15种水生景观植物对磷的去除能力

梁玉婷， 孙宏兵， 任爱萍， 杨兰芳

(1.武汉市园林科学研究院， 湖北 武汉 430081； 2.湖北大学， 湖北 武汉 430000)

0 引言

【研究意义】水体富营养化是21世纪公认的水环境污染问题之一，已经严重危害人类的健康，甚至制约许多国家地区的经济发展[1]。其中，磷是一种导致水体富营养化的限制性营养元素，磷被确定为藻类过度生长的限制性因素，也是引起水体富营养化的关键元素[2]。修复水体富营养化，有物理方法、化学方法和生物方法，其中生物方法既环保又经济，在水体修复中最为常用。生物方法中植物修复更为常见，应用更广。水生植物从富营养化水体中吸收磷元素，经过吸收转化形成植物的自身组分，这样既改善了水环境又完成了自身的生长，只需要定期割乂植物，将植物从水体中移除即可完成磷去除的过程。【前人研究进展】李文朝[3]利用芦苇、茭草、香蒲、菱、菹草、苦菜和马来眼子菜重建富营养化的五里湖植被发现，挺水植物整体长势较好，沉水植物生长受限，但并未关注不同植物间的净化能力差异。在后续的研究中很多学者开始关注不同水生植物氮磷的净化能力，童昌华等[4]研究了金鱼藻、狐尾藻2种植物单独和组合对TN、TP 及NOx-N、COD、DO的吸收能力。郑洁敏等[5]研究杭州地区常用的39种观赏性挺水植物对氮、磷的移除潜力发现，慈姑、窄叶泽泻、泽苔、大慈姑和千屈菜对磷的移除能力位居前列，缺乏水体中氮磷含量变化数据支撑。也有学者研究水样在不同植物停留时间对去除率的影响，75 d时TP去除率为17.40%～28.13%，香蒲、芦苇的净化效果好于凤眼蓝、美人蕉、苦草、黄菖蒲、金鱼藻和千屈菜等[6]。王洪金[7]在不同富营养化条件下研究5种植物的净化效果发现，凤眼蓝与千屈菜净化效果均为最好，5种水生植物均对磷有较好的去除效果，且随着营养物质浓度的升高而增强；去除能力由强到弱为千屈菜、凤眼蓝、慈菇、鸢尾和睡莲。冯优等[8]认为，在不同浓度中同种植物去除TP能力不同，凤眼蓝在较低磷水平(TP 8～16 mg/L)下的去除能力明显高于其他水生植物；黄菖蒲在较高氮磷水平(TP 30～35 mg/L)下的去除效果较好，并具有良好的适应能力；沉水植物中狐尾藻净化效果较好，而且生物量增加显著，整体上挺水植物比沉水植物具有更强的除磷能力。可见，已有研究针对单一或者少数几个物种的净化效果比较，或者是不同浓度下几种植物净化效果的比较，缺乏同一水平下对不同景观效果的水生植物的净化能力比较，导致现在水体修复的景观效果不佳，净化效果不理想，增加企业成本。【研究切入点】掌握水生植物在同一条件下对磷的净化能力，筛选生长量大、适应性强、净化效果好且兼具景观效果的水生植物是污染水体修复工作的一项重要基础工作，对节约成本和水体生态恢复和改善具有重要意义。【拟解决的关键问题】为了获得净化效果好，景观效果佳的水生植物，采用室内水培法模拟水体富营养化条件，研究华中地区常见的6种挺水植物、6种沉水植物及3种浮水植物共15种不同生活型的湿地水生植物的生物量变化及其对富营养水体中TP、PO43--P的去除能力，为有效解决水体富营养化问题和筛选具有一定净化能力又能营造良好景观效果的湿地水生植物提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 水生植物 6种挺水植物：路易斯安娜鸢尾(Iris hybrids ‘Louisiana’)、紫叶美人蕉(Cannawarscewiczii)、矮生美人蕉(Cannaglauca‘Taney’)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、黄菖蒲(Irispseudacorus)和雨久花(Monochoriakorsakowii)；3种浮叶植物：水鳖(Hydrocharisdubia)、凤眼蓝(Eichhorniacrassipes)和水罂粟(Hydrocleysnymphoides)；6种沉水植物：小茨藻(Najasminor)、粉绿狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、黑藻(Hydrillaverticillata)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)和苦草(Vallisneriaspinulosa)，穗花狐尾藻和金鱼藻从武汉秀水生态有限工程购买，其余植物材料从武汉市园林科学研究院景观所水生池挖取。

