2017, Vol. 38
2. 宁波市环境科学保护设计研究院, 宁波 315012;
3. 宁波伊玛环保生物技术有限公司, 宁波 315000
2. Environmental Protection Research and Design Institute of Ningbo, Ningbo 315012, China;
3. Ningbo Yima Environmental Biotechnology Co., Ltd., Ningbo 315000, China
沉水植物作为水体生态系统的主要初级生产者之一，不仅自身具有氮、磷吸收能力，也是水体生物多样性赖以维持的基础，因此恢复和重建沉水植物群落是预防与治理水体富营养化工作的重要环节[1~4]. 沉水植物改善河湖水生态系统的作用机制主要包括：①沉水植物的自身净化作用. 沉水植物的根茎叶可以直接吸收底泥和水体中的氮、 磷营养物质，沉水植物分泌的化感物质对藻类有明显的抑制作用[5, 6]； ②沉水植物的生境改善作用. 沉水植物不仅可有效提高水体溶解氧浓度，还具有促进水体中生物和非生物性悬浮物质沉淀，抑制底泥沉积物再悬浮的作用，有效提高水体透明度[7~9]； ③沉水植物的生物载体作用. 沉水植物不仅可以为水体复杂的食物链提供食物，还可以为其他水生动物提供生存和产卵栖息地，沉水植物水体中的根茎叶都可以作为微生物的载体，便于形成生物膜，增加水体环境微生物含量，最终提高水体自净能力[10~13].
目前，关于不同沉水植物净水能力研究相对较多[14~17]，但是对于沉水植物在水质净化过程中的氮、 磷直接吸收和间接增效作用贡献率的定量研究较少. 本文选取宁波地区5种乡土沉水植物为研究对象，在室内静水条件下通过分析试验各阶段沉水植物的生物量、 植株氮、 磷含量、 水质氮、 磷浓度变化以及计算水质氮、 磷去除率，对不同沉水植物的氮、 磷直接吸收和净水增效作用贡献率进行定量研究，以期为沉水植物的水生态修复工程应用提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 供试材料选择宁波地区自然分布的轮叶黑藻(Hydrilla verticillata)、 苦草(Vallisneria natans)、 金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、 穗状狐尾藻(Myriophyllum spicatum)、 微齿眼子菜(Potamogeton maackianus)等5种乡土沉水植物为研究对象，试验前野外采集后在基地统一驯化培养7d. 为模拟自然水体条件，试验供试用水全部取自污染相对严重的自然河道，基本性质见表 1.
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表 1 供试水样基本性质 Table 1 Basic properties of experimental water |
1.2 试验设计
试验在宁波市农业科学研究院试验基地温室大棚内进行，选用长×宽×高(70 cm×60 cm×55 cm)的塑料桶进行盆栽试验. 野外采集的供试用水经充分混合后缓缓放入塑料桶内至50 cm处，选用生长状态良好的沉水植物成熟植株，统一修剪至株高25 cm，清洗干净后种植在塑料桶内，各处理桶内初始种植50 g. 为明确沉水植物的植株氮、 磷吸收率占水质氮、 磷去除率的比例，本试验不采用底泥进行栽培，而采用陶瓷环和海绵固定沉水植物. 5种沉水植物各设3个重复，另外设3个不种植沉水植物的空白对照，共计18个试验水桶. 试验日期为2015年8月10日至9月28日.
1.3 取样和样品处理试验开始后在1、 3、 7、 14、 21、 28、 35、 42、 49 d进行水质取样，水质取样后冷藏于4℃冰柜内2d完成水质指标测定，用预留原水补充检测消耗水量，用蒸馏水补给因蒸发损耗水分，以保持水位. 原始水样用于TN、 TP、 COD测定，NH4+-N、 NO3--N、 DRP用经0.45 μm滤膜过滤后的水样用于测定. 试验前后沉水植物取样后用蒸馏水进行清洗，利用吸水棉充分吸附附着水分后用电子天平进行湿重生物量测定，在烘箱内烘干(80℃)后进行干重生物量测定. 将烘干后的植物样品用碾磨机粉碎，过0.25 mm筛后装瓶用于植物氮、 磷含量的测定.
