3种水培植物对高氮磷水体的耐受性及去除效果

2021-12-09万蕾黄亚惠于箐

江苏农业科学 2021年21期

万蕾黄亚惠于箐

摘要：以吊兰[Chlorophytum comosum （Thunb.） Baker.]、慈姑（Sagittaria trifolia var. sinensis）、銅钱草[Hydrocotyle chinensis （Dunn） Craib]3种水培植物为研究对象，分析其在室内水培条件下，在高氮、磷浓度（实测NO-3-N浓度为41.40 mg/L，PO3-4-P浓度为3.55 mg/L）水体和中高氮、磷浓度（实测NO-3-N浓度为 19.09 mg/L，PO3-4-P浓度为1.80 mg/L）水体中的根长、茎长和叶片叶绿素a含量的变化情况，以及对氮、磷的去除率。结果表明，铜钱草对高氮、磷浓度的耐受性较好，吊兰次之，慈姑对高氮、磷浓度的耐受性较差。在高浓度氮、磷组，氮的去除率表现为吊兰>铜钱草>慈姑，而在中高浓度氮、磷组，对氮的去除率表现为铜钱草>吊兰>慈姑;在高氮、磷浓度组，3种植物对磷的去除率表现为铜钱草>吊兰>慈姑，在中高氮、磷浓度组，对磷的去除率表现为铜钱草>慈姑>吊兰。水生植物在生长状态不佳的情况下，对氮、磷的吸收去除能力肯定较差，而在生长状态较好的情况下，对氮、磷的吸收去除能力不一定强。研究结果为水体富营养化或黑臭水体的治理提供了参考，为水生植被的恢复提供了借鉴。

关键词：水培植物;高浓度;氮;磷;耐受;去除率

中图分类号： X52 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）21-0235-06

收稿日期：2021-03-02

基金项目：江苏省高等学校自然科学研究重大项目（编号：19KJA580002）。

作者简介：万蕾（1981—），女，山东烟台人，博士，副教授，主要从事水环境污染防治与生态修复方面的研究。Tel：（0516）83290571;E-mail：hjwanl@163.com。

当前，水体富营养化已经成为全球性的水环境污染问题，目前我国约有70%的湖泊受到了不同程度的污染，多数湖泊出现了不同程度的富营养化。不仅仅是湖泊，一些流动性较差的河流也出现了富营养化问题，甚至是黑臭现象。近年来，富营养化水体的治理技术日趋成熟，主要有应急除藻技术，包括絮凝沉淀、机械打捞、投加杀藻剂等[1-3]，以及控污截源、生物调控等长期措施[4-6]。其中生物调控措施包括水生植被恢复、生物操纵、投加微生物制剂等。近年来，我国的水生植被恢复存在一个误区，即不管本底条件如何一律栽花种草，希望通过水生植物的净化作用来去除水体中的污染物。因此，前人的研究大多集中在水生植物对污染水体中氮、磷、有机物或是藻类的去除效果上[7-10]，示范工程的应用也是几种治理技术的盲目集成，耗费了大量人力、物力和财力，对富营养化水体的治理效果不理想，甚至出现短期或局部由于水生植物的腐烂加重造成的水体污染现象。

恢复水生植物的前提条件是必须创造适合植物生长的水体环境。关于大型水生植物适宜的生存环境特别是营养盐阈值的研究较少。在水生植物对营养元素的耐受性方面，与浮水植物相关的主要是万志刚等通过研究6种水生维管束植物在人工培养条件下对不同浓度氮、磷元素培养液的耐受性，发现凤眼莲（水葫芦）对氮、磷元素的耐受性最高，当水体中氮浓度达到1 514. 26 mg/L时死亡，当水体中磷浓度达到200.4 mg/L时死亡，对水体中氮耐受性最差的是浮萍、水鳖，对水体中磷浓度耐受性最差的是水鳖[11]。在挺水植物方面，黄丹萍等在水培条件下观察3个浓度梯度的氮、磷污水对菖蒲胁迫后的根系释氧、通气组织的变化规律发现，高氮、磷浓度（N：120 mg/L，P：12 mg/L）胁迫明显抑制了菖蒲株高、根系长度的生长，从而减少植物根系数量[12]。在沉水植物方面，刘少博等研究了狐尾藻在生态湿地系统对高铵态氮的耐受及氮、磷吸收能力，结果表明，NH+4质量浓度达到420 mg/L时，茎高、生物量生长速率分别仅为对照的27.4%、17.9%，植物受到严重胁迫，生长受阻甚至死亡[13];熊剑等研究发现，金鱼藻在硝态氮浓度达到10～30 mg/L 时仍可生长，但是会抑制其生长，从而导致生物量降低，随着浓度升高，会导致金鱼藻叶片脱落更加严重[14]。关于营养盐对水生植物生长的影响机制研究一直存在分歧[15]。总之，营养盐浓度是大型水生植物生长的胁迫因子之一，但不是限制其生长的关键因子，在一定范围的营养盐浓度下，水生植物具有较高的耐受性，其生长过程不会受到显著影响，但要保证水生植物的正常萌发、生长，水体营养盐浓度存在上限阈值，该阈值与水生植物的类型、水生植物的生长阶段有关。