1.1.2 试剂 硝酸钾和磷酸二氢钾购于上海国药。

1.1.3 仪器设备 UV-1800分光光度计，翱艺仪器(上海)有限公司；试验用桶容积70 L，上口直径49 cm，下底直径38 cm，高48 cm；铁丝网，直径大于桶口，网格孔径0.036 m2。

1.2 方法

1.2.1 材料预处理 用硝酸钾和磷酸二氢钾配置TP 0.497 mg/L、PO43--P 0.477 mg/L，pH 8.12，溶解氧为9.52 mg/L的富营养水体，根据《国家地表水环境质量标准》[9]，配制的水体已达Ⅴ类水级别；在武汉市园林科学研究院内水生池采集15种水生植物，每桶栽植单独一种植物500 g，直接栽植于水里。为防挺水植物倒伏，在桶口放置铁丝网并将植物固定于其上。每种植物种3桶(3次重复)。2018年6月21至2018年7月1日进行缓苗培养11 d后备用。

1.2.2 试验设计 2018年7月2日，在武汉市园林科学研究院圃地开展预试验，2018年7月23日至8月27日正式试验。每个容器内加入50 L配置的溶液，以不种植物为对照(CK)，每种植物3次重复，整个试验在武汉市园林科学研究院的大棚中开展，每2 d用蒸馏水补充由于蒸发而丧失的水分至上一次取样后高度，整个试验持续40 d。

1.2.3 指标测定 1) 植物鲜重。只在试验正式开始时和试验结束时进行，以统计植物的鲜重增长率(由于叶片枯萎掉落水中，所以撕掉枯叶不计入鲜重)。2) TP和PO43--P去除率。每隔10 d即在处理0 d、10 d、20 d、30 d和40 d时采集水样，取样时间为当日10:00左右。每次取样时上下轻轻搅动尽量使水混匀，混匀后在水面下10 cm取样；参照《水和废水监测分析方法》[10]测定水体TP和PO43--P，TP和PO43--P采用钼酸铵分光光度法取平均值作为监测值。

WR=(WC1-WC2)/WC1×100%

式中，WR为水体磷(TP和PO43--P)的去除率(%)，WC1为试验开始时水体磷(TP和PO43--P)的含量，WC2为试验结束时水体磷(TP和PO43--P)的含量。

1.3 数据统计与分析

采用SPSS 20.0进行统计分析，并采用Sigmplot作图。

2 结果与分析

2.1 植物的生长情况

观察发现，15种植物在预试验阶段生长良好，待正式试验开始后1周，气温迅速升高，中午室外温度高达40℃，水温在14：00时达42℃，在此高(水)温情况下狐尾藻生长不良，一些植株开始死亡、腐烂；紫叶美人蕉叶片大片焦枯，路易斯安娜鸢尾、黄菖蒲叶尖略有枯黄；其余11种植物表现较好，尤其是粉绿狐尾藻和凤眼蓝，长势非常好，萌发新叶和新根。后续5周时间，试验中的植物渐渐适应环境，出现萌发的新芽和新根，叶色渐渐恢复正常颜色。

2.2 15种植物的生物量变化及对TP、PO43--P的去除率

2.2.1 生物量变化 从图1看出，试验结束时15种植物的生物量较试验开始时增值-168.77～169.90 g，生物量增加值依次为凤眼蓝>粉绿狐尾藻>轮叶黑藻>小茨藻>雨久花>千屈菜>水鳖>路易斯安娜鸢尾>金鱼藻>狐尾藻>苦草>矮生美人蕉>黄菖蒲>紫叶美人蕉>水罂粟，其中，凤眼蓝的生物量增长最多，水罂粟生物量相对试验前减少很多。其中紫叶美人蕉和花菖蒲焦枯死亡的叶片摘除并未计算至最终生物量中，狐尾藻腐烂的部分从水中移走，并未计算至最终生物量中，这些原因导致其生物量增值偏低。总体看，植物长势越好，生物量增加越大。

