王 瑋，侯寧寧，楊鈣仁，李茵茵，鳳姜薇，鄧羽松，彭晚霞

(廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 材料與方法

1.1 供試植物

選擇金魚(yú)藻(Ceratophyllumdemersum，CD)、苦草(Vallisnerianatans，VN)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum，MV)、鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes，EC)、梭魚(yú)草(Pontederiacordata，PC)、再力花(Thaliadealbata，TD)、花葉蘆竹(Arundodonaxvar.versicolor，AD)、風(fēng)車(chē)草(Cyperusalternifolius，CA)、美人蕉(Cannaindica，CI)共9種植物為研究對(duì)象，植物取自廣西南寧某苗圃。每種植物均選取植株和根系大小相近的若干株，人工去除根部泥土，并用清水沖洗后，移至裝有營(yíng)養(yǎng)液的塑料桶中預(yù)培植10 d，備用。

1.2 營(yíng)養(yǎng)液配制

1.3 水培試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年8月在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，靜態(tài)水培試驗(yàn)裝置采用塑料桶進(jìn)行，裝置尺寸32 cm×23 cm×30 cm。加入植物前，先向每個(gè)水培塑料桶加入營(yíng)養(yǎng)液12 L，再將經(jīng)過(guò)預(yù)水培的植物移入水培塑料桶，植物用量均為25 g(干物質(zhì)量)；加入植物后，桶內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液的深度約為25 cm，液位線用記號(hào)筆標(biāo)記。植物含水率及其用量見(jiàn)表2。水培試驗(yàn)開(kāi)始后，每5 d于上午9:30用注射器采集250 mL營(yíng)養(yǎng)液并立即測(cè)定DO，采樣深度為10 cm，采樣前將注射器內(nèi)空氣全部排空，采樣時(shí)盡量減少對(duì)水的擾動(dòng)。而后再采集營(yíng)養(yǎng)液100 mL，用于其余各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。采樣后用自配營(yíng)養(yǎng)液補(bǔ)充檢測(cè)消耗水量，再用蒸餾水定容至水培開(kāi)始時(shí)的液位線。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照，共持續(xù)20 d。

表1 營(yíng)養(yǎng)液基本理化性質(zhì)

表2 供試植物含水率及株高

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

1.5.1 植物泌氧量計(jì)算 植物泌氧量計(jì)算基于以下假設(shè)：各植物處理水培液的大氣復(fù)氧量(進(jìn)入與溢出量差值)與對(duì)照組相等，根據(jù)氧氣質(zhì)量平衡原理，則有：

SP=(DOP+CODP-DOCK-CODCK)×V/(M×t)

式中，SP為植物泌氧速率[mg/(kg·d)]；DOP、CODP分別為某植物處理水培液的DO變化量和COD削減量(mg/L)；DOCK、CODCK分別為對(duì)照組的水培液DO變化量和COD削減量(mg/L)；V為水培液體積(L)；M為植物生物量(kg)；t為水培時(shí)間(d)。

1.5.2 統(tǒng)計(jì)與分析 采用SPSS 20.0、Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，使用SigmaPlot 10.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水生植物對(duì)水體pH值變化及其TN、TP吸收的影響特征

從圖1可以看出，不同時(shí)間段各水生植物的pH值差異顯著。至第10天時(shí)，美人蕉、鳳眼蓮、梭魚(yú)草的pH值下降迅速，金魚(yú)藻和苦草的pH值有上升趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定。花葉蘆竹、風(fēng)車(chē)草、狐尾藻、再力花的pH值隨著時(shí)間的變化上下波動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，苦草的pH值顯著高于CK(P<0.05，下同)，金魚(yú)藻與CK無(wú)顯著差異，其余植物的pH值均顯著低于CK。金魚(yú)藻的pH均值最高，為6.94；美人蕉pH均值最低，為4.32。

圖1 不同處理時(shí)間下各系統(tǒng)的pH變化Fig.1 Water pH changes through time under different treatments

圖2 不同處理時(shí)間下各植物系統(tǒng)的TN濃度變化Fig.2 Variation of plant systems total nitrogen concentration through time under different treatments

從圖2可以看出，水生植物對(duì)TN均有較好的去除效果，20 d后，TN濃度均明顯低于CK處理，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，苦草、美人蕉和鳳眼蓮的濃度降至為0.15、0.11和0.30 mg/L，達(dá)到地表水Ⅱ類(lèi)TN的標(biāo)準(zhǔn)，去除率高達(dá)96 %以上，顯著高于CK處理；而花葉蘆竹的TN濃度降至2.51 mg/L，去除效果最差，僅為68.61 %。但9種植物處理對(duì)水體中 TN 的去除能力均顯著高于 CK處理(29.36 %)，表明在試驗(yàn)系統(tǒng)中，水生植物能夠高效削減水體氮素。

