基于水生植物组合的景观水体生态净化修复

韩春妮，王 虎

（1.咸阳职业技术学院，陕西 咸阳 712000；2.陕西省西安市绿化管护中心，陕西 西安 710000）

0 引言

在城市化进程不断加快的趋势下，景观水体生态污染日趋加剧，特别是富营养化现象。目前我国多数湖泊已经处于营养化状态，城市景观水体也均演变成了静止或者流动性比较差的缓流水体，水环境容量非常小，自净能力较差，极易发生富营养化污染现象［1］。

聂磊等［2］研究发现，翠芦莉、海芋、水生美人蕉、风车草等挺水植物对于污水的净化效果显著，适合作为污水净化与景观美化植物材料；李龙山等［3］研究表明，长苞香蒲、水葱、芦苇、千屈菜、扁秆藨草可有效去除污水中的总氮、总磷、氨氮等物质，可作为人工湿地污水净化材料。基于上述关于以植物净化修复景观水体富营养化的相关研究成果［4］，笔者对水生植物组合在景观水体生态净化修复中的实际应用效果进行了实验研究和分析。

1 景观水体生态富营养化的危害

在景观富营养化水体中，氮和磷等营养物质异常丰富，使得水体内藻类浮游生物肆意繁殖，在既定环境下出现突发性聚集，导致水体颜色五彩斑斓，此富营养化现象出现于江河湖泊内称之为水华，而发生于海洋内则称之为赤潮［5］。若水华与赤潮现象发生，则水体透明度会持续下降，溶解氧也不断减少，从而导致水质恶化现象加重。多数藻类生物在代谢与死亡时，会释放出藻毒素，其毒理作用非常强大，例如蓝藻门的不定腔球藻、水华鱼腥藻等全面分泌藻青阮、肝毒素、神经毒素等有害物质；还有部分藻类生物会分泌粘液，粘黏在鱼、虾等生物腮部，阻碍其呼吸，导致水生生物大量死亡，从而威胁既有种群结构，造成优势种群持续更替，生态系统结构与性质显著改变，生物多样性大大降低。此外，富营养化水体处于缺氧状态时会自主生成硫化氢、甲烷、氨等许多有毒有害气体。一旦景观水体发生生态富营养化现象，由于水体内氮、磷等含量偏高，COD值显著升高，且附带藻类分泌的藻毒素，便会导致水资源无法直接被人、畜使用，且会显著增大水处理压力。此外，藻类及其分泌的藻毒素会对混凝过程造成直接干扰，导致藻类沉降难度加大；藻类会堵塞滤料，造成其泥球化，增大过滤水头损失，缩短周期，降低产水量；小尺寸藻类则会渗透滤池，进入清水池和管网中，增加水体内有机物含量，导致细菌滋生、管网水质恶化，加速腐蚀［6］。富营养化的景观水体包含许多营养物质，促使藻类与水生生物大肆繁殖，不仅会加快水体沼泽化与陆地化进程，而且还会直接破坏景观水体的生态平衡［7-8］。

2 实验设计

2.1 实验材料

用于景观水体生态净化修复实验的挺水植物有凤眼莲、黄菖蒲、芦苇；沉水植物有迷你皇冠、金鱼藻、苦草；浮叶植物有青萍、睡莲。上述水生植物主要从花卉市场购置。用自来水清洗供试水生植物的根部，然后将放置于自然光照遮阴条件下的自来水中，进行预培养［9］。本实验选用某公园的景观水体，其主要污染来源于农业污水、生活污水、雨水，存在明显的富营养化现象。

2.2 实验方法

实验选用42 cm×30 cm×23 cm的塑料箱作为培养容器，处理景观水体体积为18 L。在水生植物预培养结束之后，选择长势较好且大小基本一致的植株，将其清洗干净并种植在景观水体样本中。水生植物在自然光照遮阴条件下生长，在实验过程中以自来水补充蒸发消耗的水分，以此保持培养容器内的水位不变。

