梁玉婷， 孫宏兵， 任愛(ài)萍， 楊蘭芳

(1.武漢市園林科學(xué)研究院， 湖北 武漢 430081； 2.湖北大學(xué)， 湖北 武漢 430000)

0 引言

【研究意義】水體富營(yíng)養(yǎng)化是21世紀(jì)公認(rèn)的水環(huán)境污染問(wèn)題之一，已經(jīng)嚴(yán)重危害人類的健康，甚至制約許多國(guó)家地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。其中，磷是一種導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制性營(yíng)養(yǎng)元素，磷被確定為藻類過(guò)度生長(zhǎng)的限制性因素，也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵元素[2]。修復(fù)水體富營(yíng)養(yǎng)化，有物理方法、化學(xué)方法和生物方法，其中生物方法既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)，在水體修復(fù)中最為常用。生物方法中植物修復(fù)更為常見(jiàn)，應(yīng)用更廣。水生植物從富營(yíng)養(yǎng)化水體中吸收磷元素，經(jīng)過(guò)吸收轉(zhuǎn)化形成植物的自身組分，這樣既改善了水環(huán)境又完成了自身的生長(zhǎng)，只需要定期割乂植物，將植物從水體中移除即可完成磷去除的過(guò)程?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】李文朝[3]利用蘆葦、茭草、香蒲、菱、菹草、苦菜和馬來(lái)眼子菜重建富營(yíng)養(yǎng)化的五里湖植被發(fā)現(xiàn)，挺水植物整體長(zhǎng)勢(shì)較好，沉水植物生長(zhǎng)受限，但并未關(guān)注不同植物間的凈化能力差異。在后續(xù)的研究中很多學(xué)者開(kāi)始關(guān)注不同水生植物氮磷的凈化能力，童昌華等[4]研究了金魚(yú)藻、狐尾藻2種植物單獨(dú)和組合對(duì)TN、TP 及NOx-N、COD、DO的吸收能力。鄭潔敏等[5]研究杭州地區(qū)常用的39種觀賞性挺水植物對(duì)氮、磷的移除潛力發(fā)現(xiàn)，慈姑、窄葉澤瀉、澤苔、大慈姑和千屈菜對(duì)磷的移除能力位居前列，缺乏水體中氮磷含量變化數(shù)據(jù)支撐。也有學(xué)者研究水樣在不同植物停留時(shí)間對(duì)去除率的影響，75 d時(shí)TP去除率為17.40%～28.13%，香蒲、蘆葦?shù)膬艋Ч糜邙P眼藍(lán)、美人蕉、苦草、黃菖蒲、金魚(yú)藻和千屈菜等[6]。王洪金[7]在不同富營(yíng)養(yǎng)化條件下研究5種植物的凈化效果發(fā)現(xiàn)，鳳眼藍(lán)與千屈菜凈化效果均為最好，5種水生植物均對(duì)磷有較好的去除效果，且隨著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的升高而增強(qiáng)；去除能力由強(qiáng)到弱為千屈菜、鳳眼藍(lán)、慈菇、鳶尾和睡蓮。馮優(yōu)等[8]認(rèn)為，在不同濃度中同種植物去除TP能力不同，鳳眼藍(lán)在較低磷水平(TP 8～16 mg/L)下的去除能力明顯高于其他水生植物；黃菖蒲在較高氮磷水平(TP 30～35 mg/L)下的去除效果較好，并具有良好的適應(yīng)能力；沉水植物中狐尾藻凈化效果較好，而且生物量增加顯著，整體上挺水植物比沉水植物具有更強(qiáng)的除磷能力?？梢?jiàn)，已有研究針對(duì)單一或者少數(shù)幾個(gè)物種的凈化效果比較，或者是不同濃度下幾種植物凈化效果的比較，缺乏同一水平下對(duì)不同景觀效果的水生植物的凈化能力比較，導(dǎo)致現(xiàn)在水體修復(fù)的景觀效果不佳，凈化效果不理想，增加企業(yè)成本?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】掌握水生植物在同一條件下對(duì)磷的凈化能力，篩選生長(zhǎng)量大、適應(yīng)性強(qiáng)、凈化效果好且兼具景觀效果的水生植物是污染水體修復(fù)工作的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作，對(duì)節(jié)約成本和水體生態(tài)恢復(fù)和改善具有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為了獲得凈化效果好，景觀效果佳的水生植物，采用室內(nèi)水培法模擬水體富營(yíng)養(yǎng)化條件，研究華中地區(qū)常見(jiàn)的6種挺水植物、6種沉水植物及3種浮水植物共15種不同生活型的濕地水生植物的生物量變化及其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體中TP、PO43--P的去除能力，為有效解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題和篩選具有一定凈化能力又能營(yíng)造良好景觀效果的濕地水生植物提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 水生植物 6種挺水植物：路易斯安娜鳶尾(Iris hybrids ‘Louisiana’)、紫葉美人蕉(Cannawarscewiczii)、矮生美人蕉(Cannaglauca‘Taney’)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、黃菖蒲(Irispseudacorus)和雨久花(Monochoriakorsakowii)；3種浮葉植物：水鱉(Hydrocharisdubia)、鳳眼藍(lán)(Eichhorniacrassipes)和水罌粟(Hydrocleysnymphoides)；6種沉水植物：小茨藻(Najasminor)、粉綠狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、黑藻(Hydrillaverticillata)、金魚(yú)藻(Ceratophyllumdemersum)和苦草(Vallisneriaspinulosa)，穗花狐尾藻和金魚(yú)藻從武漢秀水生態(tài)有限工程購(gòu)買(mǎi)，其余植物材料從武漢市園林科學(xué)研究院景觀所水生池挖取。

