刘义满 王爱新 乐有章 魏玉翔

2 菱角对富营养化水体的净化效果

2.1 菱角植株生物量大，有利于大量吸收和积累水体营养物质及重金属等污染物

菱角植株生长迅速，生物量大。特别的一点，菱角除了具有土中根系外，其沉水茎上具有大量兼具吸收、光合及贮藏功能的不定根（图1），有利于大量吸收和富集水体营养物质及重金属等污染物。李文朝[24]在江苏无锡五里湖的研究结果表明，菱角耐污性较强，生物量大；6月定植时植株水面叶片覆盖率约20%，1个月后水面叶片覆盖率即可达100%，最高生物量（鲜质量）达7 kg/m2以上。杨孟等[25]报道的太湖菱角（红菱）生物量则高达22.5 kg/m2。有人在美国哈德逊河流域调查，菱角植株干物质生产量可达1 kg/m2以上[26]。日本佐贺大学（Saga University）Arima等[27]利用从我国杭州及上海引进的大果型（单果鲜质量15～30 g，包括四角菱、二角菱及无角菱），源自日本的中果型（单果鲜质量5～10 g，均为四角菱）和小果型（单果鲜质量5 g以下，均为二角菱）菱角进行种植比较试验，结果植株干质量（包括地上和地下部分）大果型和中果型菱角大于600 g/m2（400 kg/667 m2），小果型菱角植株干质量产量300～500 g/m2（200～334 kg/667 m2）。易磊[28]在河北白洋淀调查结果表明，菱生长期4月至10月初，主要生长期7～9月，高速生长期集中于40～80天（即7～8月），植物生物量在果实成熟的9月下旬达到最大值。植株体内氮、磷累积量在植株生长最旺盛的8月上旬达到最大值。其中，叶片具有最大生物量和氮、磷积累量，其次为茎，根最小。在种植水生植物的水体中，污染物去除总量中，有一部分是通过植株吸收作用去除的。植物通过吸收作用去除的污染物量占污染物去除总量的比例，即为植株吸收贡献率。徐蕾等[11]研究结果表明，在严重富营养化和异常富营养化水体中，TN和TP去除率中的菱角植株吸收贡献率可以分别达34.8%～36.9%和24.1%～34.5%。

图1 菱角植株生长量大、不定根众多，水体净化功能强，可以做到生态效益和经济效益协调统一

2.2 菱角对重金属的富集积累能力

黄亮等[29]2000年对武汉地区相关湖泊的调查结果（表1）显示，除Pb为叶片富集能力大于根部外，其他为根部大于叶部，如武湖的菱角植株根部和叶部重金属质量分数比值分别为Zn 2.30、Cr 2.80、Cu 2.20、Co 3.80、Ni 2.60、Cd 2.30、Pb 0.85。菱角叶部对水中重金属富集 系 数F（×103）分 别为Zn 3.53、Cr 2.57、Pb 5.00、Cu 3.99、Co 3.69、Ni 3.61、Cd 66.20。生物体内Cd与金属硫蛋白的紧密度比Zn大3 000倍，Zn和Cd与硫蛋白中的巯基结合时，Cd可以置换Zn。Zn/Cd值可以反映重金属积累能力，也间接指示植物的破坏程度，如武汉斧头湖、涨渡湖及武湖菱角叶片内的Zn/Cd值分别为73.1、9.1及15.1。

表1 武汉斧头湖、涨渡湖及武湖内菱角叶片重金属质量分数[29] μg/g

周娜[30]研究结果表明，菱角不定根对Hg2+和Cu2+的最大吸附量分别为5.5、9.75 mg/g，最大吸附比表面积分别为0.65、1.51 m2/g。

印度Vinod等[31]进行的植物修复研究（Phytoremediation experiments）中，利用菱角（Trapa natans）处理城市污水（municipal wastewater），文中城市污水取自活性污泥法城市污水处理厂（activated sludge process-based municipal wastewater treatment plant），结果显示，菱角能在P〈0.05、0.01或0.001水平上显著减少Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Pb、Zn等重金属含量。菱角对这些指标的去除速率在处理15～45天内逐渐增加，处理60天时略有放缓，但去除量达到最大值。Cd、Cu、Fe、Mn及Zn的大部分积累于叶部，而大部分Cr和Pb积累于根部。

王方园等[32]研究表明，培养液中添加砷和汞后18天，菱角根、茎、叶对水体砷和汞的富集系数明显大于对土壤砷和汞的富集系数；对水体汞的富集能力大于水体砷；根部的富集能力大于茎和叶（表2）。该研究结果还表明，菱角对砷和汞的富集能力大于茭白。分析还认为，汞的存在会抑制水中砷向菱角迁移。

