李 琳，张 华，岳春雷，李贺鹏，王 珺，杨 乐

（1.浙江农林大学 林业与生物技术学院，浙江 杭州 311300；2.浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023）

随着生活污水和工农业污水的大量排放，河流、湖泊和海湾等水体的富营养化程度逐渐加重，导致了藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧含量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡[1-2]。水体富营养化严重破坏了水体的生态平衡，使水体环境日益恶化[3]。国内外学者经过研究，认为植物修复技术能有效的治理富营养化水体，具有低成本、高效益的优势。植物不仅可以通过吸附、沉降等物理作用净化水质，而且对水体中富营养化的氮、磷等营养物质有很强的吸收能力，转化为自身物质的同时，还能调节水生生态系统的循环速度，抑制藻类繁殖，能够在一定程度上改善水体环境[4-5]。

沉水植物是植物修复技术中重要的净化材料，是水环境生态系统的重要组成部分，主要通过自身的代谢和微生物的共同作用吸收富营养化水体中的氮、磷等有害物质，同时抵制低等藻类的生长[6-7]。孔祥龙等[8]研究表明苦草属Vallisneria的植物对水体中氮、磷具有较强的净化能力。任文君等[9]研究了蓖齿眼子菜Potamogeton pectinatus，竹叶眼子菜P.wrightii，金鱼藻Ceratophyllum demersum和黑藻Hydrilla verticillata4 种植物对白洋淀富营养化水体的净化效果，其中，黑藻的除磷效果最佳，金鱼藻的除氮效果最优。刘丹丹等[10]研究表明伊乐藻Elodea canadensis具有较强的吸收富集能力。当前，有关沉水植物在净化污水中的作用已被实验和实践证明，而且研究还发现多种植物的合理搭配组合能够提高氮和磷的去除效率，并发挥其最大净化潜力[11]。因此，本文选取了4 种净化效果较强的沉水植物，密刺苦草Vallisneria denseserrulata，金鱼藻，黑藻和伊乐藻，构建了11种组合模式，通过室内静水实验，研究不同组合对污水中总氮（TN）、铵态氮（NH4+-N）、总磷（TP）和高锰酸钾指数（CODMn）等的净化效果，旨在优化水环境中的植物配置，以期为富营养化水体中植物的选择应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2019 年5 月10-13 日，在浙江工业大学屏峰校区的上埠河采集密刺苦草、金鱼藻和黑藻，伊乐藻从杭州萧山苗木公司购得，将这4 种沉水植物作为研究对象。实验用于固定根系的渔网和石头用自来水浸泡并用蒸馏水冲洗干净后晾干待用。

1.2 试验方法

2019 年5 月中旬在浙江省林业科学研究院试验大棚内将供试的沉水植物用自来水进行预培养，使其适应生长环境。然后选择生长良好、茎叶完整及性状一致的植株，将其清洗干净并用海绵吸去多余的水分后称量，然后按照表1 的11 种组合方式（A1～ C1）种植在60 L 圆底白色聚乙烯塑料桶内，每种组合设置3 组重复，另设一组对照（CK）只放置渔网和石头，无植物。实验用水采用人工配水，碳源由葡萄糖提供，氮源由氯化铵、硝酸钾提供，磷由磷酸二氢钾提供，微量元素由氯化钙、硫酸锰、硫酸镁、氯化铁提供。实验用自来水配置后的水中总氮浓度为7.00 mg·L-1，总磷浓度为0.70 mg·L-1，氨态氮浓度为3.00 mg·L-1，CODMn浓度为40.25 mg·L-1，达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）劣Ⅴ类标准。每个桶内加入35 L 配置好的污水。实验从5 月22 日开始到6 月26 日结束，每隔一周采一次水样，每个桶在水面下20 cm 处采200 mL 水样，共采5 次。采样结束后消耗的水用配好的污水补充，因蒸发消耗的水每天用自来水补充到原水位高度。最后一次采样结束后，将每个桶内植物全部捞出吸取表面水分，进行称量、烘干，计算生物量。

1.3 测定指标及方法

实验测定的指标包括总氮（TN）、铵态氮（NH4+-N）、总磷（TP）、高锰酸钾指数（CODMn）和溶解氧（DO）。其中TN 用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[12]，NH4+-N 采用水杨酸分光光度法测定[12]，TP 采用ICP-OES 法直接进样测定[13]，CODMn采用酸性高锰酸钾法测定。