本实验的水生植物组合配置共设置8组处理：F1组由芦苇、凤眼莲、黄菖蒲、迷你皇冠、苦草、睡莲、青萍组成；F2组由凤眼莲、黄菖蒲、金鱼藻、苦草、睡莲、青萍组成；F3组由凤眼莲、黄菖蒲、迷你皇冠、苦草、睡莲、青萍组成；F4组由芦苇、黄菖蒲、金鱼藻、苦草、睡莲、青萍组成；F5组由芦苇、黄菖蒲、迷你皇冠、苦草、睡莲、青萍组成；F6组由凤眼莲、芦苇、金鱼藻、苦草、睡莲、青萍组成；F7组由凤眼莲、芦苇、迷你皇冠、苦草、睡莲、青萍组成；F8组为空白对照组，只添加营养液。

为了将底部淤泥污染物释放与沉积对实验结果的影响彻底排除，在培养容器中种植水生植物时没有添加底泥基质。挺水植物使用泡沫板与铁丝固定；沉水植物与浮叶植物直接安置在规定水域之中。在各培养容器内分别配置同等量的挺水植物、沉水植物、浮叶植物，挺水植物与沉水植物的生物量保持一致［10］。整个实验过程持续15 d，每间隔5 d采集1次水体样本，并根据水质监测方法测试水体内的总氮（TN）、总磷（TP）、铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）含量。

3 实验结果与分析

面向基于不同水生植物组合与对照组的景观水体生态净化修复进行实验分析［11］。

3.1 景观水体中硝态氮（NO3--N）的净化修复

基于不同水生植物组合的景观水体中硝态氮（NO3--N）的含量变化见表1。由表1可以看出：基于7种不同水生植物组合与对照组的景观水体中硝态氮（NO3--N）的含量均呈现出显著降低的趋势；在F4、F5、F7组水生植物组合下的景观水体中硝态氮（NO3--N）的含量始终低于对照组，说明这3组水生植物组合以水体中硝态氮（NO3--N）的去除效果良好；尽管对照组只添加了营养液，并未种植水生植物，但是水体内的微生物可以通过充足碳源的反硝化作用去除少量硝态氮（NO3--N）；在水生植物不断生长下，F1、F3、F6组水生植物组合对硝态氮（NO3--N）的利用量逐渐增加，差值也有所增加。总之，不同水生植物组合对景观水体硝态氮（NO3--N）的去除效果存在一定的差异。

表1 基于不同水生植物组合的景观水体中硝态氮（NO3--N）的含量 mg/L

3.2 景观水体中铵态氮（NH4+-N）的净化修复

基于不同水生植物组合的景观水体中铵态氮（NH4+-N）的含量变化见表2。由表2可以看出：除了对照组外，其他水生植物组合对景观水体中铵态氮（NH4+-N）的去除效果均表现优异，且去除趋势大体相同，其中F6与F7组的水生植物组合的去除效果居前2位，而对照组的景观水体自净化能力相对不足。在实验前期，景观水体中铵态氮（NH4+-N）始终保持离子状态，极易被水生植物吸收，所以在此期间铵态氮（NH4+-N）的含量迅速下降，从而导致水生植物组合逐渐消耗景观水体中的硝态氮（NO3--N）。

表2 基于不同水生植物组合的景观水体中铵态氮（NH4+-N）的含量 mg/L

3.3 景观水体中总氮（TN）的净化修复

基于不同水生植物组合的景观水体中总氮（TN）的含量变化见表3。由表3可见，7种水生植物组合对景观水体中总氮（TN）的去除效果均表现良好，各处理组水体中总氮（TN）的含量均比对照组明显下降，以F5组水生植物组合对总氮（TN）的去除率最高，达92.86%，比对照组提高了59.53个百分点，且处理后的水质符合《地表水环境质量标准》。

