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关闭窗口 摘要:在实验室人工模拟太湖地区春季和冬季不同气候条件下，对三种抗寒去污性能较强的水生植物伊乐藻、石菖蒲和水芹菜在不同营养状态下和不同季节温度条件下去除氮磷的效果进行了系统地对比研究。结果表明：这三种植物均能较好地吸收水中的营养物质，其中以水芹菜脱氮除磷效果最好；总体上植物在春季吸收氮的效果要好于冬季，但对磷的季节吸收差异没有氮明显。可利用沉水植物和挺水植物对氮磷去除的各自优势分别筛选吸收效果较好的植物品种，构成双层次群落结构(FAMS)用以修复太湖地区富营养化水体。
关键词：水生植物 低温脱氮 除磷 富营养化 抗逆
水体富营养化是全球性的环境问题。治理富营养化水体的多种措施中，利用水生植物的方法，以其良好的净化效果、独特的经济效益、能耗低、简单易行以及有利于重建和恢复良好的水生生态系统等特点，正日益受到人们的关注。我国水污染严重，利用水生植物净化富营养化水体必将具有非常广阔的发展前景〔1～3〕。由于在夏季适宜植物生长的品种繁多、治理富营养水体的效果显著，因此相应的较多，而对于其它季节植物净化水体的研究则较少。此外，夏季植物生长旺盛，对水体去污效果好，但一到低温季节，夏生植物将枯萎死亡，不仅不能净化水体，反而引起新的污染。因此，筛选一些能耐低温、又能高效除磷脱氮的水生植物，使其在春秋冬季节仍能发挥净化水体的有效作用，从而建立一个完整的水生植物净化富营养化水体的体系，避免因季节的变化而导致水体水质出现明显波动，从而解决植物修复的周年循环问题。
太湖水污染治理与水体修复技术及工程示范项目是国家“863”计划课题的一部份，本文利用实验室人工模拟太湖地区冬季和春季的气候条件，对伊乐藻、石菖蒲和水芹菜这三种能耐受低温的水生植物在不同营养浓度条件下(中营养浓度、富营养浓度和超富营养浓度)去除氮磷的效果进行了系统地对比研究，分析它们在不同季节温度条件下净化水质能力的差异，从中比选出能适应逆境环境并能高效净化水质的水生植物。
1试验材料与方法
1.1试验材料
本次研究选用太湖流域3种常见的水生植物，包括伊乐藻(采自无锡太湖)、水芹菜(采自南京郊区菜田)和石菖蒲(采自南京中山植物园)。
(1)伊乐藻(Elodea Canadensis Michx.)：多年生沉水植物，营养繁殖，能忍受0℃甚至冰点以下的寒冷，在人工裁培管理条件下能在一年四季正常生长〔4〕。
(2)水芹菜(Oenanthe javanica(BL.)DC.)：挺水植物，多年生草本。对环境条件的适应性较广，抗逆性强，喜冷凉，较耐寒，适于冷凉、短日照季节生长〔5〕。
(3)石菖蒲(Acorus tatarinowii Schott)：挺水植物，四季生长，根系发达，生命力强，能分泌克藻物质，抑制藻类生长〔6〕。
1.2试验设计
在通风宽敞的实验室内，不采用任何保暖措施，用光照强度约5000lx的日光色镝灯模拟自然日照，将试验植物盛放在容积为15L塑料圆筒内，桶内分别装入在Hoagland营养液〔7〕的基础上配置的三种不同营养等级的水溶液(见表1)，水溶液的体积为10L，为了固定植物，在试验桶中均装入洁净的石英砂1Kg(干重)，冬季试验期间的气温为-2℃～12℃，水温4℃～10℃；春季试验期间的气温为2℃～18℃，水温为6℃～14℃。
几种水生植物分别在中营养、富营养和超富营养浓度下培养，同浓度下每个植物样做一组平行样。另外，取三种营养浓度下只含石英砂而不放植物的水溶液作为空白对比样。
表1试验水体营养成分配比浓度/mg·L-1
营养等级中富超富〔8〕
总磷(TP)0.0250.10.5
总氮(TN)0.20.84
硝氮(NO3-N)0.1750.73.5
氨氮(NH4-N)0.0250.10.5
植物从产地取来后，先在实验室模拟太阳光照的条件下用太湖底泥和自来水驯养5～10d。冬季试验开始于2003年12月8日，春季试验开始于2004年3月1日。试验开始后定期取试验桶中的水样分别测氨氮(NH4-N)、总氮(TN)、总磷(TP)，试验周期均为29d。
水溶液中的TN采用紫外分光光度法测定，TP采用钼锑抗分光光度法测定，NH4-N用纳氏试剂光度法测定〔9〕。
2 结果和讨论
由于石英砂对水中营养成分有一定吸收作用，以及水分蒸发作用等因素对水体营养浓度有一定影响，所以下文各图中曲线均表现的是扣除空白对照后，仅植物对营养成分的吸收情况。