1.1.2 試劑 硝酸鉀和磷酸二氫鉀購(gòu)于上海國(guó)藥。

1.1.3 儀器設(shè)備 UV-1800分光光度計(jì)，翱藝儀器(上海)有限公司；試驗(yàn)用桶容積70 L，上口直徑49 cm，下底直徑38 cm，高48 cm；鐵絲網(wǎng)，直徑大于桶口，網(wǎng)格孔徑0.036 m2。

1.2 方法

1.2.1 材料預(yù)處理 用硝酸鉀和磷酸二氫鉀配置TP 0.497 mg/L、PO43--P 0.477 mg/L，pH 8.12，溶解氧為9.52 mg/L的富營(yíng)養(yǎng)水體，根據(jù)《國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[9]，配制的水體已達(dá)Ⅴ類水級(jí)別；在武漢市園林科學(xué)研究院內(nèi)水生池采集15種水生植物，每桶栽植單獨(dú)一種植物500 g，直接栽植于水里。為防挺水植物倒伏，在桶口放置鐵絲網(wǎng)并將植物固定于其上。每種植物種3桶(3次重復(fù))。2018年6月21至2018年7月1日進(jìn)行緩苗培養(yǎng)11 d后備用。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2018年7月2日，在武漢市園林科學(xué)研究院圃地開(kāi)展預(yù)試驗(yàn)，2018年7月23日至8月27日正式試驗(yàn)。每個(gè)容器內(nèi)加入50 L配置的溶液，以不種植物為對(duì)照(CK)，每種植物3次重復(fù)，整個(gè)試驗(yàn)在武漢市園林科學(xué)研究院的大棚中開(kāi)展，每2 d用蒸餾水補(bǔ)充由于蒸發(fā)而喪失的水分至上一次取樣后高度，整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)40 d。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定 1) 植物鮮重。只在試驗(yàn)正式開(kāi)始時(shí)和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)進(jìn)行，以統(tǒng)計(jì)植物的鮮重增長(zhǎng)率(由于葉片枯萎掉落水中，所以撕掉枯葉不計(jì)入鮮重)。2) TP和PO43--P去除率。每隔10 d即在處理0 d、10 d、20 d、30 d和40 d時(shí)采集水樣，取樣時(shí)間為當(dāng)日10:00左右。每次取樣時(shí)上下輕輕攪動(dòng)盡量使水混勻，混勻后在水面下10 cm取樣；參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[10]測(cè)定水體TP和PO43--P，TP和PO43--P采用鉬酸銨分光光度法取平均值作為監(jiān)測(cè)值。

WR=(WC1-WC2)/WC1×100%

式中，WR為水體磷(TP和PO43--P)的去除率(%)，WC1為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)水體磷(TP和PO43--P)的含量，WC2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水體磷(TP和PO43--P)的含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用Sigmplot作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物的生長(zhǎng)情況