1.4 样品测定方法水质pH用玻璃电极法测定，TN用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法,NH4+-N用纳氏试剂比色法，NO3--N用紫外分光光度法，DRP和TP采用钼酸铵分光光度法测定[18].
沉水植物株高采用直尺进行测定； 生物量使用烘干法(80℃)进行测定. 预处理好的植物样品采用浓硫酸-过氧化氢法消解，植株全氮用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，植株全磷用钼酸铵分光光度法测定[19].
1.5 数据处理数据采用SPSS19.0软件进行单因素方差(One-Way ANOVA)分析和相关性分析，不同处理之间多重比较采用Duncan新复极差方法，然后经过t检验(P＜0.05),制图软件采用Origin 7.5.
为明确不同沉水植物的水质净化能力以及沉水植物氮、 磷直接吸收在水质净化过程中的作用，本研究在测定不同阶段植物生物量、 植物氮、 磷含量、 水质氮、 磷浓度的基础上计算水体氮、 磷去除率η1，沉水植物氮、 磷直接吸收贡献率η2，其它作用贡献率η3，沉水植物氮、 磷去除增效作用贡献率η4，其中 η1=(起始状态水体氮、 磷总量-结束状态水体氮、 磷总量)/(起始状态水体氮、 磷总量)，η2=(沉水植物植物体氮、 磷净吸收量)/(水体初始氮、 磷总量)，η3=空白对照的水质氮、 磷去除率，η4=η1-η2-η3.
2 结果与分析 2.1 不同沉水植物生物量和植株氮磷变化根据表 2可以看出，各处理沉水植物经过49 d生长，植物株高和生物量均产生较大变化，平均株高由25.0 cm增高至51.3~80.7 cm，其中苦草的平均株高增加最多，微齿眼子菜增加最少； 湿重生物量由各处理119.05 g·m-2增加至140.95~271.67 g·m-2，其中轮叶黑藻的生物量增加最多，而微齿眼子菜生物量增加均最少. 从不同阶段各沉水植物的含水率数值可以看出，各处理沉水植物结束状态的含水率略高于起始状态，但各沉水植物之间的含水率较为相近. 通过计算不同沉水植物处理试验前后的净增生物量，变化范围(以干重计)为1.52~12.92 g·m-2，大小顺序为轮叶黑藻＞金鱼藻＞苦草＞穗状狐尾藻＞微齿眼子菜，净增生物量差异较大且均存在显著性差异，最多的轮叶黑藻是最少的微齿眼子菜的8.5倍.
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表 2 5种沉水植物的株高与生物量变化 Table 2 Variation of plant height and biomass of five submerged macrophytes |
根据表 3可以看出，不同沉水植物试验终止状态的植株氮、 磷含量均略大于起始状态，5种沉水植物植株氮含量范围为26.54~34.44g·kg-1，植株磷含量范围为2.54~4.01g·kg-1. 从不同沉水植物之间植株氮、 磷含量比较上看，植株氮含量差异相对较小，而植株磷含量差异相对较大，5种沉水植物中金鱼藻的植株氮、 磷含量相对偏高.
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表 3 5种沉水植物的植株氮、 磷含量1)/g·kg-1 Table 3 Plant nitrogen and phosphorus contents of five submerged macrophytes/g·kg-1 |
2.2 不同沉水植物处理的水质氮磷浓度变化
根据图 1(a)可以看出，试验开始后各沉水植物处理的TN浓度在3 d时稍有上升，之后呈现明显的下降趋势，35 d后TN浓度逐渐趋于稳定，试验结束时各沉水植物处理的TN 浓度均显著小于不种植沉水植物的CK处理. 根据图 1(b)可以看出，各沉水植物处理的NH4+-N浓度在21 d前均呈明显的下降趋势，21 d后NH4+-N趋于稳定，试验结束时各沉水植物处理的NH4+-N浓度均显著小于CK处理. 根据图 1(c)可以看出，各处理的NO3--N浓度在14 d前呈现上升趋势，而14 d后呈现下降趋势.
