不同基质下的苦草去污能力研究

史红玉 贾宇航 向珞宁 罗先强 冼耀强 周胜

摘要 [目的]研究不同基质下的苦草去污能力。[方法]开展不同基质下的苦草净水模拟试验，设5个处理：T1（对照组）：底泥+水+苦草 （Vallisneria natans） ，T2：底泥+2层无纺布+沙+水+苦草;T3：底泥+2层无纺布+玉米芯+沙+水+苦草;T4：底泥+2层无纺布+生物质焦+沙+水+苦草;T5：底泥+2層无纺布+玉米芯+生物质焦+沙+水+苦草。[结果]苦草的5项生理指标显示，基质中添加有机物会促进植物的生长，T3和 T5试验组中苦草的生长状态最好。4组试验组与对照组相比对水体的净化效果均高于对照组，且T4试验组的净水效果最好。在最后一次的净化速率对比中，T5试验组的去除速率最快，净水效果最好。[结论]基质净水在试验初期效果比较好，但根本上对水体的净化还需要依靠沉水植物。

关键词 基质;苦草;底泥;净水

中图分类号 X52 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）14-0062-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.017

Abstract [Objective]To study the decontamination ability of Vallisneria natants under different matrix.[Method]Simulation experiments of V.natans water purification under different substrates were carried out： T1（control group）： sediment+water+ V.natans， T2： sediment+two layers of non-woven fabric+sand+water+ V.natans， T3： sediment+two layers of non-woven fabric+corncob+sand+water+ V.natans， T4： sediment+two layers of non-woven fabric+activated carbon+sand+water+ V.natans， T5： sediment+two layers of non-woven fabric+corncob+activated carbon+sand+water+ V.natans. [Result]According to the five physiological indexes of adding organic substances into the matrix could promote the growth of plants，and the growth state of V.natans was the best in T3 and T5 test groups.Compared with the control group，the water purification effect of the four groups of tests was higher than that of the control group，and the T4 test group had the best water purification effect.In the last purification rate comparison，T5 had the fastest removal rate and the best purification effect.[Conclusion]The effect of matrix water purification is better at the beginning of the experiment，but the purification of water body basically depends on submerged plants.

Key words Substrate; Vallisneria natans; Bottom mod;Water purification

水体的基质除了是水生植物根的固着基础，水生植物生长、繁殖等的基本条件及最重要的环境影响因素之一外，还可以为水生植物提供各类营养元素及微量元素，而且，不同基质的物理、化学、微生物的性质会有所差异，同时对水生植物生根、繁殖与生长等也会产生不同程度的影响[1-2]。有研究表明，生物炭可以提高底泥的硝化作用强度，能够抑制底泥释放氨氮，同时，可以对水体、底泥氮磷的吸附和生境起到改善作用，可为沉水植物提供适宜的生存环境，沉水植物与生物炭的结合能进一步修复净化水体，稳定水生态系统，提高水生态系统的生物多样性[3]。谢贻发等[4]在2007年通过模拟试验，对不同基质条件下苦草的形态特征、生物量积累及分配格局进行了研究。结果表明，基质条件对苦草的生长和形态有较大影响，苦草能在一定程度上适应肥沃的基质条件，但当N、P、有机质含量过高时，苦草的生长受到抑制[4]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

苦草是一种重要的沉水植物，是人工构建生态系统的重要组成部分，也是生态文明建设的重要材料之一，被认为是缓解水体富营养化程度和重建水生植被的良好材料，在幼苗生长到一定阶段后，从根部产生侧向生长的一个或数个根状茎，茎上产生新的幼苗，形成无性系分株[5-7]。因此，在植物应用上选择了被人们认可的苦草。

选取生长良好、生物量相近、长势相似的苦草进行模拟试验，试验用水采用实验室内人工配制的富营养化水体，初始值见下表。

1.2 试验设计 采用人工模拟园林水体的室内试验，试验中所用的苦草收集回来后放置清水中驯化20 d，令其适应水生环境，最后选择健康有活力、生长态势良好、大小相近的苦草每49棵为一组种在试验装置中。試验在仲恺农业工程学院试验大棚内进行，通风透光。试验时间为 2019年2月16日至3月15日。

试验装置为透明玻璃水箱，水箱尺寸70 cm×70 cm×90 cm，试验用水浓度为25 cm。试验共设置5组单一的处理，每组处理设3个平行。各试验组和对照组如下。

T1：底泥（20 cm）+水（25 cm）+苦草，为对照组;

T2：底泥（20 cm）+2层无纺布+沙（5 cm）+水（25 cm）+苦草;

T3：底泥（20 cm）+2层无纺布+玉米芯（2 cm）+沙（5 cm）+水（25 cm）+苦草;

T4：底泥（20 cm）+2层无纺布+生物质焦（2 cm）+沙（5 cm）+水（25 cm）+苦草;

