植物组合对模拟高浓度氮磷污水净化效果

梁玉婷　王雨晗　汪婷　孙宏兵

摘要［目的］为了营造美观稳定且具有净化氮磷能力的植物群落。［方法］采用2种沉水植物+1种浮水植物+3种挺水植物构建成3个植物群落浮床［组合Ⅰ.沉水植物（穗花狐尾藻+金鱼藻）+浮水植物（凤眼蓝）+挺水植物（千屈菜+菖蒲+花叶美人蕉），组合Ⅱ.沉水植物（穗花狐尾藻+金鱼藻）+浮水植物（凤眼蓝）+挺水植物（千屈菜+菖蒲+苹），组合Ⅲ.沉水植物（穗花狐尾藻+金鱼藻）+浮水植物（凤眼蓝）+挺水植物（千屈菜+菖蒲+绿叶美人蕉）］，测定种植不同植物群落的人工浮床对模拟水体中TN、TP去除效果以及DO、pH和EC的变化。［结果］植物组合去除富营养化水体中的氮明显高于对照，植物组合对水中TN有较好的去除效果，均不低于70.59%，组合Ⅲ对TN的去除效果最好，去除率为97.46%。植物组合可以明显去除水体的磷，植物组合对水中TP的去除率是28.13%～66.05%。植物组合可以明显改变水体的pH、DO含量和EC；植物组合与CK的pH均呈增加趋势；DO含量在试验结束时均减少。［结论］植物组合能移除高浓度氮磷的富营养化水体，改善水体物理指标，可以用来处理含氮水平较高的污染水体。

关键词 植物组合；氮磷；去除；凈化

中图分类号 X703 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）06-0044-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.013

Purification Effect of Plant Combination on Simulated High Concentration Nitrogen and Phosphorus Wastewater

LIANG Yu－ting，WANG Yu－han，WANG Ting et al

（Wuhan Academy of Landscape Sciences，Wuhan，Hubei 430000）

Abstract ［Objective］To create a beautiful and stable plant community with the ability to purify nitrogen and phosphorus.［Method］Two submerged plants+one floating plant+three emergent plants were used to construct three floating beds of plant communities［Combination Ⅰ.Submerged plants（Myriophyllum verticillatum+Ceratophyllum demersum）+floating plants（Eichhornia crassipes）+emerging plants（Lythrum salicaria+Acorus calamus+C.×orchioides），Combination Ⅱ.Submerged plants（Myriophyllum verticillatum+Ceratophyllum demersum）+floating plants（Eichhornia crassipes）+emerging plants（Lythrum salicaria+Acorus calamus+Marsilea quadrifolia），Combination Ⅲ.Submerged plants（Myriophyllum verticillatum+Ceratophyllum demersum）+floating plants（Eichhornia crassipes）+emerging plants（Lythrum salicaria+Acorus calamus+C.×generalis）］，the removal effects of TN，TP and the changes of DO，pH and EC in the simulated water body by artificial floating beds planted with different plant communities were measured.［Result］The removal of nitrogen in eutrophic water by plant combination was significantly higher than that of control.The plant combination had a better removal effect on TN in water，which was more than 70.59%.The combination III had the best removal effect on TN，which was 97.46%.The plant combination could obviously remove phosphorus from water.The removal rate of TP in water by plant combination was 28.13%～66.05%.The plant combination can significantly change the pH，DO and EC of the water body.The pH of plant combination and CK increased;DO decreased at the end of the test.［Conclusion］The plant combination can remove the eutrophic water body with high concentration of nitrogen and phosphorus，improve the physical indexes of water body，and can be used to treat the polluted water body with high nitrogen level.

