（环境工程专业论文）挺水植物对富营养化湖泊水体中氮磷循环的影响.pdf

摘要 随着经济的发展和人民生活水平的提高，水体富营养化已成为一个世界范围 内的水域环境问题，植物修复由于其成本低、无污染，正受到越来越多的科研工 作者的青睐。但是目前对挺水植物影响水体中氮、磷含量及形态的研究仅限于定 性分析或简单的总量测定，且测定周期较短。本课题以芦苇( p h r a g m i t e sa u s t r a l i s ) 和香蒲( t y p h ao r i e n t a l i s ) 作为实验材料，选取青年湖和爱晚湖为采样现场，进 行了为期一年的现场采样调查，从植物种类、植物生长方式、水体富营养化水平 三个方面来评价挺水植物对富营养化水体中氮、磷元素循环的影响。同时进行实 验室模拟实验，研究芦苇地上及地下部分对氮磷的吸收利用，并且进行系统内的 氮磷物量衡算。 经过一年时间的调查发现，植物存在对水中总氮、总磷、氨氮、有机氮的含 量均有显著性影响。在植物生长阶段，水中总氮含量的变化主要受水中有机氮含 量的影响；富营养化水平对采样点间有机氮含量变化的影响最为显著，其次是植 物种类。在植物衰败阶段，水中总氮含量的变化主要受氨氮和有机氮含量的影响； 仅富营养化水平对采样点间氨氮和有机氮含量的变化产生显著性影响。而无论是 在植物生长阶段还是植物衰败阶段，植物的种类是影响采样点水中总磷含量变化 的主要因素。 经过一年时间的调查发现，植物存在对和沉积物中的总氮、总磷及各种形态 氮磷的含量均有显著性影响。沉积物中的总磷含量的变化主要受沉积物中有机磷 的影响，而有机磷( o r - p ) 含量的变化会因植物的种类、生长方式及富营养化水 平中任一项指标的不同而使产生显著性差异，其中植物种类的影响最大。沉积物 中总氮含量的变化主要受沉积物离子交换态氮( i e f - n ) 、强氧化剂可浸取态氮 ( s o e f n ) 含量的影响；在生长阶段，富营养化水平对采样点间i e f n 和s o e f n 含量变化的影响最显著，其次是植物生长方式和种类；而在植物衰败阶段，植物 种类及生长方式是影响采样点间i e f n 、s o e f - n 含量变化的主要原因。 实验室研究表明，芦苇地上部分的氮、磷含量分别为地下部分氮、磷含量的 1 9 倍、1 7 倍，同时芦苇吸收的氮素、磷素也分别以2 1 ：1 、1 7 ：1 的比例在地上 部分和地下部分分配，因此，通过收割芦苇的地上部分可以可以在很大程度上将 氮、磷带出富营养化水体。对于氮来说，植物自身积累去除总氮的量与植物促使 微生物群落去除总氮的量的比值约为l ：9 ，因此，虽然芦苇对于营养元素的吸收 在水体净化中起着重要的作用，但是必须综合衡量净化中微生物的作用。而对于 磷来说，植物吸收是去除系统内磷素的唯一途径。 关键词：挺水植物富营养化氮磷水质净化 a b s t r a c t d u et or a p i di n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ta n dg r o w t ho fp o p u l a t i o n ，e u t r o p h i c a t i o ni s b e c o m i n go n eo ft h em a i nw a t e rp o l l u t i o n o ft h ew o r l d p h y t o r e m e d i a t i o ni s b e c o m i n gap o p u l a rs o l u t i o nb e c a u s eo fi t s l o wc o s ta n dn o n - p o l l u t i o n ，b u tt h e r e s e a r c ha tp r e s e n tj u s tf o c u s e do nt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dp r i m a r yq u a n t i t a t i v e a n a l y s i sa b o u tt h ee f f e c to ft h ee m e r g e n tp l a n t so nt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，a n d t h er e s e a r c hj u s tl a s t e df o ras h o r tp e r i o d i nt h i sw o r k , q i n g n i a nl a k ea n da i w a nl a k e w e r es e l e c t e da st h es a m p l i n gf i e l dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fe m e r g e n tp l a n t so nt h e r e m o v e lo ft h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf r o mt h ee u t r o p h