由圖3可知，不同水生植物的TP凈化能力存在較大差異。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，9種水生植物的TP去除率范圍為10.85 % ～88.16 %，金魚(yú)藻的去除率最低，美人蕉的去除率最高，顯著高于金魚(yú)藻。3種沉水植物金魚(yú)藻、苦草和狐尾藻的水體TP含量有所反彈，此后逐漸下降，波動(dòng)較大，最終TP含量分別為2.54 、2.37和2.38 mg/L，狐尾藻和苦草TP含量低于CK。梭魚(yú)草、再力花和花葉蘆竹隨著時(shí)間變化，TP濃度平緩下降，最后3種植物的濃度分別為1.53、1.43和1.73 mg/L，去除率分別為45.99 %、49.78 %和39.09 %，皆顯著高于CK；美人蕉、鳳眼蓮和風(fēng)車(chē)草的TP濃度始終以較快的速度降低，最終出水濃度分別為0.34、0.64和0.73 mg/L，第20天此3個(gè)處理的去除率分別為88.16 %、77.60 %和74.14 %，皆顯著高于CK。

2.2 不同水生植物對(duì)的去除效果

圖3 不同處理時(shí)間下各植物系統(tǒng)的TP濃度變化Fig.3 Changes in total phosphorus concentration of the plant systems through time under different treatments

圖4 不同處理時(shí)間下各植物系統(tǒng)的濃度變化Fig.4 Changes of plant systems ammonia nitrogen concentration through time under different treatments

2.3 不同水生植物的泌氧量、對(duì)水中DO和COD含量的影響

由表3可知，試驗(yàn)5 d后，再力花、花葉蘆竹和風(fēng)車(chē)草對(duì)COD的削減量比較高，分別為28.02、25.41和23.70 mg/L，之后削減量上下波動(dòng)。至20 d達(dá)到COD最大累計(jì)削減量，水中COD的總削減量為35.95～45.18 mg/L，去除率均在70 %以上，顯著高于CK，CK的去除率為49.75 %。各水生植物培養(yǎng)液DO的變化量呈現(xiàn)先增加后緩慢減少的趨勢(shì)，但大致趨于穩(wěn)定。5 d時(shí)，培養(yǎng)液DO的變化量基本為負(fù)值，高于試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的DO含量6.57 mg/L，梭魚(yú)草、鳳眼蓮、再力花和花葉蘆竹的DO變化量明顯高于其它水生植物系統(tǒng)，分別為2.32、2.22、2.11和1.94 mg/L。試驗(yàn)后期，水生植物系統(tǒng)的DO變化量大多為正值且數(shù)值變化較小，說(shuō)明培養(yǎng)液的DO含量正在減少且變化緩慢。至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，梭魚(yú)草培養(yǎng)液的DO含量最高8.48 mg/L，金魚(yú)藻培養(yǎng)液的DO含量最低6.4 mg/L。

圖5 不同處理時(shí)間下各植物系統(tǒng)的濃度變化Fig.5 Changes of nitrate nitrogen concentration of the plant systems through time under different treatments

表3 不同水生植物的泌氧速率、DO變化量和COD削減量

不同水生植物的平均泌氧速率存在較大差異，隨著時(shí)間的變化，植物泌氧速率變化較大，9種水生植物的平均泌氧速率為242.81～485.84 mg/(kg·d)。風(fēng)車(chē)草、花葉蘆竹和再力花3種植物的泌氧速率明顯高于其他植物，分別為485.84、400.06和388.73 mg/(kg·d)，明顯高于金魚(yú)藻、美人蕉和苦草。

2.4 水生植物吸收過(guò)程中各指標(biāo)之間的關(guān)系

圖6 水體pH與的相關(guān)性Fig.6 Correlation between water pH and ammonia, water pH and total phosphorus concentration

表4 各指標(biāo)之間的皮爾遜相關(guān)性分析結(jié)果

注：*表示指標(biāo)之間相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)；**表示指標(biāo)之間相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

Note:*indicates that the correlation between the indicators reached a significant level (P<0.05);**indicates that the correlation between the indicators reached a very significant level (P<0.01).