Key words Plant combination;Nitrogen and phosphorus;Remove;Purify

水体富营养化是指由于水体中氮磷等元素过多而引起水体污染的现象。常见的治理富营养化水体的措施有物理措施、微生物净化法、化学法、水生植物修复法，其中，水生植物修复是一种高效、经济、持久的水体净化方法，它的实质是根据污染水体的情况，构建调节自然生态处理系统结构，恢复生态系统净化能力，提高自然生态系统的环境容纳量，使自然生态系统处于良性循环［1］。

国内外学者对如何预防和改善水富营养化现状进行了大量研究，证明水生植物对去除氮磷等营养物质及改善水质具有明显的效果；恢复和构建水生植物群落能够有效控制水体富营养化［2］，植物不仅可以吸收、降解水体中的污染物质［3］，还能形成景观要素、美化环境、改善微环境［4-5］ 。Barya等［6］研究发现，种植美人蕉的人工湿地对污水中TN和 TP的去除率分别达到 60.37% 和 81.53%，略高于种植菖蒲的人工湿地所对应的56.33% 和 79.57%。杨洪云等［7］研究發现，不论是植物还是对照中，TP去除率均较高，其中千屈菜的去除率是86.8%，黄菖蒲的去除率是82.3%，空白对照的去除率是76.7%。不同种类的植物对氮磷的去除能力不同［8-10］，白雪梅等［11］在围隔中构建不同生活型的水生植物群落组合，比较各种水生植物组合的净化效应，结果表明，围隔内各组水生植物组合能去除水体中的营养盐，不同植物组合对氮磷的去除能力不同。可见，植被的类型是直接影响水体净化效果的关键因素，不同植物对水体营养盐去除效果不同［12］。不同植物组合模式对氮磷的去除效果是不同的，植物组合模式是人工湿地系统中的核心部分，在净化污水过程中起着十分重要的作用［13-14］。因此，选择不同组合的水生植物处理富营养化水体可能会存在较大的差异。现有相关研究主要针对单一水生植物或2～3种植物的组合，研究多种植物组合构建成的群落对富营养化水体的净化效果较少［15-17］。因此，为了进一步优化人工湿地植物配置，构建景观效果好且具有较好氮磷净化能力的植物组合，该研究选取6种水生植物，搭配成3 个植物组合，探究它们对模拟高浓度氮磷尾水中总氮、总磷的去除效果以及在种植期间对水体其他指标的影响，优选出净化效果最佳的植物组合，以期为高浓度氮磷污水厂尾水处理的人工湿地构建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2019 年6月24日，从武汉市园林科学研究院水生品种池采集挺水植物千屈菜（Lythrum salicaria）、菖蒲（Acorus calamus）、绿叶美人蕉“铁十”（C.× generalis Bailey‘Tieshi’）、花叶美人蕉“金脉”（C.× orchioides Bailey ‘pretoria’）、苹（Marsilea quadrifolia），浮水植物凤眼蓝（Eichhornia crassipes），沉水植物穗花狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）和金鱼藻（Ceratophyllum demersum）。

1.2 材料预处理

试验设置3个重复，千屈菜1～2株，每株分枝5～10支，株高100 cm，鲜重2 400 g；凤眼蓝3～4株，株高33 cm，鲜重210 g；花叶美人蕉2～3株，株高79 cm，鲜重120 g；绿叶美人蕉2～3株，株高79 cm，鲜重120 g；苹5～6丛，株高15 cm，鲜重120 g；菖蒲2～3株，株高79 cm，鲜重210 g；金鱼藻6株，穗花狐尾藻6株，株高均为50 cm，鲜重30 g；同一物种的植株株高和分株基本一致，6种植物鲜重的比例为80∶17∶7∶4∶1∶1，共组成3个组合：组合Ⅰ，穗花狐尾藻+金鱼藻+凤眼蓝+千屈菜+菖蒲+花叶美人蕉；组合Ⅱ，穗花狐尾藻+金鱼藻+凤眼蓝+千屈菜+菖蒲+苹；组合Ⅲ，穗花狐尾藻+金鱼藻+凤眼蓝+千屈菜+菖蒲+绿叶美人蕉。每组合3桶（3次重复），对照（CK）无植物。

用硝酸钾和磷酸二氢钾配制TN 138.09～165.40 mg/L、TP 48.00～125.54 mg/L的溶液，将3个植物组合种植在上述水液中。

1.3 试验方法

试验于2019 年6月 24 日至7月29日进行，共持续35 d，试验期间共采样6 次，在试验的第 1、7、14、21、28、35天采集水样，每次采集水样约 500 mL，试验期间用纯水补充蒸发和采样所消耗的水分，以保持试验期间容器中的水位不变。常规检测的理化指标包括总氮（TN）、总磷（TP）、pH、溶解氧（DO）、电导率（EC）。其中，总氮采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度计法测定，总磷采用钼酸铵分光光度法测定［18］；pH用 Mettler Tole FE28 pH计直接测定，EC采用雷磁DDSJ-308a电导率仪测定，溶解氧采用 Hach HQ30D 现场直接测定。于试验开始和结束时，即试验第 1 天和第40天分别测定各类植物的生物量，具体方法为将水生植物取出后用吸水纸吸干水分再称重。

