徐蕾，陳思宇，謝東升，莊萍，王發(fā)國*，邢福武

鄉(xiāng)土水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果研究

徐蕾1,2，陳思宇3，謝東升1,4，莊萍1，王發(fā)國1*，邢福武1

(1. 中國科學院華南植物園，中國科學院植物資源保護與可持續(xù)利用重點實驗室, 廣東省應用植物學重點實驗室，廣州 510650；2. 中國科學院大學，北京 10049；3. 中山大學，廣州 510275；4. 仲愷農業(yè)工程學院，廣州 510225)

為了解鄉(xiāng)土水生植物凈化富營養(yǎng)化水體的效果，研究了廣東地區(qū)5種鄉(xiāng)土水生植物對2種富營養(yǎng)化水體總氮(TN)、總磷(TP)的凈化效果和植物的生長狀況。結果表明，與無植物空白相比，5種鄉(xiāng)土植物使低、高濃度水體的TN去除率分別提高了3.8%~13.3%和13.2%~17.1%，TP去除率分別提高了15.2%~22.1%和11.3%~57.6%，其中野荸薺()適用于凈化低氮水體；酸模葉蓼()適用于高氮水體；三白草()適用于低磷水體；菱角()適用于低氮或高磷水體；水龍()對2種水體均有較好的凈化效果，對高磷水體效果極佳。5種鄉(xiāng)土植物在低、高濃度水體中均旺盛生長，水龍的生物量凈增長率分別達375.5%和539.8%，表現(xiàn)最優(yōu)，其次為菱角；水葫蘆()則在高濃度水體中腐爛死亡，加重了水體污染。水龍、菱角對污染物的吸收作用較強，對P的吸收能力顯著優(yōu)于其他植物(<0.05)。因此，5種鄉(xiāng)土植物均可作為廣東地區(qū)富營養(yǎng)化水體修復的備選植物，其中水龍和菱角的開發(fā)潛力最大。

水生植物；富營養(yǎng)化水體；氮；磷；水體凈化

由水中氮、磷等營養(yǎng)元素含量過高導致的富營養(yǎng)化現(xiàn)象已成為全球性的環(huán)境問題，據統(tǒng)計全球有75%以上、我國已有60%以上的封閉型水體處于富營養(yǎng)化狀態(tài)[1-2]，富營養(yǎng)化水中藻類異常繁殖，水體透明度和溶解氧含量降低，魚蝦等水生生物大量死亡，生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞，并進一步加劇了水資源短缺的危機，其治理與修復成為當前環(huán)境領域的重點和難點。目前，國內相關修復工程中植物的選擇主要側重于短期的凈化效果，較少顧及觀賞價值和生態(tài)經濟效益，故所選用的多為外來植物，如水葫蘆()、大薸()、粉綠狐尾藻()等[3]，這些植物難以管控，易在野外泛濫成災，破壞原有生態(tài)系統(tǒng)平衡，對環(huán)境造成嚴重危害[4]。而發(fā)達國家的水體修復將治污與植物的景觀效果、文化內涵和長遠的生態(tài)利益融為一體[3]。

我國鄉(xiāng)土水生植物資源豐富，種類繁多[5]，具有較高的生態(tài)安全性與景觀文化本土性[6]，其中不乏兼具觀賞價值和水體修復潛力的種類，開發(fā)鄉(xiāng)土水生植物對于減少外來植物對環(huán)境造成的入侵危害意義重大。張文明[7]報道太湖土著植物黃花水龍(subsp.)的除氮能力是水葫蘆的2.9倍，除磷能力是水葫蘆的0.7倍，可在實踐中替代水葫蘆凈化水體。但目前各地對鄉(xiāng)土水生植物資源重視不足，有關其凈水功能與實踐應用的報道較少。本文對廣東省水生植物資源進行了全面調查[8]，結合植物的野外生境、居群狀態(tài)、景觀特性和潛在利用價值,選取具有代表性的5種鄉(xiāng)土水生植物為研究對象，探究其對富營養(yǎng)化水體的凈化效能，為工程實踐提供參考，同時為我國生態(tài)文明建設做貢獻。

