，氮、磷等营养物质大量进入水体，可引发藻类及其他浮游生物迅速繁殖，造成水体溶解氧不断下降，水质恶化，致使鱼类及其他生物大量死亡等生态环境恶化问题[1-2]。水生植物是水环境生态系统的重要组成部分，能够从水体和底泥中吸收氮磷等营养物质，调节水生态系统的物质循环速度，增加水体生物多样性，控制藻类营养成分，改善水质，是治理、调节和抑制水体富营养化的有效途径[3-8]，但是当前对于一些不易引人注意的乡土野生植物的研究则较少[9-10]，由于本土野生植物具有环境适应性强、来源丰富等优势，因此，选用乡土野生植物处理富营养化水体对于环境保护具有重要价值。笔者选取华南地区乡土水生植物种酸模叶蓼(Polygonumlapathifolium)、野荸荠(Eleocharisplantagineiformis)、水龙(Ludwigiaadscendens)3种具有观赏价值的水生植物为试验对象，研究其在室内环境下对不同浓度富营养化水体的净化效果，为今后运用乡土野生植物进行富营养化水体净化提供基础数据。

1 材料与方法

1.1试验植物选取3种本土常见水生植物酸模叶蓼(Polygonumlapathifolium)、野荸荠(Eleocharisplantagineiformis)、水龙(Ludwigiaadscendens)，这3种植物采自华南农业大学树木园，所选植物均生长状况良好且性状统一。

1.2试验方法试验设计了3个富营养化水平(表1)，将磷酸二氢钾(KH2PO4)、硝酸铵(NH4NO3)配制成3个不同氮、磷质量浓度(TN 2 mg/L、TP 0.2 mg/L；TN 5 mg/L、TP 0.4 mg/L；TN 10 mg/L、TP 0.8 mg/L)的培养水体5 L加入到6 L的塑料桶中，以研究不同富营养化水平下3种植物对水体的净化效果。首先植物在自来水中经过7 d的适应性驯化，然后选取长势相当的3种植物，每个处理95 g，植物种植于不同浓度的培养水体中(5 L)，每个水平设无植物对照CK，每个处理设3个重复。试验期间，向各处理水桶内定期加入新鲜自来水以补充蒸发流失。每5 d取各水桶中层水样，试验时间25 d，测定TP、TN、NH3-N，方法参照国家环保总局的《水和废水监测分析方法》[11]。水质指标的去除率按下式计算：

去除率=(C0-C)/C0×100%

式中，C0为此次测定时的某种水质指标的原始浓度；C为此次测定时经过某种植物净化之后的水样的对应水质指标标准。试验数据采用Excel 2010软件进行处理分析。

2 结果与分析

2.1水体中TP的浓度变化水体中总磷主要通过化学沉淀、藻类细菌的合成代谢和水生植物的吸收3种方法去除[12]。由图1可知，包括对照组在内，所有试验组内的磷含量均有不同程度的下降。3种不同浓度(0.2、0.4、0.8 mg/L)下，酸模叶蓼、水龙、野荸荠对水体中TP均有较明显的去除效果，随着时间的延长，植物处理组和对照组的TP都呈现下降的趋势，植物组TP的下降速度均超过对照组。其中，在A浓度(0.2 mg/L)水体中，水龙和野荸荠处理组在5～15 d表现出明显的下降趋势，去除率分别达63.22%、64.87%；但在后续水龙处理组水体中TP的下降缓慢，去除率仅为27.56%；同样的，在B浓度(0.4 mg/L)水体中，水龙处理组的水体中TP浓度也表现出在5～10 d下降最快，去除率达60.26%。从总体来看，在3个设计浓度中，酸模叶蓼对水体中TP的浓度表现出良好的去除优势，对TP的去除率分别为91.19%、85.99%、81.79%；其次为野荸荠，在A浓度至C浓度对TP的去除率分别为90.19%、83.09%、80.54%；最后为水龙，在A浓度至C浓度对TP浓度中的去除率分别为76.81%、77.06%、69.29%。

表1 试验水体氮磷浓度梯度设置

图1 3种水生植物在0.2 mg/L(a)、0.4 mg/L(b)和0.8 mg/L(c)水体中TP的浓度变化Fig.1 Changes of TP concentrations in three aquatic plants in 0.2 mg/L(a)，0.4 mg/L(b)and 0.8 mg/L(c)water

2.2水体中TN的浓度变化总氮含量是指水样中亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机氨盐、溶解态氨以及大部分有机含氮化合物的总和[12]，水生植物可以通过直接吸收以及氧化、硝化、反硝化的作用去除水体中的氮[13]。从图2可以看出，这3种水生植物对低、中、高3个不同TN浓度水体均有去除效果，其中酸模叶蓼和野荸荠均表现出良好的TN去除效果，在25 d的生长期内，在A浓度(2 mg/L)的水体中，酸模叶蓼处理组中TN减少了1.78 mg/L，去除率为89.22%，野荸荠处理组中TN减少了1.87 mg/L，去除率为93.59%；在B浓度(5 mg/L)水体中，酸模叶蓼处理组中TN减少了3.94 mg/L，去除率为78.90%，野荸荠处理组中TN减少了4.17 mg/L，去除率为83.52%；在C浓度(10 mg/L)水体中，酸模叶蓼与野荸荠均表现出了较强的去除效果，去除率分别为75.73%和77.17%。水龙在这3种不同浓度的TN水体中，水体中TN浓度均表现了明显的下降趋势，但相对于酸模叶蓼和野荸齐，去除率较低，去除率分别为73.10%、75.79%、62.72%。由此可知，3种水生植物对水体中TN均有明显的去除效率，去除率从大到小依次为野荸荠、酸模叶蓼、水龙。

