引言
水體富營養化是目前最突出的水環境問題之一, 富營養化水體的修復通常有物理、化學等方法, 但傳統方法等淨水方式存在成本高、耗時長、易造成二次汙染等缺陷。
水生植物在水生態系統物質、能量迴圈中具有重要作用, 農業面源汙染, 城市汙水處理, 以及富營養水體治理中普遍採用水生植物修復技術, 具有投資省、見效快、極少再次汙染、管理維護方便的優勢, 並可以同時兼顧生態效益與經濟利益。
目前大多數研究選擇單一水生植物，但開展單一水生植物淨化模擬試驗具有其自身侷限性, 自然界中極少孤立的單植物生態環境, 單一的淨化環境現實中難以存在, 多植物系統更貼近自然生態環境。本研究選取常見且具有一定觀賞或經濟價值的水生植物, 在室外自然光溫條件下進行更貼近自然環境的水生植物組合淨水試驗, 研究不同水生植物組合對氮磷去除效果, 水環境生態修復工程提供理論依據。
實驗設計
本次實驗設定低、中、高三種氮磷濃度, 每種濃度觀測池各3個, TN、TP設定濃度分別為20 mg/L和10mg/L、11.5mg/L和6mg/L、2mg/L和0.5mg/L, 當地常見浮萍、茭白、金魚藻、黃花鳶尾、睡蓮5種水生植物, 分別組成“挺水+浮漂”、“挺水+浮葉”、“挺水+沉水”3種植物組合，另設定中茭白池、浮萍池、金魚藻池、睡蓮池、黃花鳶尾單種池各一個, 總共14個觀測池。
每月1號、16號取樣, 至實驗結束, 共取9次水樣, 9組資料。取最後一次水樣, 測定TN、TP值。連根拔出所有水生植物, 洗淨根部泥土, 陰乾, 分類稱取所有水生植物生物量, 試驗完成。
初始氮磷濃度實測值
結果與分析
1
金魚藻+黃花鳶尾組合對TN、TP去除效果
金魚藻+黃花鳶尾組合在三個濃度下去除效果有一定差別,中低濃度下去除效果相差不大, TN、TP去除量僅相差0.12、0.17mg/L, 高濃度下金魚藻於5月上旬死亡, 且無野生金魚藻生長, TN、TP去除效果較差 為所有植物組合中去除效果最差, 金魚藻+黃花鳶尾三個濃度TN、TP去除量之間具有一定差異但不顯著。
低濃度下金魚藻+黃花鳶尾TP去除率達到92.78%, 為所有植物TP去除率中最高值, 這是因為一方面黃花鳶尾除磷效果較好, 另一方面金魚藻為沉水植物, 紮根於底泥後可削弱水面空氣流動的干擾, 有利於磷元素沉降, 莖葉亦可吸收部分磷元素, 加上該池水體初始磷濃度較低, 使得該池去TP去除率最高。
中濃度下金魚藻+黃花鳶尾TN、TP去除效果略微上升0.120、0.170mg/L, 總生物量也較低濃度高191g。
高濃度下雖去除效果較差, 但黃花鳶尾生物量較高達603g, 為黃花鳶尾生物量最高值, 說明黃花鳶尾在較高氮磷濃度下生長更好。
由下圖可知, 7月中旬前中濃度下TN、TP去除量低於中濃度, 8月16日中濃度去除效果高於低濃度, 可能是7~8月中濃度下水生植生物量增加較快, 對水體中氮磷需求較大所致。
2睡蓮+黃花鳶尾組合對TN、TP去除效果
睡蓮+黃花鳶尾組合低、中、高濃度下TN、TP降低0.967mg/L和0.386 mg/L、1.011 mg/L和0.400mg/L、1.073 mg/L和0.524 mg/L, 中、低濃度下睡蓮+黃花鳶尾組合與金魚藻+黃花鳶尾組合去除特點類似, 三個濃度下TN與TP去除效果無顯著性差異。(如下圖) 。
3浮萍+茭白組合對TN、TP去除效果
浮萍+茭白在三個濃度下去除效果去除效果差別較大, TN、TP去除效果為中濃度 (3.628、0.879mg/L) >高濃度 (1.914、0.585mg/L) >低濃度 (1.781、0.538mg/L) , 可以看出, 中等濃度水體中TN去除遠高於其他兩個濃度, 比高濃度和低濃度分別高出1.714、1.847mg/L, 高濃度與中濃度TN去除具有顯著性差異 (P<0.05) , 而TP去除量在中濃度水體中比低濃度和高濃度高0.294、0.341 mg/L, 各濃度之間TP去除相差較小, 未達到顯著差異。