1 材料和方法

1.1 供試植物和水體

以水龍()、菱角()、三白草()、野荸薺()和酸模葉蓼()共5種鄉(xiāng)土水生植物為研究對象，以外來植物水葫蘆作為植物對照。所有試驗植物均采自廣東省四會市下茆鎮(zhèn)。

供試水體為原位采集的實際污水，分低、高2個濃度等級。低濃度水體采自四會市下茆鎮(zhèn)某污染河流，總氮(TN)含量為5.3~6.2 mg L-1，總磷(TP)為0.51~0.70 mg L-1，屬嚴重富營養(yǎng)化水體[9]；高濃度水體采自四會市下茆鎮(zhèn)某養(yǎng)豬場排污塘，TN含量為22.1~30.2 mg L-1，TP為4.5~6.1 mg L-1，屬異常富營養(yǎng)化水體[9]。

1.2 方法

試驗于2018年5-7月在溫室中進行，自然光照，夜間氣溫25℃，日間氣溫33℃，平均日照13 h。

試驗前期將野外采集的健康植株在自來水中馴養(yǎng)7 d，并于試驗開始前用自來水洗滌，再用蒸餾水潤洗3次，自然風干15 min后稱量植物鮮質量。試驗設置了5個鄉(xiāng)土植物、水葫蘆對照和只有污水無植物的空白對照7個處理，每處理3個重復。培養(yǎng)容器為600 mm×500 mm×300 mm的PVC水箱,每箱盛裝污水75 L，培養(yǎng)水生植物200 g。定期添加蒸餾水至試驗初始水位。

水樣于水培前1 d和水培后第15、30、45、60天用聚乙烯容器采集，每次200 mL，當天上午7點采樣并在48 h內完成相關測定。收割的植物樣品用蒸餾水洗凈后立即在105℃下殺青，65℃下烘干，測量植物的氮、磷含量。水體TN用TOC總有機碳分析儀測定，TP用鉬酸銨分光光度法(GB 11893- 1989)測定，植株TN和TP含量采用濃H2SO4-H2O2消解法[10]測定。

1.3 數據分析

采用Excel 2016軟件統(tǒng)計數據，R-3.4.3軟件作圖并對數據進行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗(Duncan法)。水體中TN、TP去除率為η1，植物TN、TP凈去除率為η2，水生植物對TN、TP的吸收貢獻率為η3，水生植物生物量凈增長率為η4，計算公式如下：1=(11-22)/11×100%；2=1()-1();3=(21)/(11-22)×100%；4=(21)/1×100%，式中：12和12分別表示水樣的起始、終止?jié)舛?mg L-1)和水量(L)；、分別表示植物和空白對照；12分別表示試驗起始、終止時水生植物的氮、磷總量(mg)；12分別表示試驗起始、終止時的植物鮮質量(mg)。

2 結果和分析

2.1 對水體中氮的去除效果

從圖1可知，污水中TN的凈化效果受植物種類、污染物濃度和水力停留時間影響；切斷外源污染后，水體TN自凈能力較強。試驗前期，各處理TN含量下降迅速。處理15 d低濃度下空白對照水體TN去除率達61.2%，三白草、野荸薺、水葫蘆與其差異不大；酸模葉蓼、菱角和水龍則顯著高于空白對照(<0.05)，使水體TN去除率提高了7.1%~ 12.1%。各處理在高濃度和低濃度下對TN的凈化效果存在一定差異，高濃度下空白對照水體TN去除率為41.3%，水葫蘆為24.1%，5種鄉(xiāng)土植物處理則顯著高于空白對照(<0.05)，使TN去除率提高了30.8%~41.9%。

水葫蘆和空白對照的TN去除率因污水濃度差異較大。5種鄉(xiāng)土植物在2種水體中均表現(xiàn)為前15 d去除率快速增加，隨后整體呈緩慢上升趨勢, 并于第45天達到最大值，此后，部分植物處理效果略有下降，但與第60天的差異不大。

