挺水植物對富營養化水體的凈化效果研究
摘 要：為完善水生態修復技術，研究了太湖流域常見的八種沉水植物對富營養化水體的凈化效果。通過室內模擬、實驗室測定，分析了不同種類挺水植物對水環境質量的改善能力。結果表明：八種挺水植物均有一定能力去除水體中總磷、正磷酸鹽、總氮、硝氮和葉綠素a。比較分析發現：本試驗中，八種挺水植物在去除總磷及總氮上表現為無顯著差異，P<0.05; 在對正磷酸鹽的去除率上，再力花、風車草、澤瀉的效果較優；在對硝氮的去除率上，梭魚草、再力花、風車草的效果較優；在去除水體中葉綠素a 的能力上，再力花、香蒲、風車草的較強。綜合多個指標，再力花、風車草在各方面表現的能力均較強，可作為太湖流域富營養化水體修復優先選用的物種。
關鍵詞：挺水植物；氮；磷；葉綠素；凈化率；去除能力
0 引言
隨著水污染的加劇,為了尋找高效低耗的水污染處理技術,20 世紀70 年代,水生植物開始受到人們的關注。它們在水體中的生態功能使其在水污染防治中具有很大的應用價值[1]。一些學者研究表明:植被不僅本身能吸收同化污水中氮、磷等污染物,而且還能提高整個濕地生態系統微生物數量,調整其組成結構,促進濕地生態系統的硝化和反硝化作用的進行,強化其凈化能力[2~6],部分植物還有克藻效應[7]。其中，挺水植物是構建人工濕地植被系統的主要類型植物,挺水植物不僅具有同化吸收污染物的功能,還有攔截、過濾污染物的作用,選擇適當的挺水植物是構建人工濕地和恢復重建自然濕地的關鍵措施[1,8]。挺水植物系統常被用于人工或天然濕地城鎮污水的二級或三級處理、工業廢水、暴雨徑流的處理[3]。因此本研究依據朱斌等[9]的調研結果，選擇了被研究頻度較高及較少研究的挺水植物各四種進行凈化效果對比試驗，測定并計算不同挺水植物對N、P 的去除率以及去除水體中葉綠素能力，為人工濕地應用中挺水植物的選擇提供理論依據。
1 材料和方法
1.1 供試材料
野外采集我國太湖流域廣泛分布的8 種挺水植物作為研究對象，分別為：再力花(Thaliadealbata)、慈姑(Sagittaria sagittifolia Linn)、 香蒲(Typha orientalis Presl) 、梭魚草(Pontederialanceolota) 、水蔥(Scripus validus Vahl) 、紙莎草(Egypean Papyrus) 、風車草(Cyperusalterniafolius Linn)、澤瀉(Alisma Plant agoaquatica Linn)。試驗容器為50cm×30cm×50cm 的玻璃缸，試驗水位35cm。試驗水體取自南京市烏龍潭，基本水質狀況見表1。
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1.2 試驗設計
本試驗于2006 年5 月在溫室內進行。試驗開始前，將受試植物轉接到培養箱內，用Hoaglands’ cultivation solution (0.01X)營養液馴化一周。試驗水體采自常年富營養化的南京市烏龍潭。試驗容器玻璃缸底部鋪有2.5kg 粒徑約為1cm 的卵礫石用于固定植物根部，每個容器放置52L 的烏龍潭原水，并移入植株大小均勻的挺水植物25g(±0.5g)。試驗設3 個重復，8 個處理：(1) 再力花；(2) 慈姑；(3) 香蒲；(4) 梭魚草；(5) 水蔥；(6) 紙莎草; (7) 風車草;(8) 澤瀉。試驗開始后7 天，從玻璃缸采集水樣100mL，測定總氮、總磷、正磷酸鹽、葉綠素a。
1.3 測定方法
各指標測定方法均采用國標方法，具體見表2。
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1.4 計算公式
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其中c為試驗水體中污染因子的初始值(mg/L)
c為試驗水體中污染因子在第7天時的測定值(mg/L)
w為挺水植物的鮮重（g）
t為時間間隔7(d)
52為容器內水體體積(L)
1.5 數據分析