i cw a t e rb o d i e su n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n so fp h n ts p e c i e s ( i n c l u d i n gp h r a g m i t e sa u s t r a l i sa n dt y p h a o r i e n t a l i s ) ，t h ep l a n tg r o w t hs t r m e g y a n d e u t r o p h i c l e v e l t h e l a b - s i m u l a t i n g e x p e r i m e n t sw e r ea l s o c a r r i e do u tt o s t u d yt h ea b i l i t yt o a b s o r bt h en i t r o g e na n d p h o s p h o r u sb yt h eo v e r g r o u n dp a r ta n dt h eu n d e r g r o u n dp a r to fp h r a g m i t e sa u s t r a l i s a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h en k r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h es y s t e m ao n ey e a r i n v e s t i g a t i o ns h o w st h a tt h e c o n t e n t so ft o t a l n i t r o g e n ，t o t a l p h o s p h o r u s ，a m m o n i an i t r o g e na n do r g a n i cn i t r o g e ni nt h ew a t e rw e r es i g n i f i c a n t l y a f f e c t e db yt h ep r e s e n c eo ft h ep l a n t s d u r i n gt h eg r o w i n gs e a s o n ，t h ec h a n g eo ft h e c o n t e n to ft o t a ln i t r o g e nw a sm a i n l yr e l a t e dt ot h a to fo r g a n i cn i t r o g e n e u t r o p h i c l e v e ls i g n i f i c a n t l ya f f e c t e dt h ev a r i a t i o no fo r g a n i cn i t r o g e nc o n t e n ta n dp l a n ts p e c i e s a l s op l a y e dar o l e d u r i n gt h ed e c a ys e a s o n ，t h ec h a n g eo f t h ec o n t e n to f t o t a ln i t r o g e n w a sm a i n l yr e l a t e dt ot h a to fo r g a n i cn i t r o g e na n da m m o n i an i t r o g e n e u t r o p h i cl e v e l s i g n i f i c a n t l ya f f e c t e dt h ev a r i a t i o no fo r g a n i cn i t r o g e nc o n t e n ta n da m m o n i a n i t r o g e n v a r i a t i o no ft h et o t a lp h o s p h o r u sw a ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yp l a n ts p e c i e sd u r i n g b o t ht h eg r o w i n gs e a s o na n dt h ed e c a ys e a s o n ao n ey e a r i n v e s t i g a t i o n s h o w st h a tt h ec o n t e n t so ft o t a l n i t r o g e n ，t o t a l p h o s p h o r u sa n dd i f f e r e n tf o r m so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si n t h es e d i m e n tw e r e s i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h ep