沟渠植物对污水中氮磷去除效率的对比研究

　　沟渠植物对污水中氮磷去除效率的对比研究

　　任光前1，2，刘守江1，王彦2，汪涛2**

　　（1西华师范大学，四川南充，邮编：637009；2 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川成都，610041）

　　摘要：选取四川盆地排水沟渠的7种典型乡土植物美人蕉（Canna indica L.）菖蒲（Acorus calamusL.）、水蓼 （Polygonum hydropiper）、野薄荷（Mentha haplocalyx Briq.）、水芋（Calla palustris L）、酸模（Rumexacetosa Linn）、黑麦草（Lolium）等作为供试植物，通过模拟小城镇排水沟渠水土环境的培养实验，测定植物培养对高浓度污染水体的氮磷浓度变化影响及植物氮磷吸收量，计算植物对污水氮磷的去除能力。结果表明，水芋、水蓼、美人蕉和酸模生物量大，且植株氮磷含量较高，对氮、磷具有较强的吸收能力。美人蕉、水芋、水蓼等植物对氮的富集吸收率可达20%以上，黑麦草、酸模、美人蕉对磷的富集吸收分别为46.2%，28.8%，18.9%。不同植物对污水中氮的去除率依次为黑麦草>薄荷>酸模>水蓼>水芋>菖蒲>美人蕉；磷的去除率则依次为水蓼>黑麦草>薄荷>美人蕉> 菖蒲>酸模>水芋。综合考虑水污染特征、植物生物量与氮磷去除富集效果，宜引入黑麦草、水蓼等植物恢复排水沟渠植被，并搭配薄荷、美人蕉、菖蒲等水生植物以达到较好的水质净化效果。

　　关键词：非点源污染，植物，氮磷，生态沟渠，去除效果

　　1.引言

　　非点源污染无固定排放口、污染路径复杂、危害程度高而难以控制，特别是农业生产中过量施用的化肥及未经处理而直接排放的村镇生产和生活废水等污染源含有大量的氮、磷等营养元素，它们随降雨径流由陆地向水体中迁移，使得水体中氮磷污染负荷增加[1-5]，甚至导致富营养化。目前，水体富营养化已成为中国乃至全球水环境面临的重大问题之一[6,7]。

　　排水沟渠作为陆地和水域的通道和缓冲带，具有汇流、排水和湿地系统的多种功能，是陆地生态系统最重要的景观单元之一，在径流输送和污染物迁移中发挥极为重要的作用。沟渠湿地通过底泥的吸附、截留和植物吸收、微生物降解等机制净化污染物[8-11]。沟渠植物是沟渠湿地系统的重要组成，既可直接吸收氮、磷等营养成分，又可产生根区效应，为微生物附着、生长与生物挂膜提供基质，进而促进污染物的降解。以前的研究大多关注沟渠的排水与行洪功能，近年来许多研究者逐渐认识到沟渠湿地截留净化高负荷氮磷污染物，可以达到既经济又实效的目的[9,12]。利用沟渠植被高效净化控制非点源污染，已成为一个重要的命题，具有极高的生态经济和环保价值。然而，目前沟渠植物截留吸收氮、磷营养物质的研究，多集中在单一植物系统[13, 14]或水-植物系统[14, 15]，而多种植物的土壤-水体-植物系统中氮、磷迁移转化的对比研究仍然不足，特别是高效净化的沟渠植物因生物入侵及气候、水文条件、污染特征和区域适应性应开展更多的对比研究。因此研究乡土沟渠植物的适用性与吸收氮磷的效率，筛选高效净化的乡土沟渠植物，用于沟渠植被重构，促进氮磷等污染物的高效去除和净化，具有重要的科学与实践意义。