T5：底泥（20 cm）+2层无纺布+玉米芯（2 cm）+生物质焦（2 cm）+沙（5 cm）+水（25 cm）+苦草。

1.3 试验测定

水质测定方法：根据研究的需要，试验对水中NH4+-N、TP、TN、DO、COD 5个指标进行取样测定和分析，试验测试指标和测定方法按照《水和废水监测分析方法》（第4版）（国家环境保护总局，2002）进行。植物生理指标只测2019年2月21日（试验前）和2019年3月15日试验结束时的数据，分别为：叶绿素、鲜重、根总长、根尖数、根体积。

1.4 去除率计算和数据处理

水体中污染物的去除率计算公式为：去除率（%）= （C0-Ci）/C0×100%，式中，C0为初始浓度，Ci 为取样时的浓度。

试验数据处理每组试验做3个平行，试验数据均取平均值，试验所获得的数据使用Microsoft Excel 2010进行编辑处理及绘制相关图表，每个处理组的差异性通过SPSS 19.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同基质下的苦草生长状况 在试验期间所有植物生长状况良好，无枯萎或死亡现象。

2.1.1 不同基质中苦草根总长的变化。

根总长是衡量苦草根的一个重要指标，根总长越大说明苦草根的生长状态越好。图2表明，苦草在不同基质下根总长的差别，各处理组之间差异性显著（ P <0.05）。苦草的根总长指标对照组与试验组之间有明显的差别，与初始值相比根总长均有增长。在基质中既加生物质焦也加玉米芯对苦草的根生长有促进作用;在基质中加生物质焦或沙对苦草的根生长无影响;在基质中只加玉米芯，与其他试验组相比，会抑制苦草的根生长。

2.1.2 不同基质中苦草根体积的变化。由图3可看出，在基质中添加玉米芯极大的提高了根体积，与T1组苦草的根体积相比增加了521%、518%;试验组的基质中均加有沙，试验组与对照组相比根体积均有增加的趋势，说明在沙中种植苦草比直接在底泥中种植苦草效果要好;在基质中加生物质焦对苦草根体积的影响甚微，通过SPSS 19.0软件进行差异显著性分析，发现T5、T3之间差异不显著，T1、T2、T4之间差异不显著，T5、T3与T1、T2、T4之间有显著性差异，这一结果与基质中是否添加有机质相符。

2.1.3 不同基质中苦草总根尖数的比较。由图4可看出，所有处理组中根尖数量分别为：193.67、500.33、304.33、394.67、503.33个，根尖数的差别量与根总长和根体积的变化量一致，均是T5、T3试验组的检测数值高，各组根尖数的显著差异性与根体积的显著差异性变化一致（ P <0.05）。各处理组之间比较，T3、T5组提高苦草总根尖数效果最好，其效果远优于其他处理组合的原因可能是因为玉米芯的快速分解，使其营养物质迅速释放到土壤中，提升了土壤生物活性，更有利于苦草根系的生长和根尖数的增加。

2.1.4 不同基质中苦草鲜重的比较。有研究显示，根据植物生物量的变化可以判断植物的净水能力[8-9]。图5显示，T5试验组中的苦草鲜重增加量最大，与初始值相比增加了11.29 g，其次是T4试验组中的苦草，增加了4.90 g。

2.1.5 不同基质中苦草叶绿素的比较。

植物中的叶绿素含量直接影响植物的光合作用，间接影响植物的生长状态。由图6可看出，苦草在不同基质下叶绿素的差别，且各处理组之间的差异显著（ P <0.05）。T5、T3组中苦草叶绿素检测值明显高于其他组，说明基质中添加有机质可以促使植物中叶绿素的提升，T5与T3组相比无显著差异，但检测结果有差异，T5组中苦草的叶绿素含量明显高于T3组。

2.2 水质状况分析

2.2.1 不同处理中溶解氧的变化。由图7可见，在水中植物相同的情况下，水体中溶解氧的差别依然很大，这说明水体中溶解氧的变化不仅与水生植物有关，也与水体基质有关。沉水植物在进行光合作用时会使水中溶解氧浓度增加，因此水中溶解氧浓度也可以间接反应沉水植物状态。由图7可看出，在5组试验中，水中溶解氧浓度均为先下降后增长，其中第3组试验的这种表现最为明显。在首次的检测结果中，第2组和第4组试验检测结果与初始值相比变化不明显，而第3组试验的变化最明显，说明沙和生物质焦对水中溶解氧无较大影响，玉米芯作为水体基质会对水中溶解氧有较大的影响。