r e s e n c eo f t h ep l a n t s t h ec h a n g eo ft h ec o n t e n to ft o t a l p h o s p h o r u sw a sm a i n l yr e l a t e dt ot h a to fo r g a n i cp h o s p h o r u sa n dt h ec o n d i t i o n so f p l a n ts p e c i e ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e dt h ev a r i a t i o no fo r g a n i cp h o s p h o r u sd u r i n gb o t h t h eg r o w i n gs e a s o na n dt h ed e c a ys e a s o n t h ec h a n g eo ft h ec o n t e n to ft o t a ln i t r o g e n w a sm a i n l yr e l a t e dt ot h a to fi o ne x c h a n g e a b l en i t r o g e na n ds t r o n go x i d a n te x t r a c t a b l e n i t r o g e n ，v a r i a t i o no fw h i c hw a ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h ee u t r o p h i cl e v e ld u r i n g t h eg r o w i n gs e a s o n ，w h i l ew a ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h ep l a n tg r o w t hs t r a t e g y d u r i n g t h ed e c a ys e a s o n l a b - s i m u l a t i n gi n v e s t i g a t i o n i n d i c a t e dt h a tt h ec u m u l a n to fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u si no v e r g r o u n dp a r to ft h ep h r a g m i t e sa u s t r a l i sw a s1 9 t i m e sa n d1 7 t i m e sa sm a n ya st h a ti nu n d e r g r o u n dp a r t t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa b s o r b e d f o r mt h ee x p e r i m e n t s y s t e mw e r ed i s t r b u t e dt ot h eo v e r g r o u n dp a r t a n dt h e u n d e r g r o u n dp a r tw i t ht h e r a t i oo f2 1 ：1a n d 1 7 ：1 r e s p e c t i v e l y t h e r e f o r e t h e h a r v e s t i n gt h eo v e r g r o u n dp a r tc a ng r e a t l yb r i n gt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u so u to f t h ee u t r o p h i c a t i o nw a t e r t h er a t i oo ft h ec o n t e n to ft h en i t r o g e nt h a ta c c u m u l a t e di n t h ep h r a g m i t e sa u s t r a l i sa n dt h ec o n t e n to ft h en i t r o g e nt h a tw a sd i s l o d g e db e c a u s e d o ft h es t i m u l a t i o no ft h ep l a n t m i c r o b ec o m m u n i t yi s1 ：9 t h e r e f o r e ，w h e nt h e p h r a g m i t e sa u s t r a l i s se f f e c to nt h ee u t r o p h i c a t i o nw a se s t i m a t e d ，t h em i c r o o r g a n i s m c o n t r i b u t i o nm u s tb ec o n s