浮床植物對富營養化水體中氮、磷的凈化特征
[摘要]以浮床空心菜(1po。,oea aquatica)、水芹(Oenanthejavanica)和無植物系統為對象，研究了其在富營養化水體中對N、P的去除及其N20的排放情況。結果表明，浮床植物系統對水體中N、P具有良好的凈化效果，植物組織所累積的N、P量分別占各自系統去除量的40.32%～63.87％，說明植物的同化吸收作用是N、P去除的主要途徑。換水周期內浮床植物系統中硝化反應進行充分，而反硝化反應相對緩慢，導致系統具有較高的NH0一N去除率，而產生N(h-一N累積。植物的存在降低了系統中N20的排放通量。生長較好的空心菜系統在換水前后平均N20排放量最低，為17.14噸h～，空白高達85。08 btg N·m-2h～，水芹為37.38 pg N·m一2·h～。
[關鍵詞]富營養化浮床植物系統N、P硝化和反硝化凈化NzO
1引言
水體富營養化是我國水環境管理中的一個難題，水體中過高的N、P濃度是引起水體富營養化的主要原因[8]。控制和修復水體富營養化的植物生態工程技術方法很多，如人工濕地[10]、緩沖帶[1，30J、植物塘f20，25J、浮床植物系統[2，3，12,13,15，23](以下簡稱為浮床系統)等。其中人工濕地技術成熟，應用廣泛，而浮床系統出現的時間不長，是一種比較新的富營養化水體原位修復和控制技術。浮床系統技術主要具有以下優點：首先，它直接從水體中去除營養物，不會對沉積物中的營養成分再次利用；其次，它對廢水進行原位處理，不另外占用土地；還有，它能適應各種水深，檀株的管理和收獲也較漂浮植物系統容易。因此，浮床系統在我國的研究和應用日益增多，植物類型也由水稻[24]、黑麥草[2]和水芹[13]發展到香根草[15,23]、美人蕉[11l、空心菜[4]等多種水生或陸生植物，并由試驗室研究開始走向規模性示范和應用[4，18]。但是已有研究多側重于浮床系統對水體的凈化能力和效果，對其中去除特征和植物作用的研究不多。
濕地中的多數N是通過微生物硝化。反硝化途徑轉變為氣態N化物(N20或N2等)，從而得以去除的。濕地植物組織中累積的N僅占系統去除N的-d,部分[9，lO,27，28J。濕地基質對P的去除起著重要作用[6，17，22J。浮床系統中缺少基質的作用，對其中的去除途徑仍不清楚。因此，本研究將對浮床系統中植物作用及N：0的釋放情況進行探索。
2材料與方法
21供試材料
空心菜(Xpo。,oea aquatica)和水芹(Oenanthe javanica)均來自當地，在供試水體中預培養2周后選取生長良好并均勻一致的植株用于本試驗。供試水樣為宜興市大浦鎮林莊河河水。并添加了一定量的碳酸氫銨和磷酸二氫銨，其N、P含量見表1。
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22試驗方法
植株采用泡沫板(50 cmx 40 cm)浮床栽培，以方形PVC桶(68 am×48 cmX 42 cm)為容器，在泡沫板上以“4 X 3”布局均勻打孔12個，每孔栽入3株空心菜或1株水芹，用海綿條加以固定，每處理3次重復，另設無植物處理為對照，對照2次重復。換水周期為10 d，每次加水18 cm深，合計水量約59 L。在換水前后對每個處理取樣。試驗期間為了研究營養成分在換水周期內的動態變化，分別在換水后2、5和7 d進行采樣。
試驗中還對培養箱內氣體的N20含量進行了分析。將容器頂部用雙層塑料膜密封，再用鐵絲將塑料膜嵌入水箱頂四周邊凹槽中，在凹槽中加注水。使得塑料膜和水箱之間保持良好的密封性。密封后O、0；5和1。0 h分別采樣，采樣時用針頭將預先抽真空的安瓿瓶和封閉塑料箱連通約2 rain，然后將采氣口用膠布封閉后帶回實驗室，待分析。試驗于宜興市大浦鎮溫室大棚(科技部重大專項太湖面源污染控制宜興基地)內進行，時間為2004年5月24日～2004年8月3日，計70 d。其中空心菜于6月23和7月13日各刈割1次。于8月3日收獲，水芹于7月23日收獲。
23分析方法