图1 15种植物的生物量增长量

2.2.2 对TP和PO43--P的去除率 从图2看出，试验结束时15种植物对TP和PO43--P的去除率存在差异。

1) TP去除率。试验结束时15种植物对TP的去除率为53.05%～86.59%，表现为金鱼藻>紫叶美人蕉>千屈菜>狐尾藻>凤眼蓝>黄菖蒲>矮生美人蕉>粉绿狐尾藻>轮叶黑藻>雨久花>小茨藻>苦草>水罂粟>水鳖>路易斯安娜鸢尾。CK的TP去除率与15种植物均存在明显差异；植物间路易斯安娜鸢尾与千屈菜、金鱼藻、狐尾藻具有显著差异。

2) PO43--P去除率。试验结束时15种植物对PO43--P的去除率为62.96%～99.86%，表现为黄菖蒲>紫叶美人蕉>狐尾藻>金鱼藻>千屈菜>水罂粟>凤眼蓝>雨久花>粉绿狐尾藻>轮叶黑藻>小茨藻>矮生美人蕉>苦草>水鳖>路易斯安娜鸢尾。CK的PO43--P去除率与路易斯安娜鸢尾无显著差异，与另外14种植物均存在明显差异；不同植物之间黄菖蒲、紫叶美人蕉与其他植物具有显著差异。

综合比较15种植物对TP和PO43--P的去除能力，沉水植物狐尾藻和金鱼藻的净化能力最强；挺水植物紫叶美人蕉的净化能力最强；浮叶植物凤眼蓝的净化能力较强，水罂粟的净化能力较弱。

2.3 不同处理各取样时间水体的TP和PO43--P含量变化

从图3看出，随取样时间延长，各处理水体的TP和PO43--P含量变化趋势不尽相同。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

图3 不同处理各取样时间水体的TP和PO43--P含量

2.3.1 TP含量 各处理水体的TP含量第10天时迅速下降至0.4 mg/L以下；之后各时期有的处理继续下降，有的则不同程度上升，但均低于0.3 mg/L。其中，路易斯安娜鸢尾、雨久花、苦草、小茨藻和轮叶黑藻等处理的TP含量呈先降后升趋势，水罂粟、凤眼蓝、粉绿狐尾藻、水鳖、矮生美人蕉和千屈菜等的TP含量呈先降后升再降趋势，紫叶美人蕉和狐尾藻的TP含量呈先降后升再降趋势，黄菖蒲的TP含量呈先降后升再降再升趋势，金鱼藻的TP含量呈下降趋势。试验结束时CK的TP含量为0.23 mg/L，远低于初始值(0.497 mg/L)；而15种植物的TP含量明显低于对照。

2.3.2 PO43--P含量 各处理水体的PO43--P含量第10天时迅速降至0.1 mg/L以下；之后各时期有的处理继续下降，有的则不同程度上升，但均低于0.3 mg/L。其中，金鱼藻和水罂粟处理的PO43--P含量呈先降后升再降趋势，紫叶美人蕉呈先降后升再降趋势，黄菖蒲呈先降后升再降再升趋势，狐尾藻呈下降趋势，其余处理则均呈先降后升趋势。总体看，试验结束时CK的PO43--P含量为0.23 mg/L，远低于初始值(0.477 mg/L)；15种植物的PO43--P含量明显低于对照。表明，15种植物对PO43--P均有明显的去除效果。在没有底质的情况下，水体中的PO43--P也处于动态变化，呈现高低往复的变化趋势。

2.4 不同生活型植物对富营养化水磷的去除率

由图4可见，各生活型植物对TP的去除率呈沉水植物>挺水植物>浮叶植物>CK，对PO43--P的去除率呈沉水植物>浮叶植物>挺水植物>CK。3类植物对TP和PO43--P的去除率均以沉水植物较挺水植物和浮叶植物高，浮叶植物和挺水植物对TP和PO43--P的去除率差异不大，三者均显著高于CK。

