隨著城鎮化的快速發展，汙水處理廠建設的不斷增加，大量工業、生活汙水經過汙水處理廠處理後排入周邊水體。目前，我國大部分汙水處理廠尾水都實現了達標排放，但是仍存在部分汙水處理廠尾水不達標的問題，這些未達標尾水含有一定量的氮磷等營養元素，排放到河流、湖泊等水體後增加氮磷負荷，造成水體富營養化，帶來嚴重的環境問題。
水生植物淨化汙水具有環保生態、經濟高效的特點，被認為是傳統水體修復的替代措施之一。近年來利用水生植物淨化汙水的研究得到了廣泛的關注。植物可以通過不同途徑直接或間接地達到去除水體營養鹽的目的。研究認為植物在人工溼地中主要起著以下作用：直接吸收利用汙水中可利用態的營養物質、吸附和富集重金屬和有毒有害物質，錯綜複雜的根系為微生物吸附生長提供更大的表面積，植物對氧具有輸送、釋放和擴散作用，可以將氧輸送到根部周圍的區域，在根部形成好氧厭氧區域，為根區好氧微生物輸送氧氣。不同植物對水體營養鹽去除效果不同。徐寸發等研究了水葫蘆、輪葉黑藻和香蒲對滇池富營養化水體的改善效果，水葫蘆對總氮的去除率最高(86.87%)，輪葉黑藻去除率最低(78.58%)，張瑞斌研究認為挺水植物旱傘草和沉水植物金魚藻的綜合淨化效能較強。生物量也是影響植物淨化效果的重要因素，吳建強等認為不同植物對氮磷的吸收能力主要受生物量的差異影響，劉福興等研究發現生態浮床總覆蓋度越高，去除效果越好;但是關於生物量對淨化效果影響的研究結果存在差異，CHEN等對2種不同種植密度的寬葉香蒲的淨化效果進行研究，發現植物密度對總氮的淨化效果無顯著影響;宋超等研究發現，過高的種植密度反而不會帶來明顯的淨化效果，因此，關於生物量對淨化效果的影響仍需要進一步的研究。
創設合適的水體環境有利於氮磷等營養物質物質的去除，不同類型植物對水體環境的影響存在差異[17-19]，生物量也會影響水體環境;因此，對不同類型植物和生物量進行研究，根據不同類型植物和生物量對水體環境的影響，篩選有利於汙染物去除的植物，可以為處理汙水處理廠尾水等低汙染水體、進一步削減氮磷負荷提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 材料
實驗選取3種不同植物，分別為粉綠狐尾藻、空心菜和苦草淨化汙水處理廠模擬尾水。粉綠狐尾藻採自南京師範大學仙林校區三用河(32°06'09.20″N，118°54'30.35″E)。空心菜通過購買幼苗在溫室內置於尼龍網上進行水培15 d。苦草採用室內培育，選擇大小相似的植株進行培養。實驗基質選取太湖淤泥，採回後充分混勻，保持每個實驗組添加的淤泥相同，排除底泥中營養鹽對水生植物淨化效果的影響。實驗水體根據前期對江蘇省宜興市周鐵鎮汙水處理廠尾水氮磷濃度的監測模擬配製而成。
1.2 實驗處理
實驗採用高63 cm，桶口直徑50 cm的PVC桶。每個塑料桶水的體積為80 L，底層鋪設5 cm左右的淤泥，實驗模擬的尾水配置方法為：硝氮用KNO3配製，稱取4.62 g，氨氮用NH4Cl配製，稱取0.62 g，總磷用KH2PO4配製，稱取0.35 g，溶解後倒入80 L的水中，濃度如表1所示。3種水生植物用自來水馴化2周後，選取生長旺盛、大小相似的植株進行尾水淨化實驗。每個植物設4個生物量水平處理組(表2),每種植物生物量均按照質量比為1:2:3:4進行配置。每個處理重複3次，定期用自來水補充蒸發水量以保證體積恆定。實驗在南京師範大學生態修復平臺溫室內進行，實驗從2017年6月7日至7月6日，平均溫度為27 ℃。
表1 汙水處理廠模擬尾水初始氮磷濃度
表2 3種水生植物初始生物量
1.3 取樣與測試
