苦草对水体氮磷吸收与释放作用的探析

高子昕，刘兴国

1.上海海洋大学 水产与生命技术学院，上海 201306；2.中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所，北京 100141

当前，随着我国经济高质量发展以及城市化进程的大力推进，导致大量含氮、磷的工业废水及生活污水进入自然水体，造成水体氮磷元素严重超标，由此导致湖泊等自然水体富营养化现象严重[1]。沉水植物作为湖泊生态系统的主要组成部分，运用沉水植物治理水生态开始被广泛应用[2-5]。沉水植物作为水体生态系统的主要初级生产者之一，是水体生物多样性赖以维持的基础，具有氮、磷吸收能力，因此构建沉水植物群落是预防与治理水体富营养化工作的重要环节[6]。然而，沉水植物随着时间及环境变化会开始衰败并释放氮磷，可能会加重水体的富营养化程度。探寻沉水植物对氮磷的吸收与释放之间的转换十分必要。

苦草[Vallisneria natans(Lour.) Hara]，俗名面条草、扁担草、水韭菜等，是最常见的沉水植物之一，广泛分布于我国各省区，在淡水湖泊、沟渠、池塘、内河航道的静水或流动水体中均能很好地生长[7]。苦草生态适应性广，能实现克隆生长，再生能力强，群落破坏后恢复时间短，吸附污染物能力强，是治理水体污染、降低水体富营养化程度的重要沉水植物之一。研究苦草不同情况下对水体氮磷的影响，以期为沉水植物治理水质提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 不同氮浓度下苦草对水体氮磷的影响

1.1.1 试验设置 试验选取白洋淀水域内存在的新鲜矮生短叶苦草，用无氨纯水冲洗3次并选取大小相仿的活株定植于无氨纯水玻璃缸内备用。

选用透明干净的4个玻璃缸（30 cm×30 cm×30 cm），用无氨纯水冲洗3次，并分别用硝酸钾（KNO3）配置总氮浓度梯度为1.0、1.5、2.0和0 mg/L的溶液20 L，并在水位线处做好标记为后期加水做准备，标记为组A、组B、组C和对照。

试验开始前，通过无粉陶瓷水草定植环（内径3 cm、外径4.5 cm），将备用好的活株苦草分别定植在玻璃缸内的对角和中心点，保证苦草均能够良好生长，每个缸的苦草总湿重设置见表1。

表1 总氮浓度及试验材料

试验开始后，每14 d为1个周期，加无氨纯水至原标记水位线。

1.1.2 样品采集与检测 试验从2019年8月17日起放入样品，稳定一周观测苦草无衰败迹象后，开始检测水质变化。试验检测了2019年8月24—2019年11月9日，15 d的试验水体总氮总磷，采样时间均为09:00。采样时，每个组采3次水样，且分别取中心点、靠近角和靠近边的3个点。具体参照《水和废水监测分析方法（第四版）》，总氮采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法；总磷采用过硫酸钾消解—钼蓝对比法[8]。

1.2 不同苦草部位对氮磷的吸收与释放影响

1.2.1 试验设置 备用新鲜矮生短叶苦草同1.1.1。

选用7个透明干净的300 mL具塞磨口锥形瓶，用无氨纯水冲洗3次，标记为空白、组Ⅰ、组Ⅱ、组Ⅲ、组Ⅳ、组Ⅴ和组Ⅳ备用。

将备用好的苦草分组放入塑封袋中，密封放置于设定水温为50 ℃的恒温水箱内，用夹子固定于水中水浴30 min。用干净的剪刀处理苦草后，将整株的苦草、剪碎的苦草、仅根部和叶部分别放入准备好的锥形瓶中，加入300 mL无氨纯水，并塞紧锥形瓶瓶塞，置于避免太阳光直射的环境（表2）。

表2 关于苦草不同部位相关试验

1.2.2 试验采样 试验从2019年10月24—2019年11月26日，历时1个月，每2 d测1次水体总氮总磷，采样时间均为14:00。测定方法同1.1.2。

1.3 数据处理

根据检测数据，采用Excel软件计算其平均值和标准差，并用Origin 2018作图。通过SPSS软件采用单因素方差分析法，组间P＜0.05为差异性显著，P＜0.01为差异性极显著。

2 结果与分析

2.1 不同氮浓度下苦草对水体氮磷的影响

2.1.1 不同氮浓度下苦草对氮磷的吸收效果 在试验开始后的半个月中，组A第一次取样的总氮去除率为54%，第二次取样为第一次取样后氮浓度的64%；组B第一次取样的总氮去除率为24%，第二次取样为第一次取样后氮浓度的59%；组C第一次取样的总氮去除率为29%，第二次取样为第一次取样后氮浓度的66%；由于苦草在水体具有释放氮营养元素的能力且苦草表面可能附着一定的氮元素，导致对照组的第一次取样总氮上升2%，但是由于苦草去除水中氮营养盐的功能大于释放氮营养盐的功能，所以第二次取样的去除率为第一次取样后氮浓度的50%（图1a）。

