北京市典型挺水植物净化能力研究

2022-08-01梁晶赵福荣徐勤涛张梦丹吕玟萱

区域治理 2022年32期

梁晶，赵福荣，徐勤涛，张梦丹，吕玟萱

1.北京金都园林绿化有限责任公司；2.北京林业大学水土保持学院

富营养化水体中过高的氮磷含量容易诱发藻类大量繁殖，导致水体含氧量低，造成水生生物大面积死亡，使得水体污染、水资源短缺问题进一步加重[1]。水生植物凭借净化水体效果好、无污染、成本低等优点，在治理城市景观水体中备受青睐[2]。其中挺水植物不仅具有良好的净化效果，还能起到美化环境的作用[3]。杨帆等[4]选用10种水生植物在劣V类水质条件下进行室内静水实验，结果表明水葱、芦苇、菰和千屈菜的净化效果最好；李斌等[5]运用综合评定法发现紫芋、水生美人蕉和水葱的综合效果较好，芦苇较弱。可见不同研究者在不同地区、不同污染浓度条件下，得到的挺水植物净化水体能力有较大差异。因此，精确量化挺水植物的净化效果，筛选出具有良好净化效果的挺水植物是治理富营养化水体的关键。

本研究在调查北京市公园后发现，部分公园水体水质富营养化严重且植物种类丰富度较低。为此，本试验选择北京市内6种挺水植物进行水质净化试验，通过监测挺水植物形态指标变化以及对污染指标的去除效果，筛选净化效果良好的挺水植物，以期为城市景观水体工程构建和富营养化水体的生物治理提供参考。

一、材料与方法

（一）试验材料

试验植物为北京市公园6种挺水植物—菖蒲（Acorus calamus L.）、水葱（Scirpus validus Vahl）、芦苇（Phragmites australis (Cav.)Trin.ex Steu）、再力花（Thalia dealbata Fraser）、紫芋（Colocasia tonoimo Nakai）、黑三棱（Sparganium stoloniferum (Graebn.) Buch.-Ham.ex Juz），6种挺水植物皆购自北京水生植物苗圃基地。试验前先将6种挺水植物在自来水中静水培养一周。

试验供试用水根据前人文献关于富营养化等级分级表[6]，按照霍格兰营养液配置TN浓度（12.6 mg/L）、TP浓度（1.5 mg/L）、NH3-N浓度（5.5 mg/L）、COD浓度（100 mg/L）的严重富营养化供试水体。

（二）试验方法

试验于2020年9月在北京市东北旺苗圃进行，试验容器为长×宽×高=60cm×80cm×60cm的方形培养桶。培养桶内先铺上10cm厚的细沙，再将自行配置的富营养化水体加至15cm处并标记好水位线，最后在每个塑料桶内栽植初始生物量为500g左右的成熟苗。6种植物各设3个重复，同时设3个无植物的空白对照，共计21个试验桶。栽植试验植物后每2天取一次水样，10天后每5天取一次水样，共计25天，在早上9点左右取样。试验期间通过添加蒸馏水至标记水位线补充水分。

试验前后测量每个处理组中挺水植物的根长、株高与生物量，二者之间的差值即为每种挺水植物的根长增量、株高增量与生物量增量。

试验期间采用的水样按照《水和废水监测分析方法》（第四版）[7]中的测定方法进行测定。

（三）数据分析与处理

运用隶属函数值法[8]综合评价挺水植物在富营养化水体中的净化效果并对其进行排序。

运用EXCEL 2016、SPSS 25、Origin 2018进行数据处理与分析及绘图。

二、结果与分析

（一）挺水植物对污染指标净化能力比较

结合图1挺水植物对污染标的去除率可知，试验结束时挺水植物组的净化效果明显优于无植物对照组，挺水植物对总氮的去除率为89.53-96.51%，高出对照组22.49%-24.97%，其中菖蒲的去除率高于其他挺水植物。