實驗期內採樣8次，在實驗的第0、2、5、10、15、20、25、30天採集水樣，測定總氮、總磷、氨氮、硝氮、亞硝氮、DO、pH，同時測定植物生物量等指標。生物量的測定方法是將水生植物從實驗桶中取出，用吸水紙吸乾水分後稱重。如遇有水生植物破敗、死亡情況，及時撈出，不計入生物量。總氮用鹼性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-1989)測定，總磷用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-1989)測定，硝態氮用Auto Analyzer 3 連續流動分析儀(德國Bran Luebbe公司)測定;DO和pH用美國HACH生產的HQ30d便攜式溶氧、pH測試儀進行測定。採用Excel 2016統計數據，Origin 9.0軟件繪製圖表，採用SPSS17.0軟件對實驗數據進行相關性分析，採用Two-way ANOVA進行方差分析。
2 結果與分析
2.1 3種水生植物的生長特徵
各組植物均表現出初期生物量增加較快，後期增加有所放緩。苦草和粉綠狐尾藻生物量隨時間呈不斷增加趨勢。空心菜處理組生物量初期上升速度較快，葉片快速生長，在實驗第15天，空心菜各生物量處理組(B1~B4)分別增加了3.6、1.9、1.5、1.4倍，高生物量處理組在實驗初期便覆蓋了整個生長區域，但是生物量達到峰值後，開始不斷下降，可能是生物量限制了植物的生長，造成植物葉片衰亡，長勢減弱(圖1)。空心菜(B1)處理組在實驗週期內持續生長，但是後期長勢減緩，說明其生長也受到了生物量的影響。苦草生物量在實驗週期內葉長和生物量持續增加，但是增加量較小，可能是苦草經過前期培養，逐漸達到生長穩定期。高粉綠狐尾藻生物量處理組隨著時間增加，生物量達到了4種水生植物全生長週期的最大生物量，為1 398.20 g。
圖1 3種水生植物生物量變化
2.2 3種水生植物對尾水溶解氧和pH的影響
不同植物對水體溶解氧含量影響存在差異，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物水體DO平均值分別為10.47、3.30和2.89 mg·L?1。苦草水體DO濃度最高，空心菜水體DO最低。苦草可以顯著提高水體溶解氧含量，其他2種植物由於覆蓋在水面，DO含量顯著低於苦草水體。苦草DO初期增加較快，由6 mg·L?1快速增加10 mg·L?1以上，而另外2種植物DO則隨時間不斷下降(圖2)。生物量對水體DO濃度存在影響，苦草和粉綠狐尾藻DO濃度均隨生物量增加，呈下降趨勢。空心菜水體DO濃度受植物生長狀況影響，不同生物量處理組變化趨勢存在差異。最低生物量處理組(B1)在整個淨化週期內均呈現上升趨勢，植物覆蓋度不斷增加，到實驗結束已基本覆蓋全部水面。而其DO隨生物量增加，呈現出不斷降低的趨勢，另外3個空心菜處理組，在實驗後期均表現出一定的密度脅迫，植物有所衰敗。空白對照在整個實驗週期內呈現初期快速上升，後期不斷下降，苦草溶解氧基本均大於空白對照，空心菜和粉綠狐尾藻水體DO濃度顯著低於空白對照。對溶解氧含量進行方差分析，結果表明，第5、15和30天，水體溶解氧受植物類型影響極顯著(P≤0.01)，生物量對溶解氧含量影響較小。
圖2 不同水生植物和生物量對汙水溶解氧含量的影響
不同植物處理水體pH有所不同，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物水體pH平均值分別為8.94、7.46和7.30。pH變化與DO相似，苦草水體pH顯著高於其他2種植物。苦草水體pH開始時快速上升，20 d上升到最高，各組pH均高於9.68，粉綠狐尾藻和空心菜水體pH均隨時間呈現波動上升的趨勢(圖3)。水體pH受生物量影響，但整體差異不顯著。苦草水體pH隨生物量增加呈下降趨勢。最高空心菜生物量處理組(B4)在實驗初期pH低於最低空心菜生物量處理組(B1)，後期高於最低空心菜生物量處理組。空白對照pH呈先升高、後降低的趨勢。苦草水體pH大於空白對照，粉綠狐尾藻和空心菜處理組水體均低於空白對照。對pH進行方差分析，結果表明，第5、15和30天，受植物類型影響顯著(P≤0.05)，生物量對pH影響較小。