　　四川盆地丘陵区处于长江上游生态屏障的最前沿，是长江流域、三峡水库水环境的重要影响区。该区人口众多，村镇发展迅速，但环境基础设施建设与管理严重滞后，集中处理污、废水困难。富含氮磷等污染物的高负荷生活污水、餐饮用水、屠宰废水等无序排放、随机累积，并通过降雨径流汇流至排水沟渠，输移至下游水体[4,6,16]，对流域水环境造成了很大的环境压力。而四川盆地属亚热带季风气候，雨热同季，沟渠植物种类丰富，对水陆环境有较好的适应性，且生长茂盛[17]。因此，研究乡土沟渠植物对营养盐的吸收特征和富集能力，可以为有效截留和净化氮磷径流污染物提供科学依据和植被重建的植物种群，对于非点源污染控制具有重要实践意义。

　　试验材料与方法

　　2.1. 试验材料

　　2.1.1主要沟渠植物

　　选取四川盆地丘陵区广泛分布的12种乡土沟渠植物如酸模（Rumexacetosa Linn）、菖蒲（Acorus calamusL.）、黑麦草（Lolium）、水芋（Calla palustris L）、美人蕉（Canna indica L.）、水蓼（Polygonum hydropiper）、薄荷（Mentha haplocalyx Briq.）、节节草（ Equisetum ramosissimum）、野当归（ Angelica decursiva(Miq.)f. decursiva）、丝茅草（ImperatacylindricaBeauv）、蜈蚣草（Nephrole-piscordifolia(L.)Presl）、水烟叶（Nicotianatabacum）作为研究主要对象，调查其生长习性和耐水淹条件。

　　2.1.2污水氮磷浓度配置

　　综合考虑村镇生活污水的污染物浓度，盆栽试验营养液拟设置较高的氮磷含量，以模拟污水高负荷氮磷污染条件下，植物短期可能的去除效果。具体配置的总氮、总磷浓度分别为40.0mg·L-1、5.0 mg·L-1，实际盆栽试验正式开始后，氮磷的起始浓度TN、TP分别为45.1 mg/L、4.45 mg·L-1，硝态氮、铵态氮浓度分别为39.12 mg·L-1、5.31 mg·L-1。在随后盆栽试验中，TN、TP的添加浓度均维持在40.0mg·L-1、5.0 mg·L-1 的高污染负荷水平。

　　2.2沟渠植物的栽培试验

　　采集沟渠植株幼苗，经氮磷营养液培养1周后，移植入30 L黑色塑料盆钵中作水培试验。塑料盆钵中预先铺设6 kg沟渠沉积物（采自自然沟渠，约10 cm厚，有机质、全氮含量分别为(7.8 ± 0.7)、( 0.59± 0.3) g·kg-1，全磷含量为 ( 6.94 ± 1.02) mg·kg-1）[12]，并加入2 L高浓度的营养液且用自来水对照，并标记水位。每7 d补相应的营养液至刻线。每处理3次重复。于第1、6、13、21、30d用聚乙烯注射器采集上覆水并分析相应水质指标；60 d后排干上覆水，测定植株地上部分的TP、TN和生物量，计算植物总氮、总磷的吸收量。

　　2.3主要测定指标与方法

　　水样：水体各指标的测定主要参考《水环境要素观测与分析》[18]。pH测定使用便携式pH计；水样经0.45 μm的微孔滤膜过滤后，硝态氮、铵态氮、溶解态活性磷由连续流动分析仪测定（Seal，AA3）[19]；全氮（TN）经碱性过硫酸钾消解后用紫外-可见分光光度法测定[6] (国家环保局，1989年)；全磷（TP）经碱性K2S2O8消解后，用钼酸铵显色紫外-可见分光光度法测定。

　　植株样：生物量测定是采集盆栽植物，在烘箱中经105℃杀青1-2 h后，调温至60℃连续烘干48 h至衡重后称重[20,21]。称取所有供试沟渠植物的烘干样品，磨碎过0.25 mm筛，经H2SO4-H2O2消煮后，TN、TP分别用靛酚蓝比色法和钼锑抗比色法测定[21,22]。

　　2.3 数据处理

　　数据处理与统计分析采用SigmaPlot12.5和SPSS 13.0软件进行。数据处理制图采用SigmaPlot12.5软件进行；数据分析采用SPSS 13.0软件进行，采用独立样本T检验(Independent-Samples T Test)分析两组数据之间的差异；采用单因素方差分析(One-way ANOVA)的最小显著差异法(LSD)分析不同数据组间的差异。