三個濃度下浮萍+茭白組合去除效果均很好, 因自身獨特的優勢:
(1) 試驗檢測的氮磷為可溶性氮磷, 浮萍為浮漂植物, 體積小, 數量多, 分株速度快, 根系直接深入水中吸收水中氮磷;
(2) 根系比表面積大, 為硝化與反硝化提供生髮空間, 提高氮類去除速率;
(3) 密集根系為以氮磷為食的微生物提供生長空間, 促進氮磷去除;
(4) 浮萍生長過程中, 加入人工干預, 4~6月浮萍生長極快, 鋪滿觀測池即收割半池, 客觀上氮磷轉移。而其餘水生植物或組合, 根系部分紮根於底泥中, 依靠部分根系、莖幹、葉柄、葉片, 吸收與吸附氮磷能力有限, 去除能力不如浮萍+茭白組合。
高等濃度下水生植物組合去除TN、TP過程與低濃度下類似, TN去除率總體表現為先減後增, 最後逐漸減少趨勢, 第15、75d和120d去除分別為0.52%、8.16%、10.00%。TP去除速率呈現先增後減趨勢, 第75d, 120d分別為4.45%, 5.71%, TN、TP的去除皆存在較明顯的時間階段性 (如下圖右) 。
①各種水生植物組合對TN去除效果比較：浮萍+茭白（浮葉+挺水）＞組合的TN去除量與金魚藻+黃花鳶尾（沉水+挺水）＞睡蓮+黃花鳶尾（浮葉+挺水）
②各種水生植物組合對TP去除效果比較：浮萍+茭白組合（浮葉+挺水）與金魚藻+黃花鳶尾（沉水+挺水)具有顯著性差異 (P<0.05) 。金魚藻+黃花鳶尾（沉水+挺水)和睡蓮+黃花鳶尾（浮葉+挺水）的去除差異性較小。
浮萍+茭白（浮葉+挺水）組合中, 中濃度下去除TN、TP效果最好, 分別比低、高濃度高1.714、0.294mg/L和1.847、0.341mg/L。
金魚藻+黃花鳶尾（沉水+挺水)組合中, 中濃度下去除效果最好, TN、TP去除總量分別比低、高濃度高0.120、0.017mg/L和0.390、0.072mg/L。
睡蓮+黃花鳶尾（浮葉+挺水）組合中, 高濃度下去除效果最好, TN、TP去除量分別比中、高濃度高0.065、0124 mg/L和0.106、0.138mg/L。
④各組合存在的問題：
睡蓮+黃花鳶尾組合池中, 睡蓮葉片浮於水面, 易對黃花鳶尾幼苗時期造成影響, 使部分幼苗其長期無法伸出水面無法發生光合作用生長緩慢或死亡, 但高濃度下病、黃蓮葉摘除, 實際上也完成了氮磷轉移。
浮萍+茭白組合池中, 低濃度池中氮磷量在4~6月上旬已去除絕89%以上, 雖6月份仍是浮萍生長旺季, 但該池浮萍生長速度明顯減緩, 僅收割3~4次, 可能是是池中氮磷不足, 若該池補充足量氮磷, 浮萍很可能會繼續生長, 持續消耗水體中氮磷至6月底。
金魚藻+黃花鳶尾組合池中, 中、低濃度下金魚藻+黃花鳶尾去除效果更好, TN、TP去除量分別為1.086、0.454mg/L和0.966、0.437mg/L, 5月後高濃度下僅剩黃花鳶尾, 淨化效果在組合中最差。
由下圖可知, 總體上去除氮效果較好的植物組合去磷效果也較好, TN與TP去除效果呈顯著正相關 (P<0.05) , 同時又具有各自的特點。
金魚藻+黃花鳶尾（沉水+挺水)除磷效果較好, 是因為該組合黃花鳶尾生長旺盛, 除磷效果較好, 金魚藻除根吸收外, 莖葉也能發揮吸收吸附作用。高濃度金魚藻+黃花鳶尾為所有植物組合去除效果最差, 原因是該組合金魚藻較早死亡, 實際上與單一植物去除效果無明顯差異。
氮、磷是植物生長基本物質構成, 合理氮磷濃度有利於水生植物生長, 過低的氮磷使水生植物缺乏物質補充。
試驗中高濃度下浮萍+茭白去除效果並不如中濃度, 4月21日至6月24日共收割3次, 生物體生長較慢, 過高的氮磷對水生植物產生氮脅迫和磷脅迫, 阻礙水生植物健康生長。金魚藻+黃花鳶尾、睡蓮+黃花鳶尾在去除TN果上相差較小。
不同水生植物組合氮磷去除量
綜合比較得出, TN去除效果上, 浮萍+茭白、金魚藻+黃花鳶尾在中濃度下, 睡蓮+黃花鳶尾在高濃度下去除效果最好。TP去除效果上, 浮萍+茭白、金魚藻+黃花鳶尾在中濃度下去除效果最好, 睡蓮+黃花鳶尾在高濃度下去除效果最好。