表1 植物配置实验组设计Table 1 Submerged macrophyte combinations

1.4 数据处理方法

1.4.1 计算污染物的去除率

为了明确12 组实验对水体中TN，NH4+-N，TP 和CODMn的净化能力，进行了去除率（η）的计算：

式中，C1为初始浓度，C2为结束时的浓度。

1.4.2 综合评价

（1）熵值法计算指标权重。通过各指标的指标值差异程度，利用信息熵，得出各指标权重[14]，计算基本步骤为：

①度量化各指标，计算第j项指标下第i个方案指标值的比重pij：

式中，m为待评价对象个数，n为评价指标个数。

②计算第j项指标的熵值ej：

式中，k＞0；ej≥0 。设k，于是有0≤ej≤1。

③计算第j项指标的差异性系数gj，即：

④计算第j个指标的权重：

（2）确定各指标数值的评分标准。各指标权重确定后，根据已有的研究[15]确定各指标数值的评分标准，见表2 所示。通过确定的各指标权重和评分可计算得到不同沉水植物组合的综合去污能力得分，计算公式如下：

式中，S为待评价沉水植物组合的综合去污能力得分；Wi为第i项指标综合权重；Ri为第i项指标的评分结果。

表2 污染物去除率的打分标准Table 2 Scoring standard for pollutant removal rate

根据S值的大小，最后沉水植物组合对水体去污能力划分为5 个等级（表2），各等级评分的变化范围如下：{很差；较差；一般；良好；优秀}={0.0～ 5.9；6.0～ 6.9；7.0～ 7.9；8.0～ 8.9；9.0～ 10.0}，以此得出沉水植物组合去污能力的综合评价结果。

实验数据的统计分析使用IBM SPSS18.0 软件，方差分析采用Duncan 法进行差异显著性检验，最后用Origin 9.0 作图。

2 结果与分析

2.1 不同沉水植物组合的生长状况

经过35 d 的生长，植株的鲜质量、干质量和生物量均产生了较大的变化，不同植物组合中黑藻的长势较好，其鲜质量与干质量的增长基本都高于同组的其他植物。所有植物组合的合计净增生物量变化范围为0～ 3.89 g（表3），大小顺序为C1＞ B1＞ B2＞ A6＞ B4＞ A4＞ A2＞ A3＞ A1＞ A5＞ B3，其中密刺苦草+金鱼藻+黑藻+伊乐藻（C1）组合中的合计净增生物量显著高于其他组（P＜0.05），生长速度最快。金鱼藻+黑藻+伊乐藻（B3）组合中合计净增生物量最少，植物长势较差。

表3 不同沉水植物组合生物量的变化Table 3 Changes in biomass of different submerged macrophyte combinations

2.2 不同沉水植物组合对水体中TN 的净化效果

实验开始后不同处理中水体的TN 都呈下降趋势，28 d 后稍有上升（图1）。实验结束时各沉水植物组合中水体的TN 浓度均显著小于CK（P＜0.05）。其中B4和C1的净化效果最好，实验结束时水中的TN 浓度分别为0.97 mg·L-1和1.15 mg·L-1。经过35 d 后，不同处理对水体中TN 的去除率依次为B4（86.13%）＞ C1（83.54%）＞A6（82.90%）＞ B2（80.89%）＞ B1（79.14%）＞ B3（78.45%）＞ A5（70.79%）＞ A3（70.42%）＞ A1（68.14%）＞A4（67.22%）＞ A2（65.61%）＞ CK（48.43%）（图2）。

图1 不同沉水植物组合水体中TN 的浓度变化Figure 1 Changes of total nitrogen in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

图2 不同沉水植物组合水体中TN 去除率的变化Figure 2 Change of total nitrogen removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

2.3 不同沉水植物组合对水体中NH4+-N 的净化效果

由图3 可知，各处理对水体中的NH4+-N 均有显著的去除效果（P＜0.05），并且去除趋势几乎保持一致。试验结束时，所有处理组合最终浓度均低于0.63 mg·L-1，不同处理组合对水体中NH4+-N 的去除效果相差不大：C1（97.78%）＞ B1（96.89%）＞ B4（96.78%）＞ B2（96.56%）＞ B3（94.45%）＞ A6（91.67%）＞ A2（91.66%）＞ A3（91%）＞ A4（88.56%）＞ A1（87.78%）＞ A5（85.89%）＞ CK（79.00%）（图4）。其中C1和B1的净化效果最佳，最终水体中NH4+-N 浓度分别为0.07 mg·L-1和0.09 mg·L-1。

图3 不同沉水植物组合水体中NH4+-N 的浓度变化Figure 3 Changes of NH4+-N in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

图4 不同沉水植物组合水体中NH4+-N 去除率的变化Figure 4 Change of NH4+-N removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