水体总氮或总磷去除率：

WR=（WC1-WC2）/WC1×100%（1）

式中，WR为水体中TN和TP去除率；WC1为试验开始时水体中TN和TP含量；WC2为试验结束时水体中TN或TP含量。

相对增重率=（Wt-Ｗ0）/Ｗ0×100%（2）

式中，Ｗt、Ｗ0 为试验末和试验初（6月２4日）的植物鲜重。

1.4 数据处理

利用SPSS 20.0进行数据分析，采用单因素方差分析方法，分析植物组合中各物种生长指标以及对氮磷去除率；用邓肯氏复极差测验法（Duncan’s multiple range test）检验处理组间的差异；利用双因素方差分析方法分析植物的相对生长速率和生物量积累以及对水中TN和TP等变化率。

2 结果与分析

2.1 植物生长状况以及生物量变化 不同植物对高浓度氮磷富营养水体往往表现出不同的适应性，整體来看，3个植物组合中，沉水植物的适应性最差，浮水植物次之，挺水植物最佳。从表1可以看出，经过35 d 的生长，2种沉水植物（穗花狐尾藻和金鱼藻）的鲜重均有明显减少，其中组合 Ⅱ 的穗花狐尾藻减少最少，为-85.66%；组合 Ⅰ 的金鱼藻减少最少，为-71.86%；组合 Ⅰ 和组合 Ⅱ 的千屈菜均略微减少，组合Ⅲ中千屈菜略微增加；菖蒲在3个组合中增长率为14.27%～43.56%；3个植物组合中不相同的挺水植物增长率也不同，其中苹的鲜重增长率最大，为121.08%，绿叶美人蕉为6.80%，花叶美人蕉为-1.94%。浮水植物凤眼蓝鲜重均减少。

2.2 不同植物组合模式对污水中TN的处理效果

从不同植物组合模式下水体中TN含量的动态监测结果（图 1）可以看出，不同取样时间TN含量总体呈现下降趋势，在试验期间，各组合模式以及CK对TN都有一定的去除效果。各植物组合对污水中TN去除率为70.59%～97.46%，高于对照。穗花狐尾藻+金鱼藻+凤眼蓝+千屈菜+菖蒲+绿叶美人蕉处理（组合Ⅲ）效果最佳，在35 d内可将水体中TN含量由165.41 mg/L快速降至3.89 mg/L；穗花狐尾藻+金鱼藻+凤眼蓝+千屈菜+菖蒲+花叶美人蕉处理（组合Ⅰ）去除率次之，为88.34%，CK最差，为58.4%。各植物组合处理组均能快速、高效地去除富营养化水体的TN，各植物组合TN去除率均高于无植物的空白处理组，各植物组合TN去除率与对照有明显差异。

2.3 不同植物组合模式对污水中TP的处理效果

由图2可见，试验期间（1～35 d），不同植物组合模式TP含量逐渐降低。不同植物组合对TP去除效果不同，TP的去除率为28.13%～66.05%；在植物组合处理组中，ＴP去除效果最优的是组合Ⅲ（穗花狐尾藻＋金鱼藻+凤眼蓝+千屈菜+菖蒲+绿叶美人蕉）。

2.4 不同植物组合模式对污水中DO含量、EC和pH的影响

由图3可见，不论是对照组还是植物组合水体中DO含量相较于试验开始时均呈现大幅下降，植物组合中DO含量相比较对照组降低更多；栽植植物群落的水体中DO含量在逐渐降低，呈现先降低后回落再降低的动态过程，大多数植物组合在7～35 d时DO含量为4～6 mg/L。

