湿地植物生长对去除富营养化水体总氮和硝氮的影响

梁玉婷，杨星宇，杨兰芳，李妮娅

(1.武汉市园林科学研究院， 湖北 武汉 430081； 2.湖北大学资源环境学院， 湖北 武汉 430062；3.武汉中科瑞华生态科技股份有限公司， 湖北 武汉 430063)

水体污染是当今世界面临的主要环境问题之一，也是环境污染的重要方面，其主要原因是人类活动导致水体氮磷等含量的增加[1].水体富营养化不仅导致水质恶化，破坏水生生态系统，改变其群落结构，产生有毒有害物质，破坏景观，也还影响人类生产、生活和健康[2].我国水体富营养化现象十分严重，城市及其周围湖泊与河流的富营养化尤其严重[3-4].对131个主要湖泊的调查研究发现已达到富营养化程度的湖泊占51.2%，对39个代表性水库的调查发现，达到富营养化程度的占30%[5].虽然当前有关富营养化水体的治理修复措施较多，主要可分为物理修复、化学修复和生物修复[6].但有的措施成本高，有的措施见效慢，有的措施技术要求高，从而导致这些措施在实践的应用受到一定限制，难以推广.利用植物吸收富营养化水体中养分，既满足植物的生长，美化环境，又能降低水体氮磷等养分含量，从而达到修复富营养化水体的效果.利用植物修复富营养化水体，操作简单，成本低廉，见效也比较快，是一种行之有效的技术[6-7].例如两年的实验表明，表面种草坪皮的废水处理系统对水体总氮的去除率分别为98.1%和99.1%，而没有植物的去除率仅为40.7%和31.3%[8].由于水体是个独特环境，不是所有的植物都适合在水体中生存，因此水体环境对植物生长有严格的限制.不同植物适应水体环境的能力不同，即使适应水体环境生存的植物，他们吸收转化水体营养物质的能力也不相同[9].如果要通过植物来修复富营养化水体，首先需要筛选大量适宜于水体生长的植物，然后需要认识这些食物的修复能力.本研究通过模拟不同类型的湿地植物生长对水体氮的去除效果，为推广富营养化水体的植物修复技术提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料本试验供试植物选用了挺水植物、浮叶植物和沉水植物3类湿地植物.其中挺水植物包括路易斯安娜鸢尾(紫鸢，Irishybrids‘Louisiana’)、紫叶美人蕉(Canna.warscewiczii)、矮生美人蕉(Cannaglauca‘Taney’)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、黄菖蒲(Irispseudacorus,)、雨久花(Monochoriakorsakowii)共6种，浮叶植物包括水鳖(Hydrocharisdubia)、凤眼蓝(Eichhorniacrassipes)、水罂粟(Hydrocleysnymphoides)共3种，沉水植物包括小茨藻(Najasminor)、粉绿狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、黑藻(Hydrillaverticillata)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)和苦草(Vallisneriaspinulosa)共6种.

供试水体为模拟富营养化水体，通过添加外源氮磷使水体水质为《国家地表水环境质量标准》中的Ⅴ类级别，即通过添加硝酸钾和磷酸二氢钾配制成总氮、总磷、硝氮、磷酸盐含量分别为1.933、0.497、1.643、0.477 mg L-1.

1.2 方法模拟实验用容器为70 L的塑料桶，上直径为49 cm，底部直径为38 cm，高为48 cm.每桶装模拟富营养化水50 L，每桶栽种供试植物500 g，以不种植物为对照，每种处理设置3次重复.种植挺水植物时，将塑料桶上固定一个铁丝网，然后将植物根系从网眼插入水体，将植株体用塑料绳固定在铁丝网上，以防止其倒伏，并保持整个根系淹没水里；种植浮水植物时，直接将植物苗放在水面；种植沉水植物时，在塑料桶底铺一薄层砾石，然后将沉水植物苗均匀地铺在上面.植物种植完毕后，再用记号笔在桶内壁标记水位的初始高度.整个试验在武汉市园林科学研究院的大棚中进行，每2 d用蒸馏水补充由于蒸发蒸腾而损失的水分至初始高度.

