挺水植物对富营养化水体的净化效果研究
摘 要：为完善水生态修复技术，研究了太湖流域常见的八种沉水植物对富营养化水体的净化效果。通过室内模拟、实验室测定，分析了不同种类挺水植物对水环境质量的改善能力。结果表明：八种挺水植物均有一定能力去除水体中总磷、正磷酸盐、总氮、硝氮和叶绿素a。比较分析发现：本试验中，八种挺水植物在去除总磷及总氮上表现为无显著差异，P<0.05; 在对正磷酸盐的去除率上，再力花、风车草、泽泻的效果较优；在对硝氮的去除率上，梭鱼草、再力花、风车草的效果较优；在去除水体中叶绿素a 的能力上，再力花、香蒲、风车草的较强。综合多个指标，再力花、风车草在各方面表现的能力均较强，可作为太湖流域富营养化水体修复优先选用的物种。
关键词：挺水植物；氮；磷；叶绿素；净化率；去除能力
0 引言
随着水污染的加剧,为了寻找高效低耗的水污染处理技术,20 世纪70 年代,水生植物开始受到人们的关注。它们在水体中的生态功能使其在水污染防治中具有很大的应用价值[1]。一些学者研究表明:植被不仅本身能吸收同化污水中氮、磷等污染物,而且还能提高整个湿地生态系统微生物数量,调整其组成结构,促进湿地生态系统的硝化和反硝化作用的进行,强化其净化能力[2~6],部分植物还有克藻效应[7]。其中，挺水植物是构建人工湿地植被系统的主要类型植物,挺水植物不仅具有同化吸收污染物的功能,还有拦截、过滤污染物的作用,选择适当的挺水植物是构建人工湿地和恢复重建自然湿地的关键措施[1,8]。挺水植物系统常被用于人工或天然湿地城镇污水的二级或三级处理、工业废水、暴雨径流的处理[3]。因此本研究依据朱斌等[9]的调研结果，选择了被研究频度较高及较少研究的挺水植物各四种进行净化效果对比试验，测定并计算不同挺水植物对N、P 的去除率以及去除水体中叶绿素能力，为人工湿地应用中挺水植物的选择提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 供试材料
野外采集我国太湖流域广泛分布的8 种挺水植物作为研究对象，分别为：再力花(Thaliadealbata)、慈姑(Sagittaria sagittifolia Linn)、 香蒲(Typha orientalis Presl) 、梭鱼草(Pontederialanceolota) 、水葱(Scripus validus Vahl) 、纸莎草(Egypean Papyrus) 、风车草(Cyperusalterniafolius Linn)、泽泻(Alisma Plant agoaquatica Linn)。试验容器为50cm×30cm×50cm 的玻璃缸，试验水位35cm。试验水体取自南京市乌龙潭，基本水质状况见表1。
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1.2 试验设计
本试验于2006 年5 月在温室内进行。试验开始前，将受试植物转接到培养箱内，用Hoaglands’ cultivation solution (0.01X)营养液驯化一周。试验水体采自常年富营养化的南京市乌龙潭。试验容器玻璃缸底部铺有2.5kg 粒径约为1cm 的卵砾石用于固定植物根部，每个容器放置52L 的乌龙潭原水，并移入植株大小均匀的挺水植物25g(±0.5g)。试验设3 个重复，8 个处理：(1) 再力花；(2) 慈姑；(3) 香蒲；(4) 梭鱼草；(5) 水葱；(6) 纸莎草; (7) 风车草;(8) 泽泻。试验开始后7 天，从玻璃缸采集水样100mL，测定总氮、总磷、正磷酸盐、叶绿素a。
1.3 测定方法
各指标测定方法均采用国标方法，具体见表2。
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1.4 计算公式
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其中c为试验水体中污染因子的初始值(mg/L)
c为试验水体中污染因子在第7天时的测定值(mg/L)
w为挺水植物的鲜重（g）
t为时间间隔7(d)
52为容器内水体体积(L)