图2 3种水生植物在2 mg/L(a)、5 mg/L(b)和10 mg/L(c)水体中TN的浓度变化Fig.2 Changes of TN concentrations in three aquatic plants in 2 mg/L(a)，5 mg/L(b)and 10 mg/L(c)water

2.3水体中NH3-N的浓度变化在3种水生植物试验组中，水体中NH3-N的浓度变化情况见图3。从总体来看，3种水生植物试验组中不同NH3-N浓度均表现出明显的下降趋势，去除率高于对照组。在A浓度(0.293 mg/L)水体中，到25 d时，酸模叶蓼、水龙、野荸荠对水体中NH3-N的去除率分别为83.89%、68.53%、87.53%，然而在0～15 d，酸模叶蓼、水龙、野荸荠对水体中NH3-N的去除率已分别达55.17%、45.50%、58.86%。由此可知，对于3种植物来说，对水体中NH3-N的去除作用在前15 d已达到了高峰，并且酸模叶蓼与野荸荠对水体中NH3-N的去除存在明显优势，说明这期间植物通过吸收和微生物的硝化作用效果明显[14]，同时这也与酸模叶蓼与野荸荠具有发达的根系、微生物附着面积大有关[15]。在B浓度(0.579 mg/L)水体中，在前15 d，水龙对水体中NH3-N的浓度表现出了明显的去除优势，去除率达57.17%，高于酸模叶蓼(41.05%)和野荸荠(34.14%)，但这种优势并未保持；从总体来看，到试验结束时，酸模叶蓼、野荸荠、水龙的去除率分别为72.59%、76.95%、64.32%。在C浓度(1.762 mg/L)水体中，在5～20 d，酸模叶蓼、野荸荠、水龙对水体中NH3-N表现出了明显的去除效率，去除率分别达74.69%、78.54%、57.11%，到试验结束时，这3种植物的去除率分别为87.24%、84.03%、63.60%，由此表明，在5～20 d，3种水生植物对水体中NH3-N的去除效率最高。水生植物的生长，强化了水体氨氮的去除，NH3-N主要通过挥发、硝化反硝化、生物吸收3种机制去除。水生植物的生长，有利于水体中硝化细菌和反硝化细菌等微生物的生长，硝化和反硝化作用是去除水体中氨氮的主要途径，该研究结果与Reddy等[16]的结果较为一致。由上述试验可知，3种水生植物对水体中NH3-N均有明显的去除效率，去除率从大到小依次为野荸荠、酸模叶蓼、水龙。

图3 3种水生植物在0.293 mg/L(a)、0.579 mg/L(b)和1.762 mg/L(c)水体中NH3-N的浓度变化Fig.3 Changes of NH3-N concentrations in three aquatic plants in 0.293 mg/L(a)，0.579 mg/L(b)and 1.762 mg/L (c)water

3 讨论与结论

氮、磷是水体富营养化的关键指标，水生植物对水体中氮、磷、氨氮的去除，使得水质达到稳定，是恢复生态平衡的主要措施之一。不同的水生植物种类对水质有不同的影响，其本身对营养盐的吸收能力也不同[17]。从3种水生植物对不同浓度总氮、总磷、氮氮的去除效率来看，对于总磷，酸模叶蓼、水龙、野荸荠的平均去除率分别为85.91%、74.38%和84.61%；对于总氮，酸模叶蓼、水龙、野荸荠的平均去除率分别为81.28%、67.20%和83.76%；由此可知，3种植物对于水体中总磷的去除能力从大到小依次为酸模叶蓼、野荸荠、水龙，对于水体中总氮的去除能力从大到小依次为野荸荠、酸模叶蓼、水龙，表现出酸模叶蓼与野荸荠在去除总磷、总氮方面有突出优势，这可能与酸模叶蓼、野荸荠具有发达的根、茎有关，植物根系为微生物提供了良好的生存环境，营养物质充足，微生物降解物质的能力越强，从而降低水中污染物质浓度[18]。

3种植物对不同浓度水体中氨氮的去除率，从总体来看，对于不同浓度的氨氮去除率变化不大，并没有因为浓度的增大而表现出去除率减少的情况，这可能是由于水生植物对离子态NH3-N比较容易吸收利用，而对总氮中的有机氮并没有表现出良好的去除能力[12]。

有研究表明，水生植物在培养一定时间后，氮磷的去除能力就会明显的下降或略有升高，说明随着水中营养物质浓度的升高，水体对水生植物形成逆境胁迫，产生氮、磷危害影响了植物的正常生理活动，抑制植物正常生长，降低去除能力[18]。在该研究中也发现，随着氮、磷浓度的增加，3种植物的去除率表现出明显的下降趋势，说明随着氮、磷浓度的增加在一定程度对水生植物产生了逆境胁迫，抑制了植物正常生长，从而降低了去除能力。

综上所述，本土水生植物酸模叶蓼、野荸荠、水龙对不同浓度的氮、磷具有良好的去除效率，去除率均超过了60%，3种水生植物对水体中不同浓度TP的去除率从大到小依次为酸模叶蓼、野荸荠、水龙；对水体中不同浓度TN的去除率从大到小依次为野荸荠、酸模叶蓼、水龙，对水体中不同浓度NH3-N的去除率从大到小依次为野荸荠、酸模叶蓼、水龙；同时，试验表明，这3种乡土植物在水生态修复中具有良好的应用价值，在实际应用中，可以采用围隔技术、浮床技术、生态护岸技术等合理选择水生植物，以发挥其净化与美化功能。