i d e r e d a c c u m u l a t i o no ft h ep h r a g m i t e sa u s t r a l 括w a st h e o n l yw a y t or e m o v ep h o s p h o r u sf r o mt h ea q u e o u ss y s t e m k e yw o r d s ：e m e r g e n tp l a n t ，e u t r o p h i c a t i o n ，n k r o g e na n dp h o s p h o r u s ， w a t e rp u r i f i c a t i o n 第一章绪论 1 1 水体富营养化的概况 第一章绪论 世界淡水资源占水资源总量的3 左右，其中还有大部分是冰川及深层地下 水，而可以被人们利用的仅为总淡水贮量的3 0 。其中河流、湖泊、水库和湿地 提供了大部分饮用、农业、工业和卫生用水，同时也是大量动植物的栖息地。然 而，这有限的淡水资源正遭受威胁或者已经被污染，有调查显示，人v i 的增长和 经济的发展对淡水的需求日益增多，正以前所唯有的强度和规模影响环境，亚太 地区5 4 、欧洲5 3 、北美2 8 、南美4 1 的湖泊湖泊发生了不同程度的富营 养化 1 1 。 1 1 1 水体富营养化现状 从上个世纪6 0 年代开始，在全球范围内出现了海洋和淡水水体的富营养化， 并且呈现出不断恶化的趋势。联合国环境规划署进行的一项关于水体富营养化调 查表明：全球3 0 4 0 的湖泊和水库中都遭受到不同程度上富营养化影响。众 多湖泊水库的主要环境问题都是水体富营养化，其被人们形象的称为“生态癌”， 严重的妨碍了人们对这些水体的利用，造成了经济、社会和环境的重大损失【2 1 。 我国对湖泊水库的环境调查研究起步较晚，5 0 年代曾在个别湖泊开展过有 关环境问题的调查，真正开展富营养化相关的研究是在7 0 年代以后，那时全国 约有2 7 的湖泊富营养化。而到了8 0 年代末、9 0 年代初期，全国约有6 3 的湖 泊富营养化。到9 0 年代后期，8 5 的湖泊富营养化【3 】。而截止到2 0 0 9 年环保部 公布的中国环境状况公报时，2 6 个国控重点湖泊( 水库) 中，满足i i 类水 质的1 个，占3 9 ；i 类水质的5 个，占1 9 2 ；i v 类的6 个，占2 3 1 ；v 类 的5 个，占1 9 2 ；劣v 类9 个，占3 4 6 。主要污染指标为总氮和总磷。营养 状态为重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养的2 个，占7 7 ：轻度富营养 的8 个，占3 0 8 ；其他均为中营养，占5 7 7 。目前城市湖泊几乎百分之百都 处于重度富营养化，或者是异常富营养化状态。 1 1 2 水体富营养化的危害 水体富营养化会引起藻类及其它浮游生物迅速增殖，水体溶解氧下降，造成 第一章绪论 水质恶化，鱼类和其它水生生物大量死亡 4 】。富营养化水体一般都被认为是劣质 水体，其危害巨大，主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 破坏生态环境 富营养化现象出现以后，藻类和一些浮游生物大量繁殖，铺满水面，阻断光 线向水底透射，使下层水生植物的光合作用受到影响，氧的释放量降低，当藻类 因营养枯竭而大量死亡后，残体被微生物分解会大量消耗溶解氧，两种结果都会 造成水中溶解氧浓度的降低，从而引起动物特别是鱼类的死亡。有些藻类本身就 会释放出对鱼和人类有毒的化学物质，使水中生物大量死亡【5 】。如果富营养化更 加严重时，会在水底形成厌氧条件，水中物质会被艳阳细菌还原为h 2 s 、n h 3 、 c h 4 等有害气体，加上藻类本身就腥味异常，使水质完全恶化，水体生态系统结 构遭到破坏【6 】。 ( 2 ) 破坏自然景观 山清水秀常用来形容人文和自然景观的秀美，有水的地方多是人们休闲娱乐 的重要场所，但是现在许多地方都污染严重，富营养化形成的绿藻，引起透明度 降低，浑浊的水体加上异常的气味，使游人望而却步 7 1 。滇池作为高原上的一颗 明珠，曾经是昆明市的饮用水源，但同时是污水的受体，二十世纪9 0 年代起就 只能满足灌溉水质的要求，内外湖中都出现了蓝藻滋生的现象，原本的旖旎风光 变成了遍地污秽【8 】。 ( 3 ) 影响城市供水和人体健康 富氧氧化水体中有机质增加，病原菌滋生，并产生有些的藻毒素，会危及人 类健康及饮用水安全。富营养化水体作为供水水源时，会给净水厂带来一系列的 问题，如增加水处理成本，降低处理效果和产水量等【9 】。另外，进入管网的藻类 会成为微生物繁殖的基质，促进菌类生长，甚至会在管网内生长较大的有机体， 严重时会堵塞水表和水龙头。细菌的再度繁殖还会造成管网水质恶化，如水的色 度、浊度上升，细菌数量增加等，并加速输配管道的腐蚀和结垢，使管网服务年 限缩短。富营养化是导致可用水量短缺的原因之一【】0 1 。 1 1 3 富营养化的防治对策 富营养化的防治是水污染处理中最为复杂的问题之一，这是因为：( 1 ) 污染 源的复杂性，导致水体富营养化的氮、磷等营养物质，既有内源性，又有外源性， 既有天然源，又有人为源，这就给控制污染源带来了困剌1 1 】。