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图 1 不同沉植物处理各态氮浓度变化 Fig. 1 Variation of concentrations of different nitrogen forms in different submerged macrophytes treatments |
根据图 2(a)可以看出，试验开始后各沉水植物处理的TP浓度在3 d时稍有上升，之后呈现明显的下降趋势，试验结束时各沉水植物处理的TP浓度均显著小于CK处理. 根据图 2(b)可以看出，各处理的DRP(可溶态磷)浓度下降幅度相对较小. 根据图 2(c)可以看出，各处理的PP(颗粒态磷)浓度在3 d时稍有上升，之后呈现明显的下降趋势，35 d后PP浓度逐渐趋于稳定，试验结束时各沉水植物处理的PP浓度显著小于CK处理. 综合图 1和图 2可以看出，虽然水质各态氮磷的变化规律不一致，但最终种植沉水植物处理的水质TN、 TP浓度均要显著小于CK处理，表明沉水植物可显著提高水体的自净能力，以下将进一步分析沉水植物氮、 磷直接吸收、 沉水植物净水增效作用和其它作用等各作用的贡献率水平.
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图 2 不同沉水处理处理各态磷浓度变化 Fig. 2 Variation of concentrations of different phosphorus forms in different submerged macrophytes treatments |
本研究将水质氮、 磷去除率η1分为沉水植物直接吸收、 沉水植物增效作用和其它作用等3部分贡献率，其中，沉水植物直接吸收贡献率η2通过计算植物氮、 磷净吸收量获得； 其它作用是指不种植沉水植物条件下水体具备的自净能力，其它作用贡献率η2通过计算CK处理的氮、 磷去除率获得； 沉水植物增效作用是指通过沉水植物吸附、 改善生境提高水体微生物转化等因种植沉水植物而产生的净水增效作用，沉水植物增效作用η4=η1-η2-η3. 根据表 4可以看出，不同沉水植物处理的水质TN、 TP去除率η1存在较大差异，5个沉水植物处理的水质TN、 TP去除率范围分别为63.8%~83.1%和49.2%~70.8%，均显著高于CK处理的39.9%和36.9%，各处理水质TN、 TP去除率顺序均为：轮叶黑藻＞金鱼藻＞苦草＞穗状狐尾藻＞微齿眼子菜＞CK. 不同沉水植物处理的TN、 TP直接吸收贡献率范围分别为1.5%~13.3%和2.2%~13.2%，沉水植物体现的增效作用贡献率范围分别为22.5%~29.9%和10.1%~20.6%，可见虽然沉水植物通过直接吸收氮、 磷占水质TN、 TP去除率的比例不高，但通过促进植物体吸附、 改善生境提高水体微生物转化等增效作用较为明显.
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表 4 5种沉水植物的水质氮、 磷去除率和各作用的贡献率 Table 4 Nitrogen and phosphorus removal efficiencies of five submerged macrophytes and contributions of different effects/% |
3 讨论
本试验水体中磷的去除主要依靠植物直接吸收、 植物体吸附和沉淀作用等途径去除[20~22]，而水体中氮的去除除了这些途径外，还存在氨的挥发、 硝化和反硝化等途径[23~25]. 根据图 1和图 2可以看出，水质TN、 TP浓度均在3 d稍有上升，这可能是因为沉水植物转移到新水体后稍有不适应而导致部分植物死亡腐败引起. 3 d后各沉水植物处理的水质TN、 TP浓度下降趋势较明显，主要可能存在以下影响：①沉水植物的氮、 磷直接吸收作用,这部分主要体现在可溶态氮、 磷浓度的下降； ②通过沉水植物分泌助凝物质加速吸附沉降水体中的悬浮颗粒，这部分主要体现在颗粒态氮、 磷浓度的下降； ③通过提高水体中微生物含量和改善生存环境提高了微生物的降解转化作用. 本试验中35 d后各沉水植物处理的水质TN、 TP浓度趋于稳定，其中水质TN浓度可能因为后期试验水体中存在碳源不足而导致部分微生物停止生长或者部分死亡，最终影响了水体中的硝化和反硝化作用，而水质TP浓度趋于稳定是颗粒态磷(PP)趋于稳定的结果[见图 2(c)].