圖3 不同水生植物和生物量對汙水pH的影響
2.3 3種水生植物對氮的去除效果
2.3.1 總氮的去除效果
實驗結果表明，除苦草外，其他2種水生植物淨化效果均高於空白對照。總體上，3種水生植物對TN均具有較好的去除效果。苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種植物對水體TN去除效果存在差異，對水體TN去除率(30 d)平均值分別為95.28%、92.58%和81.98%。粉綠狐尾藻對水體TN淨化效果最好，苦草淨化效果最差。粉綠狐尾藻和空心菜水體TN在前15 d下降較快，15 d以後，水體TN濃度逐漸達到平衡，之後保持穩定在較低水平(圖4)。生物量對植物淨化效果存在影響，在第0～15天，粉綠狐尾藻TN濃度與種植密度呈現良好的負相關關係(R=?0.989，P<0.05);第15天后，種植密度對總氮的去除已無明顯差異，苦草生物量對TN去除效果影響不顯著。空心菜水體TN淨化效果受植物生長情況影響，最低生物量處理組(B1)淨化效果最好，其他生物量處理組後期出現葉片凋亡，導致淨化效果低於最低生物量處理組，各生物量處理組最終淨化效果無顯著差異。苦草處理組TN在淨化週期內持續勻速降低，高生物量處理並未表現出高去除效果。方差分析結果表明，30 d去除效果，受植物類型影響顯著(P<0.05)，生物量對淨化效果影響較小。
圖4 不同水生植物和生物量對總氮淨化效果的影響
2.3.2 氨氮的去除效果
3種水生植物對氨氮去除效果存在差異，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物對水體氨氮去除率平均值(30 d)分別為95.30%、94.10%和91.27%。苦草對水體氨氮淨化效果最好，3種植物均表現為前期快速下降，5 d後逐漸穩定(圖5)。淨化週期內，各生物量處理組淨化效果無顯著差異。最低空心菜生物量處理組(B1)在10 d後，氨氮降到最低，低於其他生物量處理組，這可能是由植物生長情況變化引起的。實驗期間，空白對照水體氨氮下降顯著，效果好於空心菜，低於苦草和粉綠狐尾藻。對氨氮去除效果進行方差分析，結果表明，實驗初期(5 d)，植物類型對氨氮淨化效果影響顯著(P<0.05)，實驗末期(30 d)，植物類型和生物量對氨氮淨化效果影響較小。
圖5 不同水生植物和生物量對氨氮淨化效果的影響
2.3.3 硝氮的去除效果
硝氮的去除效果和總氮具有一致性。3種水生植物對硝氮的去除效果較好。植物對水體硝氮去除效果存在差異，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物對水體硝氮去除率(30 d)平均值分別為98.50%、98.13%和89.06%。粉綠狐尾藻對水體硝氮淨化效果最好，苦草淨化效果最差。粉綠狐尾藻和空心菜均表現為前期快速下降，後期逐漸穩定，穩定時間在第20天。苦草水體硝氮在前期差異不大，後期隨生物量增加淨化效果提高，粉綠狐尾藻前期隨生物量增加淨化效果升高，後期無顯著差異(圖6)。最低空心菜生物量處理組(B1)第10天后，硝氮低於其他生物量處理組，這與最低生物量處理組生長狀況最好有關。對硝氮去除效果進行方差分析，結果表明，實驗中期(15 d)，植物類型對去除效果影響極顯著(P<0.01)。實驗末期(30 d)，植物類型和生物量對硝氮淨化效果影響較小。
圖6 不同水生植物和生物量對硝氮淨化效果的影響
2.3.4 亞硝氮的含量變化
