浮床植物对富营养化水体中氮、磷的净化特征
[摘要]以浮床空心菜(1po。,oea aquatica)、水芹(Oenanthejavanica)和无植物系统为对象，研究了其在富营养化水体中对N、P的去除及其N20的排放情况。结果表明，浮床植物系统对水体中N、P具有良好的净化效果，植物组织所累积的N、P量分别占各自系统去除量的40.32%～63.87％，说明植物的同化吸收作用是N、P去除的主要途径。换水周期内浮床植物系统中硝化反应进行充分，而反硝化反应相对缓慢，导致系统具有较高的NH0一N去除率，而产生N(h-一N累积。植物的存在降低了系统中N20的排放通量。生长较好的空心菜系统在换水前后平均N20排放量最低，为17.14吨h～，空白高达85。08 btg N·m-2h～，水芹为37.38 pg N·m一2·h～。
[关键词]富营养化浮床植物系统N、P硝化和反硝化净化NzO
1引言
水体富营养化是我国水环境管理中的一个难题，水体中过高的N、P浓度是引起水体富营养化的主要原因[8]。控制和修复水体富营养化的植物生态工程技术方法很多，如人工湿地[10]、缓冲带[1，30J、植物塘f20，25J、浮床植物系统[2，3，12,13,15，23](以下简称为浮床系统)等。其中人工湿地技术成熟，应用广泛，而浮床系统出现的时间不长，是一种比较新的富营养化水体原位修复和控制技术。浮床系统技术主要具有以下优点：首先，它直接从水体中去除营养物，不会对沉积物中的营养成分再次利用；其次，它对废水进行原位处理，不另外占用土地；还有，它能适应各种水深，檀株的管理和收获也较漂浮植物系统容易。因此，浮床系统在我国的研究和应用日益增多，植物类型也由水稻[24]、黑麦草[2]和水芹[13]发展到香根草[15,23]、美人蕉[11l、空心菜[4]等多种水生或陆生植物，并由试验室研究开始走向规模性示范和应用[4，18]。但是已有研究多侧重于浮床系统对水体的净化能力和效果，对其中去除特征和植物作用的研究不多。
湿地中的多数N是通过微生物硝化。反硝化途径转变为气态N化物(N20或N2等)，从而得以去除的。湿地植物组织中累积的N仅占系统去除N的-d,部分[9，lO,27，28J。湿地基质对P的去除起着重要作用[6，17，22J。浮床系统中缺少基质的作用，对其中的去除途径仍不清楚。因此，本研究将对浮床系统中植物作用及N：0的释放情况进行探索。
2材料与方法
21供试材料
空心菜(Xpo。,oea aquatica)和水芹(Oenanthe javanica)均来自当地，在供试水体中预培养2周后选取生长良好并均匀一致的植株用于本试验。供试水样为宜兴市大浦镇林庄河河水。并添加了一定量的碳酸氢铵和磷酸二氢铵，其N、P含量见表1。
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22试验方法
植株采用泡沫板(50 cmx 40 cm)浮床栽培，以方形PVC桶(68 am×48 cmX 42 cm)为容器，在泡沫板上以“4 X 3”布局均匀打孔12个，每孔栽入3株空心菜或1株水芹，用海绵条加以固定，每处理3次重复，另设无植物处理为对照，对照2次重复。换水周期为10 d，每次加水18 cm深，合计水量约59 L。在换水前后对每个处理取样。试验期间为了研究营养成分在换水周期内的动态变化，分别在换水后2、5和7 d进行采样。
试验中还对培养箱内气体的N20含量进行了分析。将容器顶部用双层塑料膜密封，再用铁丝将塑料膜嵌入水箱顶四周边凹槽中，在凹槽中加注水。使得塑料膜和水箱之间保持良好的密封性。密封后O、0；5和1。0 h分别采样，采样时用针头将预先抽真空的安瓿瓶和封闭塑料箱连通约2 rain，然后将采气口用胶布封闭后带回实验室，待分析。试验于宜兴市大浦镇温室大棚(科技部重大专项太湖面源污染控制宜兴基地)内进行，时间为2004年5月24日～2004年8月3日，计70 d。其中空心菜于6月23和7月13日各刈割1次。于8月3日收获，水芹于7月23日收获。
23分析方法