试验初始时，各水样EC略有差异，在1～7 d时CK和组合Ⅲ降低，组合Ⅰ和组合 Ⅱ 增加；随后EC在2 000 μS/cm左右波动变化。试验结束时，组合Ⅱ、组合Ⅲ和CK的EC均有不同程度下降，分别下降了13.86%、11.48%、35.85%，组合Ⅰ中EC增加了31.66%。

植物组合能改变水体的酸碱度，各植物组合和对照组pH均略微升高，由中性变为中性偏碱性，3个植物组合pH增加了13.85%～16.13%，无植物组合（CK）的pH增加了8.62%。

3 讨论

3.1 植物生长状况以及生物量变化因素分析

不同植物对高浓度氮磷富营养水体往往表现出不同的适应性，罗虹［19］在短期试验中发现，在高浓度氮磷的富营养水体中金鱼藻的耐受能力优于苦草，这与该试验的结果相符。该试验中2种沉水植物表现最差，都是负增长，但金鱼藻鲜重的减少小于穗花狐尾藻，可能是高浓度氮、磷元素会毒害植物甚至导致植物死亡［20］。由于不同种类的植物生长规律不同，它们对氮磷等营养物质的需求量、需求比例不同，去除氮磷等元素的饱和上限也有不同，另外不同植物根系的微生物种类等方面存在一定的差异，因此，对不同程度富营养化水体的净化能力各不相同［21-22］，浮水植物凤眼蓝鲜重均减少，3个组合中的挺水植物的鲜重增长率也有差异，千屈菜在组合 Ⅰ、组合 Ⅱ 中呈负增长，组合Ⅲ中仅有1.39%的增长率；菖蒲在3个组合中鲜重具有不同程度增加，苹和绿叶美人蕉的鲜重有增加；这可能与挺水植物在不同氮磷浓度中耐受性有关［23］，虽然组合 Ⅱ 的各种植物的增长率相对于组合Ⅲ增加较多，但试验结束时组合Ⅲ对氮磷的去除高于组合Ⅱ，这可能是因为植物的质量与其对污染物质的去除率并无对应关系［24］。

3.2 试验前后DO含量、pH和EC变化原因

沉水植物在生长过程中通过光合作用将氧气从植物上部送至根茎，经释放和扩散，根系周围表现为好氧环境，使水中DO含量升高［25-26］。王佳等［27］研究发现水体中DO含量与水质密切相关，不同植物单元对水体中DO含量影响有明显差异，但DO含量总体呈上升趋势，这与该试验结果不同。

展巨宏等［28］研究发现2种水葫芦水体中DO含量均有明显的下降，试验6 d之后基本维持在3 mg/Ｌ左右，紫根水葫芦组水体中DO含量略高于普通水葫芦组，但并不明显。该试验3个植物组合在7～35 d时DO含量维持在4～6 mg/L，当DO含量低于5 mg/L 会对水生态系统造成一定的危害［29］。

该试验中pH均有不同程度升高，从弱酸性至弱碱性变化，与刘海琴等［30］的研究结果相反。植物通过对营养物质的吸收和交换废物的排放改变水质物理化学性质［31-32］，展巨宏等［28］研究发现普通水葫芦和紫根水葫芦对水体中NH4+-N快速吸收的同时会向水体中释放大量的CO2，从而导致水 体中pＨ下降，这与该研究结果不一致，具有原因有待进一步研究。

EC表示溶液传导电流的能力，可间接推测水体中离子成分的总浓度，是衡量水质的重要指标之一。展巨宏等［28］研究发现栽植普通水葫芦和紫根水葫芦的水体中，EC值随水体中氮磷等营养盐的去除均呈现下降趋势，但紫根水葫芦组水体中EC值并没有因为相对较快的氮磷去除速率而呈现出较快的下降趋势，这可能是由于紫根水葫芦庞大的根系分泌了更多的化感物质。不同植物对EC的去除是有差异的，例如凤眼莲可以提高水体EC，而轮叶黑藻可以降低水体EC［33］，该研究中3种组合中EC均有不同程度降低，原因可能是水生植物生长状况不同，对离子的吸收速率有差异造成的。

