苦草对富营养化水体净化效应的示范研究

石正驰，田 丹，邹序安，杨 李，程 雪，陈 晴，张 友

(1.铜仁职业技术学院，贵州 铜仁 554300；2.上海中耀环保实业有限公司，上海 200000)

1 引言

由于居民生活垃圾生活废水等在人工生态系统、自然景观中的排入，出现水体治理较难，水环境质量恶劣的现象，导致水体污染严重、富营养化现象明显[1]。如何高效、成功地治理水体污染并维护水体的生态系统及其所承载的环境作用成为当前水污染治理的研究重点。其中，沉水植物因其不但可以吸收水体中的过量的营养盐，降低营养盐化的危害，对富营养化水体具有较好的修复作用，还可以为水生生物提供生活栖息环境的优点得到广泛关注[2]。在有沉水植物种植的水域中，沉积物中磷主要以无机磷的形态存在，可将磷固定在沉积物中而降低向水体中的释放，可有效控制内源营养盐的释放[3]。同时，沉水植物对于水体中总磷、总氮及叶绿素含量都有良好的去除及抑制作用[4]。

为此，本课题组利用沉水植物为研究对象，将其种植于受污染水体，研究其对受污染水体的净化作用，以期为苦草和金鱼藻在受污染水体中的应用提供理论依据。

2 实验设计与方法

2．1 实验设计

实验地点：本试验以贵州省铜仁市铜仁职业学院内河道为原位修复场地，通过种植金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)和苦草(Vallisnerianatans)，两种常见的水体生态修复植物进行原位修复，以研究沉水植物对于水环境的净化作用。

实验时间：本试验于2017年10月起，2018年10月止，周期为一年。为比较研究金鱼藻和苦草对于水体的净化作用，分别在不同的河段种植不同的沉水植物。

2.2 测定指标与方法

各采样点分别用A,B,C,D,E表示，其中，A,B,C为种植苦草的区域，D,E为种植金鱼藻的区域。

3 试验结果

3.1 试验期间水体中总氮总磷含量的变化

由图1可知，水体中各营养盐的含量随着时间季节的变化均出现波动不定的现象，且不同采样点中各元素含量差别较大。

水体中的氮元素含量在1.7～11.6 mg/L的范围内波动，波动范围较大，就整体而言呈下降趋势。实验初期，2017年12月至2018年6月，水体总氮在4.5～8.0的范围内波动；在2018年7月出现急剧下降。在试验末期，水体总氮在3～5mg/L的范围波动，且苦草种植区域氮含量降低50.9%，金鱼藻种植区域氮含量降低57.8%。

水体总磷呈现先增高后降低的趋势。实验初期，各采样点的水体磷含量为0.3 mg/L左右， 2018年2月至2018年6月，水体磷含量总体保持在0.3～0.5 mg/L的水平，2018年7月出现急剧下降，各采样点的值均在0.3 mg/L以下；从7月到10月出现增高到减小的现象。此外，相较于种植苦草的A，B，C磷的变化，种植金鱼藻的D,E采样点中的含量降低趋势更明显，苦草种植区域磷含量平均降低20.8%，种植金鱼藻区域，磷含量下降27.3%。

图1 试验期间不同采样点水体中TN、TP含量变化(A,B,C,D,E代表不同的采样点)

3.2 试验期间水体中氨氮和硝态氮含量的变化

从图2可以看出，实验水体中氨氮是氮的主要存在形式，约占总氮的63.3%。2017年11月至2018年1月，A,B,C三处样点中氨氮含量低于D,E处采样点；2018年春季，各采样点的氨氮含量变化不大，而在2018年夏季期间，出现A,B,C处的氨氮高于D,E的现象。氨氮含量在2018年7月出现最低值；2018年秋季，水体中氨氮含量相比于2018年7月有所上升，各采样点的氨氮含量相差不大。总体而言，实验结束时，水体中氨氮含量约从5 mg/L下降到2 mg/L，约降低62.9%；其中，苦草种植区域约下降62.4%，金鱼藻种植区域约下降63.6%。

硝态氮约占总氮的22.6%。在整个实验阶段，A,B,C三处采样点的硝态氮含量略高于D,E点；此外，实验并未降低水体中硝态氮含量。

图2 试验期间不同采样点水体中含量变化(A,B,C,D,E代表不同的采样点)

