5种水生植物对富营养化水体净化效果研究.pdf

第 10 卷第 2 期湖南生态科学学报Vol.10 No.22 0 2 3 年 6 月Journal of Hunan Ecological ScienceJun.2023收稿日期:2022-10-03基金项目:福建省科协创新战略研究项目(FJKX-A2111);福建省教育厅中青年项目(科技类)“景观植物对水体净化研究”(JAT200296)。作者简介:为通信作者:卞阿娜,博士,教授,研究方向:植物研究,E-mail:BAN ;陈怡,硕士,研究方向:污水处理,E-mail:aerithchen 。引文格式:陈怡,张乔雨,郭春兰,等.5 种水生植物对富营养化水体净化效果研究J.湖南生态科学学报,2023,10(2):48-54.CHEN Y,ZHANGQ Y,GUO C L,et al.Study on the purification effect of five aquatic plants on eutrophic waterJ.Journal of Hunan Ecological Science,2023,10(2):48-54.DOI:10.3969/j.issn.2095-7300.2023.02.007http:/5 种水生植物对富营养化水体净化效果研究陈怡,张乔雨,郭春兰,卞阿娜(闽南师范大学 生物科学与技术学院,福建 漳州 363000)摘 要:【目的】通过比较闽南本土常见的 5 种水生植物对富营养化水体的净化能力,筛选出适合闽南气候条件的净水型水生草本植物,为闽南水质净化植物的选用和搭配方式提供实践依据。【方法】通过室外环境模拟与实验室测定,分析单种植物和 5 种植物组合组菖蒲(Acorus calamus)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、梭鱼草(Pontederia cordata)、美人蕉(Canna indica)和铜钱草(Hydrocotyle vulgaris)的净化能力,并对其净化能力进行对比。【结果】选用的水生植物的总氮(total nitrogen,TN)去除率由高到低为组合组梭鱼草美人蕉菖蒲狐尾藻铜钱草,其中 5 种植物组合搭配的 TN 去除率最高,其 TN 去除率高达 99.7%。水生植物的总磷(total phosphorus,TP)去除率由高到低为美人蕉组合组狐尾藻梭鱼草铜钱草菖蒲,其中5 种水生植物搭配的 TP 去除率最高值可达 89.1%。5 种水生植物的化学需氧量(COD)去除率由高到低为:组合组梭鱼草美人蕉菖蒲铜钱草狐尾藻。【结论】水生植物混合运用能够加快水体中氮磷污染物质的去除,且能够有效提高 TN、TP 和 COD 的去除率。选用的植物当中,美人蕉和梭鱼草对污水中 TN、TP 和 COD 的净化效果相对较好。建议以美人蕉和梭鱼草为主,多种植物组合,构建净水草本植物体系。关键词:闽南地区;水生植物;净化能力;总氮;总磷中图分类号:X522文献标志码:A文章编号:2095-7300(2023)02-0048-07Study on the Purification Effect of Five Aquatic Plants onEutrophic WaterCHEN Yi,ZHANG Qiaoyu,GUO Chunlan,BIAN Ana(School of Biological Science and Biotechnology,Minnan Normal University,Zhangzhou 363000,China)Abstract:【Objective】This paper aimed to study the purification of five common aquatic plants ofsouthern Fujian province on eutrophic water.【Methods】In this experiment,the ability of different plantsto purify water was analyzed through outdoor environment simulation and laboratory measurement.Thepurification ability of a single plant and five plant combinations(Acorus calamus,Myriophyllum verticilla-tum,Pontederia cordata,Canna indica,Hydrocotyle vulgaris)was analyzed.