邵凱迪，段婧婧，薛利紅*，薛利祥，周貝貝，徐德福

1.南京信息工程大學環(huán)境科學與工程學院 2.農業(yè)部長江下游平原農業(yè)環(huán)境重點實驗室，江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所

水生植物凈化技術因其高效和生態(tài)友好被廣泛應用于農業(yè)面源污染及富營養(yǎng)化水體的治理[6]。水生植物不僅能吸收水體中氮、磷等營養(yǎng)成分，還可以形成根際氧化區(qū)，通過分解有機物和根際細菌的硝化反硝化作用，達到凈化水質和修復水體的目的[7-9]。張樹楠等[10-11]研究表明，刈割狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)可帶走氮109.12 g/(m2·a)，磷17.95 g/(m2·a)。劉曉波等[12]研究發(fā)現，在流動污水中，24 h后苦草對TN、總磷(TP)的去除率分別達63.39%及58.52%。黃花水龍(Ludwigiapeploides)是江浙地區(qū)的土著植物，生命力頑強且具有較好的去除水體中氮、磷的能力。黃花水龍群叢可形成天然浮床，在處理濃度分別為3和11 mg/L的水體時，經過5 d即可表現出顯著除氮效果[13]。因此，黃花水龍可作為凈化菜地徑流的備選水生植物。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 試驗方法

試驗時間為2018年9月中旬—11月中旬。試驗在江蘇省農業(yè)科學院大棚科研試驗基地進行，依次排放18個周轉箱。設置2個濃度梯度的模擬富硝水：低濃度TN為5 mg/L，TP為1 mg/L；高濃度TN為15 mg/L，TP為1 mg/L。共設6個處理，除5種植物處理外，設1個無植物的對照，每個處理分別設3個重復。在周轉箱底部鋪設10 cm的細沙作為植物的栽培基質，將苦草、伊樂藻、狐尾藻、黃花水龍和銅錢草分別栽種于箱中，栽種時植物生理參數見表1。栽種植物后，用水泵將配制好的模擬富硝水抽至各周轉箱中，每箱每次進水約156 L。靜態(tài)試驗以1周為1個周期，1周試驗結束，排盡箱中模擬水，加入新配置的同一初始濃度的模擬水，重新開始1周的試驗，以此類推，共開展4周的凈化試驗。分別在加入模擬水后的第1、2、3、5、7 天采集水樣。先開展4周低濃度的凈化試驗，再開展4周高濃度的凈化試驗。低濃度試驗期晝間水溫保持在25.1～29.7 ℃，高濃度試驗期保持在12.5～27.7 ℃。

采用五點取樣法取100 mL水樣，保存于4 ℃冰箱中。試驗結束后(2018年11月中旬)，收集每個箱中的植物，用自來水洗凈瀝干，及時稱量鮮質量(FW)。植物在105 ℃下殺青0.5 h后，于60 ℃恒溫烘至恒重，稱其干質量(DW)。同時測定試驗前后植物體內的氮、磷濃度。

表1 不同植物初始株數、鮮質量及收割后鮮質量

1.3 氮去除及平衡計算

圖1 低濃度下各處理的氮濃度變化Fig.1 Variations of nitrogen concentration in different treatments under low concentration condition

1.4 指標測定

1.5 數據處理

試驗數據采用SPSS 19軟件進行方差分析，采用Duncan法進行差異顯著性分析(P<0.05)，采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 對低濃度富硝水體氮的去除效果

圖3 高濃度下各處理的氮濃度變化Fig.3 Variations of nitrogen concentration in different treatments under high concentration condition

由圖1(b)可知，進水TN濃度為6.32～6.80 mg/L，均值為6.46 mg/L。經過第1周的處理，與無植物的對照相比，黃花水龍和狐尾藻明顯促進了氮的凈化，水體TN濃度分別下降至0.83和0.88 mg/L，TN去除率高達87%；苦草、伊樂藻和銅錢草對TN去除率雖也達80%，但其TN濃度均略微高于無植物的對照(0.95 mg/L)。第2～3周，5種植物的TN去除率均有所下降，且不同植物間差異逐漸加大。第4周，苦草、伊樂藻和銅錢草水體的TN濃度分別為3.85、3.44和2.30 mg/L，顯著高于無植物的對照(1.88 mg/L)；而黃花水龍和狐尾藻則明顯低于對照，分別為0.92和1.36 mg/L?？傮w來講，黃花水龍和狐尾藻對TN平均去除率保持在80%以上；銅錢草次之，為70%左右，與無植物對照的TN平均去除率相當；而苦草和伊樂藻對TN平均去除率僅為55%左右〔圖2(b)〕。

2.2 對高濃度富硝水體氮的去除效果

2.3 水生植物對氮的凈化能力

表2 收割后5種水生植物氮、磷吸收量及單位凈化能力

注：字母不同表示同一列中不同處理間差異顯著(P<0.05)；字母相同表示差異不顯著。

2.4 氮平衡計算

通過養(yǎng)分平衡法計算了試驗各處理對系統中氮的去除途徑,結果如表3所示。由表3可知，各處理通過反硝化等作用脫除的氮量為3 875.34～5 328.21 mg，占系統中氮去除總量的66.56%～98.28%。不同處理通過反硝化等脫除的氮量無顯著差異，其中黃花水龍最大，為5 328.21 mg，高于無植物的對照。水生植物吸收占系統中氮去除總量不足34%，不同水生植物對氮的吸收量差異較大，其中黃花水龍和狐尾藻顯著高于其他植物，分別達2 201.89 和2 304.68 mg，約為伊樂藻的3.5倍、苦草的10.9倍、 銅錢草的28.8倍。各處理中氮去除率(氮去除總量占初始氮量比例)為28.1%～51.6%，其中黃花水龍最高，為51.6%,狐尾藻次之，為47.2%。

表3 各處理對氮的去除途徑 Table 3 Nitrogen removal pathways by different treatments mg

注：同表2。

3 討論

3.1 水體中的不同去除途徑分析

3.3 不同水生植物系統反硝化脫氮能力比較

水生植物可以通過光合作用增加水體中溶解氧濃度，創(chuàng)造好氧-厭氧的微環(huán)境，促進微生物的硝化/反硝化作用[33]。黃花水龍和狐尾藻莖部粗壯，沉沒于水中的莖部能很好地蔓延和伸展，水中茂密的葉片可以為微生物提供良好的附著場所；且大量葉片和莖桿浮出水面，一定程度上削減了水面以下的光照強度，使水下部分植株光合作用減弱，促進了植物根際區(qū)域厭氧界面的生成，為微生物的反硝化作用提供更加適宜的環(huán)境。由于黃花水龍不僅可通過自身的快速生長帶走水體中大量的氮，其強大的根系結構也可促進水體的反硝化脫氮，因此對氮去除效率最高。無植物的對照也具有一定的氮去除能力，這主要是產生的藻類及反硝化作用共同的結果[34]。

4 結論