( 2 ) 营养物质去除 的困难，至今没有任何单一的化学、物理、生物的措施能彻底的去除水中的氮、 磷等影响物质，通常的二级生化处理方法只能去除3 0 5 0 的氮、磷1 2 l 。 第一章绪论 ( 1 ) 控制外源性营养物质的输入 外界输入的营养物质在水体中富集是造成大多数水体富营养化的主要原因。 如果截断或者减少外部输入的营养物质，就使水体失去了营养物质富集的可能 性，控n 多 i - 源性营养物质，应从控制人为污染源入手，准确调查排入水体营养物 质的主要排入源，监测排入水体的废水的氮、磷含量，为实施控制外源性营养物 质的措施提供可靠的科学依据【1 3 】。 ( 2 ) 减少内源性营养物质的负荷 输入到水体中的营养物质在时空分布上是十分复杂的。氮、磷在水体中可能 被水生生物吸收利用，或者以溶解态形式存在于水中，或者经过复杂物理、化学、 生物反应而沉降，并在底泥中不断积累，或者可能在水沉积物两相之间不断交 换。因此减少内源性营养物质负荷，必须视情况的差异采用不同的方法【l4 1 。 1 2 挺水植物修复富营养化水体的研究进展 富营养化水体修复主要有三个方面的方法：第一是工程型措施，包括进行 水底深层曝气、注水稀释、挖掘底泥沉积物及底泥表明敷设塑料等；第二是化学 类方法，主要包括絮凝沉降法和使用化学药剂杀藻法；第三类是生物性措施，指 利用水生生物的代谢活动来去除水体中氮、磷的方法【l 卯。对比发现，前两种方法 具有立竿见影的治理效果，但是不能从根本上解决富营养化问题，很大可能会发 生二次污染，甚至会引发一些其它的污染情况，而且物理、化学方法的耗资巨大， 能耗高，技术难度也较高。而生物修复方法是在确保水安全的前提下，保护和恢 复水体良好生态环境的最好做法【16 1 。 植物修复是近年来迅速发展起来的一种利用重建水体中的植物群落来对富 营养化水体进行治理的生物修复方法，主要是利用植物本身生长过程中吸收营养 元素以及植物为微生物提供生存环境来实现对富营养化水体的净化，可以采用人 工浮床或者直接种植水生植物达到修复的目的【1 7 】。按照生活形态可以把水生植物 分为挺水植物、浮叶植物、沉水植物和漂浮植物四种。其中，挺水植物的主要特 点是其根和地下茎深入到沉积物中而其茎叶则伸出水面生长，参与到水、沉积物、 大气、水沉积物、水大气五个层面的营养物质的交换，因此挺水植物对维持和 改善水质都具有很重要的作用，正日益受到研究者的重视。 1 2 1 挺水植物净化水体的途径 近年来的研究可以把挺水植物净化富营养化水体水体的途径归结为以下几 第一章绪论 ( 1 ) 植物吸收 挺水植物的生命周期比藻类长，直到死亡时才会释放它们从水和沉积物中吸 收的氮、磷等营养物质，因此，氮、磷储存在挺水植物体内比在藻类体内储存更 加稳定，所以可通过在富营养化水体中培养挺水植物来脱氮除磷，同时还可以收 获生物资源。而且有研究表明：植物除本身可以直接各种含氮、磷化合物外，其 根系分泌物也可促进某些嗜氮、磷细菌的生长，促进氮、磷的迁移转化，从而提 高净化效率【1 8 】。 ( 2 ) 微生物的降解 有研究表明，微生物的代谢活动能将污水中可被生物降解的有机物去除。以 氮的去除为例，尽管植物的吸收在其中发挥着很大的作用，但硝化和反硝化仍是 主要的去除机制，可以占到整个去除的效率的4 0 9 2 t 1 9 】。尽管微生物在整个 净化过程中起到了直接且主要的作用，但植物的作用也是不可或缺的，植物的生 理代谢活动中产生的氧气和营养物质直接影响着微生物的生长，进而关系到污染 物的降解【2 0 1 。 ( 3 ) 植物对藻类的抑制作用 挺水植物由于个体大、生命周期长、吸收储存养分的能力强而在营养和光能 的竞争中明显比浮游藻类有优势，能很好的抑制藻类的生长。有些研究也表明， 某些挺水植物的浸出液也会到藻类产生化感抑制作用。清华大学就首次从芦苇中 分离并鉴定出2 甲基乙酰乙酸乙酯( e m a ) ，这一化感物质就对藻类具有高效性 和选择性的抑制作用，对铜绿微囊藻和蛋白质小球藻的化感抑制作用就很强。同 时，水生植物能有效增加空间生态位，改善水中的光照和溶氧条件，为水生生物 提供食物和生存场所，保证了生物多样性的维持，因此一些以藻类为食的小型水 生动物也会栖生在挺水植物周围【2 。 ( 4 ) 抑制底泥中污染物的再释放 挺水植物主要通过对水流的阻尼作用减少风浪的扰动，使底泥中营养物质的 溶出速度受到限制，挺水植物错综复杂的根系也能够起到固定底泥的作用。而且 在植物衰败后，在微生物作用下分解为腐殖质，这些腐殖质和植物生长过程中的 一些分泌物含有各种特殊的功能团，可以吸附水体中含各种基团的有机物，使一 些不溶性胶体被粘附或吸附下来，最终达到将一些悬浮物质和有机碎屑沉降下来 的目的【2 引。 ( 5 ) 物理化学作用 水和沉积物中的一部分营养物质也会被植物通过挥发、吸附、沉降等物理化 学作用去除。覆盖在湖滨带的挺水植物，使风速在近水体或土壤表面降低，有利 于水体中悬浮物的沉积，降低了沉积物质再悬浮的风险，增加了水体与植物间的 第一章绪论 接触时间，同时还可以增强底质的稳定和降低水体的浊度2 3 1 。 王国祥等在五里湖进行实验后发现，单位鲜重的伊乐藻在2 8 天内吸附固体 干物质达2 8 7 1 9 k g ，干物质中总氮、总磷的平均含量分别为0 6 4 7 、0 3 1 1 ， 某些植物根系分泌物质还能与磷酸根等结合而沉降营养盐 2 4 1 。 