水樣分析項目為TN、N瞰一N、NOr—N、TP、Poi—P。測試方法為f26J：TN采用K2島08氧化紫外消解比色法；N村一N采用靛酚藍比色法；NO；一N采用硫酸聯氨還原一重N化偶合比色法；TP采用紫外消解鉬藍比色法；P()主一一P采用鉬藍比色法，分析儀器為荷蘭Skalar公司的SA-4000型N、P流動分析儀。N20含量分析儀器為HP 5890 II型氣相色譜儀，變異系數為0.1％～0.4％，N20的排放通量計算方法參考文獻[29|。收獲時植株根、莖葉分開，并分別測定了其生物量及N、P含量，N、P含量采用濃H2S04一H2()2消煮法[14]，調節pH后用上述流動分析儀進行測試。其中N、P去除率的計算公式為：去除率(％)=(Ci—e)／ciXl00％，其中Cf為處理前營養成分濃度，C為處理后濃度。
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3結果與分析
31 TN、N瞄一N和N03一N的去除
浮床空心菜和水芹對TN的去除效果較對照顯著。各處理包括對照對NH：。N的去除率均很高，多數時候大于98％，NH：一N的濃度從進水的高濃度下降到幾乎難以檢出(圖1)。由于換水前后的NOr—N濃度變化較大，用去除率難以表達其變化情況，因而將其值列于表2。由表2可以看出，處理后的NO；一N濃度急劇增加，表明在培養箱內的硝化反應將大部分NHf—N轉化成NOr—N。
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對換水周期內的各種N形態濃度檢測結果表明，各處理中TN的去除率在換水周期內隨時間推移而增高，幾乎呈直線增加(圖2)。第2 d時，各處理之間的TN去除率差別不大，隨著時間的推移，空心菜系統TN去除率上升較快，空白TN去除率上升較慢，最后導致空心菜系統具有較高的TN去除率。
這可能是由于空心菜具有較強的吸收同化作用。從表4也可以看出，植物同化累積的N占據了去除N的一半以上。浮床空心菜系統的NOr—N濃度從換水后呈直線增加，5 d時達到最大值，其后又呈直線下降，直至下次換水，而對照和水芹在整個換水周期內N03一N逐漸增加，最后各處理中都有一定的NOr。
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浮床空心菜系統中的N03一N濃度最低，空白最高(圖2)，說明生長較好的浮床空心菜系統的硝化反應較其它系統快，而且對N03一N的去除能力也較強。各處理NH；一N濃度在換水周期內不斷減少，換水前達到一個較低水平。各處理內NHf—N和NO；一N濃度均呈此消彼長趨勢(圖2)，表明換水周期內的硝化反應不斷地將N瞄一N轉化為NOf—N，且由于系統對N03、N去除能力的限制，直至下次換水時NOr。N濃度仍然較高。已有研究表明，濕地對NOr—N具有較高的去除率[7,16]。在本研究中，植物浮床系統對NH-一N的轉化率高而且迅速，但會產生NO；。N累積。因此，從理論上講，在濕地前串聯植物浮床系統或通過幾級這樣的串聯系統，應該可以加強對水體N的去除。例如在太湖地區，河水中的NH才一N含量相當高，采用這種串聯系統是否可以強化對N的去除，有待于進一步研究。
32 TP和P02一P去除規律
浮床系統對P的去除途徑包括植物吸收、沉淀、吸附作用和微生物固定等。浮床空心菜和水芹系統對TP去除率多數時候高達85％以上且穩定，而對照TP去除率有4個換水周期為60％左右，但有3個值卻小于10％。空白的較高值與徐曉峰試驗結果較為一致(圖3)。造成3個換水周期內TP去除率較低的可能原因是：在6月23日、7月23日和8月3日試驗期間，環境溫度較高，陽光充足，對照箱受到水綿污染，并生長迅速，水綿具有較大的表面積，能吸附水體中的P，并阻礙P的沉淀，取樣時為了不使水綿進入水樣，對水體擾動較大，造成水綿吸持的P又重新進入水體，最后導致結果偏低。這也從另一個方面說明沉淀和吸附作用在對照系統P去除中起著重要作用，而植物箱內水綿很少，植物吸收、P的沉淀和吸附共同作用導致系統具有較高的P去除率。植物吸收同化的P占系統所去除P的一半左右，說明植物的吸收作用在P的去除中起著重要作用(表4)。POf—P的去除情況類似于TP。
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33 N20的排放
換水前，無植物系統的N20排放速率遠高于有植物系統，分別為浮床空心菜和水芹系統的7.43和3.23倍，其中水芹系統的N：O排放速率是空心菜系統的2.30倍(表3)。換水后，仍以空心菜系統的N20排放速率最低，浮床水芹和對照系統的排放量都是空心菜系統的2倍左右。浮床系統排水前后平均N20的排放通量達到17.04～85.08颼N·m-2·h～，這個值在水田土壤[29]、湖泊沉積物[21]和緩沖區[19]中的觀測值范圍內，但要低于營養液栽培植物中的觀測值。營養液栽培系統中N，O的排放通量一般為農田土壤的5～10倍[5]。
