人工植物塘对河道N、P的去除效果

摘要：在贵阳市麦西河小菁村六砂段监测了人工植物塘滞留并联不同水力滞留时间及植物塘贯通串联条件下水体中氮磷营养物质的去除效果及动态规律。结果表明，滞留并联、贯通串联植物塘对总氮和总磷都有很好的去除效果，其中拥有沉水、挺水、浮水植物的综合植物塘处理效果最好，滞留并联时滞留5 d总氮和总磷的去除率分别为92.81%、80.77%，贯通串联时总氮和总磷的去除率平均值为11.28%、27.83%。水生植物对水体中氮磷的去除效果与植物种类有关。

关键词：河道修复；水生植物；人工植物塘；总氮；总磷；去除率

中图分类号：X173；X522 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）14-3376-03

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2015.14.012

Removal of N and P in River Channel by Artificial Hydrophytes Pond

YANG Xiao-hong1，ZHAO Wen1，LIN Tao2

（1.Guizhou Institute of Walnut/Guizhou Forestry Academy， Guiyang 550011， China； 2.Key Laboratory of Mountainous Environmental Information System and Ecological Environment Protection in Guizhou Province， Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China）

Abstract：Under the conditions of different parallel hydraulic retention time and a tandem flowing， the removal effects and dynamic laws of total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） were monitored in the artificial hydrophytes pond in Liusha of Maixi River in Xiaojing Village， Guiyang City. The results showed that， parallel and tandem flowing had a good removal efficiency of TN and TP. The artificial hydrophytes pond which had submerged， emerged， floating plants had the best effect， the removal rates for TN and TP were 92.81%，80.77% after five days’ parallel， and the average removal rates for TN and TP were 11.37%，28.25% after tandem flowing. The removal effect of hydrophytes on water TN and TP has a relationship with the hydrophyte species.

Key words：river restoration； hydrophytes； artificial hydrophytes pond； total nitrogen； total phosphorus； removal efficiency

研究表明，超过一半的收纳水体氮磷负荷来自于农业流域的非点源氮磷[1]，尤其是农田的地表径流对水体的污染贡献最大[2，3]，非点源污染物主要通过河流系统进入湖泊、水库。大量研究证明，水生植物可以吸收、富集水中的营养物质及其他元素，增加水体中的溶解氧含量，或抑制有害藻类繁殖，遏制底泥营养盐水中再释放，利于水体的生态平衡等[3-5]。水生高等植物能有效地净化富营养化水体，提高水体自净能力[6]。彭剑峰等[7]考察浮萍塘中氨氮、氮氧化物和有机氮在底泥、水体和水生生物间的迁移转化过程，构建了浮萍塘中氮素形态转化模型。相洪旭等[8]通过小型模拟实验，重点考察水葫芦、大藻、聚草塘对化粪池出水的净化效果，分析主要污染物的去除特性，探索解决农村分散生活污水的收集处理及河道治理问题。受损河道水生植物群落恢复与重建是被广泛采用的河道生态修复手段。水生植被的重建能恢复河道自净能力，改善污染水体，从而减少农业非点源污染物对湖泊、水库的输入，控制湖库富营养化进程[9]。本研究采用现场试验方法，研究水生植物水质净化机理及净化效果，为山区污染河道的生态修复与治理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验条件与方法

1.1.1 试验场地 麦西河是贵州高原百花湖的第二大入湖河流，发源于贵阳市乌当区野鸭乡小龙潭，至金阳新区麦乃村附近入百花湖，河流长9.5 km，多年平均径流量0.26亿m3。是一个典型农业景观为主的小流域，旱坡地和水田是流域内两种主要的农业耕作景观，旱坡地由于经常耕作和使用农药化肥，成为了流域内主要的非点源污染源地。麦西河流域居民主要为农业人口，交通条件落后，农业基础设施薄弱，经济较为落后。独特的气候与经济条件也是本区域非点源污染的部分原因[10]。

野外试验现场位于贵阳市麦西河小菁村六砂河段，气候为季风湿润型气候区，冬暖夏凉，年平均气温13.5～14.5 ℃，多年来平均降雨量为961.4 mm，多年平均气温14℃，年最大降雨量1 158.5 mm，年最小降雨量729.6 mm，年降雨量在时间上分布不均匀，主要集中在5～9月，约占全年降雨量的72%。

修建4个人工植物塘（图1），面积分别为54.88、65.52、47.6、78.4 m2。通过管道及沟渠将麦西河河水引入人工植物塘。各植物塘有独立的进出水口，并设置可串联贯通的管道。试验区土壤总氮含量1 759.61 mg/kg，总磷含量705.84 mg/kg。

1.1.2 水生植物引种驯化 于贵阳市羊艾农场、平坝县、情人谷等河中采集生长状况好的野生水生植物移植入人工植物塘。按菱形排列方式种植，每平方米约25株。在C2植物塘引种石菖蒲130窝，在C3植物塘引种7～30 cm苦草218窝，在C4植物塘引种慈姑11株，草、水葱16株。配合自然生长的原生植物形成水生植物群落。C1为空白对照，不引种植物；C2为挺水植物塘，塘内植物为菖蒲（Acorus calamus L.）、石菖蒲（Acorus tatarinowii）、水芹菜[Oenanthe javanica （Blume） DC.]；C3为沉水植物塘，塘内植物为苦草（Vallisneria natans （Lour.） Hara）、眼子菜（Potamogeton distinctus A.Benn.）、慈姑（Sagittaria trifolia Var. sinensis）、竹叶眼子菜（Potamogeton malaianus Miq.）、小茨藻（Najas minor All.）、轮叶黑藻（Hydrilla verticillata）；C4为混合植物塘，引种有挺水、浮叶、沉水植物，包括眼子菜、慈姑、竹叶眼子菜、小茨藻、轮叶黑藻、水莎草（Cyperus glomeratus L.）、水葱（Scirpus validus）、球穗扁莎（Pycreus globosus （All.） Reichb.）、丝叶球柱草[Bulbostylis densa （Wall.） Hand.-Mzt.]、菹草（Potamogeton crispus）、喜旱莲子草[Alternanthera philoxeroides （Mart.） Griseb.]、金鱼藻（Certophyllum demersum）、草（Scirpus triqueter Linn.）、蓖齿眼子菜（Potamogeton pectinatus L.）、睡莲（Nymphaea alba）、狐尾藻（Alopecurus pratensis L.）。但由于试验场地在野外，试验监测期较长，4块植物塘内在一些时期都不同程度生长了原生植物，如满江红[Azolla imbricata （Roxb.） Nakai]、喜旱莲子草、浮萍（Lemna minor L.）、水绵（Spirogyra）。打开进出水口，根据天气、温度及降雨情况关、放水，驯养植物3个月。