【Result】It showed that thetotal nitrogen(TN)removal efficiency of the five types of aquatic plants from strong to weak was combi-nation of plants P.cordata C.indica A.calamus M.verticillatum H.vulgaris.Meanwhile,the 5types of aquatic plants combined with the cultivation has the highest removal rate of TN,the TN removalrate was 99.7%;The total phosphorus(TP)removal rate of 5 plants from high to low was combination ofplants C.indica M.verticillatum P.cordata H.vulgaris A.calamus,and the highest TP removalrate of 5 types of aquatic plants combined with the cultivation was 89.1%.The removal rates of chemicaloxygen demand(COD)of the five aquatic plants were as follows:combination of plants P.cordata C.indica A.calamus H.vulgaris M.verticillatum.【Conclusion】The results show that the combined useof aquatic plants can increase the removal rate of nitrogen and phosphorus pollutants in water,and can ef-fectively increase the removal rates of TN,TP and COD.The selected plants,C.indica and P.cordata,have relatively good purification effects on TN,TP and COD.Therefore,it will be better to use C.indicaand P.cordata combination with other plants to purified eutrophic water.It provides practical basis forthe selection and collocation of plants.Keywords:southern Fujian province;aquatic plant;water purification;total nitrogen;total phos-phorus 水体富营养化是目前水体污染中常见的问题之一1。而水体中过高浓度的氮和磷是造成水体富营养化的主要原因2。为降低水体中过高的氮、磷浓度,人们提出了如人工湿地、生态浮床等修复和控制富营养化水体的生态工程,在这些生态工程中植物是重要的组成部分3。且随着我国“海绵城市”建设的加快,净水型水生植物被运用到雨水花园等场景的构建当中4-5,因此利用水生植物进行水质净化逐渐受到关注。水生植物净化法与传统的物理、化学和微生物处理方式相比较,其优势在于低能耗、低投资、处理过程与自然生态系统的兼容性更强,且具有一定的景观效果6。水生植物对污染物的去除机制包括植物吸收7、微生物降解8和物化作用9,净化过程中植物起到直接或间接的作用。不同植物对污染物的吸收、微生物的附着效果不同,导致不同植物的净化效果不同,因此对于植物本身的净化效果的研究和探讨尤为重要。目前关于水生植物在水体污染治理上的研究众多,但缺乏结合闽南地域性气候特点的水生植物净化研究。本研究按照植物的生活型,以挺水植物为主结合沉水植物的方式,选用美人蕉、梭鱼草、菖蒲、铜钱草和狐尾藻 5 种水生植物进行移植栽种试验。试验通过检测水质中总氮(total nitrogen,TN)、总磷(total phosphorus,TP)和化学需氧量(chemicaloxygen demand,COD)这三个指标,探讨 5 种水生植物的水质净化能力,提高水质,美化水体环境,为闽南地区净水型水生植物的选用提供理论参考。1 材料与方法1.1 材料 选用 5 种适应闽南气候特征的草本植物:菖蒲(Acorus calamus)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、梭鱼草(Pontederia cordata)、美人蕉(Canna indica)和铜钱草(Hydrocotyle vulgaris)。试验于闽南师范大学生物科学与技术学院温室大棚进行,并选取长势优良的植株进行种植。1.2 试验设计试验用水为福建漳州九龙江西溪实际水样,原水水样中 TN、TP 和 COD 的浓度为 9.501.98、0.550.49 和 5.470.19 mg/L。为模拟富营养化水体环境,在原水样中加入 NH4Cl 和 KH2PO4进行水样配制,模拟污染液中 TP、TN 和 COD 的浓度,其浓度分别为 2.50、10.00 和 6.00 mg/L。试验组分为 5 种植物组(美人蕉、菖蒲、狐尾藻、铜钱草、梭鱼草)和组合组,共 6 组,每组设置 3个重复。