　　盆栽实验中植物对污水的氮、磷富集与去除率计算方法见公式：

　　富集率=（PX-P0）/ P0（PX为第X种植物对氮磷的去除量，P0为无植株培养处理对氮磷的去除量） （1）

　　去除量=（进水浓度-最后出水浓度）× V水 （2）

　　去除率=去除量 /污水氮磷总量（初始浓度× V水） （3）

　　3.结果与讨论

　　无论雨季还是旱季，鉴于居民污水排放的非定时与持续性，使得村镇排水沟渠可能长期淹水，而且干湿交替频繁。在实验室模拟长期淹水条件下，考察植物栽种前后水体氮磷含量的变化[22,23]，有利于了解村镇沟渠植被对氮磷污染物的去除特征和效果。

　　3.1主要沟渠植物的生长特征

　　盆栽试验发现（表1），野当归、丝茅草、蜈蚣草、水烟叶、节节草在长期淹水及栽种后出现枯萎现象，说明这 5 种植物不适合长期淹水环境。但野外观测到这 5 种植物主要分布于沟渠两岸且长势较好，因此可以考虑将其作为沟渠护坡植被，主要沟渠植物的生长环境与生长习性列于表1。

　　表1. 研究区不同植物生长特性

　　Table 1.Growth characteristics of different plants in research region

　　3.2 盆栽植物的上覆水的氮、磷浓度变化

　　3.2.1总氮(TN)和氨氮(AN)的浓度变化

　　盆栽植物的上覆水总氮变化的测定结果（图1）所示，随污水与植物接触时间延长，上覆水的TN浓度逐渐下降，有植株栽种处理的上覆水TN含量明显低于空白对照（不栽种植物），对长期淹水条件下各处理上覆水中TN的含量进行 t 检验，得出栽种植物的各处理均与空白对照呈极差异性显著（p < 0.01，n = 5）。菖蒲、水蓼和野薄荷处理水体中TN的含量最低。

　　同时，长期淹水条件下，高浓度处理的NH4+-N浓度在营养液添加第6天就明显降低（图1），试验后期各处理NH4+-N浓度相似，在0-0.3 mg·L-1范围波动。这是由于试验前期，高浓度的NH4+-N大部分通过硝化作用和反硝化作用的连续反应而去除，这部分反应会增加水体中NO3--N的量，而使NO3--N浓度产生波动；此外部分NH4+-N可以通过植物的吸收和挥发去除。但到后期，水中NH4+-N浓度过低又会导致植物已吸收的部分氮元素未来得及供其生长所需，就重新转化成NH4+-N的形式释放到水中，所以出现水体中NH4+-N的含量中期略有上升。这与黄蕾等[24]研究伊乐藻、菹草、石菖蒲、水芹菜对水体NH4+-N去除影响得出的结论基本一致。
 

　　图1盆栽植物的上覆水氮浓度变化(a.全氮 b.铵态氮)

　　Fig. 1 Contents change of total nitrogen and ammonium nitrogen in the overlying water under the waterlogged conditions

　　3.2.2 上覆水的磷浓度变化

　　长期淹水条件下，高浓度处理上覆水全磷含量在第6天即明显降低（图2），后期变化不明显，这主要与磷的吸收、吸附特点有关。水中磷的去除主要通过两种途径，即植物对可给性磷的吸收和底泥对磷酸盐的吸附。磷极易被底泥吸附，所以高浓度处理试验开始几天磷立即被底泥吸附而浓度大幅度降低，但也有部分

　　磷会逐渐从底泥中释放出来[15,21-23]。由于植物对磷的需求相对较少，而沟渠底泥对磷的吸附量较大。

　　图2 盆栽植物的上覆水全磷浓度变化

　　Fig. 2 Contents change of total phosphorus in overlying water under the waterlogged conditions

　　3.3 沟渠植物对氮、磷的去除效率

　　3.3.1沟渠植物对氮磷的富集

　　沟渠植物对氮、磷的减控效果，不仅体现在单位积累量上，与其生物量的大小也具有密切关系（总量=浓度*生物量）。主要盆栽植物的生物量、单位氮磷含量、氮磷去除量等结果计算，获得如下表2的结果。

