4种浮床花卉植物及其混种对富营养化水体的净化效果

田 创, 张择瑞, 刘 鑫, 杨 兰, 胡淑恒

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

据2017年中国水资源公报显示,123个湖泊共3.3×104km2,全年总体水质为Ⅰ～Ⅲ类的湖泊有32个,Ⅳ～Ⅴ类湖泊有67个,劣Ⅴ类湖泊有24个,分别占评价湖泊总数的26.0%、54.5%、19.5%。主要污染项目是总磷、化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)和五日生化需氧量[1]。我国水环境污染现状依旧严重,对受污染水体进行修复显得日益紧迫。20世纪80年代以来,欧美、日本等国家相继采用植物生态浮床技术治理污染水域,取得了一定成效[2-4],由于该技术在水生态治理方面是一种经济有效的方法,我国很快引进了该技术。近年来,研究者使用美人蕉、车风草、慈菇、茭白、满江红、水花生、菱角、香根草、菖蒲、水芹、空心菜、黄菖蒲、水竹等几十种植物进行了实验[5-11],各类植物均能降低水体中的氮磷浓度,对于浮游植物的生长也有较强的抑制效果[12]。

实践证明,人工生态浮床技术是一种非常有效的水体净化技术。但目前研究者多采用一些常见水陆生植物,且各研究者所采用的多为本地常有物种,使用花卉植物进行浮床实验的较少,因此本研究从植物浮床的静态实验入手,选用安徽地区常见的、且观赏性、实用性较强的4种花卉植物绿萝(Epipremnumaureum)、铜钱草(Hydrocotylechinensis)、白鹤芋(Spathiphyllumkochii)、吊兰(Chlorophytumcomosum),进行单一种植实验和绿萝与其他3种植物混种实验，分析不同植物及各组合对于水体藻类生长的抑制情况及水体中氮、磷的去除效果,为工程实际选择应试植物提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验在水箱内进行,水箱长、宽、高分别为80、60、40 cm,最大容量为200 L,实验实际水量为120 L。

1.1.1 实验植物

选取植物时考虑到观赏性及要求生物量大、根系较长的需求,所选植物为花卉类浮床植物,分别为绿萝、白鹤芋、铜钱草和吊兰,所选植物均购于合肥市裕丰花鸟虫鱼市场,并在实验前对各植物去土水培驯化7 d。植物种类及生物学特征见表1所列。

表1 实验植物种类及生物学特性

1.1.2 浮床结构

浮床框架主体如图1所示。

图1 浮床框架主体

浮床整体由PVC管和转接头连接,外层包裹围栏网作为植物载体,网格大小约为2 cm×2 cm,浮床长度为55 cm,宽度为36 cm。在浮床网格间种植植物,1～8号水箱分别种植绿萝、白鹤芋、铜钱草、吊兰、绿萝和白鹤芋、绿萝和铜钱草、绿萝和吊兰、空白。

1.1.3 供试水体

基底为自来水,加入部分合肥工业大学主教学楼前水池里富营养化程度较高的水体补充微生物群落。通过葡萄糖调节CODCr,采用NH4Cl与NH4HCO3调节总氮质量浓度,采用KH2PO4调节总磷质量浓度。所有水箱各物质质量浓度保持一致,ρ(CODCr)为(80±2) mg/L;ρ(总氮)为(7.2±0.2) mg/L;ρ(总磷)为(0.52±0.02) mg/L。

1.2 取样和测试

实验时间为2018-09-08—2018-10-21。实验开始后第2天采样1次,之后每隔2 d采样1次,每次采样均为300 mL,因为采样消耗水分占比较少,所以实验期间不补充水分。每次采样测试每个水箱中总磷、总氮、总有机碳(total organic carbon,TOC)、藻密度、叶绿素。在实验开始和结束时分别对各水箱内植物生长状态进行测定,其中生长率公式[13]为:

ρ(总磷)采用钼酸铵分光光度法测定(GB11839-89);ρ(总氮)采用K2S2O8氧化消解比色法测定[14],ρ(TOC)采用TOC分析仪(差减法)进行测定;水体中的叶绿素、藻密度使用YSL多参数水质检测仪进行测定,该设备设有蓝绿藻藻蓝蛋白探头,测量范围在0～2.8×108个/L之间。

