2种浮床植物吸收不同N/P水体中氮磷的研究

徐凌悦，马宏海，王晨雯，汪秀芳，王胜利

(1.兰州大学 资源与环境学院，兰州 730000;2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

1 研究背景

近年来，我国社会经济迅速发展，大量的工农业与生活污水被排入江河湖泊，其污染物含量远超过水体的自净能力，造成了水体富营养化问题。富营养化水体失去了其原有的资源功能与使用价值，导致周围景观的破坏，甚至危害人类的身体健康。目前我国湖泊富营养化问题突出［1－3］，如何治理污染水体，实现原位修复和控制污染物成为人们关注的热点问题［4－8］。

生态浮床技术具有可操作性强、运行成本低、易维护、生态风险小、景观效果好等优势，作为一种富营养化水体原位修复和控制技术，已得到广泛的研究与应用［1－3］。如有的研究成果已涉及到浮床植物的选择［9］、对污染水体的净化效果［10－12］、生长特性及净化机理［3］等方面。为在净化水体的同时提高经济效益，实现变废为宝、化害为利，选择使用经济作物进行富营养化水体的修复更具有实用价值。

目前，用于修复富营养化水体的常见植物主要有黑麦草、美人蕉、水芹菜、灯芯草等。本试验选择水稻与空心菜这2种植物作为研究对象，主要从植物的生长特性和经济价值2个方面考虑。从植物生长特征来看，水稻不定根发达，生长需要吸收大量水分与矿物质元素，吸收氮磷元素的能力强［1］，且在其整个生长季内都要浸在水中，相对于其他植物来说，吸收氮磷元素的时间长，自身对水生环境比较适应，不会因为长期浸水导致根部溃烂而影响生长;空心菜耐高温高湿，耐污性能及抗病力强，生长快，可以一次栽种多次收割且采收期长［3］，产量高，适应性强。同时，这2种植物多见于我国长江流域及以南地区，对研究区域(杭州)的环境适应程度好，可保证试验时植物的存活率，减少试验结果的误差。从植物的经济价值来看，水稻所结稻粒去壳后所得的大米，不仅是中国人最常食用的主食之一，还可以用作酿酒、制糖，稻壳、稻秆也有很多用处;空心菜的营养丰富，是夏季高温时期极为重要的绿叶蔬菜，有良好的药用价值，对冠心病、心绞痛、胃神经官能症、肠胃炎、慢性气管炎等均有疗效。2种植物可把营养物质直接从污染水体中去除而不产生二次污染，因此，可作为浮床植物应用于富营养化水体中氮磷的去除。

植物对于不同N/P水体中氮磷的去除率是不同的，而浮床水稻、空心菜对不同N/P水体的氮磷去除效果的研究尚未见报道。本试验以基本不受自然环境影响的水桶作为试验场所，配制的不同N/P水体作为净化对象，水稻、空心菜为试材，旨在明确浮床水稻、空心菜对不同N/P水体中氮磷的去除效果，为不同水体浮床植物净化富营养化水体提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 供试材料

试验材料为笔者等人在浙江省杭州市浙江水利河口研究院试验基地内选取的水稻、空心菜植株。在基地内选取大小基本一致的植株，洗净植物根系待用。

2.2 供试水体

取自来水作为本底配置不同N/P的水模拟富营养化水体。配置后实测的3种水体指标见表1。

表1 水体主要水质指标Table 1 Main indexes of water quality (mg·L－1)

2.3 试验方法

试验于2012年7月6日至20日进行，在浙江省杭州市浙江水利河口研究院试验基地大棚内进行。盛水桶为25 L塑料桶，实用水样体积约为20 L。试验所用的3种水样均设3种处置:放置浮床的空白对照处理;种有3株水稻的浮床水稻处理;种有3株空心菜的浮床空心菜处理。每个处理重复3次。试验周期为14 d，期间不补充蒸发与蒸腾所消耗的水分。

2.4 取样方法

分别在第1天和第14天取水样，测定水体的氨氮、总氮、总磷含量。空白对照组与处理组均在水体表面取样200 mL用于检测。试验数据取3次重复的平均值。

2.5 测定项目与方法

氨氮采用纳氏试剂比色法;总氮采用TOC测定仪;总磷采用钼酸铵分光光度法。

2.6 数据分析

应用Excel和SPSS软件对数据进行处理分析。

3 结果与分析

3.1 2种浮床植物对氮磷元素的净化效果

3.1.1 对TN的吸收

由表2可知，短时间内用浮床水稻和空心菜去除TN有一定的效果，但存在一定的差异。在高N/P(55∶1)的水体中，浮床水稻对TN的净去除量达到43.7 mg/桶，净去除率达到28.1%，去除效果较浮床空心菜(净去除率19.09%)好。在中 N/P(25∶1)和低N/P(8∶1)的水体中，浮床空心菜对TN的去除效果较好。且2种植物在N/P为25∶1条件下对TN的净去除率最高，分别为30.8%与57.5%。

