碳中和背景下水生植物对富营养化湿地水体净化效果研究

摘要选取西南常见的挺水植物水蓑衣（Hygrophilasalicifolia）、梭鱼草（Pontederiacordata）和鸢尾（Iristectorum），浮水植物睡莲（Nymphaeatetragona）和水鳖（Hydrocharisdubia），及沉水植物金鱼藻（Ceratophyllumdemersum）、狐尾藻（Myriophyllumverticillatum）和苦草（Vallisnerianatans）为对象，通过室内模拟探讨其去除水体富营养化的效果。结果表明，经过30d处理，8种植物对富营养化水体均有不同程度的净化作用。其中，水蓑衣对总氮、总磷、化学需氧量、氨氮去除效果最好，去除率分别为49.80%、31.34%、41.05%和45.22%，苦草和狐尾藻次之，金鱼藻和水鳖较差。因此，水蓑衣和苦草是去除城市景观水体富营养化污染的潜在园林植物。

关键词水生植物；富营养化；水质净化；植物修复；碳中和

中图分类号X52"文献标识码A

文章编号0517-6611（2025）02-0056-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.02.014

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

PurificationEffectsofAquaticPlantsinEutrophicWetlandsUndertheBackgroundofCarbonNeutrality

LIWei，ZHANGYi-fan，WANGJing

（SichuanArchitecturalDesignandResearchInstituteCo.，Ltd.，Chengdu，Sichuan610000）

AbstractThisstudyselectedcommonaquaticplantsintheSouthwestregion，namelyHygrophilasalicifolia，Pontederiacordata，Iristectorum，Nymphaeatetragona，Hydrocharisdubia，Ceratophyllumdemersum，MyriophyllumverticillatumandVallisnerianatans.Theseplantsweresubjectedtoindoorsimulationstoinvestigatetheireffectivenessinmitigatingeutrophicationinwaterbodies.Theresultsshowedthatafter30daysoftreatment，alleightplantspeciesexhibitedvaryingdegreesofpurificationeffectsoneutrophicwaterbodies.Amongthem，H.salicifoliashowedthebestremovalefficiencyforTN，TP，CODandNH4+-N，，withremovalratesof49.80%，31.34%，41.05%，and45.22%，respectively.V.natansandM.verticillatumfollowed，C.demersumandH.dubiaexhibitedrelativelylowerpurificationeffects.Therefore，H.salicifoliaandV.natanswereconsideredpotentiallandscapingplantsforremovingeutrophicationpollutioninurbanlandscapewaterbodies.

KeywordsAquaticplants;Eutrophication;Waterpurification;Phytoremediation;Carbonneutrality

由于人类频繁活动，大量氮（N）、磷（P）等营养元素通过生活污水等形式进入地表水体，导致蓝藻等肆意生长而降低水体透明度、溶解氧，霸占其他水生生物生存空间，引起水质恶化、水生态系统失衡，从而影响人类生存发展^［1-3］。水体富营养化现象已成为全球性环境问题之一，而如何有效降低或去除水体中N、P等过量营养元素是目前亟需攻关的重大科学问题^［4-7］。碳中和是一种通过减少、补偿或者抵消排放到大气中的温室气体，尤其是二氧化碳（CO2），来达到净零碳排放的目标的过程。在富营养化水体中，过量的营养物质如氮、磷等导致藻类过度繁殖，形成藻华，影响水体的生态平衡，同时也会释放温室气体^{［2，5，7-9］}。研究表明，截污和增强水体自我净化能力是治理水体富营养化的关键举措^［8-10］。近年来，植物修复技术备受关注，相对于化学和物理等方法，其更具有环保、成本低、有助于恢复水体自净能力等优势^［11-13］。