觀察發(fā)現(xiàn)，15種植物在預(yù)試驗(yàn)階段生長(zhǎng)良好，待正式試驗(yàn)開(kāi)始后1周，氣溫迅速升高，中午室外溫度高達(dá)40℃，水溫在14：00時(shí)達(dá)42℃，在此高(水)溫情況下狐尾藻生長(zhǎng)不良，一些植株開(kāi)始死亡、腐爛；紫葉美人蕉葉片大片焦枯，路易斯安娜鳶尾、黃菖蒲葉尖略有枯黃；其余11種植物表現(xiàn)較好，尤其是粉綠狐尾藻和鳳眼藍(lán)，長(zhǎng)勢(shì)非常好，萌發(fā)新葉和新根。后續(xù)5周時(shí)間，試驗(yàn)中的植物漸漸適應(yīng)環(huán)境，出現(xiàn)萌發(fā)的新芽和新根，葉色漸漸恢復(fù)正常顏色。

2.2 15種植物的生物量變化及對(duì)TP、PO43--P的去除率

2.2.1 生物量變化 從圖1看出，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)15種植物的生物量較試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)增值-168.77～169.90 g，生物量增加值依次為鳳眼藍(lán)>粉綠狐尾藻>輪葉黑藻>小茨藻>雨久花>千屈菜>水鱉>路易斯安娜鳶尾>金魚(yú)藻>狐尾藻>苦草>矮生美人蕉>黃菖蒲>紫葉美人蕉>水罌粟，其中，鳳眼藍(lán)的生物量增長(zhǎng)最多，水罌粟生物量相對(duì)試驗(yàn)前減少很多。其中紫葉美人蕉和花菖蒲焦枯死亡的葉片摘除并未計(jì)算至最終生物量中，狐尾藻腐爛的部分從水中移走，并未計(jì)算至最終生物量中，這些原因?qū)е缕渖锪吭鲋灯汀？傮w看，植物長(zhǎng)勢(shì)越好，生物量增加越大。

圖1 15種植物的生物量增長(zhǎng)量

2.2.2 對(duì)TP和PO43--P的去除率 從圖2看出，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)15種植物對(duì)TP和PO43--P的去除率存在差異。

1) TP去除率。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)15種植物對(duì)TP的去除率為53.05%～86.59%，表現(xiàn)為金魚(yú)藻>紫葉美人蕉>千屈菜>狐尾藻>鳳眼藍(lán)>黃菖蒲>矮生美人蕉>粉綠狐尾藻>輪葉黑藻>雨久花>小茨藻>苦草>水罌粟>水鱉>路易斯安娜鳶尾。CK的TP去除率與15種植物均存在明顯差異；植物間路易斯安娜鳶尾與千屈菜、金魚(yú)藻、狐尾藻具有顯著差異。

2) PO43--P去除率。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)15種植物對(duì)PO43--P的去除率為62.96%～99.86%，表現(xiàn)為黃菖蒲>紫葉美人蕉>狐尾藻>金魚(yú)藻>千屈菜>水罌粟>鳳眼藍(lán)>雨久花>粉綠狐尾藻>輪葉黑藻>小茨藻>矮生美人蕉>苦草>水鱉>路易斯安娜鳶尾。CK的PO43--P去除率與路易斯安娜鳶尾無(wú)顯著差異，與另外14種植物均存在明顯差異；不同植物之間黃菖蒲、紫葉美人蕉與其他植物具有顯著差異。

綜合比較15種植物對(duì)TP和PO43--P的去除能力，沉水植物狐尾藻和金魚(yú)藻的凈化能力最強(qiáng)；挺水植物紫葉美人蕉的凈化能力最強(qiáng)；浮葉植物鳳眼藍(lán)的凈化能力較強(qiáng)，水罌粟的凈化能力較弱。

2.3 不同處理各取樣時(shí)間水體的TP和PO43--P含量變化

從圖3看出，隨取樣時(shí)間延長(zhǎng)，各處理水體的TP和PO43--P含量變化趨勢(shì)不盡相同。

注：不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。

圖3 不同處理各取樣時(shí)間水體的TP和PO43--P含量

2.3.1 TP含量 各處理水體的TP含量第10天時(shí)迅速下降至0.4 mg/L以下；之后各時(shí)期有的處理繼續(xù)下降，有的則不同程度上升，但均低于0.3 mg/L。其中，路易斯安娜鳶尾、雨久花、苦草、小茨藻和輪葉黑藻等處理的TP含量呈先降后升趨勢(shì)，水罌粟、鳳眼藍(lán)、粉綠狐尾藻、水鱉、矮生美人蕉和千屈菜等的TP含量呈先降后升再降趨勢(shì)，紫葉美人蕉和狐尾藻的TP含量呈先降后升再降趨勢(shì)，黃菖蒲的TP含量呈先降后升再降再升趨勢(shì)，金魚(yú)藻的TP含量呈下降趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)CK的TP含量為0.23 mg/L，遠(yuǎn)低于初始值(0.497 mg/L)；而15種植物的TP含量明顯低于對(duì)照。