表2 不同N/P水体中对TN的吸收Table 2 Uptake of TN by plants at different N/P ratios

3.1.2 对 NH3－N 的吸收

表3与表2比较，可知2种浮床植物对NH3－N的去除效果比TN好，短期内水体中NH3－N大幅降低。这是由于:①试验时气温较高，引起水温增加，使得部分NH3－N挥发，得到去除;②浮床植物对NH3－N的吸收，得到去除;③植物根际的硝化细菌和反硝化细菌将NH3－N转化为NO3－N，得以去除。对比发现，在3种N/P水体中，浮床空心菜对NH3－N的净去除率分别为99.2%，59.8%，63.9%，均优于浮床水稻的净去除率91.4%，58.6%，56.3%。另外，在低 N/P(8∶1)的水体中，2种浮床植物对NH3－N的吸收效果较好，随着N/P增大，净去除率逐渐下降，说明植物在低NH3－N浓度下，对NH3－N的去除效果较好。这与唐莹莹等［3］人的研究结果相符。

表3 不同N/P水体中对NH3－N的吸收Table 3 Uptake of NH3－N by plants at different N/P ratios

3.1.3 对 TP的吸收

由表4可知，不同N/P条件下，2种浮床植物对TP的吸收差异很大。磷的去除机理包括:①以磷酸盐的形式沉降;②被植物吸收。在低N/P(8∶1)的水体中，2种浮床植物对TP的净去除率最大，分别为水稻95.0%、空心菜87.2%。随着N/P增大，TP浓度降低，植物对TP的去除率呈下降趋势。在低N/P(8∶1)与高N/P值(55∶1)的水体中，水稻对 TP的净去除率高于空心菜。

表4 不同N/P水体中对TP的吸收Table 4 Uptake of TP by plants at different N/P ratios

3.2 不同N/P对浮床植物吸收氮磷元素的影响

由图1(a)至图1(c)可知，在低N/P(8∶1)的水体中，2种浮床植物对NH3－N，TP的净去除率远高于其余2种水体，而对TN的吸收较弱。在N/P为25∶1的水体中，2种浮床植物尤其是浮床空心菜对TN的去除效果较好。在高N/P(55∶1)的水体中，2种浮床植物对TN，NH3－N，TP的去除效果都不理想。

图1 2种浮床植物对不同N/P水体中TP，TN，NH3－N的净去除率Fig.1 Net removal rates of TP ，TN，and NH3－N by two floating-bed plants at different N/P ratios

4 讨论

本试验成果是采用在塑料水桶中设置浮床植物得到的，属于小样试验，如果要推广到大面积应用，则要考虑多种环境因素对植物吸收氮磷元素可能造成的影响。

从水体流速来看，由于本试验是在静水条件下进行，若要推广，则需选择流速较小的河流、湖泊、池塘进行浮床植物的栽种。从水体的富营养化程度来看，要注意水体的氮磷浓度范围。若浓度过高，可能引起植物根部失水，导致植物枯死;若浓度过低，使用浮床植物去除氮磷的效果不显著。

从应用范围来看，浮床植物可用于对城市景观用水、经过处理的城市污水等水体进行氮磷元素的再去除。将浮床铺设于水面并进行固定，栽入植物，定期察看植物的长势，除虫，待植物成熟后进行收割、补种，既可吸收水体中多余的营养元素，又可获得经济作物，还可美化环境。同时，温度、光照、水体流速等都会对植物吸收氮磷的速率产生影响，因此，要选择适合植物生长的环境条件，这样才能使修复效果达到最佳。

5 结论

(1)所选的2种试材——浮床水稻与空心菜，能较好地吸收富营养化水体中的氮磷元素，可作为水体富营养化防治的浮床栽培植物进行推广。

(2)在所选的3种N/P水体中，浮床水稻对TP的净去除率均大于浮床空心菜，而浮床空心菜对NH3－N，TN的净去除率大于浮床水稻。可根据不同的富营养化水体，选择适合的浮床植物进行栽种。

(3)总体而言，在低N/P(8∶1)的水体中，2种植物对TN，NH3－N，TP的吸收为:浮床水稻对三者的净去除率分别为19.0%，91.4%，95.0%，浮床空心菜对三者的净去除率分别为28.2%，99.2%，87.2%。

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