注：同类处理不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3 讨论

有研究发现，人工湿地中水生植物的生物量与植物磷累积量存在显著相关[11-12]，水生植物只有在生物量增加时才能有效地吸收磷等营养物质[13]；黄菖蒲、千屈菜和美人蕉在富营养水体中生长具有优势，且生物量与其他植物相比都较高，其中美人蕉的长势最好，生物量高于黄菖蒲和千屈菜[12，14-17]。由于试验在夏季开展，植物在高温下叶片枯萎，故未计入总生物量，导致生物量涨幅不高。郑足红等[17]在研究狐尾藻、菖蒲和芦苇3种水生植物的净化效果时发现，狐尾藻生物量的增长远大于菖蒲和芦苇。刘海琴等[18]研究凤眼蓝、水浮莲、黄菖蒲和轮叶黑藻4种植物对富营养化水体的净化效果时发现，其生物量净增长率分别为550.5%、418.8%、210.6%和80.3%，凤眼蓝增长率显著高于黄菖蒲和轮叶黑藻，而轮叶黑藻的净增长率最小。黄菖蒲最后的鲜重变少是因为去除了其枯黄叶子，导致试验结束时其生物量偏低；而凤眼蓝对环境适应性高，生长势好，生物量增长最高。可见，植物内在的生长特性决定其对水体磷的移除效果[19]。

富营养水体的修复是一个重要问题。目前，对既具景观效果又具有一定适应性的美人蕉、千屈菜、黄菖蒲等挺水植物的研究很多，在众多的挺水植物中，美人蕉、千屈菜、黄菖蒲优异的除磷能力脱颖而出，其中，美人蕉的除磷效果优于千屈菜、黄菖蒲，但是由于试验条件不同其去除率为66%～98%[17，20-22]，同时美人蕉的除磷能力也优于凤眼蓝[20]，该试验结果也显示美人蕉除磷能力强于凤眼蓝。研究结果表明，不同植物对主要污染物TP的净化效果有较大差异，以金鱼藻的除磷能力最强，与刘足根等[19]的研究结果一致，与钱珍余等[21]研究不一致。在高浓度氮磷的极富营养水体中，金鱼藻对氮磷的吸收和耐受能力高于苦草[23]。罗虹[23]以沉水植物金鱼藻、菹草、黑藻和铁皇冠为研究对象进行研究发现，金鱼藻、黑藻和铁皇冠对总磷和磷酸盐均有较好的去除能力，金鱼藻对总磷去除率最高。与本试验结论一致，沉水植物中金鱼藻的除磷能力最强。

该研究中磷含量呈现高低起伏的动态变化，可能是因为当水体中磷含量高时，植物去除就强，反之则弱，当水体中氮磷含量变低时，植物枯叶或者微生物以及动物的分解能力就变强，以快速补给到水体中，供植物使用[24]，因此，植物具有净化能力，但净化效果可能是相对的。杨洪云等[25]研究发现，试验前期3个玻璃缸内TP浓度均不断下降，处理24 d时有个小高峰，之后又开始下降，千屈菜对TP去除率为86.8%，黄菖蒲为82.3%，空白对照为76.7%，较该研究的去除率高。徐恒戬等[22]研究发现，多数植物在前8 d对磷素有一个较快的吸收期，以后吸收能力逐渐减弱，在8～20 d时，水体中总磷含量逐渐稳定。与本试验结果较类似，TP下降的原因：可能是植物根系的沉积、吸收和附着作用，以及微生物的降解作用，均可使水体TP浓度降低，空白对照对TP的去除则主要依靠藻类的吸收和微生物的降解，水生植物及藻类通过自身的生长代谢可以大量吸收氮磷等水体中的营养物质[23]；水生植物对水体中总磷的去除主要是通过植物的吸收、沉淀、吸附作用和微生物固定等[24]。水生植物对水体中总磷的去除率显著高于对照，说明植物的吸收对水体中磷的去除有重要作用。当然，受试验条件所限，该研究在静水条件下进行，与自然条件存在一定差异。在自然条件下，由于水体具有流动性，水质中的氮、磷通过沉淀、底质吸附和微生物降解等其他作用可能会比在静水条件下大大增强。虽然在静水条件下的研究结果具有一定的局限性，但仍对水生植物在水体修复的应用中具有一定的参考价值。

4 结论

凤眼蓝和粉绿狐尾藻在富营养化水体中的长势较好，可以选择性应用在其他水生植物不易生长的富营养化水环境中。15种水生植物对TP均具有去除效果，均可以应用于富营养化水体的修复；紫叶美人蕉和金鱼藻对TP和PO43--P的去除率均达85%以上，在应用植物修复富营养化水体时，可以同时采用二者去除TP和PO43--P。3种生活型的植物中仅浮叶植物与沉水植物去除PO43--P时存在显著差异(P<0.05)，在水体富营养化修复中，沉水植物具有一定的去磷优势，可在富营养化水体中推广应用。