2.4 不同沉水植物组合对水体中TP 的净化效果

不同沉水植物组合对水体中TP 的去除效果较明显（图5）。实验结束时，TP 去除率依次是B4（85.59%）＞C1（81.26%）＞ B3（77.69%）＞ A6（76.10%）＞ B2（74.89%）＞ B1（73.78%）＞ A5（70.74%）＞ A1（63.66%）＞ A4（63.17%）＞ A3（55.10%）＞ A2（52.67%）＞ CK（25.77%）（图6）。因此，B4和C1的净化效果最好，实验结束时TP 浓度分别低至0.100 9 mg·L-1和0.131 2 mg·L-1（图5）。

图5 不同沉水植物组合水体中TP 的浓度变化Figure 5 Changes of total phosphorus in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

图6 不同沉水植物组合水体中TP 去除率的变化Figure 6 Change of total phosphorus removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

2.5 不同沉水植物组合对水体中CODMn 的净化效果

不同处理对水体中CODMn的影响变化较大，实验开始前两周所有处理的CODMn随着处理时间增加迅速下降，去除率基本都超过了80%，后三周所有处理的CODMn随着处理时间增加都有小幅上升，但是去除率都维持在70%以上（图8）。

图7 不同沉水植物组合水体中CODMn 浓度的变化Figure 7 Changes of CODMn values in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

图8 不同沉水植物组合水体中CODMn去除率的变化Figure 8 Change of CODMn removal rate in eutrophic water submerged of different macrophyte combinations

实验结束时，各处理对水体中CODMn的去除效果相差不大：C1（89.63%）＞ B2（88.96%）＞ B3（88.19%）＞B1（88.17%）＞ A5（87.77%）＞ A2（87.61%）＞ A6（87.10%）＞ B4（86.97%）＞ A4（86.36%）＞ A1（80.72%）＞CK（80.72%）＞ A3（76.54%）。其中，以C1和B2对水体中CODMn的净化效果最好，其最终CODMn的浓度分别为4.17 mg·L-1和4.44 mg·L-1（图7）。

2.6 不同沉水植物组合净化效果的综合评价

试验期间，供试的沉水植物组合在不同阶段对TN，TP，NH4+-N 和CODMn的去除率均存在差异，因此，在筛选去污能力较强的沉水植物组合时，不能只将其中一个或几个指标作为评价依据，而应该进行综合考虑，为了对11 种沉水植物组合的净化效果做出一个全面的整体性的评价，采用了模糊综合评价对测定的水质指标进行了综合评价，运用熵值法[14]求出4 种水质指标的权重系数为W={TN，TP，NH4+-N，CODMn}={0.400 664 357，0.567 795 568，0.012 714 037，0.018 826}。

根据以上确定的各指标权重和评分标准，经公式[15]计算得到不同沉水植物组合的综合评价结果如表5。由表5 表明，B4（密刺苦草+黑藻+伊乐藻）和C1（密刺苦草+金鱼藻+黑藻+伊乐藻）的净化效果最好，A3（密刺苦草+伊乐藻）和A2（密刺苦草+黑藻）对水体中污染物的净化效果较差。

表5 11 种沉水植物组合对水体中污染物净化能力的综合评价结果Table 5 Comprehensive evaluation on purification capacity of 11 submerged plant combinations in eutrophic water

3 讨论

本研究结果表明，密刺苦草、金鱼藻、黑藻和伊乐藻不同组合对水体中TN，TP 均有较好的净化效果，并且实验期间所有沉水植物组的氮磷去除率均显著高于CK。不同组合处理组水体中TN，TP 最终去除率的范围分别为65.62%～ 86.14%和52.10%～ 85.59%。本次实验水体中磷的去除主要依靠植物直接吸收、吸附和沉淀作用等途径去除[16-17]，而水体中氮的去除除了这些途径外，还存在氨的挥发、硝化和反硝化等途径[8,18]。实验期间各植物处理组水体中TN 浓度一直呈下降趋势但在最后一周稍有上升，可能是因为实验期间水体中的氮主要通过植物吸收、微生物降解、物理作用等途径去除，同时沉水植物光合作用消耗水中CO2，导致pH 值升高，OH-与水体中NH4+-N 结合，使氨态氮以氨气的形式吹脱，氨态氮浓度急剧下降，TN 也呈现下降趋势[19]。实验后期，位于水体下半部分的植物因受到上半部分其他植物的遮蔽，光合作用受到影响，生长速度较慢，甚至出现了叶片凋零的现象，造成了水体中TN 浓度的升高。CK 水体中TN 和NH4+-N 的去除主要通过吸附、沉降等物理作用及氨的挥发作用。实验期间，各处理组水体中TP 浓度随处理时间增加均呈下降的趋势，植物处理组合主要通过沉水植物分泌助凝物质加速吸附沉降水体中的悬浮颗粒态磷，同时植物生长吸收固定了部分磷元素[17]，使TP浓度迅速降低。CK 水体中的TP 主要是通过筒壁、石头和渔网的吸附及沉淀等物理作用去除。实验初始，由于投加的葡萄糖为低分子有机碳源，容易被氧化分解，易被反硝化细菌和聚磷菌利用，所以第7 天时，各处理组的CODMn迅速下降，同时有机物的加速分解也引起了溶解氧浓度的降低，实验中后期部分沉水植物处理组水体中的CODMn有所上升，这主要是由于沉水植物根腐烂与分解及微生物代谢会产生一定量的有机物[20]，致使水体中CODMn浓度增加，进而导致去除效果受影响。