将水质TN、 TP去除率与沉水植物净增生物量、 植株平均氮磷含量进行相关性分析，水质TN、 TP去除率与沉水植物净增生物量相关性较高，分别高达0.994(P＜0.01)和0.996(P＜0.01)，而水质TN、 TP去除率与植株平均氮、 磷含量相关性不高，可见沉水植物净增生物量是决定沉水植物水质净化能力的一个重要因素. 进一步分析，水质TN、 TP去除率与沉水植物净增生物量虽然相关性较高，但水质TN、 TP去除并非完全依靠沉水植物氮、 磷的直接吸收作用，事实上，5种沉水植物氮、 磷直接吸收贡献率仅为1.5%~13.3%和2.2%~13.2%，而扣除水体自身自净能力后沉水植物的增效作用贡献率则达22.5%~29.9%和10.1%~20.6%，表明沉水植物的水质净化增效作用大于本身直接吸收作用，这一结论与已有研究相符合[26, 27].
当然，室内静水条件和野外自然条件存在较大的差异，在自然条件下由于底质作用、 水体流动性及其它影响因素，水体中的氮、 磷通过底质吸附、 水生动物吸收和微生物降解转化等作用会比静水条件大大增强[28~30]. 另一方面，自然条件下沉水植物的生长由于不受空间限制其净增生物量比室内静水条件下也会有所增加. 本研究在静水条件下的研究结果虽然具有一定的局限性，但是不同沉水植物在水质净化过程中的氮、 磷直接吸收和间接增效作用贡献率的定量研究结论，对于沉水植物的净水基础理论研究和生态工程应用仍具有一定的参考价值.
4 结论(1) 不同沉水植物试验前后的平均含水率差异较小，变化范围为89.8%~92.0%，但净增生物量差异较大且均存在显著性差异，变化范围(以干重计)为1.52~12.92 g·m-2，其中净增生物量最大的轮叶黑藻是最低的微齿眼子菜的8.5倍.
(2) 不同沉水植物试验终止状态的植株氮、 磷含量均略大于起始状态，植株氮、 磷含量变化范围分别为26.54~34.44g·kg-1和2.54~4.01g·kg-1，不同沉水植物之间植株氮含量差异相对较小，而植株磷含量差异相对较大，其中金鱼藻的植株氮、 磷含量相对偏高.
(3) 不同沉水植物处理的水质TN、 TP去除率变化范围分别为63.8%~83.1%和49.2%~70.8%，均显著高于CK处理的39.9%和36.9%，水质TN、 TP去除率大小顺序均为：轮叶黑藻＞金鱼藻＞苦草＞穗状狐尾藻＞微齿眼子菜＞CK，不同沉水植物处理的水质TN、 TP去除率与净增生物量存在较高相关性，相关性系数分别为0.994(P＜0.01)和0.996(P＜0.01).
(4) 不同沉水植物氮、 磷直接吸收贡献率为1.5%~13.3%和2.2%~13.2%，而沉水植物的增效作用贡献率为22.5%~29.9%和10.1%~20.6%，表明水质净化氮、 磷去除过程中沉水植物的增效作用要大于直接吸收作用.
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