不同植物對水體亞硝氮含量存在顯著影響，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物水體亞硝氮含量平均值分別為60.29、54.06和30.88 μg·L?1，空心菜水體中亞硝氮含量最高，苦草亞硝氮含量最低。空心菜和粉綠狐尾藻水體中亞硝氮含量均表現為，實驗初期逐漸升高，達到峰值後逐漸降低(圖7)。最高空心菜生物量(B4)水體亞硝氮含量在第5天達到峰值，為455.60 μg·L?1。粉綠狐尾藻2個高生物量處理組(B3、B4)峰值出現在前5 d，2個低生物量處理組(B1、B2)峰值出現在第10天，高生物量的峰值出現較低生物量的提前。苦草水體亞硝氮隨時間緩慢上升，亞硝氮隨生物量降低而升高，苦草水體亞硝氮濃度低於空白對照。
圖7 不同水生植物和生物量對亞硝氮產生量的影響
2.4 3種水生植物對總磷的去除效果
實驗結果表明，不同水生植物對水體總磷去除效果不同，苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種水生植物對水體總磷去除率(30 d)平均值分別為95.80%、87.17%和86.24%，水生植物對總磷的平均淨化效果均高於空白對照。苦草對水體總磷淨化效果最好，粉綠狐尾藻淨化效果最差。3種植物水體總磷濃度在前10 d下降較快，10 d以後，水體總磷濃度逐漸達到平衡(圖8)。生物量對植物總磷淨化效果存在影響，苦草水體總磷在實驗前期隨生物量增加，淨化效果升高，但不同生物量淨化效果整體差異不顯著。空心菜淨化效果受植物生長情況影響，最低生物量處理組(B1)淨化效果最好，處理組(B2)在實驗後期出現總磷濃度上升的情況，分析是由於植物殘體打撈不及時所致。方差分析結果表明，實驗初期(5 d)，植物類型對總磷淨化效果影響顯著(P<0.05)。
圖8 不同水生植物和生物量對總磷去除效果的影響
3 討論
在整個實驗階段，苦草和粉綠狐尾藻的生物量隨時間呈不斷增加趨勢，且對總氮和總磷有良好的去除效果。空心菜在實驗前期也表現出上述現象，後期受到高密度脅迫，出現衰亡，生物量下降。第5、15、30天，植物類型對水體溶解氧和pH影響顯著(P<0.05)。沉水植物可以通過光合作用向水體輸送氧氣，造成苦草處理組DO顯著高於其他2種植物處理組。空心菜和粉綠狐尾藻處理組溶解氧低於空白對照，說明和植物覆蓋比，敞水有利於復氧。另外，空白處理組有藍藻大量繁殖，藻類在光照強烈的時候，光合作用也會相對較強，向水體釋放O2，水體DO升高。苦草水體pH高於其他2種植物，沉水植物通過光合作用消耗水體中CO2，甚至包括HCO3?遊離出的CO2，造成苦草處理組pH前期持續升高，實驗後期，水體pH降低，原因可能是植物向水體釋放酸性物質。空白處理組pH實驗初期呈上升趨勢，由於空白組缺乏植物，藻類大量繁殖，藻類在光照強烈的時候，通過光合作用向水體中釋放OH?，使水體pH增加[23]，後期藻類死亡分解，水體pH出現下降。
總氮淨化效果(30 d)受植物類型影響顯著(P<0.05)。粉綠狐尾藻對總氮淨化效果好於其他2種植物，從去除總氮角度，粉綠狐尾藻可以作為汙水淨化的先鋒物種。實驗前期，粉綠狐尾藻TN濃度與種植密度呈現良好的負相關關係 (R=?0.989，P<0.05)。總氮去除途徑主要是水生植物對營養鹽氮素的吸收和微生物的硝化-反硝化作用，以及基質的吸附沉澱作用。生物量高時吸收能力較強，同時，更大的根表面積也為微生物附著提供了空間，有利於氮素的去除。高粉綠狐尾藻生物量處理組的淨化效果最好，而其他2種水生植物高生物量處理組淨化效果反而低，說明過高的生物量並不會帶來更好的淨化效果，這與宋超等的研究結果一致。植物的生長情況對淨化效果會產生影響，在空心菜處理組，低生物量生長情況最好，生物量在實驗週期內持續升高，淨化效果後期逐漸好於其他處理組，而其他高生物量處理組則出現衰亡，後期淨化效果不顯著，說明最低空心菜生物量處理(B1)有利於總氮的去除。苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種植物淨化總氮最佳生物量分別為157.50、460.80和1 120.00 g。