3 討 論

水生植物直接吸收水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽用以合成自身生長(zhǎng)需要，通過(guò)植物收割就能帶走營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此可利用其凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體，降低水體富營(yíng)養(yǎng)化程度[14]。此外植物根系巨大的比表面積有利于微生物附著，根際區(qū)域?yàn)槲⑸锎x提供了豐富的微環(huán)境，使硝化與反硝化順利進(jìn)行。微生物在水生態(tài)系統(tǒng)中起到了較為重要的作用，通過(guò)微生物的新陳代謝作用可以有效去除水體氮磷、有機(jī)物等。成水平等[15]研究表明氮的去除不僅依靠植物的吸收作用，微生物的硝化和反硝化也是重要的去除機(jī)制。本研究中植物處理組通過(guò)微生物對(duì)氮素的轉(zhuǎn)化以及植物的吸收作用，對(duì)TN的去除效果隨時(shí)間逐漸增強(qiáng)。美人蕉和鳳眼蓮根系極發(fā)達(dá)，大量微生物可以在根際表面形成生物膜，并能形成良好的微環(huán)境，有利于硝化菌和反硝化菌的生長(zhǎng)，加速水體中的氮素轉(zhuǎn)化成植物易利用的氮，從而使其TN濃度快速下降；而苦草根系沒(méi)有挺水植物發(fā)達(dá)，但徐昇等[6]研究發(fā)現(xiàn)苦草對(duì)無(wú)機(jī)氮的同化吸收轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)，故而去除率高。劉燕等[16]相關(guān)研究證實(shí)，鳳眼蓮和苦草對(duì)TN有較高的去除率。Dong Cheol Seo等[17]研究發(fā)現(xiàn)微生物同化并不是去除磷的主要途徑，主要是依靠植物對(duì)磷的吸附沉降以及直接的吸收作用。吳湘等[18]利用軟隔離小區(qū)試驗(yàn)研究5種不同漂浮植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體的凈化效果，經(jīng)過(guò)100 d植物處理，鳳眼蓮處理小區(qū)的水質(zhì)凈化效果最好，水體中TP的去除率也最高，本文的研究結(jié)果與其一致。

王世和等[22]研究表明水生植物的泌氧速率遠(yuǎn)高于空氣向液面擴(kuò)散速率，植物的泌氧功能對(duì)降解污染物耗氧的補(bǔ)充量遠(yuǎn)大于由空氣擴(kuò)散所得氧量。植物根系泌氧量與COD的去除效果密切相關(guān)[23]，本研究結(jié)果與其一致?？梢?jiàn)水生植物的泌氧率大小決定了COD的削減量高低，可以將其作為篩選凈化能力強(qiáng)的水生植物的一個(gè)重要指標(biāo)。在所選的9種水生植物里，花葉蘆竹、再力花、風(fēng)車(chē)草的平均泌氧率較高，說(shuō)明這3種植物的COD削減量也較高。孫金昭等[24]研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)車(chē)草和再力花的COD去除率與COD釋放量較高，說(shuō)明植物對(duì)COD的利用率較高，且風(fēng)車(chē)草利用率較再力花略高，這與本研究結(jié)果一致。張德喜[25]對(duì)7種常見(jiàn)濕地植物凈化效果進(jìn)行研究，其中美人蕉的COD去除率最低。李麗[26]采用檸檬酸鈦比色法研究7種植物泌氧能力，其中美人蕉、梭魚(yú)草和風(fēng)車(chē)草泌氧率數(shù)量等級(jí)基本一致，但與本研究大小關(guān)系相反，分析其原因可能是試驗(yàn)在密閉無(wú)氧條件下進(jìn)行，只受植物影響，而本次研究還受其他環(huán)境因子的影響。黃永芳等[27]研究發(fā)現(xiàn)采用檸檬酸鈦比色法測(cè)定風(fēng)車(chē)草、梭魚(yú)草和美人蕉根系泌氧量，其大小關(guān)系與本研究結(jié)果一致。本研究處于開(kāi)放系統(tǒng)，溶解氧飽和后將不再提高，植物泌氧量達(dá)到一定程度會(huì)溢出水生植物系統(tǒng)，為了更好地了解植物泌氧，可以在封閉條件下進(jìn)行泌氧能力的研究。

4 結(jié) 論

本研究選取的9種水生植物均適應(yīng)在污染水體中培植，可有效地吸收富營(yíng)養(yǎng)化水體中的N、P污染物，各種水生植物對(duì)N、P的吸收率均在70 %以上。不同植物的泌氧能力存在一定的差異，不同的水生植物在污水凈化中都有它的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際污水情況選用適宜當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件的水生植物?？嗖?、美人蕉、鳳眼蓮和風(fēng)車(chē)草對(duì)N、P的凈化效果較好，可用于氮磷濃度較高的污水中，花葉蘆竹、再力花和風(fēng)車(chē)草的泌氧能力及其對(duì)耗氧有機(jī)物的去除能力較高，適宜種植在高耗氧有機(jī)物的污水中。