水箱长宽高为(52 cm38 cm17 cm),用铁丝将水箱水面等分成 10 块,每个分区放置一株大小均匀、长势良好的植株,即每个水箱中分别放置10 株。组合组中每种植物各放 2 株。单种植物组和组合组,植物株数一致。试验同时设置一组空白对照组。试验周期为28 d,每隔 7 d 进行一次采样。每次取样时用超纯水补充蒸发、蒸腾、采样所耗的水量。94第 10 卷第 2 期陈怡,等:5 种水生植物对富营养化水体净化效果研究1.3 试验方法总磷(TP)、总氮(TN)和化学需氧量(COD)的测定分别采用钼酸铵分光光度法(GB 1189389)、纳氏试剂分光光度法(HJ 5352009)和高锰酸盐指数法(GB/T 1189289),仪器选用 T6 新世纪紫外可见分光光度计10。各水体指标的去除率(L)11按以下公式计算:L=(C0-Ci)/C0100%式中,C0为初始浓度,Ci为处理后浓度。待试验处理结束后,取出完整植株,采集植物根系部分,自然风干,在105 下杀青20 min,然后在 60 下烘干,称量不同类型的根系重量,计算根系生物量12。1.4 数据处理采用 Excel 2019 软件进行数据处理、作图和分析。2 结果与分析2.1 五种水生植物生长状况 通过对比 5 种水生植物的根系,发现不同植物的根系生长情况不同(表 1)。美人蕉的根系发达,总体生长方向向下延伸13,且根系有许多侧根(图 1a),美人蕉属于须根型水生植物,其根数可达1 34953 条/株。菖蒲的根状茎粗壮,根系光滑且没有明显的侧根(图 1b),菖蒲属于根茎型水生植物,其根数为 54964 条/株。梭鱼草的根系较于上述两者,根状茎较细,但是根系较为发达(图 1c),其根数可达 1 58792 条/株。狐尾藻根状茎发达,节部生根,根茎较为纤细,多分枝,但延展性较差(图 1d),其根数可达 46233 条/株。铜钱草茎细长,节上生根,走茎发达(图 1e),其根数可达 39842 条/株。表 1 5 种水生植物的根数及根部生物量Table 1 The number of roots and root biomass per plantof five aquatic plants种类植物根数/(条/株)根生物量/(克/株)菖蒲549646.21.2狐尾藻462334.81.3梭鱼草1 5879213.62.1美人蕉1 3495311.563.2铜钱草398425.91.6图 1 植物根系结构情况Figure 1 The structure of plant root2.2 五种水生植物净化效果28 d 后,5 种水生植物对模拟污染水体中 TN 和TP 的去除率见表 2。组合组的 TN 去除率最高,去除率可达 99.0%以上,能够有效去除水中的含氮有机物。梭鱼草、美人蕉和菖蒲的 TN 去除率无显著差异,其去除率分别达到 97.7%、94.1%和 90.9%。狐尾藻和铜钱草的 TN 去除率处于同一水平,TN 去除率分别为 86.6%和 82.9%。通过对比植物对污水中 TP 的去除率得出,美人蕉对模拟污染水样中05湖南生态科学学报2023 年 6 月TP 的去除率最高,可达到 88.6%。组合组对含磷物质也表现出良好的去除效果,TP 去除率高达80.3%。狐尾藻和梭鱼草的 TP 去除能力较弱,分别为44.2%和41.8%。菖蒲与铜钱草的 TP 去除率分别为7.0%和22.4%,对水体中 TP 的去除效果表现较差。表 2 水生植物 TN、TP 的去除率Table 2 The removal rate of TN and TP in aquatic plants种类TN 去除率/%TP 去除率/%菖蒲90.93.627.03.18狐尾藻86.64.6544.25.92梭鱼草97.70.9741.83.98美人蕉94.13.2288.62.96铜钱草82.97.3722.45.98组合99.70.1580.33.65空白65.41.1133.81.872.3 对总氮的去除效果比较试验组 TN 的去除率随着时间的推移呈现递增趋势(见图 2)。通过比较得出 TN 去除效果由高到低为:组合组梭鱼草美人蕉菖蒲狐尾藻铜钱草。由于自然水样中,存在少量藻类或微生物膜附着于水体表面,所以空白组的 TN 去除率随时间增长而先降后升。试验后期,5 种水生植物的 TN 去除率均高于对照组,表明 5 种植物均能对水体中的含氮化合物表现出良好的去除效果。试验分为初期(0 7 d)、中期(7 21 d)和后期(21 28 d)。初期菖蒲和狐尾藻的 TN 去除率较低。中期菖蒲和狐尾藻均表现出良好的净化效果,且净化速度显著增加。后期,五种水生植物均有较高的 TN 去除率。从去除率增长速度来看,中期五种供试植物的去除率增长最快,而后期净化效果达到饱和,五种供试植物去除率的增长速度逐渐变缓。初期梭鱼草的 TN 去除率较美人蕉的 TN 去除率低,而后期梭鱼草的 TN 去除率高于美人蕉的 TN去除率,表明梭鱼草相对于美人蕉需要更长的水力停留时间才能更好地发挥作用。植物组合搭配的TN 去除率高于单种植物的 TN 去除率,且在初期植物组合的 TN 去除率已达到 63.5%,能够较快地对污染水体起净化作用。