2.3.2 PO43--P含量 各處理水體的PO43--P含量第10天時(shí)迅速降至0.1 mg/L以下；之后各時(shí)期有的處理繼續(xù)下降，有的則不同程度上升，但均低于0.3 mg/L。其中，金魚(yú)藻和水罌粟處理的PO43--P含量呈先降后升再降趨勢(shì)，紫葉美人蕉呈先降后升再降趨勢(shì)，黃菖蒲呈先降后升再降再升趨勢(shì)，狐尾藻呈下降趨勢(shì)，其余處理則均呈先降后升趨勢(shì)。總體看，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)CK的PO43--P含量為0.23 mg/L，遠(yuǎn)低于初始值(0.477 mg/L)；15種植物的PO43--P含量明顯低于對(duì)照。表明，15種植物對(duì)PO43--P均有明顯的去除效果。在沒(méi)有底質(zhì)的情況下，水體中的PO43--P也處于動(dòng)態(tài)變化，呈現(xiàn)高低往復(fù)的變化趨勢(shì)。

2.4 不同生活型植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水磷的去除率

由圖4可見(jiàn)，各生活型植物對(duì)TP的去除率呈沉水植物>挺水植物>浮葉植物>CK，對(duì)PO43--P的去除率呈沉水植物>浮葉植物>挺水植物>CK。3類植物對(duì)TP和PO43--P的去除率均以沉水植物較挺水植物和浮葉植物高，浮葉植物和挺水植物對(duì)TP和PO43--P的去除率差異不大，三者均顯著高于CK。

注：同類處理不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 討論

有研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地中水生植物的生物量與植物磷累積量存在顯著相關(guān)[11-12]，水生植物只有在生物量增加時(shí)才能有效地吸收磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[13]；黃菖蒲、千屈菜和美人蕉在富營(yíng)養(yǎng)水體中生長(zhǎng)具有優(yōu)勢(shì)，且生物量與其他植物相比都較高，其中美人蕉的長(zhǎng)勢(shì)最好，生物量高于黃菖蒲和千屈菜[12，14-17]。由于試驗(yàn)在夏季開(kāi)展，植物在高溫下葉片枯萎，故未計(jì)入總生物量，導(dǎo)致生物量漲幅不高。鄭足紅等[17]在研究狐尾藻、菖蒲和蘆葦3種水生植物的凈化效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，狐尾藻生物量的增長(zhǎng)遠(yuǎn)大于菖蒲和蘆葦。劉海琴等[18]研究鳳眼藍(lán)、水浮蓮、黃菖蒲和輪葉黑藻4種植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，其生物量?jī)粼鲩L(zhǎng)率分別為550.5%、418.8%、210.6%和80.3%，鳳眼藍(lán)增長(zhǎng)率顯著高于黃菖蒲和輪葉黑藻，而輪葉黑藻的凈增長(zhǎng)率最小。黃菖蒲最后的鮮重變少是因?yàn)槿コ似淇蔹S葉子，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)束時(shí)其生物量偏低；而鳳眼藍(lán)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性高，生長(zhǎng)勢(shì)好，生物量增長(zhǎng)最高。可見(jiàn)，植物內(nèi)在的生長(zhǎng)特性決定其對(duì)水體磷的移除效果[19]。