　　表 2淹水培养条件下植株对氮磷的吸收

　　Table 2 Total N and P removed by the plants under the waterlogged condition

　　表2可见，淹水培养条件下，植物共可吸收2331.99 mg的氮和458.63mg的磷，平均每种植物吸收氮333.14mg，磷65.52mg。植物对氮的吸收量依次为：酸模 > 水芋 > 水蓼 > 薄荷 > 黑麦草 > 菖蒲 > 美人蕉；植物对磷的吸收量依次为：水芋 > 黑麦草 > 水蓼 > 酸模 > 菖蒲 > 美人蕉 > 薄荷。水芋、水蓼、黑麦草和酸模对氮、磷都具有较强的吸收能力，这可能主要是由于这几种植物生物量比较大，且体内氮磷含量相对较高的原因。

　　根据培养试验水体前后浓度差值及有无植株栽培对比计算（公式1）可发现，各植物对氮、磷的富集率差异较大（表3），植物对氮的富集率依次为：美人蕉 > 水芋 > 水蓼 > 菖蒲 > 薄荷 > 黑麦草 > 酸模；植物对磷的富集率依次为：黑麦草 > 酸模 > 美人蕉 > 水蓼 > 薄荷 > 菖蒲 > 水芋。其中，美人蕉、水芋、水蓼相对于氮的吸收可达20%以上，黑麦草、酸模、美人蕉对磷的吸收分别为46.21%、28.79%、18.89%，水芋、菖蒲对污水除磷效果欠佳。

　　表3 盆栽植物对氮磷的富集率与去除率

　　Table 3 Plant enrichment rate and removing rate of nitrogen and phosphorus under pot experiment

　　3.3.2沟渠植物对污水氮磷的去除效率

　　根据公式（2）、（3）分别计算各植物处理的氮磷除去量和除去率（表3），结果显示栽种不同植物水体的氮除去率依次为：黑麦草 > 薄荷 > 酸模 > 水蓼 > 水芋 > 菖蒲 > 美人蕉 > 无植株；磷除去率依次为：水蓼 > 黑麦草 > 薄荷 > 美人蕉 > 菖蒲 > 酸模 > 无植株 > 水芋。由此可知，栽种植物对高浓度污水中氮磷的去除效果要明显优于无植物（水芋除外）。但从水体中氮去除量来讲，美人蕉、水蓼、水芋、菖蒲因其生物量较大，磷去除量来讲，黑麦草、酸模、美人蕉效果较好，这与黄亮等[25]研究狐尾藻、水芹菜及黑麦草对水体氮磷去除效果中黑麦草最优的结论一致。

　　4.小结

　　植物对氮的吸收量依次为：酸模 >水芋 > 水蓼 > 薄荷 > 黑麦草 > 菖蒲 >美人蕉；对磷的吸收量依次为：水芋 > 黑麦草 > 水蓼 >酸模 > 菖蒲 > 美人蕉 > 薄荷；植物对氮的富集率呈美人蕉 > 水芋 > 水蓼 > 菖蒲 > 薄荷 > 黑麦草 > 酸模的顺序；对磷的富集率顺序为：黑麦草 > 酸模 > 美人蕉 > 水蓼 > 薄荷 > 菖蒲 > 水芋；植物对水体中氮除去率依次为：黑麦草 > 薄荷 > 酸模 > 水蓼 > 水芋 > 菖蒲 > 美人蕉；对水体中磷除去率依次为：水蓼 > 黑麦草 > 薄荷 > 美人蕉 > 黄菖蒲 > 酸模 > 水芋。因此，水蓼、黑麦草可筛选为排水沟渠的优势去污植物，美人蕉、水芋、酸模、薄荷、黄菖蒲等可作为沟渠植被搭配植物。黑麦草、美人蕉、酸摸、黄菖蒲根据其植株高低搭配，水蓼、薄荷、水芋根据茎叶疏密搭配，通过立体与疏密搭配的植被结构可达到较好的污水氮磷去除效果。

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