综上所述,试验中的 TN 去除作用起效最快且去除率最高的是植物组合搭配。而单种植物中美人蕉和梭鱼草的 TN 去除效果最好,其余三种水生植物在生长稳定后均能展现出良好的 TN 去除效果。图 2 总氮(total nitrogen,TN)的去除率Figure 2 The removal rate of total nitrogen(TN)15第 10 卷第 2 期陈怡,等:5 种水生植物对富营养化水体净化效果研究2.4 对总磷的去除效果比较TP 去除率由高到低为美人蕉植物组合狐尾藻梭鱼草铜钱草菖蒲。如图 3 所示,试验初期检测的结果显示,菖蒲、梭鱼草和铜钱草对水样中的 TP 几乎没有去除效果;但试验中期,三组植物对污水中 TP 的去除率均有所增加。其余各试验组的TP 去除率也表现出上升趋势,其中组合组搭配的TP 去除率上升最快,其 TP 去除率在试验中期达到89.1%;试验后期菖蒲、狐尾藻、铜钱草和植物搭配的 TP 去除率均有所下降。试验过程中,对比单种植物组与组合组的 TP 去除率,组合组净化效果整体高于单种植物的净化效果,但试验后期 TP 去除率下降后,其值略低于美人蕉的 TP 去除率。综上所述,美人蕉和组合组对水样中的 TP 去除效果表现较好。建议优先使用美人蕉,或选择以美人蕉为主的多种植物组合的方式净化水样中的含磷物质。图 3 总磷(total phosphorus,TP)的去除率Figure 3 The removal rate of total phosphorus(TP)during the experiment2.5 对 COD 的去除效果比较如图 4 所示,由于本试验采用静水试验,种植植物的底泥中的有机质会随着时间的增加不断析出14,通过将植物组与空白组进行比较可以发现,美人蕉、梭鱼草、菖蒲和铜钱草的 COD 去除率均高于空白组,且美人蕉和梭鱼草对 COD 的降解效果较好。试验后期由于狐尾藻生长过快,植物根系部分区域发生老化、枝叶凋零等现象,残叶分解导致水样中 COD 的测量值增高,因此判断狐尾藻对 COD的去除效果较差。3 讨 论水生植物的生长需要大量的营养物质15,其中氮(N)、磷(P)化合物主要以离子形式,通过富集吸收等方式固定在植物体内16,以确保植物的正常生长、发育和繁殖。研究发现,水生植物净化污水的能力 与 植 物 根 系、茎 和 叶 的 生 长 发 育 情 况 相关17-18,且根系的生物量也是净化效率的指标之一19。根据试验后期植物根系的生长情况(图 1),根系数量最多的梭鱼草,其生物量为13.62.1 克/株。须根型植物如美人蕉,其根系的平均生物量为11.563.2 克/株。而根茎型植物如菖蒲,其根系的平均生物量为 6.21.2 克/株。其余两种水生植物铜钱草和狐尾藻的平均生物量分别为 5.91.6 克/株和 4.81.3 克/株。植物根数越多其根生物量也相应增多,同时生物量的增多也促进了 TN 的去除,与试验结果相符合。25湖南生态科学学报2023 年 6 月图 4 COD 的去除率Figure 4 The removal rate of COD during the experiment水体中 TP 的去除主要有三种途径:植物腐败组织的沉积引起的对磷的捕集;植物的直接吸收;微生物的转化吸收作用20。而多数水生植物对磷直接吸收的能力较弱,主要依赖于微生物菌群的种类和数量21,因此部分植物(如菖蒲、狐尾藻、梭鱼草、铜钱草)对水体中 TP 的去除效果不佳。植物净化污水过程中,TP 去除率先升后降,分析其原因有:植物对水体中的含磷物质的吸收达到饱和状态,之后植物中的含磷化合物随着植物的腐解而逐渐析出14;与水体中微生物和藻类的繁殖数量、根系生长情况有关22,微生物繁殖数量增长有益于植物去除 TP,但微生物繁殖过多会造成水体缺氧23,植物腐烂而产生含磷腐殖质,造成水体 TP上升。数据表明,水生植物对水体中的氮磷化合物均表现出良好的去除效果,但在试验前期对系统中COD 的去除效果表现较差。试验前期 COD 浓度上升后逐渐下降又复上升,表明植物生长过程中有COD 析出24。静置试验中,生物的代谢、腐解都发生在试验装置中。由于采用实际水体配置水样,水样中含有部分微生物和藻类,存在其降解产生 COD的情况。但后期随着植物生长的稳定,部分植物对水体中 COD 的去除逐渐发挥作用。由于本试验是静水试验,其水力停留时间相较于流动的水体来说时间更长,试验中污水跟植物有充足的接触时间,而水生植物与污水的接触时间往往较短。因此在实际水体中,净水作用越快的植物,在实际水体中的作用效果越明显,净化效果越好。因此建议在含氮量和含磷量高的水体中,优先推荐以美人蕉和梭鱼草为主,多种植物搭配的方式进行植物栽植,能够加快水体中含氮含磷物质的去除。4 结 论本研究于 2021 年 9 月在室外静水条件下,对 5种水生植物的氮、磷吸收和水质净化能力进行比较研究,可以得出如下结论:(1)5 种供试水生植物根系生长不同,植物根系数量从多到少为梭鱼草美人蕉菖蒲狐尾藻铜钱草,植物根系数量越多,其根生物量越多,对 TN的去除率越高。(2)不同水生植物的水质净化能力存在较大差异。