图1 苦草对氮磷的吸收效果

在苦草氮吸收能力大于释放能力时，在氮浓度为1.0、1.5 mg/L的两组苦草在试验开始至第二次取样都在释放磷，而后水体磷浓度开始缓缓降低至接近0 mg/L，其中在氮浓度分别为1.0、1.5 mg/L时，苦草的磷吸收率分别为69%、34%。而在氮浓度为2.0 mg/L时，苦草的磷吸收率为26%（图1b）。

2.1.2 不同氮浓度下苦草对氮磷的释放效果 研究表明，苦草对水质净化的快速作用时期为试验开始的前半月内，在苦草放入试验水体半月后，水体溶解氧含量低于第一次取样时的溶解氧含量时，氮浓度也在一个月开始缓慢上升，说明苦草的释放氮的能力开始大于吸收氮的能力[9]（图2a）。

A、B、C组试验水体的磷浓度都呈波动性周期，分别在第18天、第36天、第50天和第60天，磷浓度分别呈现增长、减至无、再增长、又减至无的规律（图2b）。

2.2 不同苦草部位对氮磷的吸收与释放影响

6个分组的总氮含量最大分别为1.35、1.04、0.92、1.07、0.52和0.81 mg，由于各组之间的苦草样品存在一定的质量差异，为更科学地体现苦草各部分与水中释放影响氮营养元素的关系，故将总氮含量的数据处理为总氮含量/湿重。得出结论：整体处理过的苦草在水中释放的总氮约为0.52 mg/g，剪碎后处理的苦草在水中释放的总氮约为0.45 mg/g，仅处理苦草根部的苦草根在水中释放的总氮约为0.33 mg/g，仅处理苦草叶部的苦草叶在水中释放的总氮约为0.50 mg/g。总体而言，剪碎后处理的苦草在水中释放的氮元素小于整体处理后的，苦草茎叶部分处理后在水中释放的氮元素较根枝部分多。

在一段时间后，苦草对氮的吸收逐渐大于释放，说明苦草恢复活力，且整体与根、叶都具备吸收氮的能力，在试验开始的1个月后，根的总氮去除率约为66.42%；叶的总氮去除率约为56.58%（图3a）。

图3 不同部位苦草对水体氮磷浓度的影响

6个分组的总磷含量最大分别为2.46、2.66、2.59、1.07、2.31和2.36 mg，同理，由于各组之间的苦草样品存在质量差异，将总磷含量的数据处理为总磷含量/湿重。得出结论：整体处理过的苦草在水中释放的总磷约为1.14 mg/g，剪碎后处理的苦草在水中释放的总磷约为0.79 mg/g，单苦草根部处理的苦草根在水中释放的总磷约为1.44 mg/g，单苦草叶部处理的苦草叶在水中释放的总磷约为1.47 mg/g。综上，剪碎后处理的苦草在水中释放的磷元素和氮元素一样，小于整体处理后的，且相较氮元素的更小，苦草茎叶部分处理后在水中释放的氮元素较根枝部分多（图3b）。

苦草对磷的吸收大于释放能力的时间与总氮的时间相仿，进一步论证了苦草具有良好的修复能力，根与叶也都具备吸收磷的能力，在试验开始的1个月后，根的总磷去除率约为74.79%，而叶的总磷去除率约为73.47%，相较于总氮两者相差不大。

3 结论与建议

（1）在总氮浓度为1.0～2.0 mg/L时，在总氮浓度为2.0 mg/L时苦草在水体释放磷最高，且波动幅度最大，在总氮浓度为1.0 和1.5 mg/L浓度时，水体中磷的浓度变化波动小且相近。综上，水体氮浓度的变化会引起苦草释放吸收磷的变化，且苦草对磷的吸收呈波动性，开始在无磷的水体中磷浓度由于苦草释放磷的速率大于吸收的速率，随着时间推移而到达一个小高峰，而后苦草吸收磷的速率开始大于释放的速率，水体中的磷浓度又会逐渐减小至无的水平。根据此现象，建议通过合理加大前期苦草种植量，以达到快速控制水体氮，进而积极影响水体中磷的吸收。

（2）苦草具有良好的自我修复能力，处于非健康状态的苦草释放氮磷的能力远大于吸收氮磷的能力，整株的苦草释放率为1.10 mg/g（氮）和2.20 mg/g（磷），其中根的释放率为0.52 mg/g（氮）和2.31 mg/g（磷），叶的释放率为0.81 mg/g（氮）和2.36 mg/g（磷）。在经过一段时间后，苦草恢复一定吸收氮磷的能力，其根的总氮去除率约为66.42%，总磷去除率约为74.79%；叶的总氮去除率约为56.58%，总磷去除率约为73.47%。根据其恢复特性，建议在前期合理大量种植苦草后半个月左右，分批清理苦草，以延长苦草对水体氮磷控制的有效时间并进一步减少水环境治理的经济成本。