水生植物净化农田排水的静态试验研究

李 勇，郑 垒，颜智勇

（湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

我国是一个农业大国，是世界上施用化肥最多的国家之一。我国的农田化肥平均施用水平375 kg/hm2，大大超出发达国家设置的225 kg/hm2的安全上限[1-2]；有关研究表明，我国的化肥施用量很高但利用率过低，氮肥利用率仅为30%～50%，钾肥为35%～50%，磷肥的当季利用率为10%～20%，剩余大部分随农田排水经地表径流或土壤渗滤进入水体，很容易引起水体富营养化[3-4]。利用水生植物净化农田排水，可以减少氮磷等污染物进入周边环境的量，缓解环境压力，预防农田排水区水体的富营养化[5]；还可以针对农田进行有效的控水及施肥，提高水资源和肥料利用效率。此外，利用植物净化成本低，没有二次污染，还有一定的景观效应[6]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据文献资料和对当地植物进行调查后，选取千屈菜、再力花、梭鱼草、菖蒲、香蒲、狐尾藻、水生鸢尾、美人蕉、芦苇9种植物作为净化植物。

1.2 试验设计

试验所选植物在移栽之前，均先用自来水洗净其根部的泥土，以排除其对试验的影响。选择高度、体积大体一致的植物，根据盖度75%进行栽种，每种植物做2个平行。芦苇、菖蒲和千屈菜各6株，香蒲和水生鸢尾各8株，梭鱼草、美人蕉和再力花各5株，狐尾藻每份约100 g，每种植物都平均分为2份。

将选定的上述植物分别置于18 L的塑料桶中，添加10 L农田水，用聚乙烯泡沫板固定，并用保鲜膜覆盖桶面以减少蒸发。试验条件在正常室外光照强度下，考虑到蒸发量较大，取样之前用经过测定不含氮磷和有机物的自来水稀释至10 L，取样点均位于液面以下10 cm处。另用一同样塑料桶只加农田水，不栽植物作为对照。以施完肥后第2天在排水口附近所取的农田水为试验水样，水中氨氮浓度在1.90～2.05mg/L之间，总氮浓度为3.0～3.25 mg/L，总磷浓度为0.11～0.14 mg/L，COD在20 mg/L左右。试验时间为2010年8月，试验周期为14 d，第一次取样在放入植物1 h之后，其后分别在第4天、第9天和第14天取样监测，最终浓度取平行样的平均值。各种水生植物的净化效率为相对于空白无植物净化系统的污染物去除效率。

1.3 测定指标

测定水样中的氨氮、总氮、总磷和COD含量。测定方法均按国家标准方法监测[7]。氨氮用纳氏试剂分光光度法，总氮用碱性过硫酸钾氧化·紫外分光光度法，总磷用钼锑抗分光光度法，COD用重铬酸钾消解滴定法。

2 结果与分析

2.1 水生植物对水体氨氮的净化效果

各类植物对农田排水中氨氮（NH3-N）的净化效果如图1所示。经过14 d的净化试验，无植物空白系统中氨氮浓度降低53.4%，这表明水体本身在没有植物存在时，也具有一定的自净能力。水体的这种自净能力主要源于水体中微生物的吸附作用。由图1可以看出，各类植物净化系统对氨氮的净化效率均明显高于空白系统，效果较为理想，其中芦苇、千屈菜和狐尾藻净化系统的净化效率分别为42.8%、38.2%、36.6%（去除空白后），效果尤为突出。各类植物对农田排水中氨氮的净化效率是芦苇>千屈菜>狐尾藻>香蒲>菖蒲>美人蕉>梭鱼草>水生鸢尾>再力花。

图1 水生植物对水体NH3-N的净化效果

2.2 水生植物对水体总氮的净化效果

各类植物对农田排水中总氮（TN）的净化效果如图2所示。试验期内，无植物空白净化系统中TN减少43.7%。在植物净化系统中，以芦苇和狐尾藻净化系统净化效果最好，去除空白后，在第14天时对TN的净化效率分别为47.2%和46.3%，其次是千屈菜和香蒲，分别为44.1%和41.1%，效果较为理想。千屈菜和梭鱼草在前4 d对TN的净化速率较高，而后净化速率减慢，原因可能是初期污水中营养物质充足，植物生长空间宽裕，4 d后桶内营养物质减少以及生长空间受限抑制了植物的生长，从而导致其对TN吸收减缓。各类植物对农田排水中TN的净化效率芦苇>狐尾藻>千屈菜>香蒲>美人蕉>菖蒲>水生鸢尾>梭鱼草>再力花。