3.3 试验期间水体中COD及BOD5的变化

由图3可知，实验初期，植株发育较小，对水体中COD的去除并未有明显效果。整体而言，水体中COD的含量呈现下降趋势，实验末期，种植苦草的A,B,C三处COD平均约降低55.3%，种植金鱼草D,E两处平均约下降47.8%。

水体中BOD5的变化趋势与COD相似，初期BOD5较高，随着试验进行，水体中BOD5整体呈现下降趋势，试验末期, 苦草种植区(A,B,C)约下降36.8%，金鱼藻种植区(D,E三处)约下降29.1%。

3.4 试验期间水体叶绿素含量的变化

水体叶绿素含量常被用来衡量水体中藻类的繁殖情况。图4表示在实验期间每月水体中叶绿素含量的平均值，由图可知，实验初期水体中叶绿素含量较低且平稳，在整个实验期间，叶绿素的含量出现两次较大跳跃，分别是2018年4月及7月，分别上月增长了27.6%及29.3%；而且，水体中的叶绿素含量最高值出现在2018年7月，在7月之后，在8月，9月，10月又出现逐渐下降趋势，整体来说，水体中叶绿素含量在实验期间呈现先上升后下降的趋势。

4 讨论

4.1 苦草对于水体营养盐和污染物的净化作用

沉水植物常被用来作为先锋植物对富营养化及污染的河流进行生态修复，能够通过吸收、吸附、沉降、过滤等方式来净化水体[6～15]。在本实验中，初期由于植物幼苗较小，对水体的净化作用较弱，水体中种植苦菜和金鱼藻的区域内氮磷营养盐以及COD、BOD5等污染物含量均较高；随着试验的推进，水体中总氮和总磷含量均有所降低，且种植金鱼藻的区域内总磷、总氮含量降低效果更为明显，即金鱼藻对于水体氮含量有良好的去除效果，该现象同样被Fang Y X等人报道[11]。

图3 水体中COD、BOD5的变化情况(A,B,C,D,E代表不同的采样点)

图4 水体中叶绿素的变化

在本实验中，氨氮占总氮的63.3%，水体中氨氮和硝态氮是氮的主要存在形式，水体中氨氮含量过高会严重损害水生植物的生长，会造成植物体内叶绿素及蛋白含量的降低，同时，会使脯氨酸和抗氧化酶的活性升高，对植物产生胁迫作用[12]。相较于实验初期，试验末期氨氮降低趋势明显，可能与植株的生长状况及季节有关。植株在水体中的生长繁殖均有大范围增长，可加强对营养盐的吸收与去除。且由于苦草的过滤与沉降作用，沉积物中营养盐的释放及悬浮物的上升都得到一定的控制，增强了水体生态系统的缓冲能力及自我净化的能力[13]。

4.2 水体中藻类的生长状况

水体中叶绿素含量常被用来衡量藻类的生长情况，当水体中氮磷营养盐的含量超过其生长的营养限值时就会对其产生抑制作用。有研究表明，当水环境在总氮总磷的浓度分别超过5.4 mg/L和0.3 mg/L时，就会对其中藻类的生长产生抑制，而低于这个值则会促进太湖水体中藻类的生长[14]。

在本实验中，试验初期水中污染物、营养盐含量较高，叶绿素含量较低，随着实验推进，2017年6、7月时水体各营养盐均出现显著的降低，而叶绿素的含量急剧上升，出现藻类爆发繁殖的现象。同时，水体中藻类的大量繁殖吸收水体中的营养盐，又促使水体营养盐的含量降低。

5 结语

实验表明，沉水植物对河道水体中营养盐及污染物的去除会随着时及季节的推移出现不同程度的波动。植株幼苗期，幼苗生长较慢，且温度较低，对水体的净化作用较弱，随着温度的升高，苦草及金鱼藻发育的增快，水体中营养盐的含量及污染物含量整体均出现明显的下降趋势。此外，在水体营养盐含量较低的环境下，叶绿素的含量随着营养盐的升高而升高，藻类的繁殖会促进水体中污染物质的吸收。

致谢：感谢贵州喀斯特地区农村水环境的生态修复与重建项目组、铜仁职业技术学院微生物资源开发与应用研究重点实验室的支持。