本研究分析了吊兰[Chlorophytum comosum （Thunb.） Baker.]、慈姑（Sagittaria trifolia var. sinensis）、铜钱草[Hydrocotyle chinensis （Dunn） Craib]3种水培植物在浓度较高的有机物、氮、磷营养水平下的生长状况及对氮、磷的去除效果，以期为水体富营养化或黑臭水体的治理提供参考，并为水生植被的恢复提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用水取自校园景观湖，静置后取上清液，测定其NO-3-N、PO3-4-P及CODMn浓度，通过投加葡萄糖、硝酸钾和磷酸二氢钾以配制不同浓度的营养液，其实测浓度见表1。试验装置为长方形塑料水槽，尺寸为27 cm×20 cm×10.5 cm，试验用水约为5 L。选取生长良好的植物，洗净根部后用泡沫板固定，直接放置在水槽上方，每个水槽种植3株体积相近的吊兰或慈姑，铜钱草种植量为水槽平面面积的50%左右，3种植物的初始净生物量相近。

1.2 分析方法

试验开始后，每5 d取50 mL水样，测定NO-3-N、PO3-4-P的浓度。随机取多片植物叶片，测定叶绿素a含量，并且测定植物的株高、根长，取平均值后进行分析。每天补充原水，保证培养液总体积不变。其中NO-3-N、PO3-4-P、CODMn浓度的测定参照《水和废水监测分析方法（第四版）》，叶绿素a含量的测定参照《植物生理学实验指导（第三版）》。本试验从2019年7月1日开始，8月9日结束，共计40 d，后期由于室内气温过高，停止试验。每组试验设置2个平行样，取其平均值进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同水培植物对高氮、磷水体的耐受情况

2.1.1 3种水培植物根长变化情况植物的根部是直接接触培养液的部位，由图1可以看出，试验组1（高氮、磷组）的慈姑根长一直在减小，说明该氮、磷浓度不适合慈姑生长，并且在7月20号以后出现明显烂根现象，因此试验在第20天后停止;试验组2（中高氮、磷组）的慈姑前期根长增长明显，第20天后也呈现萎缩、减少的趋势，第30天后出现明显烂根的情况，试验周期为30 d。吊兰在试验组1（高氮、磷组）经历了10 d的适应期后，根长逐渐增长，第25天以后呈现萎缩，缓慢变短;而在试验组2（中高氮、磷组），前期根长呈现波动缓慢增长的趋势，第30天以后明显变短，试验组1的根长大于试验组2的根长。铜钱草的根长变化与慈姑、吊兰不同，前期经历了较长时间的适应期，第25天以后，试验组1 （高氮、磷组）和试验组2（中高氮、磷组）的根长都明显增大，试验组2（中高氮、磷组）的根长比试验组1 （高氮、磷组）的根长长25%以上。

2.1.2 植物茎长变化情况从图2可以看出，慈姑在高氮、磷浓度条件下，茎长一直呈减少趋势，而在中高氮、磷浓度下则呈缓慢增加的趋势。吊兰的茎长变化规律在试验组1与根长的变化规律基本一致，试验第25天之前呈增加趋势，第25天以后呈明显减少的趋势;而试验组2在前期（试验15 d之前）有减少的趋势，后期缓慢增长，试验组1的茎长大于试验组2。铜钱草茎长的变化规律与慈姑、吊兰不同，2个试验组的茎长在试验10 d之前都呈下降趋势，可以看作存在1个适应期，试验10～20 d都呈增加趋势，而且试验组1的茎长比试验组2长10%左右，但在试验后期（1个月以后），试验组2的茎长明显呈增加的趋势，而试验组1的茎长则明显减少。