近年来，随着城市绿化迅速推进，湿地水体不断增加，但由于水源不足、高消耗量以及景观水体富营养化，导致对城市水生态和人居生态环境的严重破坏^{［2，14-15］}。因此，迫切需要对城市中富营养化的景观水体进行生态修复研究。水生植物在这一背景下发挥了关键作用。首先，水生植物通过吸收和利用水体中的过量营养物质，特别是氮和磷，能够有效阻止藻类的过度生长，有助于防止藻华的形成，改善水体质量^［14］。其次，水生植物通过光合作用吸收CO2参与碳循环过程，起到碳中和的作用^［12］。通过促进水生植物的生长，能够增加植物对CO2的吸收，有助于减缓大气中温室气体的累积。因此，碳中和与水生植物在富营养化水体净化中形成了良好的互作机制，共同促进了湿地水体的生态平衡和环境健康。

目前，关于植物在富营养化水体污染修复的研究较多^{［4，1 16］}，但缺乏结合西南地域气候特征且按生活型的水生植物净化研究。基于此，该研究通过实验室人工模拟城市湿地富营养化景观水体，以沉水植物狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）、金鱼藻（Ceratophyllum demersum）和苦草（Vallisneria natans），挺水植物水蓑衣（Hygrophila salicifolia）、梭鱼草（Pontederia cordata）和鸢尾（Iris tectorum），以及浮水植物睡莲（Nymphaea tetragona）和水鳖（Hydrocharis dubia）8种观赏类水生植物为对象，筛选出具备一定净水能力且能够有效改善水体景观的水生园林植物，旨在为城市景观污染水体修复工程中应用观赏水生植物提供参考，推动公园城市建设中城市生态系统的碳中和。

1材料与方法

1.1试验材料

前期研究表明，狐尾藻（M.verticillatum）、金鱼藻（C.demersum）对N、P等营养物质的去除效率高可达到80%以上^［7，10］；睡莲（N.tetragona）、苦草（V.natans）、水蓑衣（H.salicifolia）、梭鱼草（P.cordata）、水鳖（H.dubia）、鸢尾（Iris tectorum）作为西南地区常见水生观赏植物，对富营养化具有不同程度的净化作用^{［1 15］}。因此，将这些植物作为研究对象进行相关试验是可行的。所使用的植物种子是从成都水生植物销售商购得，提前育苗30 d，开始试验时植株高度超过10 cm。试验用水取自成都市城区轻度富营养化湖泊，试验溶液初始水质指标检测结果为总氮10.20 mg/L、总磷9.54 mg/L、化学需氧量510.00 mg/L、氨氮5.86 mg/L、pH 8.90。

1.2试验设计

试验采用人工模拟室内静态（不曝气增氧）富营养化景观水体。将植物置于去离子水培养7d，培养环境为室温，控制光照（光照∶黑暗为1∶1）。选择健康、长势良好、生物量一致的植株，清水洗净根部后固定于试验装置（长×宽×高为40cm×30cm×10cm）。试验用水量10L，水深为18cm，每盆6株。试验设置9组，每组3个平行，第1组为对照组，试验共需27个塑料盆。试验从开始到结束共30d。分别在第15天和第30天取水样（10：00取样）测定。因水分蒸发、植物蒸腾或取样会导致水量减少，因此每天通过补水保持水量不变。试验期间，室内温度（25.0±2.5）℃，水温（23.0±1.8）℃。

1.3测定方法

1.3.1 水质测定。水样总氮（TN）和总磷（TP）等水质指标按照《水和废水监测分析方法（第四版）》^［17］测定。具体而言，采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894—89）测定TN浓度；采用钼锑抗分光光度法（DB 11893—89）测定TP浓度；采用纳氏试剂比色法（HJ 535—2009）测定氨氮（NH4+-N）浓度；采用重铬酸盐法（GB 11914—1989）测定化学需氧量（COD）浓度；采用铂钴标准比色法测定色度；通过便携式检测仪测定pH。