1 2 2 影响富营养化水体植物修复的因素 ( 1 ) 水生植物的物种差异 不同的水生植物的生长速率各不相同，造成其对营养物质的需求和吸收能 力、对微生物生长的促进作用也就各不相同，因此对富营养化水体的净化能力也 就出现了差异性。芦建国【2 5 】等通过温室静态试验研究了三种同为鸢尾属的黄菖 蒲、花菖蒲和溪荪对富营养水体中氮磷的去除能力，最后结果表明，同一实验条 件下，花菖蒲的净化效果最佳，黄菖蒲稍次，但两者差异不大，而溪荪的表现最 差，但实验中黄菖蒲的生长状况去明显好于花菖蒲和溪荪。同一种属的水生植物 净化效果已经表现出明显差异，而汤显科2 6 】等研究了水葱、香蒲、芦苇、美人蕉、 石菖蒲、黄花鸢尾、千屈草这七种水生植物对富营养化水体中氮磷的去除能力， 虽然所选七种植物都表现出良好的生长状况和较好的氮磷去除效果，但是在氮磷 的去除性能上的差异依旧显著。 ( 2 ) 水体的富营养化程度 植物的修复能力在不同的富营养化水体中也表现出一定的差异性，在一定的 浓度范围内，植物的净化效率随水体中氮磷等物质含量的增加而加大，而超出一 定界限后，植物的净化效率可能会降低，甚至影响到植物的正常生长。于曦1 2 7 j 等研究了不同富营养化水体中槐叶萍的修复作用，结果表明，槐叶萍在不同富营 养程度的水体中都生长良好，但对轻度富营养化水体的净化效果高于对重度富营 养化水体的净化效果，在轻度富营养化水体中生长也是最好的。宋关玲【2 8 】等对适 合使用青萍来修复的富营养化水体进行研究发现，青萍可以在磷浓度范围很广的 水体中生长，在磷浓度为0 2 5m g l ( 尤其是0 5m g l 左右) 最为适合，表明该 植物适合应用于富营养化水平较高的水体环境。葛滢【2 9 】等对不同程度富营养化水 体中不同植物的净化能力进行研究表明，重度富营养化水体( 总氮5 5 0m g l 、 总磷1 0 9m g l ) 的净化效果空心菜最好，凤眼莲和鸭跖草其次，灯芯草、知风 草和水芹菜也有定效果；对于轻度富营养化水体( 总氮0 9 4 5 7m g l ，总磷 0 2 0 6m g l ) 的净化效果鸭跖草、喜早莲子草最好，风眼莲、空心菜、酸模叶 蓼均较好，石菖蒲、灯芯草、知风草、穹窿苔草、萱草略差，但可四季使用。 第一章绪论 ( 3 ) 植物种植方式对修复效果的影响 利用水生植物的生长特性差异来进行适当的搭配可能会提高水体的总体净 化效率。由于不同植物对不同污染物的净化能力不同、不同植物不同时期的生长 速率及代谢的差异等造成多种植物进行搭配组合后能比单一植物具有更好的净 化效果，同时不同植物进行组合后使物种更加多样，系统会更加稳定，而且也减 少病虫害暴发的可能。雷泽湘 3 0 】等研究了苦草、黑藻和马来眼子菜3 种水生植物 在太湖富营养化水体中的生长竞争状况及其对水体的净化效果，结果表明：3 种 植物可短期内混合共存，但竞争优势差别明显；马来眼子菜和苦草混种时，它们 对水体中总氮、总磷和叶绿素a 的降低作用明显；单种时以黑藻对总氮、总磷的 去除率最高，苦草对叶绿素a 的降低效果最好；混种时以苦草+ 黑藻组对总氮去 除率最高，以苦草+ 黑藻+ 马来眼子菜组对总磷去除率最高。 但是，不同植物物种搭配及不同实验条件、实验方法也会导致不同的实验结 果，植物搭配种植时可能还会由于根系分泌物之间的相互作用和植物间的竞争生 态位而使总体净化效果受到负面的影响。曾爱平【3 l 】等就曾利用茭白和水生美人蕉 在实验室中处理生活污水，结果表明两者对水体中的总氮、总磷、氨氮和c o d 均有较好的去除效果，可作为净化生活污水的植物，但茭白与水生美人蕉混合种 植虽有净化效果，但未表现出比两者单独种植时更好的净化效果。 ( 4 ) 水体营养成分的不同 水体中的有机氮总是被植物最先利用的，但是对无机氮的去除则因不同的实 验产生不同的结论：有研究表明，氨氮和一些还原态氮是植物利用的第一选择， 只有当氨氮浓度降到一定程度后才会植物才会开始吸收硝氮；而有些研究发现， 伊乐藻等对硝氮的净化速率大于氨氮和总氮。这表明不同的植物物种和水体的差 异会造成对不同形态单产生不同的去除效果。菹草在水中氨氮浓度高于o 3 5 m g l 时会优先吸收氨氮，氨氮浓度低于0 3 5m g l 时会优先吸收硝氮【3 2 1 。 ( 5 ) 其他因素 温度、光照、微生物等因素同样会影响植物修复富营养化水体的效果。一般 来说，在较高水温下，植物会生长更加旺盛，营养物质吸收的更多，生物量就会 更大，就会产生较高的净化效率，而一些耐寒植物却恰恰相反，在寒冷季节时会 对水中的污染物产生较高的净化率；光照的强弱会影响植物的光合作用，影响植 物的生长，净化效率就会产生变化：植物对氮磷的利用吸收是与根系微生物密切 相关的，微生物的种类和数量都会对植物的净化效率产生影n a t 3 3 】。 1 2 3 水生植物的选择应用原则 结合经济、社会、环境三方面的考虑，并且联系挺水植物净化富营养化水体 第一章绪论 的机理，选择水生植物进行富营养化水体的净化需要遵循以下原则【3 4 1 。 ( 1 ) 选择适应能力强的物种 不同地区的环境背景也有一定的差异性，选择水生植物时也要因地制宜，适 合当地的气候、地理条件，在应用的时候还需要考虑水利的透明度、温度、光照、 水深、季风、氧化还原电位、p h 值、水体的化学成分、水中的营养物质、溶解 氧等水体理化性质，还要结合植物的生长周期、长势和生理机制等来确定。