1.3 统计及分析

所有数据使用SPSS21.0和Orign9.0进行统计分析处理。

2 结果与分析

2.1 植物生长情况

植物生长情况见表2所列。

表2 植物生长情况

由表2可知,各组植物在实验过程中生长情况良好。因为在实验前统一把各植物的根长裁剪为5 cm,所以在生长过程中各植物根系生长率较大,均超过200%。白鹤芋在实验周期内生物量仅增长了78 g,生长率为15.6%,为各种植物及组合中生长率最低的植物,但生长正常,有花苞的部分已经开花。单种植物铜钱草在实验开始后生长迅速,生长率达到了111.6%,在结束时已经漫出水箱,是所有植物及组合中生长率最高的植物。

2.2 藻密度的变化情况

藻密度变化如图2所示。

图2 藻密度变化情况

从图2可以看出,各水箱除铜钱草、空白外均在第7天时藻密度达到顶峰,之后藻密度缓慢下降,铜钱草水箱藻密度在第18天达到顶峰后开始下降,空白水箱藻密度在第21天开始稳定，一直保持在较高水平。

水箱模拟的中等富营养化程度水体及外加的生物群落极易造成藻类爆发生长。浮床系统通过浮床植物和浮游植物的营养盐竞争[15]、浮床植物的遮光作用、植物根系释放化感物质(酚、生物碱等)等途径来抑制藻类生长。在经过几天的适应期后,各水箱的藻密度均存在不同程度地上升。

相对空白对照,各水箱的植物均能够在一定程度上抑制藻类的爆发,但是每种植物抑藻能力不同,且不同植物混种的抑藻程度也不同。在单种植物的水箱中,种植铜钱草水箱藻密度的峰值为3 703×104个/L,稳定期为(1 595～1 741)×104个/L,均处于较低的水平,抑藻率为82.64%。吊兰的抑藻能力较差,为66.09%,峰值为6 648×104个/L,稳定期为(2 679～3 401)×104个/L。这是由于铜钱草生长速度较快,在水箱水面的覆盖面积较大,导致水体藻类得不到充足的阳光生长;而吊兰生长量较小,对于营养盐的吸收速率也不及其他植物,藻类获得了一定的生长空间。

对于混种的情况,绿萝和铜钱草混种对藻类生长的抑制效果显著,峰值(3 365×104个/L)比绿萝(5 950×104个/L)单种低很多;稳定期一直保持在1 000×104个/L以下,抑藻率最高为91.31%。这可能与绿萝分泌的化感物质有关,直接抑制了藻类的生长,且与铜钱草的高覆盖率协同使水体藻类密度降低。

空白对照水箱由于无植物影响,藻密度增长期持续较长时间,稳定后一直保持较高的水平(10 000×104个/L以上),且至实验后期藻类死亡开始散发恶臭。

2.3 叶绿素质量浓度的变化情况

叶绿素质量浓度的变化如图3所示,从图3可以看出，除种植铜钱草和空白水箱外，其他水箱叶绿素的质量浓度均在第7天达到顶峰,种植铜钱草水箱于第21天达到顶峰,但空白水箱在第7天后基本可视作在较高范围内稳定波动。

图3 叶绿素质量浓度的变化情况

在实验情况下,水体叶绿素的质量浓度基本由藻类提供,因此各水箱叶绿素的质量浓度增长情况与藻密度基本一致。以种植绿萝水箱为例,采用SPSS21.0软件对水箱藻密度与叶绿素质量浓度进行相关性分析,结果显示在0.01水平上显著相关(R2=0.977 2),绿萝的相关性分析结果如图4所示。

图4 绿萝的相关性分析

2.4 总氮和总磷的净化效果

水体中的氮、磷通过植物根系的吸收作用[16]、根系微生物吸附[17]及植物根系的截留吸附[18]等功能得到净化,并可以通过收割植物的方式把氮、磷搬离水体。

各水箱总氮质量浓度动态变化如图5所示。

图5 总氮的净化效果对比

从图5可以看出,各水箱中总氮质量浓度均有不同程度的下降，由于在实验前对于植物进行了饥饿适应驯化,水体无机养分充足,各植物生长较快,前7 d各水箱总氮去除率均保持快速上升,7 d后各水箱总氮去除速度开始下降,至30 d后各水箱总氮去除率维持在稳定水平,这是由于在实验后期,水体无机养分负荷降低,使得植物生长速度变缓,造成植物对总氮去除变缓。