水样分析项目为TN、N瞰一N、NOr—N、TP、Poi—P。测试方法为f26J：TN采用K2岛08氧化紫外消解比色法；N村一N采用靛酚蓝比色法；NO；一N采用硫酸联氨还原一重N化偶合比色法；TP采用紫外消解钼蓝比色法；P()主一一P采用钼蓝比色法，分析仪器为荷兰Skalar公司的SA-4000型N、P流动分析仪。N20含量分析仪器为HP 5890 II型气相色谱仪，变异系数为0.1％～0.4％，N20的排放通量计算方法参考文献[29|。收获时植株根、茎叶分开，并分别测定了其生物量及N、P含量，N、P含量采用浓H2S04一H2()2消煮法[14]，调节pH后用上述流动分析仪进行测试。其中N、P去除率的计算公式为：去除率(％)=(Ci—e)／ciXl00％，其中Cf为处理前营养成分浓度，C为处理后浓度。
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3结果与分析
31 TN、N瞄一N和N03一N的去除
浮床空心菜和水芹对TN的去除效果较对照显著。各处理包括对照对NH：。N的去除率均很高，多数时候大于98％，NH：一N的浓度从进水的高浓度下降到几乎难以检出(图1)。由于换水前后的NOr—N浓度变化较大，用去除率难以表达其变化情况，因而将其值列于表2。由表2可以看出，处理后的NO；一N浓度急剧增加，表明在培养箱内的硝化反应将大部分NHf—N转化成NOr—N。
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对换水周期内的各种N形态浓度检测结果表明，各处理中TN的去除率在换水周期内随时间推移而增高，几乎呈直线增加(图2)。第2 d时，各处理之间的TN去除率差别不大，随着时间的推移，空心菜系统TN去除率上升较快，空白TN去除率上升较慢，最后导致空心菜系统具有较高的TN去除率。
这可能是由于空心菜具有较强的吸收同化作用。从表4也可以看出，植物同化累积的N占据了去除N的一半以上。浮床空心菜系统的NOr—N浓度从换水后呈直线增加，5 d时达到最大值，其后又呈直线下降，直至下次换水，而对照和水芹在整个换水周期内N03一N逐渐增加，最后各处理中都有一定的NOr。
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浮床空心菜系统中的N03一N浓度最低，空白最高(图2)，说明生长较好的浮床空心菜系统的硝化反应较其它系统快，而且对N03一N的去除能力也较强。各处理NH；一N浓度在换水周期内不断减少，换水前达到一个较低水平。各处理内NHf—N和NO；一N浓度均呈此消彼长趋势(图2)，表明换水周期内的硝化反应不断地将N瞄一N转化为NOf—N，且由于系统对N03、N去除能力的限制，直至下次换水时NOr。N浓度仍然较高。已有研究表明，湿地对NOr—N具有较高的去除率[7,16]。在本研究中，植物浮床系统对NH-一N的转化率高而且迅速，但会产生NO；。N累积。因此，从理论上讲，在湿地前串联植物浮床系统或通过几级这样的串联系统，应该可以加强对水体N的去除。例如在太湖地区，河水中的NH才一N含量相当高，采用这种串联系统是否可以强化对N的去除，有待于进一步研究。
32 TP和P02一P去除规律
浮床系统对P的去除途径包括植物吸收、沉淀、吸附作用和微生物固定等。浮床空心菜和水芹系统对TP去除率多数时候高达85％以上且稳定，而对照TP去除率有4个换水周期为60％左右，但有3个值却小于10％。空白的较高值与徐晓峰试验结果较为一致(图3)。造成3个换水周期内TP去除率较低的可能原因是：在6月23日、7月23日和8月3日试验期间，环境温度较高，阳光充足，对照箱受到水绵污染，并生长迅速，水绵具有较大的表面积，能吸附水体中的P，并阻碍P的沉淀，取样时为了不使水绵进入水样，对水体扰动较大，造成水绵吸持的P又重新进入水体，最后导致结果偏低。这也从另一个方面说明沉淀和吸附作用在对照系统P去除中起着重要作用，而植物箱内水绵很少，植物吸收、P的沉淀和吸附共同作用导致系统具有较高的P去除率。植物吸收同化的P占系统所去除P的一半左右，说明植物的吸收作用在P的去除中起着重要作用(表4)。POf—P的去除情况类似于TP。
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33 N20的排放
换水前，无植物系统的N20排放速率远高于有植物系统，分别为浮床空心菜和水芹系统的7.43和3.23倍，其中水芹系统的N：O排放速率是空心菜系统的2.30倍(表3)。换水后，仍以空心菜系统的N20排放速率最低，浮床水芹和对照系统的排放量都是空心菜系统的2倍左右。浮床系统排水前后平均N20的排放通量达到17.04～85.08飕N·m-2·h～，这个值在水田土壤[29]、湖泊沉积物[21]和缓冲区[19]中的观测值范围内，但要低于营养液栽培植物中的观测值。营养液栽培系统中N，O的排放通量一般为农田土壤的5～10倍[5]。