1.3 样品采集栽种植物时采集一次水样，作为0 d的水样，植物栽种后，每隔10 d采集一次水样，到栽种后第40 d结束采样.

1.4 化学分析水体总氮的测定用碱性过硫酸钾消化紫外分光光度法，水体总磷测定用过硫酸钾消化钼锑抗分光光度法，水体硝态氮的测定用紫外分光光度法测定[10].

1.5 数据处理所有数据用Excel 2007计算平均值、标准差和作图，用SPSS 19进行方差分析和多重比较，多重比较用LSD法，显著水平用0.05.

去除率的计算公式为：去除率=(初始浓度-采样时的浓度)÷初始浓度×100%.

2 结果

2.1 湿地植物生长对水体总氮去除效果

2.1.1 挺水植物生长对水体总氮的去除效果 图1可见，6种挺水植物生长都显著降低了水体的总氮浓度，随着生长进程增加，水体总氮浓度先显著降低，栽种植物20 d后降到最低，30 d时则上升，在40 d时，紫鸢、矮生美人蕉、千屈菜和雨久花中的水体总氮都显著下降，而紫叶美人蕉和黄菖蒲中的水体总氮却无显著变化.

图1 挺水植物生长对水体总氮含量的影响

从总氮的去除率来看(表1)，6种挺水植物的总氮去除率都是在栽种后20 d达到最高，而在栽种30 d时，总氮去除率反而降低，到栽种40 d时，总氮去除率除了紫叶美人蕉和黄菖蒲变化不显著外，其余4种植物均比30 d显著增加.栽种植物10 d后，以矮生美人蕉的去除率最高，其余5种植物之间无显著差异；栽种20 d后，以矮生美人蕉和千屈菜最高，显著高于其余4种植物，雨久花的去除率最低；栽种30 d后，以紫叶美人蕉和黄菖蒲的去除率最高，显著高于其余4种植物，以紫鸢尾的去除率最低，显著低于其余5种植物；栽种40 d后，以千屈菜和雨久花的去除率最高，显著高于其余4种植物，以紫叶美人蕉和矮生美人蕉最低，显著低于其余4种植物.

表1 挺水植物对水体总氮的去除率 %

表中数值表示为平均值±标准差，同栏数值后的不同小写字母表示不同植物之间的差异达到0.05的显著水平，下同

2.1.2 浮叶植物生长对水体总氮的去除效果 图2可见，3种浮叶植物生长下水体总氮浓度随着生长进程的变化趋势基本一致，先随生长进行而降低，20 d达到最低，30 d时水体总氮浓度又回升，40 d时再下降.

图2 浮叶植物生长对水体总氮含量的影响

由表2的去除率可见，3种浮叶植物的总氮去除率在栽种后10和20 d时，相互之间均无显著差异；在30 d时，凤眼蓝的去除率显著高于水鳖和水罂粟，水鳖与水罂粟之间无显著差异；在40 d时，三者之间的去除率差异显著，凤眼蓝>水罂粟>水鳖.凤眼蓝的总氮去除率以40 d时最高，而水鳖和水罂粟都是20 d时最高.

表2 浮叶植物生长对水体总氮的去除率 %

2.1.3 沉水植物生长对水体总氮的去除效果 图3表明，不同沉水植物生长下，水体总氮浓度随生长时间的变化不尽相同.小茨藻、黑藻和苦草的变化趋势基本一致，水体总氮浓度先下降，到20 d时到到最低，30 d时浓度增加，40 d时又降低，但是40 d的浓度均高于20 d时，而粉绿狐尾藻则是40 d时的浓度最低.狐尾藻生长下，水体总氮随生长时间先下降，但在20 d以后，水体总氮浓度基本稳定，20、30和40 d之间差异不显著.金鱼藻生长下，水体总氮浓度则随生长时间而下降，两者之间呈极显著的线性负相关.