1.5 数据分析
实验重复三次，试验数据均为平均数±标准误差表示(Mean±SD)表示，并用单因素方差分析方法和单侧t 检验法对组间数据进行差异性显著分析，P＜0.05 被认为差异显著。
2 结果与讨论
2.1 对磷的去除率比较
通过实验室分析，测定试验水体中总磷、正磷酸盐浓度，依照公式计算不同挺水植物对总磷、正磷酸盐的去除率。总磷包括颗粒态磷和溶解态磷，其中的颗粒态磷易被挺水植物发达的根系吸附，收到暂时被去除的效果。由图1 可以看出，8 种挺水植物对水体中总磷均有较高去除率，且无显著差异（P<0.05），范围在86.75%与93.37%之间。在对正磷酸盐的去除效率上，植物种间具有显著差异（P<0.05）。其中风车草的效果最优，为72.38%，其次为再力花和泽泻，分别为：68.90%和60.57%。风车草去除正磷酸盐的效率在本试验中约为纸莎草和梭鱼草的2 倍。
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2.2 对氮的去除率比较
由图2 可以看出，八种挺水植物均能发挥较强的去除总氮的效力，且无显著差异(P＜0.05)，去除效率均在84.75%以上。成水平[11]等研究发现香蒲湿地在夏季对总氮的去除率在96%以上。总氮的主要组成成分除硝氮外还有氨氮。在过去的研究中，有报道水生植物在夏季对氨氮的去除贡献较小，效果相差不大[12]。本试验水体中氨氮在总氮组分上占较大比重，在一定程度上导致了植物种间对总氮去除率的无显著差异。
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测算对硝氮的去除率结果显示，慈姑的效果最佳，为79.69%，显著高于排名次之的再力花和风车草(P＜0.05)。香蒲、水葱、纸莎草在对硝氮的去除效率上无显著差异(P＜0.05)，在55.02%至59.38%范围之间，但明显高于排名最后的泽泻(P＜0.05)。这说明，对硝氮的去除率与植被系统吸收同化氮素污染物和植物根系微生物增强的硝化/反硝化作用有关。8 种挺水植物的种间差异导致了其吸收效率不同、根系为硝化反应微生物提供的环境不同。因此不同挺水植物处理的水体中硝氮的去除效率不同。
2.3 对溶解氧环境的改善及叶绿素a 的去除能力比较
测定水体中试验开始前的叶绿素a 初始值以及7 天后的监测值，依照公式计算不同挺水植物对叶绿素a 的去除能力，并绘制图3。
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李文朝的研究表明除了营养吸收之外水生植物的水质净化功能还表现在对浮游藻类的竞争抑制[13]。叶绿素是藻类重要的组成成分之一，所有的藻类都含有叶绿素a，其浓度的多寡是表征光能自养生物量的重要指标[14]。因此可通过测定水体中叶绿素a 含量表明水体中的藻类现存量，评价富营养化程度[15]。本试验中，8 种不同挺水植物在对叶绿素a 的去除效果上，泽泻的能力最强并显著高于其余7 种植物(P＜0.05)，为0.26μg chla /d.g FW。其次为再力花、慈姑、香蒲、风车草，四者无显著差异(P＜0.05)。纸莎草、水葱去除叶绿素a 的能力在本试验中为负值，分别是-0.16μgchla /d.g FW 和-0.82μg chla /d.g FW。对叶绿素a 去除能力与总氮、总磷、硝氮、正磷酸盐去除率分别作相关性分析，结果显示均无良好的相关关系。
3 结论
研究结果表明：8 种挺水植物中除了水葱和纸莎草在对叶绿素a 的去除能力上表现为负值外，其余情况均能在一定程度上改善水环境质量。8 种挺水植物在去除总磷及总氮上表现为无显著差异，P<0.05; 在对正磷酸盐的去除率上，再力花、风车草、泽泻的效果明显优于其余植物；在对硝氮的去除率上，梭鱼草、再力花、风车草的效果较优；在去除水体中叶绿素a 的能力上，再力花、香蒲、风车草表现较强。比较分析发现，再力花、风车草在各方面表现的能力均较强，可以更高效地修复富营养化水体。
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