1.3.2去除率计算。水样中富营养化污染去除率计算公式如下：

去除率=（C0-Ci）/C0×100%

式中：C0为初始浓度；Ci为取样时浓度。

1.4数据统计分析试验数据表示为平均值±标准差。所有数据的计算和图表绘制均采用Excel2010软件完成。

2结果与分析

2.1水生植物的生长情况研究显示，水蓑衣、苦草、狐尾藻和鸢尾均生长良好且有新生根；其次为金鱼藻、梭鱼草和睡莲均有黄叶甚至死亡，但部分植株有新芽（存活率69%～88%）。然而，水鳖生长最差且在第20天时大部分死亡，这可能是由于大面积叶片浮于较高浓度的静态富营养化水面，其叶片被严重抑制而腐烂或死亡。就生物量（表1）而言，苦草和狐尾藻生长30d后分别较试验前生物量增加了12.21%和9.00%，为增重较高的植物；水鳖生长30d后生物量却减少了9.92%。生物量净增量顺序为苦草gt;狐尾藻gt;水蓑衣gt;鸢尾gt;睡莲gt;梭鱼草gt;金鱼藻gt;水鳖。

2.2不同处理下pH变化

从表2可以看出，水生植物在不同时段对水体pH造成了不同程度的影响。整个试验过程中，除睡莲在15d时的pH处，不同时段水生植物pH均低于对照，表明其对pH调节具有一定作用。其中，水蓑衣在处理15和30d时对降低水中pH效果较好；除睡莲在15d时的pH外，各组植物在不同时段水体pH均与对照存在显著差异（Plt;0.05）。在处理15和30d时，狐尾藻和睡莲水体pH存在显著差异（Plt;0.05），其他植物差异不显著（Pgt;0.05）。

2.3不同处理下色度变化从表3可以看出，除金鱼藻在15和30d的色度高于对照外，其余植物均低于对照。对不同时间段而言，梭鱼草和睡莲在15d和30d间差异显著（Plt;0.05），其中梭鱼草在15d显著低于30d，而睡莲则相反；其余植物无显著差异（Pgt;0.05）。

2.4不同处理下TN变化

从表4可以看出，所有植物在处理15d时对TN去除率均高于对照。水蓑衣在处理30d时TN去除率最高，水鳖去除率最低。处理30d时，TN去除率顺序为水蓑衣gt;苦草gt;狐尾藻gt;鸢尾gt;睡莲gt;金鱼藻gt;梭鱼草gt;水鳖。另外，除金鱼藻、水蓑衣、睡莲和水鳖在15d和30d间去除率差异显著（Plt;0.05）外，其他植物在15d和30d间去除率差异不显著（Pgt;0.05）。

2.5不同处理下TP变化

从表5可以看出，处理15d时，除对照和水鳖对TP去除率为负外，其他植物去除率均为正，表明其对TP均有去除效果。处理30d时，除水鳖对TP去除率为负外，其他植物对TP去除率均为正值。处理15和30d时，水鳖处理中TP浓度高于初始值（9.54mg/L）且去除率为负，这可能是由于渗滤液残渣物质释放导致。

2.6不同处理下COD变化

从表6可以看出，不同处理时段，8种植物对COD具有不同程度的去除能力。处理15d时，各处理组COD浓度均低于对照（475.87mg/L），其中水蓑衣最低（321.87mg/L），金鱼藻最高（468.86mg/L）;处理30d时，各处理COD浓度均低于对照（459.52mg/L），其中水蓑衣最低（300.65mg/L），金鱼藻最高（444.76mg/L）。此外，狐尾藻、苦草、水蓑衣、梭鱼草和水鳖对COD去除率在15d和30d间差异显著（Plt;0.05），其他植物差异不显著（Pgt;0.05）。

2.7不同处理下NH4+-N变化

从表7可以看出，在处理15和30d时，各处理水体中NH4+-N浓度均低于对照（除水鳖外），其中水蓑衣处理NH4+-N浓度最低。同时，水鳖在15和30d时NH4+-N浓度均高于对照，这可能是由于高浓度NH4+-N抑制生长，水样中由于NH4+-N浓度相对较高，导致其在试验初期逐渐死亡，因此水鳖组NH4+-N浓度高于其他组；试验结束时NH4+-N浓度高于对照，表明水生植物死亡分解浓度升高。此外，金鱼藻、苦草、水蓑衣、梭鱼草对NH4+-N去除率在15d和30d间差异显著（Plt;0.05），其他植物组差异不显著（Pgt;0.05）。