图3 沉水植物生长对水体总氮含量的影响

表3表明，随生长时间的变化，不同沉水植物的总氮去除率变化不同.小茨藻、黑藻和苦草不同生长时间之间的去除率差异显著，均为20 >40 >30 >10 d.粉绿狐尾藻是40和20 d的去除率显著高于30和10 d，30 d又显著高于10 d.狐尾藻则是10 d的去除率最低，但20、30和40 d之间的去除率无显著差异.金鱼藻的去除率随生长时间而增加，去除率与生长时间呈显著的线性相关.表3还表明，栽种10 d时，狐尾藻和苦草的去除率最高，20 d时，小茨藻、粉绿狐尾藻、黑藻和枯燥的去除率之间无显著差异，但高于其他植物；30 d时，狐尾藻和金鱼藻的去除率最高；40 d时，金鱼藻的去除率最高，小茨藻的去除率最低.

表3 沉水植物的总氮去除率 %

如果将挺水、浮叶和沉水三类植物进行比较，图4可见，三类植物生长下，水体总氮随生长时间的变化趋势基本一致，水体总氮浓度在10和20 d时，三类植物之间无明显差别，在30和40 d时，沉水植物水体的总氮浓度要低于挺水和浮叶植物，而挺水与浮叶植物之间差异不明显.总氮去除率也是在10和20 d时，三类植物之间差异不明显，而在30和40 d时，沉水植物的去除率显著高于挺水和浮叶植物.

图4 挺水、浮叶和沉水植物生长下总氮浓度和去除率的差异

2.2 湿地植物生长对水体硝氮去除效果

2.2.1 挺水植物生长对水体硝氮去除的影响 表5可见，6种挺水植物生长下，水体硝氮的浓度随生长时间的变化趋势基本一致，总体上随生长时间而呈下降趋势.相关分析表明，除了紫叶美人蕉中硝氮浓度与生长时间呈显著的负指数相关外，其余5中植物中的硝氮浓度均与生长时间呈极显著的负指数相关.

表5 浮叶植物对水体硝氮的去除率 %

由表4挺水植物生长对水体硝氮的去除率可见，栽种10 d后，水体硝氮去除率均在60%以上，栽种20 d后，去除率都在80%以上.紫鸢、矮生美人蕉、千屈菜、雨久花都是40 d时的去除率最高，而20与30 d的去除率之间差异不显著.紫叶美人蕉和黄菖蒲在20 d时的去除率达到了95%，但20、30和40 d之间的差异不显著.在栽种10 d时，黄菖蒲的去除率最高，20 d时紫叶美人蕉和黄菖蒲的去除率最高，30 d时也是紫叶美人蕉和黄菖蒲的去除率最高，40 d时是紫叶美人蕉、千屈菜和黄菖蒲的去除率最高.

图5 挺水植物生长对水体硝氮含量的影响

表4 挺水植物生长对水体硝氮的去除率 %

2.2.2 浮叶植物对水体硝氮去除的影响 图6表明，3种浮叶植物生长下，水体硝氮浓度总体上随生长而降低，但凤眼蓝在30 d时，水体硝氮浓度有所增加.相关分析表明，水鳖生长下水体硝氮浓度与生长时间呈极显著的负指数相关，水罂粟生长下，水体硝氮浓度与生长时间呈显著的负指数相关，而凤眼蓝生长下，这种相关性不显著.

图6 浮叶植物生长对水体硝氮含量的影响

在浮叶植物对水体硝氮的去除率中，栽种10 d时，凤眼蓝的去除率最高，接近90%，20 d时也是凤眼蓝最高，30 d时水鳖最高，40 d时凤眼蓝和水罂粟显著高于水鳖，但二者之间差异不显著.随生长时间的延长，水鳖和凤眼蓝的去除率总体上呈增加的趋势，而凤眼蓝在30 d时，去除率反而有下降.

