黄菖蒲对富营养化水体中氮磷去除效率研究

叶胜兰舒晓晓

(1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075；5.自然资源部土地工程技术创新中心，陕西 西安 710075)

前言

据调查，我国现存的淡水资源总量为2.8×1012m3，居世界第4，但人均仅为2150m3[1]。随着我国的工业发展和城市生活废水大量排放，化肥和农药过量施用导致的残留物流失等，都将引起氮、磷、有机物、重金属等污染物质在湖泊、河口及海湾等相对封闭、流速缓慢的水体中留存，这将严重损害和改变水生生态系统，导致生态环境的极度恶化。

水体污染会导致水生生态系统中动植物种类组成变化[2]。近年来，由于可利用水资源的质量不断下降，直接导致了浅水湖泊水体中大型水生植物的消失。而对于相对封闭、流动性差的水体，其自我净化能力相对较弱，需要采用工程的办法治理，这种物理方法的效果虽然很理想，但需要大量人力、物力的投入，且只能针对已有的污染状况，而治理后期若缺乏长期的维持，水体中仍有可能出现各种污染物。因此，专家学者通过研究发现，水生植物在进行自身生命活动时需要摄入大量的氮磷元素，利用这一原理进行水体修复，成本相对较低，且不会出现二次污染，同时能达到修复水体和改善景观环境的双重功效，对于解决水体的污染问题和生态环境的改善具有重要的实践意义和推广价值。水生植物是水环境的重要调节者，有利于提高湖泊生态系统的生物多样性和稳定性[3]。水生植物在生长过程中需要吸收氮、磷和有机物等营养元素物质[4-6]，维持水中的营养元素平衡，因此水生植物可以靠自身的吸收作用去除水中过量的氮、磷等物质[7-9]。本研究主要从水体污染问题入手，选取黄菖蒲水生植物，初步探讨其对富营养化水体中氮、磷的去除效果，为水体质量的改善技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本文选择植物为挺水植物黄菖蒲。模拟城市内湖相对封闭的现状，采用室内水培试验。富营养化水体通过添加分析纯的硝酸钾和磷酸二氢钾试剂来实现。

1.2 试验设置

依据我国的污水一级排放标准中总氮<20mg·L-1，总磷<1.0mg·L-1，设置富营养化水体浓度。黄菖蒲试验组分别为H1～H9，具体试验设置见表1。每组均匀栽种挺水植物各5株。

表1 试验设置

1.3 测定指标及方法

水体pH、电导率(EC)釆用便携式仪器现场测定。

水样中硝态氮、氨态氮含量利用AA3流动分析仪测定；总氮含量采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定；总磷含量采用钼酸铵分光光度法测定。

2 结果与分析

2.1 不同浓度氮磷对黄菖蒲生长状况的影响

由图1可看出，黄菖蒲在不同富营养化程度的水体中均能正常生长，且在种植前期快速增长，随后植物的生长速率逐渐趋于缓慢并各自稳定在某一高度。其中，H9(N3P2)处理的黄菖蒲生长速率最快，达68.0cm；其次是H2(N2P1)处理，为65.1cm。由此表明，水体中的氮元素可作为植株的生长的营养元素，促进植株快速生长。图中显示，黄菖蒲在氮磷浓度最高的H6处理植株生长受到一定的抑制作用，株高为所有处理中最低，为42.8cm；其次是H5和H7处理，株高分别为45.2cm和50cm。说明富营养化水体中磷元素含量过高，将对黄菖蒲的生长产生一定的抑制作用。

2.2 黄菖蒲对不同富营养化程度水体中总氮、总磷的清除效率

由图2可看出，不同富营养化程度的水体中总氮和总磷的整体变化趋势均表现为下降，且均在6月29日之后出现相对稳定的状态。在相同的氮磷浓度下，植物对富营养化水体中的氮磷清除率差异不显著(P>0.05)。在试验结束后测定富营养化水体中氮磷浓度发现，低氮处理(H1、H4和H7)后，富营养化水体总氮含量分别为7.88mg·L-1、6.61mg·L-1和8.14mg·L-1；中氮素处理(H2、H5和H8)的总氮含量则为13.21mg·L-1、12.04mg·L-1和13.91mg·L-1；高氮处理(H3、H6和H9)的总氮含量分别为18.17mg·L-1、16.99mg·L-1和18.78mg·L-1；而黄菖蒲对不同富营养化水体中总氮的清除率分别为62.5%、65.9%和68.8%。低磷处理(H1、H2、H3)水体中总磷分别为0.59mg·L-1、0.55mg·L-1和0.52mg·L-1；中磷处理(H4、H8、H9)水体中总磷分别为0.93mg·L-1、0.91mg·L-1和0.88mg·L-1；高磷处理(H7、H5、H6)水体中总磷分别为1.10mg·L-1、1.07mg·L-1和1.15mg·L-1；黄菖蒲对不同富营养化程度水体中总磷清除率分别为43.0%、52.9%和62.1%。由此发现，黄菖蒲对富营养化程度严重的水体具有更高效的清除效率；且在相同氮素浓度下，低浓度的磷会促进植物对氮素的吸收利用，而高磷则抑制植物对氮素的吸收。随着氮浓度的升高，对磷的清除具有促进作用。

2.3 黄菖蒲对不同富营养化程度水体中氨态氮、硝态氮的清除效率

由图3可看出，黄菖蒲对富营养化程度严重的水体具有显著的氨态氮和硝态氮清除作用。富营养化水体中氨态氮的浓度最高，约为总氮含量的60%，且氨态氮在水体中的变化趋势基本与总氮保持一致。在试验进行的一定时间内水体中氨氮会出现急剧下降的现象，在之后富营养化水体中的氨氮则表现为缓慢下降。在富营养化水体中设置的氨态氮起始浓度约为10mg·L-1、20mg·L-1和30mg·L-1的情况下，14d后水体中的氨态氮急剧下降至1.77～6.59mg·L-1，且氨态氮的消除率达到了79.4%，以处理H9的清除率最高，为81.2%；在试验结束后，其清除率达到了98.6%，与其它处理达到显著差异(P>0.05)。而富营养化水体中硝态氮的变化趋势与氨态氮则存在一定差异，表现为先升高后降低，这可能与富营养化水体中的硝化细菌硝化作用具有相关性。最后，硝态氮含量为3.99～11.38mg·L-1，消除率达到16.4%，其中H9处理的硝态氮清除率最高，达到27.4%，显著高于其它处理。

3 结论

黄菖蒲在不同富营养化水体中均能生长良好，且在前期速率较快。试验表明，水体中的氮能显著促进植株的生长发育，而高磷则对植株生长产生一定的抑制作用。

不同富营养化水体中的总氮和总磷均表现为下降趋势，并于6月29日后趋于稳定。黄菖蒲对高氮、磷具有更为显著的清除效果；相同氮浓度下，低磷能促进植物吸收水体中的氮素，而高磷则会抑制氮素的吸收。磷的清除效率与水体中的氮素含量成正相关。H9处理的NH4+-N和NO3—-N清除率分别达到98.6%和27.4%，显著高于其它处理。