富營(yíng)養(yǎng)水體的修復(fù)是一個(gè)重要問(wèn)題。目前，對(duì)既具景觀效果又具有一定適應(yīng)性的美人蕉、千屈菜、黃菖蒲等挺水植物的研究很多，在眾多的挺水植物中，美人蕉、千屈菜、黃菖蒲優(yōu)異的除磷能力脫穎而出，其中，美人蕉的除磷效果優(yōu)于千屈菜、黃菖蒲，但是由于試驗(yàn)條件不同其去除率為66%～98%[17，20-22]，同時(shí)美人蕉的除磷能力也優(yōu)于鳳眼藍(lán)[20]，該試驗(yàn)結(jié)果也顯示美人蕉除磷能力強(qiáng)于鳳眼藍(lán)。研究結(jié)果表明，不同植物對(duì)主要污染物TP的凈化效果有較大差異，以金魚(yú)藻的除磷能力最強(qiáng)，與劉足根等[19]的研究結(jié)果一致，與錢(qián)珍余等[21]研究不一致。在高濃度氮磷的極富營(yíng)養(yǎng)水體中，金魚(yú)藻對(duì)氮磷的吸收和耐受能力高于苦草[23]。羅虹[23]以沉水植物金魚(yú)藻、菹草、黑藻和鐵皇冠為研究對(duì)象進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，金魚(yú)藻、黑藻和鐵皇冠對(duì)總磷和磷酸鹽均有較好的去除能力，金魚(yú)藻對(duì)總磷去除率最高。與本試驗(yàn)結(jié)論一致，沉水植物中金魚(yú)藻的除磷能力最強(qiáng)。

該研究中磷含量呈現(xiàn)高低起伏的動(dòng)態(tài)變化，可能是因?yàn)楫?dāng)水體中磷含量高時(shí)，植物去除就強(qiáng)，反之則弱，當(dāng)水體中氮磷含量變低時(shí)，植物枯葉或者微生物以及動(dòng)物的分解能力就變強(qiáng)，以快速補(bǔ)給到水體中，供植物使用[24]，因此，植物具有凈化能力，但凈化效果可能是相對(duì)的。楊洪云等[25]研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)前期3個(gè)玻璃缸內(nèi)TP濃度均不斷下降，處理24 d時(shí)有個(gè)小高峰，之后又開(kāi)始下降，千屈菜對(duì)TP去除率為86.8%，黃菖蒲為82.3%，空白對(duì)照為76.7%，較該研究的去除率高。徐恒戩等[22]研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)植物在前8 d對(duì)磷素有一個(gè)較快的吸收期，以后吸收能力逐漸減弱，在8～20 d時(shí)，水體中總磷含量逐漸穩(wěn)定。與本試驗(yàn)結(jié)果較類似，TP下降的原因：可能是植物根系的沉積、吸收和附著作用，以及微生物的降解作用，均可使水體TP濃度降低，空白對(duì)照對(duì)TP的去除則主要依靠藻類的吸收和微生物的降解，水生植物及藻類通過(guò)自身的生長(zhǎng)代謝可以大量吸收氮磷等水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[23]；水生植物對(duì)水體中總磷的去除主要是通過(guò)植物的吸收、沉淀、吸附作用和微生物固定等[24]。水生植物對(duì)水體中總磷的去除率顯著高于對(duì)照，說(shuō)明植物的吸收對(duì)水體中磷的去除有重要作用。當(dāng)然，受試驗(yàn)條件所限，該研究在靜水條件下進(jìn)行，與自然條件存在一定差異。在自然條件下，由于水體具有流動(dòng)性，水質(zhì)中的氮、磷通過(guò)沉淀、底質(zhì)吸附和微生物降解等其他作用可能會(huì)比在靜水條件下大大增強(qiáng)。雖然在靜水條件下的研究結(jié)果具有一定的局限性，但仍對(duì)水生植物在水體修復(fù)的應(yīng)用中具有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

鳳眼藍(lán)和粉綠狐尾藻在富營(yíng)養(yǎng)化水體中的長(zhǎng)勢(shì)較好，可以選擇性應(yīng)用在其他水生植物不易生長(zhǎng)的富營(yíng)養(yǎng)化水環(huán)境中。15種水生植物對(duì)TP均具有去除效果，均可以應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)；紫葉美人蕉和金魚(yú)藻對(duì)TP和PO43--P的去除率均達(dá)85%以上，在應(yīng)用植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體時(shí)，可以同時(shí)采用二者去除TP和PO43--P。3種生活型的植物中僅浮葉植物與沉水植物去除PO43--P時(shí)存在顯著差異(P<0.05)，在水體富營(yíng)養(yǎng)化修復(fù)中，沉水植物具有一定的去磷優(yōu)勢(shì)，可在富營(yíng)養(yǎng)化水體中推廣應(yīng)用。