表2 菱角根、茎、叶对水体和土壤中的砷、汞的富集系数[32]

虽然不同研究结果中，菱角对重金属等的富集能力差异较大，但总体而言，菱角对重金属具有较强的富集能力，可以用于重金属清除。

2.3 菱角对富营养化水体的净化作用

关于菱角对富营养化水体的净化作用，我国一些研究人员进行过模拟研究（表3）。综合表3模拟研究结果，种植菱角对富营养化水体化学需氧量去除率为42.40%～67.52%，总磷去除率33.86%～87.50%，总氮去除率44.10%～87.92%，氨氮去除率58.0%～74.5%，均明显高于对照（高出对照的幅度，不同研究结果不一，低者13.3%～16.6%，高者267.43%），显示出较好的水体净化能力。另外，研究结果显示，种植菱角还可较大幅度增加水体透明度。至于水体溶解氧，有个别模拟研究显示，种植菱角可以大幅度增加其含量，但该结果与多数调查检测结果不相符合。

表3 模拟实验中菱角植株对水体富营养化物质的去除率 %

我国不同地区利用菱角进行的工程化水体净化示范项目中，亦显示出很好的效果。廖荣明[39]2008-2009年调查，安徽合肥烔炀河水质基本维持在Ⅲ～Ⅴ类，虽然菱角植株使水体溶解氧含量有一定程度降低，但总体上对水体氮、磷有良好净化效果。高吉喜等[40]在云南滇池流域自然条件下研究前置库对面源污水净化效率，7～8月，定植期菱角水面覆盖率约80%，结果氮净化率48.9%、磷净化率50.9%。王琴等[41]在白洋淀的监测结果显示，相较于无植被区，菱角种植区水体透明度（SD）0.74 m（增加45%）；菱角种植区和菱角种植区外围水体TN、NH4+-N、TP以及底泥总氮（STN）和总磷（STP）均有一定削减效果，其中菱角种植区外围9月下旬TN去除率达63.5%，7月下旬和10月中旬TP去除率分别达到55.6%和88.4%；菱角种植区8月下旬铵氮去除率31.4%，10月中旬凯氏氮去除率45.2%。但是，9月下旬菱角进入采收期后，水体溶解氧低于无植被区。而且，菱角植株腐烂沉积会导致底泥总磷含量增加。刘存歧等[42]在河北白洋淀的研究结果显示，种植菱角的水体透明度比对照区平均增加0.55 m，增幅65%；浮游植物密度显著降低。另外，菱角的生物量、氮和磷含量以及氮、磷积累量均在7月30日达到峰值，水体透明度也最高，此后氮、磷积累量逐渐下降，到9月30日菱种植区水质反而劣于对照。王琴等[41]和刘存歧等[42]的研究结果均提示，利用菱角净化水体时，应注意合理配置种植密度，并及时清除菱角植株。

山东济宁南四湖湖区浅水域、废弃池塘、塌陷地水域、入湖河口水域等不同生态区内，种植菱角对富营养化水体起到很好净化效果。高敏等[43]调查结果表明，菱角种植区水体COD、TP、TN及NH3-N去除率分别为46.37%～57.03%、98.38%～99.60%、93.10%～96.15%及93.07%～98.63%。杨孟等[25]报道，在太湖梅梁湾中犊山和管社山菱控制性种养工程样地中，种植菱角（红菱）水域水质明显改善，与无水生植物水域相比，TN浓度降低约50%，TP降低20%～76%，Chla降低68%，水体透明度增加1倍。菱角生物量15 t/667 m2，其中氮同化去除量30.33 kg/667 m2，磷同化去除量4.87 kg/667 m2。

戴伟东等[44]对浙江温州三篛湿地内的2块大面积种植菱角种植区（分别约6 000、3 000 m2，用种量10 kg/667 m2，主要种植期5～10月）调查结果，与对照区比较：①水体透明度、营养盐和叶绿素a浓度等指标均有明显改善；②与非种植区比较，2个菱角种植区水体透明度在7月差异最显著，分别提高0.4和2.3倍；③TN在5月差异最显著，质量分数分别下降39.7%和20.6%；④TP含量在5～6月差异最显著，分别下降58.6%和42.6%；⑤氨氮在6月差异最显著，分别下降72.1%和61.3%；⑥叶绿素a分别在5～7月差异最显著，分别下降61.4%和77.5%，均差异显著。另外，菱角种植区内的高锰酸盐指数均低于非种植区，浮游动物密度显著降低。邵珊等[45]调查结果表明，在旱生蔬菜种植区排水下游种植一定面积菱角，使TN和TP分别下降98.08%和85.66%，表明菱角能有效拦截地表径流中的TN和TP。