图2 水生植物对水体TN的净化效果

2.3 水生植物对总磷的净化效果

各类植物对农田排水中总磷（TP）的净化效果如图3所示。无植物空白系统第14天时总磷减少41.7%。在试验期内，除梭鱼草和水生鸢尾外，其余植物净化系统的净化率均高过空白30个百分点以上。去除空白后，香蒲在第14天时对总磷的净化效率达49.0%，狐尾藻的净化效率也达46.0%，效果较好。各类植物对农田排水中总磷的净化效率是香蒲>狐尾藻>美人蕉>芦苇>菖蒲>再力花>千屈菜>水生鸢尾>梭鱼草。

图3 水生植物对水体TP的净化效果

2.4 水生植物对水体COD的净化效果

各类植物对农田排水中COD的净化效果如图4所示。由图4可知，各类植物对COD均有一定的去除能力，但在试验期内的COD净化较为缓慢。试验期内无植物空白净化系统中COD下降36.7%。水生植物净化系统中净化效率最高的为芦苇，去除空白后，净化效率达31.1%，其余均在20%左右，净化效果不如对其他污染物的效果理想。梭鱼草对农田水中COD的净化与无植物空白系统无明显区别，根据相关文献[8]，推测可能由于光照影响水中溶解氧浓度，导致梭鱼草去除效果不明显，增加曝气可能会提高其净化效率。各类植物对农田排水中COD的净化效率是芦苇>香蒲>千屈菜>美人蕉>狐尾藻>菖蒲>再力花>水生鸢尾>梭鱼草。

图4 水生植物对水体COD的净化效果

2.5 水生植物对水体污染物的净化效果

试验期间，各种水生植物对农田排水中污染物的去除效果明显，表1中列出了各种水生植物相对于空白无植物净化系统的污染物去除效率。

表1 不同水生植物对农田排水中污染物的净化效率（去除空白） （%）

2.6 水生植物的生物量变化

对所选植物的初始生物量和14 d后的生物量进行测定，结果如表2所示。从表2中可以看出，在相同水质条件下，不同植物生物量的增长量都不同。在初始盖度均为75%的条件下，14 d后生物量的增加量最大的是美人蕉，增重180 g，其次为梭鱼草131 g，芦苇110 g，最小的是水生鸢尾，只有32 g。对照植物的净化效果可知，植物生物量的增加与其净化效率并没有呈现线性关系。由此可见，在同类水质条件下，在初始生物量相差不大的情况下，植物在相同时间内的生物量的增加量显著不同，与其净化效率没有明显的相关性。

表2 不同水生植物生物量的变化 （g）

3 结论

用漂浮栽培方法进行桶内植物栽培静态试验，选取芦苇、美人蕉、香蒲等常见9种水生植物处理农田排水，结果如下：

（1）9种水生植物对氨氮的净化效率为29.6%～42.8%，对TN的净化效率为29.3%～47.2%，对TP的净化效率为25.0%～49.0%，对COD的净化效率为0～31.1%。植物净化这些富营养化元素主要是靠吸收作用。

（2）植物在相同时间内的生物量的增加量显著不同，植物间生物量的增加量与其净化效率没有明显的相关性。

[1] 赵永宏，邓祥征，战金艳，等.我国农业面源污染的现状与控制技术研究[J].安徽农业科学，2010，38（5）：2548-2552.

[2] 叶碎高，王 帅.水源地农业面源污染防治研究进展[J].中国水利，2008，（5）：18-20.

[3] 李秀芬，朱金兆，顾晓君，等.农业面源污染现状与防治进展[J].中国人口·资源与环境，2010，20（4）：81-84.

[4] 刘 星，赵洪光.农业生产面源污染控制探讨[J].污染防治技术，2006，（2）：38-40.

[5] 王军霞，张亚娟，刘存歧，等.水生植物在富营养化湖泊生物修复中的作用[J].安徽农业科学，2011,39（10）：6055-6057，6110.

[6] 郑 鹏，崔 科，唐汇娟.水生植物在景观水体中的净化作用研究[J].安徽农业科学，2009,37（23）：10979-10981.

[7] 国家环境保护总局.水和废水检测分析方法（第四版）[M].北京：中国环境科学出版社，2002.

[8] 陈建军，卢晓明，卢少勇，等.梭鱼草净化黑臭河水的日变化试验研究[J].环境科学，2009，30（12）：3585-3589.