本研究结果表明，4 种沉水植物组合的11 种方式中，以B4和C1的综合净水效果较好。一方面是水体中污染物去除率可能与沉水植物净增生物量密切相关，将不同种类的沉水植物进行组合，植物能够在上下立体空间生长，增加等面积水域的生物量，沉水植物表面附着的微生物数量增加，促进根际微生物吸收、根系滞留、根际周围硝化反硝化等作用，提高净化效果[21-22]。另一方面可能与植物多样性有关。多种沉水植物组合时，可以相互补充水体对污染物的不同处理功能，有利于实现水体的完全或半完全自我循环，对污染物的净化效率更高，净化效果也更稳定[23]。本次实验中C1的净增生物量显著高于其他组，可能与生物多样性有关。Laughlin 和Sutton-Grieret 等[24-25]的研究表明植物多样性能促进植物生物量、微生物氮固持的增加，最终强化基质中硝化作用和反硝化作用，与本文的研究结果相符合。B4组净增生物量为2.64 g 与C1的3.89 g 也相差不多，而且不同处理组中黑藻的净增生物量均高于其他植物（表3）。一些研究表明[26-27]，黑藻的耐污能力强，生长速度快，可快速吸收营养盐用于自身生长，黑藻对氮、磷的去除能力较强。伊乐藻、黑藻同属于水鳖科Hydrocharitaceae多年生沉水植物，二者具有相似的营养体形态，速生高产，其断枝繁殖能力强，环境适应性强，具有较强的水质净化功能，已经被广泛的应用于湖泊生态环境的治理和水生植物群落的恢复中[28]。时志强等[29]研究表明，苦草V.natans发达的根系有利于固定沉积物，防止颗粒物质再悬浮，提高水体透明度，为沉水植物的生长提供充足的光照和良好的水下光环境，根系泌氧，改善水体的厌氧状态，提高了微生物的降解转化作用。密刺苦草与苦草同为苦草属Vallisneria，形态特征相似，也具有上述的功能特性。B4和C1的综合净化能力较强，可能是由于不同沉水植物各物种间产生了互补效应。一些研究结果表明[30-31]，多样性也能够使各物种间产生互补效应，增强对资源利用的完全程度，与本文的观点相符。刘淼等[32]研究也表明将苦草，轮叶黑藻Hydrilla verticillata，穗花狐尾藻Myriophyllum spicatum进行植物配置后对沉水植物塘水质的净化效果更好。李欢等[33]研究4 种挺水植物、4 种沉水植物及其组合群落对富营养化水体的净化效果的实验中表明，与单由挺（沉）水植物组成的群落相比，混合群落生长和生态功能都具有一定的增强效应。

从植物生长状况和水体综合去污能力等方面考虑，在富营养化水体修复时可优先考虑B4和C1。本次研究结果对富营养化水体修复中植物配置和生态工程应用方面都具有一定的参考价值。但室内静水条件与野外自然条件仍存在较大差异，在野外沉水植物的生长及水体中各物质含量会受到气候、水流和水生动物等方面的影响，而且本次试验是在静态环境中的短期实验，所以在实际应用中还有待进一步的观察。

4 结论

密刺苦草、金鱼藻、黑藻和伊乐藻4 种沉水植物所组成的11 种组合中，沉水植物在富营养化水体中均能正常生长，不同沉水植物组合对水体中污染物的去除效果较好。11 种组合中植物长势最好，净增生物量最多的组合为C1（密刺苦草+金鱼藻+黑藻+伊乐藻），最终净增生物量为3.89 g。不同沉水植物组合对水体中TN，TP的净化效果最好的是B4（密刺苦草+黑藻+伊乐藻）和C1，去除率分别为86.14%，83.52%和85.59%，81.26%。C1和B1对NH4+-N 的净化效果最好，最终NH4+-N 浓度为0.07 mg·L-1和0.09 mg·L-1。对水体中CODMn去除效果最好的组合为C1和B2（密刺苦草+金鱼藻+伊乐藻），去除率达到了89.63%和88.96%。综合评价结果表明，对富营养化水体中污染物能力较强的组合为B4和C1。