3.3 试验前后TN和TP去除率比较

在试验期间，不同组合模式对氮磷去除呈现动态变化，不同植物组合去除水体氮的能力大于去除磷的能力，不同水生植物在不同时期对氮、磷等营养物质的吸收特性不同，可以形成物种间的优势互补，最大限度地发挥其吸收能力［34］。不同水生植物对TN 的去除有不同的效果，应该归因于植物的吸收作用不同以及因植物的存在而加速微生物硝化/反硝化作用的不同［35］。人工湿地中除磷的主要机制有吸附作用、络合作用、沉淀作用、植物吸收作用和生物同化作用［36］。曾小梅等［37］研究发现混种水生植物可以造成植物的竞争性增长，导致根系变得更加发达，吸收能力加强。有研究表明，在温度较高时，水生植物的总生物量对氮磷的去除率有较大的影响，植物的生长繁殖对氮磷的去除贡献最大［38］。由此可以认为，相关功能菌属对模拟湿地中营养物的去除起到了一定的作用，最终植物本身的生长对营养盐的吸收才是水中营养盐得以去除的主要原因。在以往的研究中，研究者采用了相同的物种和相近的生物量的植物进行试验，忽略了对植物组合的研究［39］。在生境资源有限的条件下，不同植物组合种植时会出现对光照和营养物质的竞争［40］。该研究中，栽植苹的植物组合中，其他植物的生长状况较差。这可能是由于苹的根系比较发达更容易吸收营养物质繁殖生长，或者是水中营养物质有限，使植物间产生了竞争关系。总氮是引发水体富营养化的重要因素之一［41］，磷的去除与氮元素不同，有机磷及溶解性较差的无机磷酸盐都不能直接被水生植物吸收利用，只有经过磷细菌等的代谢活动，才能被植物吸收利用，从而通过植物的收割而将磷从水体中带走［42］。磷的去除主要靠植物和微生物的协同作用才能改变水体中磷素的存在形态，从而促进磷素去除［43］。 试验中TP去除与CK无显著差异，这也符合Wang 等［44］的研究结论。有研究表明，凤眼莲修复富营养化水体系统中，植物吸收是系统总磷含量降低的最主要途径［45］。该研究显示，有植物处理系统对 TP 均有明显的去除效果，这与王庆海等［46］的研究结果相同，说明水体中的磷是以可溶性活性磷的形式被植物吸收，合成核酸、核苷酸、磷脂及糖磷酸酯等植物细胞组成物质。而无植物对照处理的TP含量也有一定程度降低是因为水体中磷可以以磷酸盐的形式沉积在水体底部，与基质相结合，成为难以去除的营养物质。而张洪刚［47］研究表明植物对磷的去除影响较小，可能是由于他是研究水生植物在濕地条件下对生活污水的净化效果，其组成湿地的基质对磷的影响较大的原因。TN含量在28 d出现小幅回落和TP含量在 21 d出现小反弹，主要是因为沉水植物的腐败，向水体中释放了部分营养元素［48］。利用植物组合处理富含氮磷的污染水体，首先要考虑植物的耐受性，其次考虑植物间的相互作用，进而筛选净化能力强的植物进行组合，从而得到净化能力较好的植物组合。

4 结论

（1）3个植物组合中，沉水植物的适应性最差，浮水植物次之，挺水植物最佳。沉水植物对高浓度氮磷适应性差，挺水植物中菖蒲的适应性最好，苹这种匍匐生长的植物适应性也很好，生物量增加最多。

（2）植物组合去除富营养化水体中TN明显高于对照，植物组合对水中TN有较好的去处效果，均不低于70.59%，组合Ⅲ对TN的去除效果最好，去除率为97.46%。植物组合可以明显去除水体的磷，植物组合对水中TP的去除率是28.13%～66.05%。

（3）植物组合可以明显改变水体的pH、DO含量和EC。植物组合与CK的pH均呈增加趋势；DO含量在试验结束时均减少。

（4）植物组合能移除高浓度氮磷的富营养化水体，改善水体物理指标，可以用来处理含氮水平较高的污染水体。

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基金项目 武汉市园林和林业局科研项目（武园林发2018〔28〕-6）。

作者简介 梁玉婷（1984—），女，山西大同人，工程师，硕士，从事湿地修复、植物育种研究。

收稿日期 2022-01-04