2.1.3 植物叶片叶绿素a含量的变化从图3可以看出，试验前5 d，3种水培植物的叶绿素a含量都有不同程度的下降，第10天以后基本呈增加趋势，并且试验组2的植物叶片叶绿素a含量均高于试验组1。对于慈姑而言，虽然在试验第15天时叶绿素a含量有升高的趋势，但在试验组1在第20天时叶绿素a含量明显减少，第25天時发现明显烂根，没有测量;而试验组2的慈姑在试验第20天时的叶片叶绿素a含量达到最大值，之后开始逐渐减少。对于吊兰而言，试验组1的叶绿素a含量在试验第25天以后出现减少趋势，而试验组2的叶绿素a含量在第35天后明显升高，至试验结束时，达到3.25 mg/g，试验组1低于试验组2。相比于慈姑、吊兰，试验组1铜钱草的叶片叶绿素a含量在前期没有明显下降，在试验结束时的叶绿素a含量与试验初期相当，并且在试验后期呈现增加的趋势;而试验组2的慈姑同样在第30天后明显升高。在试验后期，不同试验组的铜钱草的生长情况见图4，可以看出，试验组2的铜钱草的生长情况明显好于试验组1。

2.2 不同水培植物对高氮磷的去除能力

2.2.1 氮浓度的变化情况从图5可以看出，3种水培植物对NO-3-N的去除能力差别较大。试验组1的慈姑培养液的氮浓度一直呈增加的趋势，结合植物的生长情况分析可知，40 mg/L氮浓度已经不利于慈姑生长，而试验组2的慈姑培养液中的氮浓度缓慢下降，至试验结束时（30 d），对氮的去除率为50.55%。试验组1的吊兰氮浓度在前期下降较快，第15天以后变化趋势变缓，第30天以后至试验结束时，氮浓度基本保持不变;试验组2的吊兰氮浓度在第15天之前呈现波动，而第15天以后快速减少，至试验结束时，氮质量浓度的去除率为64.90%。铜钱草在试验组1中的氮浓度在前20 d下降较快，第20天以后下降趋势明显变缓，甚至在后期有升高的趋势;试验组2的氮浓度一直减少，至试验结束时，氮浓度的去除率为71.33%。在氮、磷高浓度组，吊兰对氮的去除率高于铜钱草，而在中高浓度氮、磷处理组，铜钱草对氮的去除率高于吊兰。

2.2.2 磷浓度的变化情况从图6可以看出，慈姑培养液中PO3-4-P浓度的变化规律与氮相似，不同的是，试验组2的磷浓度始终较低。在吊兰试验组1中，磷浓度在第5天后基本呈增加趋势，试验组2的磷浓度在第15天以后也有增加的趋势，30 d后有减少的趋势。在试验组1中，铜钱草中磷浓度在第15天之前基本不变，第25天以后呈下降趋势，而且始终较低，至试验结束时，去除率为86.70%;在试验组2中，磷浓度一直呈现缓慢下降的趋势，至试验结束时，去除率为99.0%。总体来看，在高氮、磷组，3种植物对磷的去除率表现为铜钱草>吊兰>慈姑;在中高氮、磷组，3种植物对磷的去除率表现为铜钱草>慈姑>吊兰。

3 讨论与结论

3.1 植物生长状况与氮、磷净化效果的关系

通常认为，植物的生长状态越好，其对水体中氮磷的吸收能力越强。由表2可以看出，无论是试验组1还是试验组2，慈姑的植物生长状况与其对氮、磷去除率的相关系数总体较吊兰、铜钱草高，尤其是在试验组1中，慈姑对NO-3-N的去除率与根长、茎长和叶绿素a含量的相关系数（r）均大于0.7，而吊兰和铜钱草对NO-3-N的去除率与根长、茎长和叶绿素a含量的相关系数均较小，尤其是铜钱草甚至出现多个弱负相关。由此可以看出，在试验组1中，慈姑的生长状况最差，而吊兰、铜钱草在试验组1的试验期内没有腐烂，在试验组2的条件下生长状态较好，说明水生植物在生长状态不佳的情况下对氮、磷的吸收去除能力较差，而在生长状态较好的情况下，对氮、磷的吸收去除能力不一定强。推测其原因，可能与不同植物对氮磷的耐受程度不同有关，对氮磷耐受能力强的植物，能够在高浓度氮、磷条件（即逆境条件）下清除体内的过氧化氢，维持体内的活性氧代谢平衡，保护膜结构，从而在一定程度上忍耐、减缓或抵抗逆境胁迫，阻止水体中高氮、磷浓度对植物组织的损害[16-18]。由此可见，即使在高浓度氮、磷条件下能够正常生长的植物，其对氮、磷的吸收去除能力不一定强。