2.2.3 沉水植物对水体硝氮去除的影响 图7显示，在沉水植物生长中，虽然水体硝氮浓度总体上随生长时间而下降，但是不同植物变化趋势不同.小茨藻、黑藻和苦草均在30 d时，水体硝氮浓度有明显增加，而粉绿狐尾藻在20、30和40 d的水体硝氮浓度无显著差异.只有狐尾藻和金鱼藻的水体硝氮浓度随生长时间而一直下降.相关分析表明，在狐尾藻和金鱼藻生长下，水体硝氮浓度与生长时间呈极显著的负指数相关.而其余4种植物下的这种相关性均不显著.

图7 沉水植物生长对水体硝氮去除的影响

从沉水植物生长下水体硝氮的去除率(表6)来看，栽种10 d后，去除率达到85%～92%之间，20 d后的去除率在94%～96%，小茨藻、黑藻和苦草在30 d的去除率有所下降，但40 d时的去除率均在95.5%以上.在栽种10和20 d时，不同植物的去除率之间均无显著差异，30 d时，狐尾藻和金鱼藻的去除率最高，40 d时，狐尾藻、金鱼藻和苦草的去除率最高.

表6 沉水植物对水体硝氮的去除率 %

如果将挺水、浮叶和沉水植物各自平均后来比较3类植物的对水体硝氮的影响，图8表明，沉水植物去除水体硝氮的能力最好，他们之间的差异主要表现在栽种后10 d和20 d里，以沉水植物生长下水体硝氮最低，去除率最高，而在40 d时，三者之间差异不明显.

图8 挺水、浮叶和沉水植物生长下硝氮浓度和去除率的差异

3 讨论

氮是生命必需元素，也是农业生产中使用量最大的元素，而环境中多余的氮进入水体又会导致水体富营养化，从而使氮也成为一种环境污染元素.植物生长不能没有氮，利用植物生长来吸收水体的氮，既能满足植物氮素营养，又能净化水体，改善生态环境.因此利用植物来修复富营养化水体具有广阔的应用前景.

本实验结果表明，所用供试湿地植物都具有明显的去除水体氮的效果，在生长40 d里，对总氮的去除率在51%～99%，对硝氮的去除率在94%以上.Xing等[11]利用污水种植香蒲、浮萍和金鱼藻对总氮的去除率在75%～95%之间，对硝氮的去除率在46%～76%之间；Lu 等[12]水培凤眼蓝、水浮莲和狐尾藻在20 d里，总氮的去除率分别为87%、77%和77%；宋红等[13]水培5种水生植物14 d的总氮去除率为38%～70%之间；利用不同浓度梯度种植芦苇、香蒲、菖蒲和水葱对总氮的去除率在80%～94%之间[14].这些结果与本实验结果基本一致，说明利用湿地植物来去除水体中的氮是有效而可行的.

本实验中，对总氮的去除中，6种挺水植物以千屈菜的去除能力最强，三种浮叶植物以凤眼蓝的去除能力最强，6种沉水植物以金鱼藻和粉绿狐尾藻的去除效果好；三类植物相比较，沉水植物的总氮去除率显著高于浮叶和挺水植物.对硝氮的去除中，6种挺水植物以黄菖蒲的去除率最高，三种浮叶植物中水罂粟和凤眼蓝的去除率高于水鳖，6种沉水植物中狐尾藻、金鱼藻和苦草的去除效果好.蔡佩英等[15]研究7种水生植物对生活污水氮的去除效果表明，美人蕉对总氮的去除效果最好，凤眼蓝对氨氮的去除效果最好.研究4种水生植物对富营养化水体氮磷的去除效果发现，培养20 d后，轻度富营养化水体中以水田芥的去除效果最好，重度富营养化水体中以灯芯草的去除效果最好[16].比较5种绿藻的去除水体氮的能力发现，虽然所有供试藻类都有很好的除氮效果，但是以绿球藻和凯氏拟小球藻去除速率优于其他藻类[17].在生物滞留带种植黄菖蒲、美人蕉和千屈菜表明，对总氮和硝氮的去除效果以美人蕉最强[18].利用浮床技术种植美人蕉、千屈菜、黄菖蒲、空心菜和水稻表明，空心菜对稻田退水中总氮的去除率最高，其次是美人蕉[19].本实验结果与上述研究结果都表明，植物类型不同，对水体氮的去除能力不同.因此研究不同植物的去氮能力，对于筛选出高效的去氮植物，提高植物修复水体的效率是十分必要的.当然植物的去氮效果还与水体污染的水平[20-21]、种植密度[22]和不同植物的组合种植模式[23-25]有关.