优先 选用本地的土著植物，慎重引入外来植物，尤其是邻近湖泊水库的地方，避免引 发生物入侵的悲剧，水葫芦、水花生等外来物种的引入都导致了一系列的水质恶 化的后果。 ( 2 ) 选择抗逆能力强的物种 所选植物常年处于恶劣的环境中，对自然条件适应性差或不能适应都将会影 响到最后的净化效果，而且污水中容易滋生病虫害，抗病虫害的能力直接关系到 植物自身的生长和生存；所选植物长期浸泡在含有较高浓度且变动较大的污染水 体中，因此还需要具有很强的耐污能力；处于雨季和旱季明显地区时，所选植物 具有一定的抗寒抗旱能力，有助于在寒冷季节和干旱季节时保持一定的净化能 力。 ( 3 ) 选择净化能力强的物种 选择的植物要净化能力强，即单位面积的污染物去除率要高，可以从两个方 面来衡量，一个是植物的生物量较大，另一个是植物体内污染物能达到很高的浓 度。徐德福等用营养液培养方法研究了1 1 种湿地植物对氮磷的吸收能力，结果 表明：不同植物平均生物量、地上与地下部分生物量的比值、对氮磷的吸收量等 差异很大，对氮、磷去除效率分别是1 0 9 5 9 3 和5 0 1 8 7 3 ；氮和磷的吸 收主要受湿地植物生物量的影响，美人蕉、菩提子、凤眼莲和芦苇对氮、磷都有 较好的吸收能力。具体应用时应根据所要处理污水的主要污染物来选择相应的超 累积植物，可以针对性的治理，会有更好的效果。 ( 4 ) 合理搭配不同物种 结合环境条件和植物群落的特点，在时间和空间分布上按照一定的比例进行 安排，可以使整个系统一直高效运转，形成稳定且能持续利用的净化系统，这需 要利用水生植物和周围生物所组成系统的群体效应，充分发挥水生植物对营养、 光照、空间等资源的竞争优势。多种植物进行组合能比单种植物得到更好的净化 效果，这是由于不同植物在不同时期的生长速率和代谢不同，对营养物质的吸收 特征也各不相同。但是，有些植物就不能一起搭配，否则会影响相互之间的正常 生长。例如，有研究发现宽叶香蒲、水葱和苔草等衰败后产生一些化感物质，会 对芦苇的生长和繁殖产生抑制作用。 第一章绪论 ( 5 ) 所选植物具有广泛的用途 以往生物修复所选植物主要侧重于净化效果，较少顾及到植物的经济效益和 观赏价值，这也造成其很难在城市中广泛应用，其开始衰败后，需要收割时，造 成了固体垃圾的巨大压力。近年来，有些学者开始进行无土栽培陆生蔬菜、油料 作物等经济作物进行污水净化的研究，可能会存在食品安全问题，但条件合适时， 这也是一种较好的选择。一些发达国家将水体修复与园林设计相结合，将治污和 构建生态景观相融合，也产生非常好的效果。 1 2 4 挺水植物处理富营养化水体的研究 近十年来对水生植物在净化水质方面的研究很频繁，排名在前1 2 位的4 5 种 植物囊括了3 0 科4 4 属，几乎涵盖了湿地植物的所有类型 ”】。而芦苇、灯心草、 宽叶香蒲等挺水植物更是被广泛选择，用来处理富营养化水体【3 6 1 。富营养化水体 主要是由于农业、工业、生活污水中含有过量的氮磷等营养元素所致，而氮磷是 植物生长所需要的营养元素，因此，国内外大批学者研究了挺水植物对氮、磷含 量的吸收情况，见表1 1 。 表1 1 植物对氮、磷吸收情况的研究现状 第一章绪论 室内和室外不同营养盐条件下，挺水植物对水质净化效果的研究已经有很 多了，主要侧重于不同种类的植物对营养物质的吸收能力，对有机物、金属物质 吸收等方面。虽然一些实验表明挺水植物对于富营养化水体中的氮磷有很好的去 除效果，但是这样的成果主要建立在几天到几十天的短期研究上，一年甚至多年 的研究积累在目前并不多见。 第一章绪论 1 - 3 水环境中氮、磷的形态分类与提取方法 氮和磷是水环境中动植物不可或缺的重要生源要素，其过量输入是产生水体 富营养化等生态环境问题的重要原因，但大量研究发现，氮、磷的生物有效性与 其总量的关系不大而与其形态有着非常密切的关系，且在不同地质样品中其赋 存形态也不尽相同p 9 1 。 1 3 1 水体中氮形态分类与提取方法 ( 1 ) 水体中氮形态分类 湖泊水中氮的主要存在形态 氮在水中以氮气、游离氨、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐和有机氮等多种形态存 在，有机氮包括氨基酸、多肽等【5 们。 湖泊沉积物中氮的主要存在形态 一般将沉积物中的氮形态分为有机态氮和无机态氮，且主要化学形态为有 机态氮，主要以颗粒有机氮的形式进入沉积物中，无机氮所占比例相对较小。 有机氮：沉积物中的有机氮主要是蛋白质、核酸、腐殖质和氨基酸。研究表 明，氨基酸氮是有机氮的主要化学形态，约占有机氮的3 0 一6 0 。由于有机氮 的矿化作用，使其在氮的地球化学循环中扮演重要角色，即沉积物中的有机氮在 微生物作用下，经氨基化作用逐步分解为简单的有机态氨基化合物，氨化作用释 放出的氨大部分与有机酸或无机酸结合成铵盐，或被植物、微生物吸收利用，或 在微生物作用下氧化成硝酸盐 5 1 - 5 3 l 。 无机氮：沉积物中的无机氮可以分为可交换态氮( e n ) 和固定态氨( f - n h 4 ) 。 e n 是沉积物水界面氮迁移释放最主要最活跃的氮形态，易于为藻类、水草等初 级生产者所吸收，e n 的减少会促进有机氮的矿化，从而提供湖泊再生产所需氮 源。