3讨论与结论

研究表明，水生植物在净化湿地富营养化水体中体现碳中和的方式包括：①吸收水中CO2。水生植物通过光合作用吸收水中的CO2，并将其转化为有机物质，如碳水化合物。这个过程不仅有助于水生植物的生长，也导致水中CO2的减少，从而实现碳中和效应^{［ 4，8］}。②沉积有机物质。水生植物通过生长、死亡和腐烂等过程释放有机物质，这些有机物质会在水体底部沉积^［12-15］。这种沉积过程有助于封存有机碳，防止其进入大气中，从而在水体中实现碳中和。③减缓温室气体释放。富营养化水体中，过量的有机物质会在缺氧的条件下产生甲烷（CH4）、CO2等温室气体^［18］。水生植物的存在可以通过减少有机物的富集，降低底部缺氧的程度，从而减缓温室气体的释放，实现更为健康的水体环境。因此，水生植物通过吸收CO2、沉积有机物质和减缓温室气体释放等机制，对富营养化水体进行生态修复，同时在碳中和的过程中发挥着重要的角色，这种生态系统服务不仅有助于改善水体质量，还有助于维护地球大气中的碳平衡。

该研究中，8种水生观赏植物对富营养化污染水体中的TN、TP等指标展现出明显的去除效果，表明利用植物修复污染景观水体具备一定的可行性。应用水生植物清除水体中的富营养化物质，以及提高水体自我净化能力具有重要意义^［6-8］。有研究表明，水生植物具有吸附水中各种悬浮物质能力，有助于提高水体透明度，改善水体光照条件，并增加溶解氧（DO）浓度；同时，在植物刈割后，植物吸收的氮、磷等营养盐被转移出水生系统，而使水体得到改善与净化^［4，18］。利用水生观赏植物吸附城市景观水体中的营养物质，既可改善其生长环境，又可净化水体^{［5，15，19］}。

有研究显示，藻类如狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）和轮叶黑藻（Hydrilla verticillata）可有效去除富营养化水体TN、TP和NH4+-N等^{［7，10，12］}，挺水植物如香蒲（Typha orientalis）、石菖蒲（Acorus tatarinowii）和美人蕉（Canna indica）等在重度富营养化水体中净化效果较好且均能正常生长^{［8，15，19］}。有研究表明，水葫芦（Eichhornia crassipes）、水浮莲（Eichhornia crassipes）和香蒲（Typha orientalis）在富营养化景观水体中，对TN、TP 的去除率分别为 86.9%～82.4%和 94.6%～92.5%^［2，13］。也有研究表明，在城市河段应用芦苇净化水质时，在水力停留时间为7 d、淹没水位为0.4 m的条件下，TN、TP、NH4+-N和COD去除率分别为54.5%、67.3%、59.6%和10.5%^［8］。而当植物死亡时可能会分解出N、P等物质，因而可能对水体造成污染^［6］。同时，当水生植物出现死亡或过度生长的情况时，及时进行打捞或收割可将其吸收的氮、磷等物质转移出水生生态系统^［9］，这样既有助于水体的净化，又可以获取生物资源^［18］。

总体而言，经过30d处理，8种水生园林植物对富营养化景观水体都具有一定净化作用。与对照组相比，水蓑衣在TN、TP、COD和NH4+-N去除效果最为显著，去除率分别为49.80%、31.34%、41.05%和45.22%；苦草和狐尾藻对TN、TP、COD、NH4+-N去除效果次之，金鱼藻和水鳖较差。综合而言，水蓑衣和苦草是去除城市景观水体富营养化污染的潜在园林植物。

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