水體中氨氮的去除途徑包括植物直接吸收、吸附沉澱作用、硝化反硝化以及揮發等途徑。氨氮初期(5 d)淨化效果受植物類型影響顯著(P<0.05)，不同類型植物對氨氮的淨化效果(30 d)無顯著差異。苦草對氨氮的淨化效果最好，這與苦草處理組水體中較高的DO有關，氨氮在好氧環境下可以迅速轉化為低價態的亞硝氮和硝氮，因此，氨氮在實驗前2 d快速下降，而硝氮下降不明顯且有回升，這是由於氨氮向硝氮轉化造成硝氮增加的緣故。另外，苦草的吸收也是氨氮去除的重要途徑。在各植物處理組內，生物量對淨化效果無顯著差異，低空心菜處理組氨氮淨化效果好於其他生物量處理組，這是由於低生物量處理給空心菜生長創造了良好的空間，在整個實驗週期，低空心菜處理組生物量持續增加，說明植物生長狀況對氨氮淨化效果有重要影響。
硝氮是汙水中總氮的主要成分，硝氮的去除效果與總氮具有較強的一致性，硝氮去除的主要途徑包括植物吸收、硝化反硝化等，研究認為反硝化是硝氮去除的主要途徑[28]。實驗中期(15 d)，植物類型對硝氮去除效果影響極顯著(P<0.01)。狐尾藻對硝氮的淨化效果最好，分析原因是由於狐尾藻生物量較大，對硝氮具有較強的吸收能力，另外，在粉綠狐尾藻處理組，DO濃度較低，這也為硝化反硝化創造了條件，促進了硝氮的去除。
亞硝氮是硝化反硝化的中間產物，亞硝氮產生量受植物種類影響顯著，沉水植物苦草水體亞硝氮含量顯著低於其他2種植物，這和不同植物處理下水體DO有關，苦草水體DO最高，有利於硝化反應的充分進行，而其他2種植物處理由於較高的覆蓋度，導致DO較低，所以硝化反應不完全，造成亞硝氮含量較高。這說明種植沉水植物可以改善水體環境，降低水體亞硝氮產生量。
研究[31]認為，人工溼地對總磷的主要去除途徑為基質的吸附，植物吸收，以及沉澱、微生物固定等作用。實驗初期(5 d)，總磷淨化效果受植物類型影響顯著(P<0.05)。實驗中苦草對總磷的淨化效果好於其他2種植物，這和苦草處理組有較高的DO有關，水體的強氧化性有利於磷的化學沉澱及沉降吸附。因此，苦草對總磷的吸收效果最好，可以作為去除總磷的先鋒物種。較低空心菜生物量處理組總磷後期有所上升，這是由於葉片衰亡沒有及時清理，導致腐爛分解，吸收的磷又回到水體。除了高苦草生物量處理組淨化效果最好外，其他2種植物的過高的生物量並不會提高總磷的去除效果，高苦草生物量良好的淨化效果是植物吸收和化學沉澱綜合作用的結果。苦草、粉綠狐尾藻、空心菜3種植物淨化總磷的最佳生物量分別為157.50、609.40和590.00 g。
4 結論
1)不同植物對汙水處理廠尾水淨化效果存在差異，總氮淨化效果(30 d)受植物類型影響顯著。粉綠狐尾藻對總氮和硝氮淨化效果(30 d)最好，苦草對氨氮和總磷淨化效果(30 d)最好，且苦草生長有利於降低亞硝氮的產生量,不同植物可以營造出不同的水體環境，可以利用這種差異，根據淨化對象選擇合適的植物，通過單獨種植或串聯的方式淨化汙水，從而發揮不同植物的淨化優勢。
2)實驗過程中，生物量對氮磷淨化效果影響較小，不同植物去除總氮的最佳生物量處理為空心菜 157.50 g、苦草460.80 g、粉綠狐尾藻1 120.00 g，總磷的最佳生物量處理為空心菜157.50 g、苦草609.40 g、粉綠狐尾藻590.00 g。
3)不同生物量處理對空心菜生長存在影響，較高的空心菜生物量處理到後期會出現衰敗，而低生物量處理組在實驗週期內持續生長，植物生長情況繼而對尾水淨化效果產生影響，造成高生物量淨化效果低於低生物量，建議使用空心菜淨化汙水時，使用低生物量處理，且在其達到最大生物量(610.00~880.00 g)之前進行收割。
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