本实验结果还表明，随着植物生长时间的进程，水体总氮的浓度及其去除率的变化趋势与水体硝氮的浓度及其去除率的变化趋势不相同.在本实验的40 d里，除金鱼藻生长下水体的总氮浓度随生长时间呈下降趋势外，其余植物水体总氮浓度随生长时间先下降，在30 d时却又有回升，40 d时再下降，20 d的总氮去除率也显著高于10 d和30 d；而水体硝态氮的浓度基本上都是随生长时间而降低，只是开始10 d的降低幅度最大；按植物类型来看，挺水植物、浮叶植物和沉水植物的总氮去除的差异主要表现在生长后期，即40 d时最显著，而对硝态氮去除的差异主要表现在生长前期，即10 d的差异最显著.一般认为，植物对水体氮的去除中，植物同化的贡献最高，同时赋存的氮素以同化-矿化-释放的顺序转化[26].硝氮属于无机氮，植物可直接吸收同化为植物本身的有机氮，因此其浓度随植物生长时间延长而降低.植物在水体中生长到一定时间后，由于残体的枯萎、根系的脱落以及根系向水体释放有机物质，这些物质都或多或少含有氮，就相当于植物向水体释放氮，从而导致水体总氮的回升.由于植物释放的氮多以有机氮为主，而水体本身属于还原环境，植物释放出的有机氮一般难以进行硝化作用而转化为硝态氮，同时水体硝态氮一方面容易被植物吸收，另一方面会因为还原环境而进行反硝化转为其他形式的氮，所以水体硝态氮含量会随时间而下降，不会回升.由于总氮的去除率基本上都在20 d最高(金鱼藻除外)，硝氮的去除率也在20 d时超过80%，因此从对水体氮的去除效率来看，在条件允许的情况下，采用短期种水生植物或者在植物枯萎前提前收获是一种去除水体氮的高效措施.水培植物根垫技术也表明，在植物枯萎前提前收获植物更有利于去除水体氮和维持系统的可持续性[27].本实验中，同种或同类型植物相比较，植物对硝氮的去除率总体上高于对总氮的去除率，主要原因硝氮容易被植物吸收利用，另外水体本身是还原环境，而植物在水体中生长时的根系分泌物会作为碳源或信使物质促进水体微生物反硝化脱氮[28].

4 结论

1)供试水生植物具有较强的去除水体氮的能力，因植物类型和生长时间的不同，总氮和硝氮的去除率最高可达99%.

2)植物对总氮和硝氮的去除率都是沉水植物>浮叶植物>挺水植物，但是三类植物总氮去除率的差异在后期，硝氮去除率的差异在前期.

3)供试植物总体上对水体硝氮的去除率高于对总氮的去除率，水体总氮浓度随植物生长时间呈下降-升高-下降的变化趋势，硝氮的浓度则随生长时间呈下降趋势.

4)由于供试植物对总氮的去除率在20 d最高，均在75%以上，对硝氮的去除率在20 d时也都在83%以上，在此采用短期种植水生植物技术来去除水体氮是一种行之有效的措施.