水生植物对水体中总氮和总磷的去除率分别为 65.4%99.7%和 7.0%88.6%。5 种植物净化效果对比,梭鱼草和美人蕉对 TN 和 COD 的去除率优于其他三种供试植物。美人蕉对 TP 去除效果表现最好,狐尾藻和梭鱼草次之。植物组合组对TN、TP 和 COD 的去除效果均优于单种植物的去除效果,且植物组合组能够较快地对富营养化水体起35第 10 卷第 2 期陈怡,等:5 种水生植物对富营养化水体净化效果研究到净化作用。参考文献:1 邵帅,刘丽雯.中国水污染治理的政策效果评估 来自水生态文明城市建设试点的证据J.改革,2022,348(2):75-92.2 武晗琪,李琦晖,李琪,等.太湖北部蓝藻集聚区水体富营养化时空变化研究J.环境污染与防治,2022,44(7):926-932.3 王秀璞,张慧,王语萱,等.水生植物-微生物联合去除水体有机污染物的研究进展J.微生物学通报,2021,48(12):4918-4931.4 王佳,王思思,车伍,等.雨水花园植物的选择与设计J.北方园艺,2012(19):77-81.5 马明海,罗毅,陈然,等.4 种水生植物腐解对人工湿地净化水西河的影响J.环境保护科学,2022,48(6):116-120.6 李晓红.水生植物在水污染治理中的应用 评水体净化与景观水生植物工程应用J.人民黄河,2021,43(9):178.7 张靖雨,汪邦稳,龙昶宇,等.湿地植物对农村生活污水中氮磷的净化作用J.水土保持通报,2021,41(5):15-22+114.8 王丽莎,李希,李裕元,等.亚热带丘陵区绿狐尾藻人工湿地处理养猪废水氮磷去向 J.环境科学,2021,42(3):1433-1442.9 TONG X N,MOHAPATRA S,ZHANG J J,et al.Source,fate,transport and modelling of selected emerging contami-nants in the aquatic environment:Current status and futureperspectives J.Water Research,2022,217:118418.10 申禹,李玲.钼酸铵分光光度法测定磷浓度实验方法的改进 J.实验技术与管理,2013,30(1):56-59.11 袁杰,董立新,杨洁,等.六种挺水植物对富营养化河水氮磷净化效 果 研 究 J.环 境 科 学 与 管 理,2017,42(4):75-78.12 苟小林,周青平,涂卫国,等.高寒半湿润沙地土壤水分与根系生物量对植被恢复的响应J.中国草地学报,2022,44(7):53-60+86.13 罗固源,郑剑锋,许晓毅,等.4 种浮床栽培植物生长特性及吸收氮磷能力的比较J.环境科学学报,2019,29(2):285-290.14 李旭,崔康平,汤海燕,等.沉水植物苦草腐解对水体水质的影响J.中国给水排水,2020,36(7):60-67.15 张玉华,高新红.水生植物在水污染治理中的净化机理及应用 J.中 国 资 源 综 合 利 用,2020,38(11):199-201.16 王敬富,陈敬安,濮培民,等.红枫湖富营养化水体生态修复中水生植物化学成分J.生态学杂志,2012,31(9):2312-2318.17 黄晓龙,李松阳,李宽意.基于 L 系统的水生植物根系动态生长模型构建 J.湖泊科学,2022,34(6):2083-2094.18 ZHOU X H,HE Z L,KIMBERLY D.,et al.Dominating a-quatic macrophytes for the removal of nutrients from water-ways of the Indian River Lagoon basin,South Florida,USAJ.Ecological Engineering,2017,101:107-119.19 程丽芬,张欣,樊兰英,等.人工湿地水生植物根系研究进展J.山西林业科技,2017,46(2):40-45.20 张靖雨,汪邦稳,龙昶宇,等.湿地植物对农村生活污水中氮磷的净化作用J.水土保持通报,2021,41(5):15-22+114.21 ZHOU T C,ZONG N,SUN J,et al.Plant nitrogen concen-tration is more sensitive in response to degradation thanphosphorus concentration in alpine meadowJ.EcologicalEngineering,2021,169:106323.22 李锋民,陈琳,姜晓华,等.水质净化与生态修复的水生植物优选指标体系构建J.生态环境学报,2021,30(12):2411-2422.23 吴明丽,李叙勇.光衰减及其相关环境因子对沉水植物生长影响研究进展 J.生态学报,2012,32(22):7202-7212.24 周卿伟,梁银秀,阎百兴,等.冷季不同植物人工湿地处理生活污水的工程实例分析J.湖泊科学,2018,30(1):130-138.责任编辑:罗小宁英文校对:王芬45湖南生态科学学报2023 年 6 月