2.1对TN的吸收差异在不同季节不同温度条件下(见图1～3)，三种水生植物对TN的吸收都有一定的效果，但存在一些差异，如三种水生植物在中营养和富营养浓度下的吸收效果，水芹菜最好；在超富营养浓度下，石菖蒲最好；伊乐藻在各营养浓度下对TN的吸收始终最低，这说明沉水植物对TN的吸收效果不如挺水植物的吸收对TN效果好。29d后中营养浓度条件下种植水芹菜水样中的TN含量只有0.008mg/L，植物纯吸收率达到40%，相比而言沉水植物伊乐藻对TN的吸收较差，在同浓度下的吸收率仅为20%左右，其它营养浓度下的吸收也呈现类似现象。总的看来，三种植物对TN的吸收效果依次为：水芹菜＞石菖蒲＞伊乐藻。
另外，对于季节不同带来温度的差异导致植物对TN的吸收效果也有明显的变化，总体来看春季的吸收效果比冬季稍好，但也有植物与此相反，如中营养浓度下的伊乐藻，这也与伊乐藻较好的抗寒性和生长习性相关。
图1中营养浓度下对TN的吸收
图2富营养浓度下对TN的吸收
图3超富营养浓度下对TN的吸收
2.2对NH4-N的吸收
植物对NH4-N吸收效果比TN好，在试验开始后7d就大量吸收NH4-N，使水体中NH4-N浓度大幅降低(见图4～6)。这主要是因为水体中的NH4-N大部分是通过硝化作用和反硝化作用的连续反应而去除，这种反应过程会增加水体中NO3-N的量，从而使TN含量下降幅度变小〔10〕。但随着NH4-N浓度下降并趋于稳定值后，它转变为NO3-N的量减少，植物开始以吸收NO3-N为主，从而不断降低水体TN含量，导致试验后植物对TN的吸收率逐渐高于NH4-N。三种植物对NH4-N的吸收效果依次为：伊乐藻＞水芹菜＞石菖蒲。
图4中营养浓度下对NH4-N的吸收
另外，虽然有的植物在试验中部分时间段出现冬季吸收NH4-N效果好于春季的情况，但从图中总的春季线(实线)和冬季线(虚线)的趋势可见，植物春季的NH4-N吸收率基本都高于冬季的。
图5富营养浓度下对NH4-N的吸收
图6超富营养浓度下对NH4-N的吸收
2.3对TP的吸收
磷的去除一方面是以磷酸盐沉降并固结在基质上，另一方面是可给性磷被植物吸收。磷极易被底部基质吸附，所以实验开始几天磷立即被石英砂吸附而浓度大幅度降低，但降到一定值后也有少量磷会逐渐从石英砂中释放出来〔11〕，因此在植物水样中出现TP浓度增加的现象。尽管如此，一般在15d左右各种水生植物对磷的吸收率就达到较高值，如伊乐藻在中营养 浓度下第7dTP累计吸收率可达32%左右，除磷效果好于其他植物。而挺水植物对TP的吸收效果相差不大，水芹菜对磷吸收率略高于石菖蒲(见图7～9)。
图7中营养浓度下对TP的吸收
图8富营养浓度下对TP的吸收
图9超富营养浓度下对TP的吸收
春冬不同季节温度条件下植物对磷的吸收率没有出现明显规律，代表春冬两季的虚实线常出现交叉现象，说明温度对植物吸收总磷的影响不像总氮那样明显。这主要是由于春季较高温度促进植物生长，而植物在生长过程中对氮的需求远高于磷，所以出现植物在春季对氮的吸收率高于冬季；但植物对磷的吸收本来就少，其吸收量还易受到其它因素的干扰，所以季节温
度变化对植物吸收的影响相对较弱。由此可见几种植物对水体中磷的吸收规律与氮的吸收规律有很大差异。
3结论
(1)本文挑选的三种水生植物伊乐藻、石菖蒲和水芹菜都是在较低温度下也能正常生长，并有较强除污能力的植物品种。在试验所选春季和冬季不同季节条件下挑选的这三种植物生长良好，且都能较好吸收水中的营养物质。
(2)三种植物去氮除磷存在一些差异：对NH4-N的吸收效果，沉水植物伊乐藻较两种挺水植物稍好，水芹菜明显好于石菖蒲；对NO3-N的吸收，挺水植物明显好于沉水植物伊乐藻，挺水植物效果比较相似，水芹菜效果稍好；对TN的吸收，仍以水芹菜最好；对TP的吸收，几种植物对TP的吸收效果相差不大，水芹菜对磷吸收率略高。总的看来，水芹菜是脱氮除磷效果
最理想的水生植物。
(3)从春冬两季不同温度气候条件下同种植物对氮磷的吸收效果对比研究来看，春季的吸收效果总体好于冬季，这说明虽然试验所选均为耐寒植物，但不同季节带来的温度气候差异仍对其有一定影响。春季相对冬季温度稍高，这更利于其对氮的吸收，但温度对植物吸收磷的影响不像氮那样明显。这与植物在生长过程中对氮的需求远高于磷有关，可见几种植物对水
体中磷的吸收规律与氮的吸收规律存有差异。
(4)综合本文研究结果，沉水植物和挺水植物在去除水中氮磷方面各有优势，应分别筛选环境适应性强，去污效果更突出的沉水植物和挺水植物品种构成双层群落结构(FAMS)〔12〕用以修复太湖地区富营养化水体。
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