3.2 不同水生植物净化效果的比较

不同水生植物对氮、磷的耐受程度不同，对氮、磷的去除能力也不同。关于慈姑净化富营养化水体方面的研究，不同学者的研究结果差异较大，高丁梅等认为，慈姑对磷的去除效果较其他几种植物突出[19-22]。而付晓云等认为，慈姑对污水的净化能力不如水花生、菖蒲等植物[23-24]。关于铜钱草的研究，也有研究者认为，铜钱草对总氮的吸收能力较好[25-26]，而余红兵等认为，在5种水生植物中，水生美人蕉吸收的氮、磷量最高，而铜钱草吸收的氮、磷量最低[27]。这与不同研究者的试验条件如气温、容器高度、植物初始状态、进水方式、是否有底泥以及生物量大小、培养液的初始浓度等有关，因此很难将水生植物对氮、磷的吸收能力进行简单的排序，只能在特定条件下进行比较。慈姑虽然主要分布在我国的华东、华南一带，但是从慈姑的生长周期可以看出，过高的温度不适宜慈姑生长。从本研究结果也可以看出，慈姑的生长状态不好，对氮、磷的净化能力不如吊兰和铜钱草，可能与试验期间气温过高及容器高度过低有关，需要改进试验装置及在春秋季进行进一步研究。

对于富营养化或黑臭水体的治理，需要因地制宜，在充分调查本底条件及当地物种的前提下，结合当地的气候特征及水体营养盐浓度、底质条件、坡岸条件等筛选适应能力强、对氮磷吸收效果好的水生植物。对于前人的研究成果可以借鉴，但不能一刀切，需要具体问题具体分析。从本研究的分析中可以看出，慈姑的根系较长，在高氮、磷组的生长状态明显较差，可以种植于水深较深的岸边带或用于浮床植物，在一般的富营养化水体中可以正常生长，并且有一定的净化效果。而铜钱草根系较短，只能种植于水深较浅的岸边带，但其耐污能力很强，可种植于生活污水排污口区域附近，特别是老旧城区直立坡岸的城市景观河道的排污口附近水域，可以有效截留进入河道的氮磷污染物。吊兰对氮的去除能力较强[28]，可以与慈姑、铜钱草搭配种植，提升景观功能并提高污染水体修复效果。

本研究分析了慈姑、吊兰、铜钱草3种水培植物在2组浓度较高的氮、磷营养水平下，其根长、茎长及叶片叶绿素a含量的变化情况，同时分析了其对氮、磷的去除效果。结果显示：（1）在试验条件下，铜钱草对高氮、磷浓度的耐受性较好，吊兰次之，慈姑对高氮、磷浓度的耐受性较差。慈姑在高氮、磷浓度组20 d以后出现明显烂根，中高氮、磷浓度组在20 d以后生长状况持续变差，根长和茎长变短，叶片叶绿素a含量下降。吊兰在高氮、磷浓度组经历了适应期后，前期根长、茎长、叶绿素a含量升高，25 d以后生长状态开始变差;高氮、磷浓度组的根长、茎长大于中高氮、磷浓度组，但叶绿素a含量低于中高氮、磷浓度组。铜钱草在经历了适应期后，2个试验组的根长、叶绿素a含量呈缓慢增长的趋势，高氮、磷浓度组的茎长在25 d以后呈减少趋势，至试验结束时，中高氮、磷浓度组的根长、茎长、叶绿素a含量均高于高氮、磷浓度组。（2）在高浓度氮、磷组，3种植物对氮的去除率表现为吊兰>铜钱草>慈姑，而在中高浓度氮、磷组，3种植物对氮的去除率表现为铜钱草>吊兰>慈姑;在高氮、磷浓度组，3种植物对磷的去除率表现为铜钱草>吊兰>慈姑，在中高氮、磷浓度组，3种植物对磷的去除率表现为铜钱草>慈姑>吊兰。（3）通过分析3种水培植物根长、茎长及叶片叶绿素a含量与氮、磷去除率相关关系发现，水生植物在生长状态不佳的情况下，对氮、磷的吸收去除能力较差，而在生长状态较好的情况下，对氮、磷的吸收去除能力不一定强。（4）不同水生植物对氮、磷的吸收去除能力不同，只能在特定条件下进行比较。慈姑可以种植于水深较深的岸边带或浮床载体上，铜钱草可以种植于景观河道的生活污水排污口附近，吊兰可以与慈菇和铜钱草搭配种植，从而提升景观功能，提高污染水体的修复效果。

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