從表1可見，試驗結束時(60 d)，低、高濃度下空白對照水體TN去除率均較高，分別為60.5%和72.2%，種植植物后水體TN去除性能得到不同程度提升。低濃度下水葫蘆、菱角、野荸薺、水龍、三白草、酸模葉蓼分別使水體TN去除率提高了19.0%、13.3%、12.7%、11.8%、7.9%和3.8 %。高濃度下酸模葉蓼、菱角、野荸薺、水龍、三白草、水葫蘆的TN去除率分別提高了17.1%、16.6%、15.9%、15.3%、13.2%和3.8%。凈化效果因植物種類和污水濃度而差異顯著(<0.05)，低濃度污水中水葫蘆的凈化效果最好，高濃度污水中酸模葉蓼的最好，菱角、野荸薺、水龍對2種水體均有較好的凈化效果，可作為廣東地區(qū)富營養(yǎng)化水體TN去除的備選植物。

2.2 對水體中磷的去除效果

從圖2可知，污水中TP的凈化效果也受植物種類、污染物濃度和水力停留時間影響；切斷外源污染后，水體TP自凈能力較強。處理15 d，低濃度下空白對照水體TP去除率為55.1%，酸模葉蓼、三白草與其差異不大；其余4種植物則顯著高于空白對照(<0.05)，使水體TP去除率提高了18.4%~28.0%。不同處理在高濃度和低濃度下對TP的凈化效果差異較大，高濃度下空白對照水體TP去除率為13.1%，酸模葉蓼為13.7%，水葫蘆僅7.8%；其余4種植物處理顯著高于空白對照(<0.05)，使水體TP去除率提高了25.0%~71.1%，其中水龍優(yōu)勢極為明顯。

圖1 TN去除率的動態(tài)變化。A: 低濃度污水; B: 高濃度污水。柱上不同小寫字母表示相同采樣時間不同處理間差異顯著，不同大寫字母表示相同處理不同時間差異顯著。下圖同。

表1 水體總氮和總磷60 d后的凈去除率

同一數據后不同字母表示差異顯著(<0.05)。下表同。

Different small letters within column indicate significant difference at 0.05 level. The same is following Table.

圖2 TP去除率的動態(tài)變化。A: 低濃度污水; B: 高濃度污水。

低濃度污水中不同處理對TP達到最佳凈化效果的時間不同，菱角為15 d，酸模葉蓼為30 d，空白對照組為45 d，水葫蘆、三白草、野荸薺和水龍則為60 d。高濃度污水中除水葫蘆在45 d后去除率開始下降外，其余處理的TP去除率均在60 d達最高。

從表1可知，試驗結束時(60 d)，低、高濃度下空白對照水體TP去除率分別為62.2%和38.3%，種植植物后水體TP去除性能得到不同程度提升。低濃度下水葫蘆、水龍、三白草、酸模葉蓼、野荸薺和菱角分別使水體TP去除率提高了28.0%、22.1%、21.6%、17.9%、15.3%和15.2%。高濃度污水中水龍、菱角、野荸薺、酸模葉蓼、三白草分別使TP去除率提高了57.6%、50.4%、23.4%、19.9%和11.3%,而水葫蘆的則下降了11.5%。各處理凈化效果因植物種類和水體濃度差異顯著(<0.05)，低濃度污水中水葫蘆的凈化效果最好，水龍和三白草次之，高濃度污水中水龍、菱角遠優(yōu)于其他植物，可作為廣東地區(qū)富營養(yǎng)化水體TP去除的備選植物。

2.3 植物生物量凈增長率和吸收貢獻率變化

5種鄉(xiāng)土水生植物在污水中均生長良好，且水體營養(yǎng)鹽濃度越高，植物生長越旺盛，生物量增長越快。水葫蘆則在高濃度污水中出現(xiàn)生長異常，從第20天開始莖葉和根系逐漸變白，生長停滯，并進一步腐爛死亡。植物生物量凈增長率受植物種類和水體污染程度影響，低濃度污水中植物生物量凈增長率為59.2%~375.5%，以水龍最高，水葫蘆次之，三白草最低；高濃度污水中植物生物量凈增長率為0.24%~539.8%，以水龍最高，菱角次之，水葫蘆最低?？梢?，水龍對2種水體的適應力強，生物量增長最快，菱角次之。