试验结束后6种挺水植物对氨氮的去除率为94.5-97.58%，高出对照组18.78-21.84%，其中黑三棱对氨氮净化效果最好，紫芋净化效果最差。

根据图1可知，6种挺水植物对总磷的去除效果极好，去除率在96.66%-99.19%之间，高出对照组24.03-26.56%。

试验结束后6种挺水植物对化学需氧量的去除率在76.72-90.35%之间，高出对照组18.78-21.84%。其中菖蒲对化学需氧量去除率最高，紫芋最低。

（二）挺水植物形态指标变化与污染指标去除率间的相关性

由图2可知挺水植物株高、根长、生物量等均有显著增加。生物量变化是判定植物是否具有良好去污能力的重要指标，6种挺水植物中再力花在生物量增量上具有显著优势，而紫芋生物量增量最低；再力花和水葱具有极强的生长能力，株高增量具有显著优势；菖蒲、再力花和芦苇具有极强的生根能力，在根长增量上具有显著优势。成活率能反映植物在富营养化水体中的适应能力，其中菖蒲、再力花适应性最好，成活率为100%，水葱成活率为90%，黑三棱成活率为80%，芦苇因为遭受病虫害缘故，成活率仅为67%，紫芋成活率为50%。

（三）挺水植物净化能力分析

以挺水植物的净去除率、生物量的变化量以及达到《国家地表水环境质量标准》V类水标准的时间，进行隶属函数值分析。由表1可知菖蒲、再力花是净化效果最好的植物，紫芋净化效果最差。菖蒲的净化效果最好，最适合公园推广种植，再力花净化效果仅次于菖蒲且自身具有较高的观赏价值，可以推广种植，进一步增加公园内水生植物多样性，使得公园湖泊生态系统更加稳定。芦苇对污染指标具有较快的净化速率，能将污染水体在较短时间内达到规定水质量标准。黑三棱具有药用经济价值，在收割黑三棱时不仅能带走水体中的氮磷还可以作为药物二次利用，可以选择性种植。

表1 挺水植物净化能力排序

三、讨论

依靠挺水植物直接吸收水体中的氮磷、微生物吸收利用及自然沉淀作用，水体中氮磷浓度下降明显[9]。挺水植物将所吸收的氮磷转换为可供利用的有机物以供自身生存生长的需要，并将剩余部分再存储在植物有机体内，作为备用营养物质。所以当挺水植物到达衰老期后应尽快对挺水植物进行收割，以除去水体中的氮磷，并防止造成水体的二次污染。

水体中的氨氮在pH低于8.5时，其挥发途径可以不考虑在内[10]，在本研究中水体的pH值始终保持在8.5。所以本试验中氨氮的去除途径主要为微生物作用与植物作用。依靠微生物的硝化作用与植物根系吸收，使得水体中氨氮含量快速下降，达到去除水体中氨氮含量的效果[11]。

挺水植物根部的呼吸作用，为水体中微生物的生命活动形成了便利条件，其庞大的根系为微生物的附着提供条件，在根系周围为微生物提供了生活环境，促进微生物吸收水体中的有机物质，而植物根系则吸收利用微生物降解后的有机物质，最终达到去除化学需氧量的目的[12]。

6种挺水植物中菖蒲、再力花的净化能力最强，这与前人研究[4,13]大体一致，但与张倩妮等[14]人的研究有些出入。张倩妮研究发现芦苇在所有植物中的净化能力最强，而本试验发现菖蒲、再力花的净化能力强于芦苇。分析认为芦苇在试验中期遭受病虫害导致部分芦苇苗枯萎、长势不佳。菖蒲对氮、氨氮与化学需氧量的净化效果最好，适合净化以氮污染为主的水质，黑三棱对磷的净化效果最好，适合净化以磷污染为主的水质。

以上可见，除植物吸收外，微生物降解作用在净化富营养化水质中扮演重要作用。菖蒲、再力花主根大且细根多，形成较为庞大的根系网络，生物量增加明显，给微生物创造生活生存的环境，植物吸收作用与微生物作用相辅相成，极大地降低了水体中污染指标的浓度。紫芋在试验结束时或许因为成活率低等原因导致整体净化效果不佳。芦苇对氮、磷、氨氮、化学需氧量的净化速率最快，在最短的时间达到《国家地表水环境质量标准》中的V类水标准，这与芦苇的通气组织发达有关[15]，使得芦苇根部与其他挺水植物相比获得更多的氧气，比其他植物更早地繁殖微生物，短时间内形成稳定的微生物群落，从而提高芦苇净化速率。