印度Vinod等[31]研究结果显示，菱角能在P〈0.05、0.01或0.001水平上显著减少城市污水中总 溶 解 固 体（total dissolved solids，TDS）、电 导 率（electrical conductivity，EC）、五 日 生 化 需 氧 量（biochemical oxygen demand，BOD5）、化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、总凯氏氮（total Kjeldahl nitrogen，TKN）、磷酸盐（phosphate，PO43-）、钠（Na+）、钾（K+）、钙（Ca2+）、镁（Mg2+）等含量。修复研究结束后，菱角植株各生化成分（biochemical component）含量依次为总糖（total sugar）〉粗蛋白（crude protein）〉总灰分（total ash）〉粗纤维（crude fiber）〉总脂肪（total fat）。综合认为，菱角净化城市污水效果良好，用于处理活性污泥法城市污水处理厂污水，可以有效降低污染物含量。

2.4 菱角对氮素再悬浮的影响

黄沛生等[46]曾经在太湖梅梁湾口调查研究菱角对氮素再悬浮的影响，结果显示，菱角生长区内（生长区边缘20 m内处）水底泥层表层2 cm沉积物的有机物含量5.95%～11.49%，水面再悬浮物（resuspension）有机物含量21.86%～50.39%；菱角生长区外（生长区边缘30 m外处）水底泥层表层2 cm沉积物的有机物含量6.41%～12.03%，水面再悬浮物有机物含量15.19%～50.40%。菱角生长区内的沉积物和再悬浮物有机物含量差异不明显。但是，菱角生长区内和区外沉积物的再悬浮速率存在明显差异。菱角生长区内沉积物平均再悬浮速率218.46 g·m-2·d-1，仅为菱角生长区外（658.13 g·m-2·d-1）的33.20%。通过再悬浮作用，8月下旬至11月上旬菱角种植区内沉积物平均每天每1 m2带入水中的TN为719.63 mg，仅为菱角种植区外（1 536.14 mg）的48.85%。也就是说，在富营养化水体中种植菱角，能够显著降低沉积物再悬浮速率，进而降低水体TN含量。

2.5 菱角对藻类的抑制作用

唐萍等[47]进行的克藻研究中，栅藻（Scenedesmus arcuatusL.）藻液光密度OD650值达0.05时，植入菱角植株，植株叶片水面覆盖率50%，培养7天时，对照OD650值上升至0.12，而菱角种植处理的藻液OD650值降至约0.03。栅藻体内丙二醛积累量（常可反映机体胁迫损伤，特别是膜结构破坏程度）达150.3 nmol/g，为对照的1.69倍；SOD活性（其活性对多种环境因子的胁迫敏感）为671.7 U/g，仅为对照的60.02%。另外，利用已培养种植菱角6天的种植水，接种栅藻（起始OD650值0.05）培养7天时，OD650值下降至0.087，为对照的66.92%；栅藻内Chla含量963.1 U/g，仅为对照的68.39%。综合试验结果，菱角对栅藻生长具有抑制作用。李峰民等[48]试验结果，菱角不同部位浸出液对蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）均有一定抑制作用，而且植物体经过干燥保存后，其浸出液仍具有化感作用。

3 菱角种植对水体质量的负面作用

利用菱角进行水体净化时，亦可能产生一定负面作用。例如，有调查结果显示，菱角覆盖度增加时，会导致水体溶解氧含量降低。水体溶解氧在硝化作用中起重要作用，硝化细菌正常代谢也需要溶解氧。每1 g氨氮（以氮元素计）转化为硝态氮，最大需要消耗4.57 g溶解氧。溶解氧较高时不会抑制硝化细菌的繁殖和硝化作用，较低时对硝化细菌有明显抑制作用。保障硝化作用彻底进行，硝化系统中的溶解氧含量应保持在2 mg/L以上。也就是说，水体溶解氧高有利于对水体中各类污染物的降解，从而使水体较快得以净化；反之，溶解氧低，水体中污染物降解较缓慢。国家标准GB 11607-1989《渔业水质标准》要求水体溶解氧含量“在连续24 h中，16 h以上必须大于5 mg/L，其余任何时候不得低于3 mg/L，对于鲑鱼类栖息水域冰封期其余任何时候不得低于4 mg/L”。天然水体中溶解氧含量一般为8～10 mg/L。