表3 基于不同水生植物组合的景观水体中总氮（TN）的含量 mg/L

对照组对景观水体总氮（TN）的去除主要以水体内反硝化菌对硝态氮（NO3--N）的作用来实现，其去除量与对硝态氮（NO3--N）的去除量基本相同。水生植物组合基于微生物的氮素转化与植物吸收作用，对景观水体中总氮（TN）的去除效果随着时间的延长而逐步增强。在实验前期，水生植物组合的植物还在逐渐适应环境，因此其去除效果相对于对照组并未呈现出明显差异。但是F4与F7组水生植物组合可迅速适应新景观水体环境，且可生成大面积植物根系，促使微生物于根际表层生成生物膜，进而构成好氧、缺氧或厌氧的微环境，以利于硝化菌与反硝化菌的生长，从而加快景观水体内氮素的转化，使其转变为植物易利用的氮形态。

随着水生植物组合逐渐适应水体环境和不断生长，其对水体中总氮（TN）的去除效果不断增强；然而F1、F2、F3、F4组水生植物组合对总氮（TN）的去除效果在10 d之后才趋于稳定，且差异不再显著；F5组水生植物生长迅速，使得自身对总氮（TN）的去除效果剧增；F6与F7组水生植物在整个实验过程中对总氮（TN）的去除效果一直保持缓慢提高的状态。

3.4 景观水体中总磷（TP）的净化修复

基于不同水生植物组合的景观水体中总磷（TP）的含量变化见表4。由表4可知，相较于对照组，在不同水生植物组合处理下景观水体中的总磷（TP）含量均呈现减少的趋势，且总磷（TP）含量在实验前期的下降速度比较快，在实验后期因含量偏低而呈现缓缓下降态势。除了对照组外，各水生植物组合对水体中总磷（TP）的去除效果均先迅速下降再趋向于稳定。通常来讲，景观水体中的磷可以通过沉淀和固结等物理、化学方式加以去除，所以只添加营养液而未种植水生植物的对照组对总磷（TP）的去除效果也较好；但是相较于对照组，水生植物组合对总磷（TP）的去除效果更佳。这主要是由于景观水体内的有机可溶性磷酸盐可基于植物根际微生物的作用被水生植物吸收或者同化，而颗粒磷酸盐可基于植物根系过滤与吸附作用而得以去除，正磷酸盐可通过聚磷菌作用以多聚磷酸盐在细胞中存储进而去除。尽管水生植物与微生物各自的总磷（TP）去除作用不高，但是由其构成的微型生态系统可以通过协同作用改变水体内磷素的存在方式，以此推动水生植物组合有效去除总磷（TP）。

表4 基于不同水生植物组合的景观水体中总磷（TP）的含量 mg/L

4 小结与讨论

本实验结果表明：基于不同水生植物组合与对照组的景观水体中硝态氮（NO3--N）的含量均呈现出显著的降低状态，而在F4、F5、F7组水生植物组合下景观水体中硝态氮（NO3--N）的含量始终低于对照组，说明这3组水生植物组合对硝态氮（NO3--N）的去除效果良好；各水生植物组合对景观水体中铵态氮（NH4+-N）的去除效果均表现优异，其中F6与F7组水生植物组合对NH4+-N的去除效果较强；不同水生植物组合对景观水体中总氮（TN）的去除效果均表现良好，且相较于对照组，总氮（TN）含量均明显下降，其中F1、F2、F3、F4组水生植物组合对总氮（TN）的去除效果在10 d之后才趋向于稳定状态，F5组水生植物对总氮（TN）的去除效果剧增，F6与F7组水生植物在整个实验过程中对总氮（TN）的去除效果一直保持缓慢提高的状态；各水生植物组合对总磷（TP）的去除效果均先迅速下降再趋向于稳定，且均优于对照组对总磷（TP）的去除效果。

总之，不同水生植物组合对景观水体的生态净化修复作用在整体上优于单种植物；根据不同水生植物组合对景观水体中氮、磷营养盐的净化与复氧能力，F5与F7组水生植物组合明显优于其他水生植物组合，其更加适合浮游植物的生长；此外，F5组水生植物组合对总氮的去除效果优于F7组。就水生植物对景观水体的生态净化修复能力和效果来讲，F5组水生植物组合更好；就植物的生长特性、景观效果、生态效应等而言，也以F5组水生植物组合更佳，且其对水体营养物质的去除效果更好、更稳定。