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各处理换水前的N20释放速率都高于换水后，对照尤为明显(表3)。造成这种现象的原因是：换入的试验水体经过2次抽取，相当于进行了一个充气过程，水体中含有较多的溶解氧，而不利于厌氧型反硝化反应进行；换水可能损失大部分的反硝化细菌；另外，换入水体的NO；。N浓度较低，同样不利于反硝化进行。浮床空心菜系统对富营养化水体中N的去除效果较好，生长也较好，但是换水前后N20的排放速率都以浮床空心菜最低，而空白较高(表3)。这与湿地中植物能提高系统中的反硝化能力观点不同，推测其原因可能有：
1)浮床系统中植物的根有一定的泌氧能力，致使水体中溶解氧较高，而不利于厌氧型反硝化细菌的生长和繁殖；
2)试验水箱小，水体内流动性和交换性强，水体中的溶解氧含量较高且均一，难以形成湿地中常有的厌氧一好氧交替环境，从而使得浮床系统中硝化反应进行充分，而反硝化反应进行缓慢；
3)植物对反硝化作用底物——硝态N具有较强的吸收同化作用，导致植物系统中NOf。N浓度要低于对照，这点可以从表2的结果得以证实；
4)浮床植物系统中的水溶液pH一般呈弱酸性到近中性，而对照系统为8。0左右。生长旺盛的植物其泌氧、吸收和分泌酸性物质的能力都较强，所以造成有植物浮床系统的N20排放能力要弱于无植物系统，生长较好的空心菜系统N20排放能力要弱于水芹。Diemo等[5]亦发现，无土栽培系统中的反硝化速率主要受到营养液浓度、基质、植物、反硝化细菌和温度等气候因素的影响，其中溶解氧的浓度对反硝化作用的影响较大，中性或略偏碱性的环境有利于反硝化，当pH<6时，无土栽培系统中气态N的损失会减少。湿地中的亚硝化细菌数量和反硝化细菌数量都明显高于无植物系统，具有较强的反硝化能力。
但是湿地系统整体处于厌氧状态，不能为硝化作用提供良好的环境条件，提高湿地N的去除速率最重要的是要提高湿地系统的硝化作用强度。湿地中的植物加强了系统的硝化作用，从而提高了湿地系统的反硝化能力和N的去除能力。在浮床系统中，硝化反应充分而反硝化反应较慢，要提高浮床系统N的去除能力，应该选用同化能力较强的植物或采取强化反硝化措施，增强对NOf—N和N的去除能力。
3.4系统内的物质平衡
空心菜和水芹在试验期间均生长良好。其中空心菜的长势要好于水芹，所积累生物量和生长速率要大于水芹，最后空心菜所累积的N、P也要高于水芹(表4)。空心菜累积的N、P分别占系统去除量的56.87％和63.87％，水芹则为40.32％和44.29％(表4)，说明植物的吸收同化作用是N、P去除的主要途径，植株体成为了富营养化水体N、P去除的一个中间“汇”，最后可以通过收获植株将其彻底移出系统。湿地植物所累积的N一般不会超过所去除N的30％[10,27]，本文所得的较高比值说明植物在浮床系统中对去除水体N、P的重要性，浮床系统中植物所吸收的营养成分大部分直接来自于水体[12|。因此，在利用浮床系统治理水体富营养化时，植物生物量大小及植物的管理显得相当重要。空白系统中N20排放所损失的N占去除N的比例最高，但也仅为2.42％，因而浮床系统中仍有相当一部分N的去向不明。
4结论
4.1浮床植物系统对水体中N、P具有良好的净化效果。浮床空心菜、水芹系统和空白对TN的多次平均去除率分别为63.37％、46.40％和19.76％，TP为95.60％、88.44％和40.08％。
4.2植物组织所累积的N、P量分别占各自系统去除量的40.32％--63.87％。植物的吸收同化作用是N、P去除的主要途径。
4.3在换水周期内，浮床系统中硝化反应进行充分，而反硝化反应相对缓慢，导致系统具有较高的NH寸一N去除率，而产生N03-。N累积。要提高浮床系统N的去除能力，应该选用同化能力较强的植物或采取强化反硝化措施。
4.4 各处理换水后的N20排放量要远低于换水前，植物的存在降低了系统中N20的排放通量，以生长较好的空心菜系统在换水前后N：O排放量最低，而空白最高。N：O。N所损失的N仅占系统去除氮的很小～部分。
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