Caraco等[49]调查结果表明，在美国哈德逊河（Hudson River）流域，以菱角（Trapa natans）为主的植被区中40%的生长期内水体溶解氧浓度值低于2.5 mg/L，相比之下，在同一时期，以美国本地物种美洲苦草（Vallisneria americana）为主的植被区，水体溶解氧浓度5 mg/L以上。廖荣明[39]2008-2009年调查表明，安徽合肥烔炀河水体溶解氧含量4.80～6.25 mg/L，其与高锰酸钾指数（CODMn）、氨氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、亚硝态氮（NO2--N）及总氮（TN）之间的偏性关系数（partial correlation coefficient）均为极显著负相关。表明水体溶解氧含量在4.80～6.25 mg/L范围内降低的同时，水体CODMn、NH4+-N、NO3--N、NO2--N及TN的含量会极显著增加。而曹新光等[50]在湖北黄州市遗爱湖的调查结果表明，水体溶解氧（DO）含量7.2～10.0 mg/L，与天然水体含量一致，属于正常水平。计算表明，遗爱湖水体溶解氧含量、pH值（7.5～8.5）、CODMn（6.50～11.10 mg/kg）、NH3-N（0.32～0.72 mg/kg）、TP（0.09～0.21 mg/kg）、TN（0.88～1.46 mg/kg）、F-（0.31～0.37 mg/kg）、Chla（0.040～0.092 mg/kg）及SD（水体透明度，0.31～0.47 m）等指标之间，尽管TP与pH、SD与Chla之间呈极显著负相关，NH3-N与F-之间呈显著正相关，CODMn与Chla之间呈极显著正相关，但水体溶解氧其他指标之间的相关系数则均未达显著水平。

又如，菱角植株腐解也可能导致水体质量变劣。汤志凯等[51]设置菱角植株初始生物量密度为5.7 g/L，在模拟条件下腐解时，腐解速率在第2天达到最大值，之后是快速腐解阶段，一直到第45天进入较低水平的缓慢分解阶段，至第120天则腐解率达到94.5%。腐解速率与水体化学需氧量（高锰酸钾指数CODMn）及可溶性有机碳（DOC）含量之间均呈极显著正相关。整个腐解周期内，平均磷释放率为0.670 mg/g（以无机磷酸盐为主）；腐解120天时，植株总磷（TP）含量比初始浓度降低52.31%，水体TP与初始值相近，而底泥TP比初始值增加284%，植株腐解向水体释放的磷与底泥之间发生明显交换。王琴等[41]和刘存歧等[42]在河北白洋淀的研究结果均显示，9月下旬菱角进入采收期后，菱种植区水质反而劣于对照。其中，水体溶解氧低于无植被区，菱角植株腐烂沉积导致底泥总磷含量增加。该结果与有关研究人员利用芡实进行的研究结果类似[52]。

尽管菱角种植对水体环境有一定的负面作用，但综合而言，菱角种植对水体环境的改良效果大于负面效果。

4 提高菱角水体净化效益的建议

4.1 菱角与其他植物配合，构建周年水体净化植物配置模式

李文朝[24]建议，利用伊乐藻（Elodea nuttallii）、菹草（Potamogeton crispus）等耐寒型沉水植物，与菱（Trapaspp.）、凤眼莲（Eichhonia crassipes）等夏季净化能力较强的喜温植物组成常绿型水生植被，形成生长期和净化功能的季节性交替互补，在冬季和夏季都具有较强的水质净化能力和抑藻能力。与处理区外相比，水体透明度提高2倍以上，消光物质含量减少80%左右，NH4+、PO43-降低50%左右；浮游藻类受到强烈抑制，Chla仅为处理区外的20%～50%。如果在水生蔬菜范围内选择配置植物，则菱角（春夏秋）—水芹或豆瓣菜（秋冬春，浮水种植）也是一个可行的水体净化植物周年配置模式。

4.2 对于主要用于水体净化的菱角植株而言，要选择适宜密度、及时采收产品和清除植株残体

多项研究结果提示，种植菱角进行水体净化时，除了保持适宜的密度外，宜及时清除菱角植株残体，防止源自菱角植株的有机质过量积累于底泥，导致第二次污染。如易磊[28]在河北白洋淀调查认为，菱角适宜收割时期为9月末。根据关保华等[12]研究，利用菱角进行水体净化时，适当提高密度，有利于茎叶中的磷积累，便于随同茎叶一同清除。