不同水生植物组合对富营养化水体中氮磷去除效果的研究

邢春玉 胡馨月 李景

(天津天狮学院，天津 301700)

水体富营养化是当今世界环境热点问题之一，工业废水、农业面源污染及生活污水的过度排放超过了河流、湖泊的可容纳量，导致水体中氮、磷元素超标，水体在短时间内迅速富营养化[1,2]。富营养化水体导致蓝藻爆发，给人类健康、工农业生产造成威胁。因此，如何有效控制水体中的氮、磷仍是当前亟待解决的水环境问题。富营养化水体修复可以采用物理、化学、生物方法[3,4]，其中植物修复技术具有成本低、效果好、美化环境等优势[5]。水生植物是水体生态系统中重要的组成部分，在众多的污染水体治理中，可以采用水生植物原位修复的方法[6,7]，其具有技术简单、成本低廉等优点，已成为国内外污染水体治理的研究热点。

水生植物对富营养化水体中氮磷的净化能力受自身生理特性的影响，不同种类的植物对污水的净化能力不同，单种植物和不同植物组合对水体的净化效果也存在差别[8]。因此，本研究选取分布广泛、净化效果好且具有一定观赏价值的水生植物进行组合，研究其对富营养化水体中总氮、总磷的去除效果，以及对水体pH、溶解氧的影响，同时监测水生植物生物量的变化，以期筛选出净化效果最佳的植物组合，为富营养化水体净化提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用水生植物：金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、黑藻(Hydrilla verticillata)、苦草(Vallisnerianatans)、穗状狐尾藻(Myriophyllum spicatum L.)；水鳖(Hydrocharis dubia(Bl.)Backer)、荇菜(Nymphoides peltatum(Gmel.)O.Kuntze)均购于水族市场。

采集海河富营养化水体，初始总氮含量为4.32mg·L-1，总磷含量为0.37mg·L-1，溶解氧含量为8.77mg·L-1，pH为9.65。

1.2 试验设计

选择长势良好的植物，构建不同植物组合的试验单元。植物组合分别为水鳖加金鱼藻、水鳖加苦草、苦草加穗状狐尾藻、荇菜加穗状狐尾藻。在16L培养桶中铺上一层经过反复清洗、高温灭菌后的河沙，将4个组合的水生植物分别种在培养桶中，每个培养桶中分别加入12L的富营养化水体，同时设空白对照。在光照强度为2000lx，光周期12L∶12D，平均温度为25℃的培养室内进行培养，每隔3d监测水体总氮(TN)、总磷(TP)、pH、溶解氧等指标变化，同时监测水生植物生物量、株高等指标的变化。

1.3 水质指标测定方法

TN的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP的测定采用钼酸铵分光光度法，溶解氧(OD值)的测定采用碘量法测定[9]。pH的测定采用PHS-3CW型pH计进行测定。

1.4 数据处理

采用SPSS 20进行数据分析，应用SigmaPlot 12.5进行绘图。水体中总氮、总磷去除率公式：

R=(S0-S)/S0

式中，R为去除率；S0为初始浓度；S为终浓度。

2 结果与讨论

2.1 水体指标的变化

2.1.1 不同植物组合对富营养化水体TN的影响

从图1可以看出，整个实验过程中4种不同水生植物组合所在水体中总氮与空白对照相比呈显著下降趋势(P<0.05)，4种水生植物组合对水体总氮均具有清除能力，差异不显著，对水体总氮去除贡献率分别为78.70%、73.84%、85.18%、86.57%。荇菜加穗状狐尾藻群落对总氮的去除贡献率最大，植物生长旺盛，自净能力较强，群落稳定性较好。

图1 不同植物组合处理总氮的变化

2.1.2 不同植物组合对富营养化水体TP的影响

由图2可知，4个植物组合所在富营养化水体中TP含量均有明显下降，对总磷的去除率分别为70.27%、83.78%、89.19%和81.08%。其中，苦草加穗状狐尾藻组合TP含量的去除效果最好，水体中TP含量由最初的0.37mg·L-1降低到0.06mg·L-1，去除效果尤为显著。

图2 不同植物组合处理总磷的变化

2.1.3 不同植物组合水体中溶解氧的变化

水体溶解氧含量的变化受水生植物与浮游藻类光合作用的共同影响，较高的溶解氧含量是水质得以改善的主要特征之一[10]。从图3可以看出，各处理中溶解氧含量均有升高，水质得以改善。浮叶植物的叶片大面积覆盖在水面，阻碍大气中氧气进入水体，不利于水体溶解氧的稳定。沉水植物通过光合作用产生氧气，将氧气释放到水体中，从而提高水体的溶解氧含量。水环境中溶解氧含量提高，可以促进氨氮进行硝化作用，转化为利于植物吸收的硝酸盐[11]。

图3 不同植物组合对水体溶解氧含量的影响

2.1.4 不同植物组合水体中pH的变化

从图4可以看出，与对照组相比，4个植物组合水体pH值下降明显，各个处理pH值相差不大，实验结束时pH值分别为7.36、7.67、7.35和7.57。在富营养化水体中由于浮游植物进行光合作用降低了水体中的CO2含量，导致水体pH升高。水生植物可以抑制藻类生长，从而使水体保持中性状态。

图4 不同植物组合水体中pH的变化

2.2 水生植物生长情况

图5、图6显示了4种植物组合中水生植物生物量及株高的变化。其中，苦草加穗状狐尾藻生物量净增量最多，为20.6%；其次为荇菜加穗状狐尾藻、水鳖加苦草，分别为16.7%、15.3%；水鳖加金鱼藻的净增量最低，为12.5%。通过结果分析得出，生物量增长较多的水生植物对氮、磷去除率相对较高，而增长量较低的植物对氮、磷去除率相对降低。这表明水生植物生物量增加与其吸收水体中氮、磷存在一定的关系[12]。

图5 不同组合植物生物量的变化

图6 不同组合植物株高的变化

3 结论

4种水生植物组合经过30d的培养，荇菜加穗状狐尾藻组对TN的去除能力最强，水体中的TN由4.32mg·L-1下降到0.58mg·L-1，其去除率达到86.57%。其它3个组合对TN的去除率由高到低依次为苦草加穗状狐尾藻、水鳖加苦草、水鳖加金鱼藻。

4种植物组合对水体TP的去除能力表现出差异。其中，苦草加穗状狐尾藻组合对总磷的去除率为89.19%，其它3个组合对总磷去除率依次为水鳖加苦草83.78%、荇菜加穗状狐尾藻81.08%、水鳖加金鱼藻70.27%。

培养30d后，4种植物组合所在水体pH均趋于中性，所在水体溶解氧均有一定程度增加，水生植物的生物量和株高有明显增加趋势，进一步说明水生植物可以吸收水体中氮、磷等营养物质从而起到净化水体作用。