實驗重復三次，試驗數據均為平均數±標準誤差表示(Mean±SD)表示，并用單因素方差分析方法和單側t 檢驗法對組間數據進行差異性顯著分析，P＜0.05 被認為差異顯著。
2 結果與討論
2.1 對磷的去除率比較
通過實驗室分析，測定試驗水體中總磷、正磷酸鹽濃度，依照公式計算不同挺水植物對總磷、正磷酸鹽的去除率。總磷包括顆粒態磷和溶解態磷，其中的顆粒態磷易被挺水植物發達的根系吸附，收到暫時被去除的效果。由圖1 可以看出，8 種挺水植物對水體中總磷均有較高去除率，且無顯著差異（P<0.05），范圍在86.75%與93.37%之間。在對正磷酸鹽的去除效率上，植物種間具有顯著差異（P<0.05）。其中風車草的效果最優，為72.38%，其次為再力花和澤瀉，分別為：68.90%和60.57%。風車草去除正磷酸鹽的效率在本試驗中約為紙莎草和梭魚草的2 倍。
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2.2 對氮的去除率比較
由圖2 可以看出，八種挺水植物均能發揮較強的去除總氮的效力，且無顯著差異(P＜0.05)，去除效率均在84.75%以上。成水平[11]等研究發現香蒲濕地在夏季對總氮的去除率在96%以上。總氮的主要組成成分除硝氮外還有氨氮。在過去的研究中，有報道水生植物在夏季對氨氮的去除貢獻較小，效果相差不大[12]。本試驗水體中氨氮在總氮組分上占較大比重，在一定程度上導致了植物種間對總氮去除率的無顯著差異。
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測算對硝氮的去除率結果顯示，慈姑的效果最佳，為79.69%，顯著高于排名次之的再力花和風車草(P＜0.05)。香蒲、水蔥、紙莎草在對硝氮的去除效率上無顯著差異(P＜0.05)，在55.02%至59.38%范圍之間，但明顯高于排名最后的澤瀉(P＜0.05)。這說明，對硝氮的去除率與植被系統吸收同化氮素污染物和植物根系微生物增強的硝化/反硝化作用有關。8 種挺水植物的種間差異導致了其吸收效率不同、根系為硝化反應微生物提供的環境不同。因此不同挺水植物處理的水體中硝氮的去除效率不同。
2.3 對溶解氧環境的改善及葉綠素a 的去除能力比較
測定水體中試驗開始前的葉綠素a 初始值以及7 天后的監測值，依照公式計算不同挺水植物對葉綠素a 的去除能力，并繪制圖3。
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李文朝的研究表明除了營養吸收之外水生植物的水質凈化功能還表現在對浮游藻類的競爭抑制[13]。葉綠素是藻類重要的組成成分之一，所有的藻類都含有葉綠素a，其濃度的多寡是表征光能自養生物量的重要指標[14]。因此可通過測定水體中葉綠素a 含量表明水體中的藻類現存量，評價富營養化程度[15]。本試驗中，8 種不同挺水植物在對葉綠素a 的去除效果上，澤瀉的能力最強并顯著高于其余7 種植物(P＜0.05)，為0.26μg chla /d.g FW。其次為再力花、慈姑、香蒲、風車草，四者無顯著差異(P＜0.05)。紙莎草、水蔥去除葉綠素a 的能力在本試驗中為負值，分別是-0.16μgchla /d.g FW 和-0.82μg chla /d.g FW。對葉綠素a 去除能力與總氮、總磷、硝氮、正磷酸鹽去除率分別作相關性分析，結果顯示均無良好的相關關系。
3 結論
研究結果表明：8 種挺水植物中除了水蔥和紙莎草在對葉綠素a 的去除能力上表現為負值外，其余情況均能在一定程度上改善水環境質量。8 種挺水植物在去除總磷及總氮上表現為無顯著差異，P<0.05; 在對正磷酸鹽的去除率上，再力花、風車草、澤瀉的效果明顯優于其余植物；在對硝氮的去除率上，梭魚草、再力花、風車草的效果較優；在去除水體中葉綠素a 的能力上，再力花、香蒲、風車草表現較強。比較分析發現，再力花、風車草在各方面表現的能力均較強，可以更高效地修復富營養化水體。
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