2.2.2 不同处理中NH4+-N的变化。

由图8可知，试验期间各组NH4+-N浓度呈现不同的变化趋势，试验结束时，各组基质处理的水体与对照组差异显著，且各组指标均超过公园Ⅴ类水2.0 mg/L的用水标准。各组的NH4+-N浓度在试验期间除第3组试验外，其他4组一直呈现下降趋势，第3组试验水中NH4+-N浓度在第6天检测时，检测值显示比初始NH4+-N浓度还要高，因为基质中玉米芯向水体中释放了N元素;而T5组的去除效果比T3组要好，是因为在第5组试验中的基质中加入了生物质焦，从而证明了生物质焦对NH4+-N具有去除作用。在试验结束时，各组NH4+-N浓度均小于初始值。

2.2.3 不同处理中TN的变化。

如图9所示，在试验期间时间越长，处理效果越好，对照组及其他处理TN浓度呈下降趋势。TN浓度与NH4+-N浓度在试验期间有相似的变化趋势，对照组TN浓度在第3次检测时的浓度为：10.315、9.458、7.785 mg/L，总去除率为：30.92%。其他4组不同基质的配置模式中，只有T3组的第2次检测值高于对照组，其他均低于对照组，第3组TN浓度相对高的原因可能为玉米芯分解出的物质导致水体TN浓度高于其3组。

2.2.4 不同处理中TP的变化。

各处理对TP的去除效果如图10所示，试验进行到第6天时，与初始值相比，各组的TP浓度均呈下降趋势，与对照组相比，T2、T3、T4组的TP浓度均为上升状态，T5组的TP浓度与对照组相同;试验进行到第12天时，各处理组与对照组相比，水中TP的去除效果有了明显差异，T3、T5试验组TP浓度（11.05、9.85 mg/L）高于对照组TP浓度9.81 mg/L，T2、T4试验组TP浓度（8.85、9.01 mg/L）低于对照组TP浓度;试验进行到第18天时，除T3组的TP浓度高于对照组外，其他3组均低于对照组。

2.2.5 不同处理中COD的变化。

化学需氧量 （chemical oxygen demand，COD） 是指在一定条件下，经重铬酸钾氧化处理时，水样中的溶解性物质和悬浮物所消耗的重铬酸盐相对应的氧的质量浓度[10]。因此，化学需氧量（COD）往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标。化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。

由图11可看出，试验进行到第6天时，与初始值相比，T3、T5试验组水体的COD浓度与初始值相比呈上升状态，其原因可能是玉米芯中的有机物释放到了水中，从而导致了COD浓度的增加，其他3组试验水中COD浓度与初始值相比下降了23.10%、10.58%、10.58%。试验进行到第12天时，各处理组与对照组相比，T3、T5处理组的COD浓度依然很高，其他3组COD去除率的增加速率趋于稳定状态，原因可能是这时基质对水中COD的吸收能力达到了饱和状态，每组处理组中种植的植物几乎都在后2次检测中表现出了不符合方差齐性检验，无明显差异性。

3 小结

综合上述的各项指标来看，组别1的8项指标在3次检测中NH4+-N、TN、TP和COD的去除趋势与去除速率几乎一致，在试验结束时，NH4+-N、TN、COD和TP的去除率分别为：39.57%、30.92%、40.16%和40.08%;DO的变化与色度的变化趋势相似，从最低值5.7上升到了9.5mg/L。NH4+-N、TN、TP、COD 4项指標的浓度因配制时的初始浓度过高，在试验结束时其浓度依然超出了景观用水标准;组别3的8项指标在3次检测中变化比较多变，在第6天的检测值中有6项检测值与初始值相比变的更高，说明这时水体富营养化程度更严重，原因可能为玉米芯向水中释放了N、P等元素;组别4的8项指标在3次检测中显示随时间的变化，基质与植物的净化吸收各项指标浓度均呈下降趋势， NH4+-N、TP、COD的去除率均为5组试验的最高值，说明生物质焦在水体净化过程中起到了促进作用;组别5在基质的配置上结合了组别3和组别4，基质中既加入了玉米芯也加入了生物质焦，同时试验数据也说明了在基质中加入玉米芯会导致水质在近期内变差，但随着时间的推移由于加入玉米芯的同时也加入了生物质焦，因此，在试验结束时水质的变化与组别4相差无几。

有研究表明，沉水植物的根系可以从基质中吸收营养物质，比如N、P等营养元素;但也有研究表明，沉水植物的根系只有固定植株的作用，沉水植物的叶子可以直接从水中吸收各种无机物质，因而认为沉水植物根的营养吸收功能较弱[11-12]。苦草的5项生理指标显示，基质中添加有机物会促进植物的生长，但在水体基质中加入有机质会导致水中N、P等元素的增加。从植物生长的趋势与水体净化的速率显示，在基质中添加少量有机质，在有机质上面铺与有机质等量的生物质焦，这种基质的配置方式，水质的各指标会呈现先上升后下降的变化趋势。基质净水在试验初期效果比较好，但根本上对水体的净化还是需要沉水植物。

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