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各處理換水前的N20釋放速率都高于換水后，對照尤為明顯(表3)。造成這種現象的原因是：換入的試驗水體經過2次抽取，相當于進行了一個充氣過程，水體中含有較多的溶解氧，而不利于厭氧型反硝化反應進行；換水可能損失大部分的反硝化細菌；另外，換入水體的NO；。N濃度較低，同樣不利于反硝化進行。浮床空心菜系統對富營養化水體中N的去除效果較好，生長也較好，但是換水前后N20的排放速率都以浮床空心菜最低，而空白較高(表3)。這與濕地中植物能提高系統中的反硝化能力觀點不同，推測其原因可能有：
1)浮床系統中植物的根有一定的泌氧能力，致使水體中溶解氧較高，而不利于厭氧型反硝化細菌的生長和繁殖；
2)試驗水箱小，水體內流動性和交換性強，水體中的溶解氧含量較高且均一，難以形成濕地中常有的厭氧一好氧交替環境，從而使得浮床系統中硝化反應進行充分，而反硝化反應進行緩慢；
3)植物對反硝化作用底物——硝態N具有較強的吸收同化作用，導致植物系統中NOf。N濃度要低于對照，這點可以從表2的結果得以證實；
4)浮床植物系統中的水溶液pH一般呈弱酸性到近中性，而對照系統為8。0左右。生長旺盛的植物其泌氧、吸收和分泌酸性物質的能力都較強，所以造成有植物浮床系統的N20排放能力要弱于無植物系統，生長較好的空心菜系統N20排放能力要弱于水芹。Diemo等[5]亦發現，無土栽培系統中的反硝化速率主要受到營養液濃度、基質、植物、反硝化細菌和溫度等氣候因素的影響，其中溶解氧的濃度對反硝化作用的影響較大，中性或略偏堿性的環境有利于反硝化，當pH<6時，無土栽培系統中氣態N的損失會減少。濕地中的亞硝化細菌數量和反硝化細菌數量都明顯高于無植物系統，具有較強的反硝化能力。
但是濕地系統整體處于厭氧狀態，不能為硝化作用提供良好的環境條件，提高濕地N的去除速率最重要的是要提高濕地系統的硝化作用強度。濕地中的植物加強了系統的硝化作用，從而提高了濕地系統的反硝化能力和N的去除能力。在浮床系統中，硝化反應充分而反硝化反應較慢，要提高浮床系統N的去除能力，應該選用同化能力較強的植物或采取強化反硝化措施，增強對NOf—N和N的去除能力。
3.4系統內的物質平衡
空心菜和水芹在試驗期間均生長良好。其中空心菜的長勢要好于水芹，所積累生物量和生長速率要大于水芹，最后空心菜所累積的N、P也要高于水芹(表4)。空心菜累積的N、P分別占系統去除量的56.87％和63.87％，水芹則為40.32％和44.29％(表4)，說明植物的吸收同化作用是N、P去除的主要途徑，植株體成為了富營養化水體N、P去除的一個中間“匯”，最后可以通過收獲植株將其徹底移出系統。濕地植物所累積的N一般不會超過所去除N的30％[10,27]，本文所得的較高比值說明植物在浮床系統中對去除水體N、P的重要性，浮床系統中植物所吸收的營養成分大部分直接來自于水體[12|。因此，在利用浮床系統治理水體富營養化時，植物生物量大小及植物的管理顯得相當重要。空白系統中N20排放所損失的N占去除N的比例最高，但也僅為2.42％，因而浮床系統中仍有相當一部分N的去向不明。
4結論
4.1浮床植物系統對水體中N、P具有良好的凈化效果。浮床空心菜、水芹系統和空白對TN的多次平均去除率分別為63.37％、46.40％和19.76％，TP為95.60％、88.44％和40.08％。
4.2植物組織所累積的N、P量分別占各自系統去除量的40.32％--63.87％。植物的吸收同化作用是N、P去除的主要途徑。
4.3在換水周期內，浮床系統中硝化反應進行充分，而反硝化反應相對緩慢，導致系統具有較高的NH寸一N去除率，而產生N03-。N累積。要提高浮床系統N的去除能力，應該選用同化能力較強的植物或采取強化反硝化措施。
4.4 各處理換水后的N20排放量要遠低于換水前，植物的存在降低了系統中N20的排放通量，以生長較好的空心菜系統在換水前后N：O排放量最低，而空白最高。N：O。N所損失的N僅占系統去除氮的很小～部分。
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