其中,绿萝和白鹤芋混种对总氮的去除率最高,达到98.39%,绿萝和铜钱草混种去除率为96.66%,铜钱草的为96.42%,绿萝和吊兰的为96.49%,绿萝的为94.14%,吊兰的为89.3%,白鹤芋的为85.81%,空白对照的为79.85%,总氮质量浓度分别降至0.13、0.30、0.31、0.31、0.50、0.94、1.20、1.74 mg/L。绿萝与其他植物混种对总氮的去除率均比绿萝单一植物种植效果要稍好。

单种和混种植物组合对总磷的净化效果对比如图6所示。从图6可以看出,各水箱对于总磷均有较好的去除效果，其中,绿萝和铜钱草混种对总磷的去除率最高，达到73.32%。各种植物水箱的去除率均在59.15%～72.05%之间,空白对照对总磷的去除率为51.66%。

图6 总磷的净化效果对比

有机酸会增强水体中土著菌的活性,如磷细菌和反硝化聚磷菌,加速不同形态磷的转变,不同的植物根系活力、根系面积及根系分泌物存在一定程度的差异,从而导致各种植物对水体磷的吸收去除能力不同。

研究表明,生物量与植物体内氮磷积累量的相关性好于体内浓度[19],因此通过生物量也可较好评价它们对氮磷去除的作用。铜钱草在实验期间生长速度比其他植物要快得多,前期对于水箱中氮磷的净化速率也较快,由于水箱空间及水体氮磷质量浓度的限制,在实验后期铜钱草的生长受到限制,对氮磷的净化速率趋于平缓。而白鹤芋、吊兰在实验期间生物量增长较低,因此氮磷的去除率增长较低。绿萝在实验前期叶片有部分变黄腐烂,可能暂时不适应富营养化水体,在剪掉烂叶渡过适应期后,氮磷去除率慢慢超过其他几种植物。

而绿萝与其他植物混种的净化效果比单种有不同程度的提升,但绿萝单种对氮磷净化效果处于较高水平,与其他植物混种只是提升了吊兰、白鹤芋组的净化效果,由此可看出，绿萝在净化效果上起主要作用;对于铜钱草这种具有较高净化效果的植物,提升效果不太明显。

2.5 TOC的净化效果

水体中的TOC一方面可以通过植物直接吸收,另一方面通过植物根系形成的好氧环境为微生物提供场所降解有机物[20]。单种和混种对TOC的净化效果对比如图7所示。

图7 TOC净化效果对比

由图7可知，各种植植物水箱在培植前5 d对TOC的去除率增长迅速，第5天后水箱水体TOC质量浓度基本保持稳定，空白水箱在第9天保持稳定,且去除率比各水箱低,保持在70%～74%之间；绿萝和铜钱草混种对TOC的去除率最高,达到了88%,最低使水箱内TOC质量浓度降至3.15 mg/L,其余各水箱植物对TOC的去除率保持在84%～86%之间，各水箱种植的植物对TOC去除率相差不大,说明各植物根系泌氧能力差别不大。

3 结 论

与空白对比,各植物均能有效抑制水体藻类的爆发。绿萝与其他3种植物混种能够有效提高抑藻率,效果最好的绿萝和铜钱草混种，基本控制了水箱藻类的爆发,并把藻类抑制到一个较低的水平。实验证明,单一种植4种植物都有较好的处理效果,铜钱草效果最好;绿萝和铜钱草混合种植效果最好。生物量增长越大的植物对于氮磷等营养物质的去除率越高。实验结果表明,绿萝与其他3种植物混种比单一植物对各种污染物质的去除率都有不同程度的提升,但对于本身净化效果较好的植物提升不太明显。在工程实际应用中对于一些本身净化效果不高的植物可以与绿萝、铜钱草等净化效果高的植物进行混种,既能够提高观赏性,又能提升净化效果。

生态浮床作为一种原位修复技术,自20世纪80年代以来国内外进行了很多研究,大部分研究通过在浮床上种植单一植物,测试该植物对富营养化水体的净化效果,但在自然生态环境中,植物通常是不同种群生长在一起,它们之间的关系可能有寄生、竞争、互利共生等,不同植物的互利共生在生态浮床修复中可能起到更好的处理效果,这在今后的工程实际应用中还有待进一步研究。