表2 植物生物量凈增長率和吸收貢獻率

植物的吸收貢獻率是指植物通過吸收作用去除的氮、磷含量占水中污染物去除總量的比例，受植物種類和水體污染程度影響。低濃度污水中植物對N的吸收貢獻率為15.4%~41.5%，以水龍最強，水葫蘆次之，酸模葉蓼最低；高濃度污水中植物對N的吸收貢獻率為-3.5%~40.6%，以水龍最強，菱角次之，水葫蘆最低；酸模葉蓼、菱角的為低濃度<高濃度，三白草、野荸薺、水龍和水葫蘆的為低濃度>高濃度。對于TP，低濃度污水中植物對P的吸收貢獻率為18.7%~29.7%，以野荸薺最強，菱角次之，酸模葉蓼最低；高濃度污水中植物對P的吸收貢獻率為-7.4%~43.5%，以水龍最強，菱角次之,水葫蘆最低；酸模葉蓼、菱角、水龍表現(xiàn)為低濃度<高濃度。三白草、野荸薺、水葫蘆表現(xiàn)為低濃度>高濃度。水龍、菱角在2種水體中對TN、TP均有較好的富集能力。

3 結論和討論

本研究結果表明，鄉(xiāng)土水生植物的輔助修復有利于去除富營養(yǎng)化水體的氮磷元素，其凈化效果受植物種類、污染物濃度和水力停留時間影響。切斷外源污染后，天然水體具有較強的自凈功能，水生植物的存在能進一步提升水體的氮磷去除性能，這與前人[11-12]的研究結果一致。本研究中，處理60 d后低、高濃度污水中空白對照的TN去除率分別為60.5%和72.2%，TP去除率分別為62.2%和38.3%，高于大多數人工配置污水的模擬試驗[13-14]，這可能因為本試驗實際污水中微生物的種類和數量較為豐富，水體中的氮元素一部分通過沉淀去除，另一部分主要通過與微生物活動密切相關的氨化、硝化和反硝化作用去除，這也與前人[15-17]的研究結果一致。磷循環(huán)屬沉積型循環(huán)，不能像氮一樣以氣體的形式揮發(fā)，水中的磷主要通過顆粒態(tài)磷的機械沉積，溶解態(tài)磷與水中固體懸浮物吸附沉淀和與鈣、鎂、鋁等陽離子結合沉淀等途徑去除[18]。本試驗選用的5種鄉(xiāng)土植物對富營養(yǎng)化水體均有一定的凈化效果，在空白對照的基礎上使低、高濃度污水的TN去除率分別提高了3.8%~13.3%和13.2%~17.1%, TP分別提高了15.2%~22.1%和11.3%~57.6%。植物一方面吸收水中的氮、磷元素；另一方面植物的存在豐富了水體生物多樣性，提高了水生態(tài)系統(tǒng)抵抗力穩(wěn)定性，改善了水體環(huán)境，促進了其他因素對氮、磷的去除。植物根系的泌氧功能可促進硝化細菌、反硝化細菌等根際微生物的生長代謝，加速污染物的分解[19-20]。

有研究指出植物的吸收作用對水中氮、磷的去除貢獻較小，約占2%~6%[21-23]，但蔣躍平[24]研究了17種植物對氮、磷的吸收，分別占水中污染物總去除量的46.8%和51.0%。本試驗的5種鄉(xiāng)土植物對低、高濃度污水中TN的吸收貢獻率分別為12.1%~41.5%和13.2%~40.6%；對TP的吸收貢獻率分別為18.7%~29.7%和18.8%~43.5%；其中水龍、菱角的吸收作用較強，對高濃度污水中TP的吸收貢獻遠高于其他植物。植物的吸收貢獻率受植物種類和水體污染程度影響，在不考慮研究背景的情況下直接評價植物的吸收作用存在一定的片面性。Brix[19]和Peterson[25]的研究也表明，植物在低負荷人工濕地中對氮、磷的吸收貢獻十分明顯，在高負荷系統(tǒng)中的作用較為有限。在利用水生植物凈化富營養(yǎng)化水體過程中，可通過植物吸收作用將水中的污染物轉移至植物體內，再通過收割植物的方式從水中移除。

水生植物的凈增生物量是決定植物水質凈化能力的一個重要因素[26]。本研究中植物生物量增長越快，其水質凈化效果越明顯。60 d內，水龍在低、高濃度水體中生物量分別增長了3.7和5.4倍, 其所在水體低濃度下氮、磷去除率大于72.0%，高濃度下大于87.0%，水龍生物量增長速度明顯高于其它植物且綜合水質凈化效果最好。蔣躍平[24]也通過研究表明可直接以生物量為指標選擇適合的凈水植物。因此，在水體生態(tài)修復的相關工程實踐中, 可優(yōu)先考慮生物量大，生長快的鄉(xiāng)土水生植物。