在秋季植物生长旺盛时封闭每个植物塘之间的连接口，将麦西河水分别引入C1、C2、C3、C4人工植物塘后封闭，称之为并联，然后每日在各个田中部采水样500 mL进行水质化学分析，测定河水在人工植物塘中滞留时植物群落对水体中氮磷营养物质的去除效果。贯通每个植物塘之间的连接口，将河水引入植物塘，依次流入C1、C2、C3、C4号塘，最后经C4号塘出口流出，称之为串联。监测持续20 d，分别采集进水和各植物塘进出水处500 mL水样测定水质指标，分析河水在人工植物塘贯通串联后植物群落对水体中氮磷营养物质的去除效果。测定指标包括总氮（过硫酸钾氧化―紫外分光光度法）、总磷（钼锑抗分光光度法）、硝氮（紫外分光光度法）、氨氮（钠氏试剂光度法）、亚硝氮（N1-萘基-乙二胺光度法），测定方法详见《水和废水监测分析方法（第四版）》[11]。溶解氧、温度、饱和度和pH用哈希HQ25d溶氧仪测定。

1.2 数据处理

各项指标的去除率按下列公式计算：去除率=[（C0-Ci）/C0]×100%。

式中C0表示初始时浓度；Ci表示第i个塘或者第i天某个人工植物塘水体中的污染物浓度。

1.3 统计分析

采用Execl 2003作图，对利用水生植物群落对水体中氮磷营养物质的去除效果进行分析。

2 结果与分析

2.1 并联氮磷去除效果

从图2、图3可以看出，C1人工植物塘总氮有升高趋势，但规律性不强。C2、C3、C4人工植物塘均能有效去除水体中的总氮、总磷，在一定时间范围内，处理时间越长，去除效果越好。总氮去除效果最明显的是C4，1～5 d的去除率为35.84%～92.81%（表1），去除能力为C4>C3>C2。总磷去除效果最明显的也是C4，1～5 d的去除率为1.4%～80.77%（表1），去除能力为C4>C3>C2。C1塘中并未引种植物，其总氮和总磷含量的不规则变化是受降雨、杂草生长或人为搅动等因素的影响。有研究显示，挺水+浮叶+沉水区水体水质优于挺水+沉水区和单纯的挺水区，对氮磷的去除效果也较为稳定[12]，与本试验结论一致。C4塘是有挺水、浮叶和沉水植物构成的混合植物塘，植物种类多于其他塘，植物生长较好。

2.2 人工植物塘贯通串联氮磷去除效果

麦西河河水经过4个现场人工植物塘后，水体中的总氮、氨氮、硝氮、亚硝氮、总磷能被有效地去除（表2），相对原水其去除率总氮最高达29.10%，氨氮最高达100%，硝氮最高达22.64%，亚硝氮最高达100%，总磷最高达54.32%。

在各个人工植物塘的出水中，氮磷营养盐浓度均呈逐级下降趋势，经过4个现场人工植物塘净化后总氮浓度从4.145 mg/L降低到3.659 mg/L，总去除率为11.72%。氨氮浓度从0.737 mg/L降低到0.084 mg/L，总去除率为88.60%。硝氮浓度从3.280 mg/L降低到3.020 mg/L，总去除率为7.93%。亚硝氮浓度从0.235 mg/L降低到0.046 mg/L，总去除率为80.43%。总磷浓度从0.108mg/L降低到0.078 mg/L，总去除率为27.78%（表3）。

贯通串联时，水体是流动的，且监测时间为20 d，水流、水位等水文特征将干预水生植物生长和氮磷去除。水位变动将影响水生植物的形态特征、生物量、物种分布和物种结构。水流会影响水生植物群落结构、物种分布、繁殖传播、新陈代谢过程和形态特征[13]。且20 d中植物的生长发育死亡也将影响氮磷去除效果。

3 小结与讨论

试验结果表明，滞留并联、贯通串联植物塘对总氮和总磷都有很好的去除效果，水力滞留时间越长，去除效果越好。相对于挺水植物而言，沉水植物更有利于水体中溶解氧的增加，污染物的去除能力也更强。试验结果还表明，植物种类的多样性越丰富，更有利于形成一个稳定的生态系统使水质净化效果更好。所以在河道治理的实际应用中，保持和培育河道植物的生物多样性具有重要意义。同时，河道水生植物能降低水温，在净化河水的同时还可以达到调节局部小气候的作用。

有研究认为植物对水体中营养物质的吸收作用仅是其对水体净化作用的一部分，植物根系对水体净化也有重要作用[14]。水体中氮磷等营养物质通过植物根部吸收在植物体内贮存。植物收获时，水中部分营养物质被移除水体[15]。所以在水生植物死亡时，应该及时收割打捞[16]。

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