f n i - 1 4 是指固定吸附于颗粒物质内部，进入晶格结构的氨氮，也称作非交换 态氨。这是由于沉积物中的粘土矿物层中的硅氧层之间发生同晶替代，产生负电 荷，从而吸收在颗粒物质晶格之外的阳离子，使n h 4 + 脱去水化膜进入晶格中， 同时晶层收缩，这样n h 4 + 就被固定下来。f - n h 4 一般很难通过离子交换等方式 释放到水体中来，有研究指出在海洋和某些湖泊沉积物中其含量可到达总氮含量 的1 0 9 6 ，是湖泊沉积物中氮的重要储存库i s 4 1 。 ( 2 ) 沉积物中氮的提取方法 在上述氮的分类中，并没有具体说明各形态氮与沉积物的物理化学结合能 力，而仅通过分析总氮、有机氮、无机氮也不能准确分析氮的迁移释放行为，因 此，评估各形态氮对沉积物水界面氮循环的贡献具有重要意义。针对这一问题， 第一章绪论 研究人员采用不同的浸取剂对沉积物种的氮进行连续分级浸取，将沉积物中的氮 分类为不同结合态，测得不同结合态氮的丰度，用于解释分析沉积物水界面的 氮循环过程【55 i 。 吴丰昌【5 6 j 等基于土壤学中的土壤理化分析将沉积物中氮形态进行简单的分 级，将沉积物中的氮分为可溶性氨态氮、硝态氮，可交换态氨氮、可交换态硝氮、 有效态氮和残渣态氮。这一方法开创了水体沉积物中氮分级浸取的先河，但是并 没有具体的根据浸取剂得出各形态氮的化学结合能力。马洪波【5 7 】等根据 r u t t e n b e r g 的提取方法进行改进，将氮分为可转化态氮和非转化态氮，可转化态 氮根据浸取剂提取能力的强弱来决定浸取出来的氮与沉积物结合的程度，依次可 以分为离子交换态氮、碳酸盐结合态氮、铁锰氧化态氮、有机态和硫化物结合态 氮。但是在实验设计上没有考虑各级提取剂的提取效率。王圣瑞【58 】等只研究沉积 物中的可转化态氮，将其依次分为离子交换态氮( i e f n ) 、弱酸浸取态氮 ( w a e f - n ) 、强碱浸取态氮( s a e f n ) 、强氧化剂浸取态氮( s o e f - n ) 。i e f n 是四 种可转化态氮中与沉积物结合能力最弱的赋存形态，因此也是参与沉积物水界 面迁移释放最活跃的氮形态；w a e f n 与沉积物的结合能力略高，相当于碳酸盐 的结合能力；s a e f n 的结合能力相当于铁锰氧化物的结合能力，稍高于 w a e f - n ；s o e f - n 主要是有机态氮，也称可转化有机氮，也是最难浸取的可转 化形态。目前，相关研究多采用王圣瑞的方法，实验具体操作见表1 2 。 表1 2 沉积物中氮的连续提取方法 第一章绪论 1 3 2 水体中磷形态分类与提取方法 ( 1 ) 水体中磷形态分类 湖泊水中磷的主要存在形态 总体而言，根据磷在天然水体中的物理性质、化学形态的不同，以溶解度为 标尺进行操作定义，可划分为可溶态和颗粒态。可溶态磷可再分为可溶态无机磷 ( d i p ) 和可溶态有机磷( d o p ) 。在研究河流、水库和湖泊等淡水水体时，常将总 可溶解态磷( t d p ) 分为可溶活性磷( s r p ) 和可溶非活性磷( s u p ) ，s r p 包括正磷 酸盐和一部分缩合磷酸盐以及酸性条件下不稳定的有机磷，s u p 包括可溶态有机 磷和无机缩合磷酸盐。颗粒态磷主要以有机物颗粒形式结合，难以被生物所直接 利用，并受水体微环境和物化性质的影响很大，由于颗粒态磷的形态细分研究尚 欠充分，加之全球各大水体的数据积累不足，且缺乏对比性，其所代表的生物和 化学意义尚待深入研究。而近几年，除溶解态和颗粒态外，以胶体形式结合的磷 也越来越受到学术界的重视【5 9 1 。 湖泊沉积物中磷的主要存在形态 针对不同水体，由于研究的目的或研究区域的不同，根据沉积物的性质对磷 的赋存形态划分差异较大，归纳起来主要为：交换态磷、铝结合态磷、铁结合态 磷、闭蓄态磷、自生磷、碎屑磷以及有机磷。可交换态磷即弱吸附态磷，主要是 指被沉积物中的氧化物、氢氧化物以及黏土矿物颗粒表面吸附的磷；铁结合态磷 易与铁的氧化物或氢氧化物结合的磷，其吸收和释放易受环境氧化还原电位的影 响；铝结合态磷是指易与铝的氧化物或氢氧化物结合的磷，而一般含量较低；白 生磷和碎屑磷是指与自生磷灰石、湖泊沉积碳酸钙以及生物成因的含磷矿物有关 的沉积磷存在形态；闭蓄态磷是指f e ：o ，胶膜所包含的还原溶性磷酸铁以及磷酸 铝：有机磷是指藻类等及浮游生物的残体、未矿化降解的有机污染物掣删。 ( 2 ) 沉积物中磷的提取方法 据文献报道，较广泛应用的磷赋存形态连续提取方法主要有：h i e l t j e s 6 1 】等 在1 9 8 0 年提出的4 步法，d eg r o o t 等眄2 1 1 9 9 0 年提出的3 步法，o l i l a 等6 3 1 9 9 3 年提出的5 步法，j e n s e n 等畔 1 9 9 3 年提出的5 步法，r u t t e n b e r g 6 5 】在1 9 9 2 年提 出的针对海洋沉积物的5 步提取法。其中r u t t e n b e r g 的方法中首次提出区分原 生碎屑磷和自生钙结合磷的磷形态分离方法，比较适合研究沉积物中磷的生物地 球化学行为，尤其是对水生生物生产力旺盛的水域的沉积物磷形态研究更有意 义。针对r u t t e n b e r g 的提取方法中的缺陷，李悦 6 6 】等人进行了改进，他们将土壤 学中通用的铝结合磷、铁