不同植物對污染物的耐受能力不同。本試驗的5種鄉(xiāng)土水生植物在2種水體中都生長良好，但外來植物水葫蘆在高濃度水體中腐爛死亡，其所在水體氮、磷去除率分別為-3.5%和-7.4%，反而加重了水體污染。萬志剛等[27]的人工模擬試驗表明水葫蘆的氮、磷致死濃度分別為1 514.26和200.4 mg L-1，遠高于本試驗的高濃度污水，這說明本研究中氮、磷含量不是水葫蘆的致死因素，具體原因需進一步研究。水葫蘆作為水生態(tài)相關工程中的常用植物,其生態(tài)風險需進一步評估。當前關于植物凈化效果的研究多在人工配置的污水中進行，與實際水體存在較大差異，并且水環(huán)境較為復雜，工程實踐中選用植物時需在查閱文獻資料、借鑒他人經驗的基礎上用待修復水體進行預試驗，避免植物生長不適而大面積死亡對水體造成二次污染。

本試驗的5種鄉(xiāng)土水生植物對富營養(yǎng)化水體均有一定的凈化效果。其中野荸薺適用于凈化低氮水體；酸模葉蓼適用于高氮水體；三白草適用于低磷水體；菱角適用于低氮或高磷水體；水龍對2種水體均有較好的凈化效果，對高磷水體效果極佳。這些植物同時具有較高的經濟價值和景觀效果，其中水龍生物量大生長快，易成片生長形成景觀且收割后可作優(yōu)良的動物飼料，菱角可供食用，三白草全草入藥且文化內涵豐富，花期頂端葉片變白，適于營造獨特的水體景觀。在今后廣東地區(qū)富營養(yǎng)化水體治理中可結合污水特征和景觀需求合理地選用以上植物，進一步促進環(huán)境保護與經濟和諧發(fā)展。

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Purification of Eutrophic Water by Native Aquatic Plants

XU Lei1,2, CHEN Si-yu3, XIE Dong-sheng1,4, ZHUANG Ping1, WANG Fa-guo1*, XING Fu-wu1

(1. Key Laboratory of Plants Resources Conservation and Sustainable Utilization, Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Botany, South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 10049, China; 3. Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275, China; 4. Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)

In order to understand the purifying effect of native aquatic plants on eutrophic water, five representative native aquatic plants in Guangdong Province were selected withas a control for studying the removal rate of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and the growth and absorption ability of six plants in two kinds of eutrophic water were also studied. The results showed that the TN removal rate of 5 native plants in low and high polluted water increased 3.8%-13.3% and 13.2%-17.1% compared with the blank control, while TP removal rate increased 15.2%-22.1% and 11.3%-57.6%, respectively.was suitable for purifying low nitrogen water,whilefor high nitrogen water.was suitable for low phosphorus water, whilefor low nitrogen or high phosphorus water.was suitable for the two kinds of eutrophic water and had excellent purification effect for high phosphorus water.All 5 native plants could grow vigorously in low and high eutrophic water and the net growth rate of biomass ofreached up to 375.5% and 539.8%, respectively, showing the best, followed byBut the control plantdecayed and died under high polluted water, which aggravated water pollution.andhad perfect absorption effect on pollutants, and the TP absorption capacity was better than that of other plants (<0.05). So, it was suggested that all of five native plants could be used as alternative plants for the restoration of eutrophic water in Guangdong, among themandhad excellent development potentiality.

Aquatic plant; Eutrophic water; Nitrogen; Phosphorus; Water purification

10.11926/jtsb.4047

2019-01-28

2019-03-28

廣東省自然科學基金項目(2015A030308015)；廣東省科技計劃項目(2015A020220011)資助

This work was supported by Natural Science Foundation in Guangdong (Grant No. 2015A030308015), and the Planning Project for Science and Technology in Guangdong Province (Grant No. 2015A020220011).

徐蕾(1993~ )，女，碩士研究生，研究方向為水生植物資源。E-mail: xulei@scbg.ac.cn

Corresponding author. E-mail: wangfg@scbg.ac.cn