刘长娥， 付子轼， 周胜*， 孙会峰

(1.上海市农业科学院 农业科技信息研究所， 上海 201403； 2.上海市农业科学院 生态环境保护研究所， 上海 201403；3.上海低碳农业工程技术研究中心， 上海 201415)

水体富营养化是我国江河、湖泊面临的重要水环境问题之一，而恢复与建立水生高等植物系统是治理富营养化水体的重要内容。水生植物在水质净化等方面起着重要的作用，在生态修复、人工湿地、富营养化以及景观水体中被广泛应用，不但能直接吸收水体中的营养物质，而且能输送氧气到根区为微生物的生长、繁殖和污染物降解创造适宜条件。利用水生植物净化污染水体因成本低、效率高、改善景观及生物多样性、恢复生态环境等特点而发展十分迅速。我国利用水生植物净化水质的研究始于20世纪70年代中期，包括静态条件下单一物种及多种植物配植对污染物浓度较高的污水净化作用及动态方法研究水生植物对污水的处理效果[1-2]。

虽然水生植物净化污水有很多优点，但在其净化污染水过程中，随着体内养分的饱和及植物生长的减弱、枯黄和死亡，部分养分重返于水体中，导致二次污染。植物收割是目前被普遍认为能够减少二次污染并将污染物移除水体外的主要措施之一，而适宜的收割频率和时机很重要。不同植物吸收积累养分的特征不同，为了解不同植物适宜的收割频率及饱和养分吸收量，本试验选取8种生态净化中常用的水生高等植物，分析收割与不收割对水中N、P含量的影响，为净化污染水体植物的管理与选种提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地位于上海市农业科学院现代农业园区的庄行生态环境试验区，面积约1 500 m2。2012年根据低碳农业工程技术综合体系研究中心的研究规划，建立了不同处理的水生植物小区，每小区面积约35 m2，种植密度为4株丛·m-2，各处理同种植物按收割与不收割设置对照。其中，收割是每年植物枯黄时期进行齐地面刈割，移除植物地上部分。

选取常见挺水植物芦苇、茭草、水葱、美人蕉、香蒲、再力花、黄菖蒲和菖蒲8种水生植物系统作为研究对象，按收割与不收割进行相关研究。

1.2 采样与分析

1.2.1 植物样品采集

10月下旬植物枯黄前，对8种水生植物的地上与地下部分进行取样。为减少对植物生长的破坏，保证后续研究的正常进行，根据植物的大小，每处理选取1～3个典型分蘖枝连根挖出，洗净根系，分割为地上与地下部分，分别对应挂上相应处理的植物名称，按一定长度捆绑放入105 ℃烘箱，杀青15 min，然后调整为80 ℃烘干至恒量，最后根据单位面积中植物的分蘖数，换算为单位面积植物的地上与地下部分的生物量，重复3次。将烘干后的植物样品粉碎，送实验室进行总氮(TN)、总磷(TP)的测定。植物样品用H2SO4-H2O2消煮制备成溶液，TN用纳氏比色法测定，TP用钼锑抗比色法测定。

1.2.2 水样品采集

用抽水泵对25个处理小区的表层(0 cm)和10 cm深的底层水进行取样，每个样品重复3次，分别装入0.5 L塑料瓶中，注明相应名称编号与重复号，立即送入实验室进行TN和TP的测定。TN用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，TP采用钼酸铵分光光度法测定。

1.3 数据分析

植物N、P积累量=植物N、P浓度×植物生物量。利用Excel 2003软件进行数据统计与绘图，采用SPSS 13.0软件进行数据统计，分析各特征指标值间的相关关系(P<0.05)。

2 结果与分析

植物对污染物的净化效果与植物的种类、生长速度、生长阶段、植物生物量、植物自身N、P累积量及植物根际微生物的作用有关，不同水生植物对污染物质的去除能力有较大的差异[3-6]。

2.1 不同植物种类对水质的影响

利用水生高等植物治理富营养化水体的工程中，植物种类的选取非常重要，不同植物种类对水中N、P去除效果存在差异。

由图1可知，8种水生植物对0～10 cm水体中N的净化效果由高至低依次为美人蕉>菖蒲>水葱>香蒲>芦苇>黄菖蒲>茭草>再力花；对0～10 cm水体中P的净化效果由高至低依次为美人蕉>茭草>水葱>芦苇>香蒲>黄菖蒲>再力花>菖蒲。美人蕉的水体净化效果较好；再力花对水体中N的净化效果较差，菖蒲对水中P的净化能力较弱；空白对照的水质相比植物系统处于中上等，具体原因还有待进一步研究。

图1 不同植物净化水体N、P含量对比

图2显示，各植物系统表层中N、P含量普遍显著高于底层水，这可能与根际效应有关。根区是植物去除污染物的活性区，根际是土壤微生物活动非常活跃的微生态环境，也是“植物—土壤”系统物质和能量循环的界面。水生植物系统是植物、动物、微生物与环境要素之间密切联系、相互作用，通过物质、能量交换所构成的具有一定功能的生态系统[7]。植物在这个系统中除吸收和吸附污染物质外，还将光合产物以根系分泌物的形式为根际微生物提供养分和能源，根际微生物不仅自身参与循环过程，并影响植物对污染物质的吸收和利用，同时也是系统污染物质去除的主要执行者之一[8]。

不同大小写字母分别表示处理间在0.01和0.05水平差异显著。图2 植物净化不同水位N、P含量对比

2.2 植物收割对水质的影响

水生植物净化污水过程中，若植物枯黄仍不收割，自然凋落会导致部分植物残体在水体中滞留，残体溶出并释放C、N(以有机氮和氨氮的形式)和P，导致水体恶化。因此，采用收割方式将植物残体移出水体外是目前净化污水过程中常用的植物管理措施。通过收割植物移除水体N、P量的多少，取决于植物收割的频率和时期、进水负荷、气候条件和植物物种等因素[9-10]。

表1显示，不同植物种类收割后的污染物去除效果不同。相比未收割，收割菖蒲的表层水N、P含量分别减少43.4%、75.3%，底层水分别减少51.1%、95.3%；收割再力花的表层水N、P含量分别减少44.0%、60.8%，底层水分别减少62.9%、83.9%；收割芦苇的N、P含量表层水分别减少22.1%、18.2%，底层水分别减少37.7%、12.5%；收割黄菖蒲表层水N含量增加5.5%、P含量减少55.6%，底层水N、P含量分别减少44.0%、68.0%；收割美人蕉N、P含量表层水分别减少51.6%、22.2%，底层水分别减少14.9%、33.3%。茭草、水葱和香蒲收割对水体的净化作用不大，收割后其水体中N、P含量普遍高于未收割处理，香蒲收割后水中N含量较未收割仅减少3%左右。

表1 植物收割对水质的影响

综合而言，8种水生植物系统中，除茭草、水葱和香蒲外，其他5种植物收割后的水质普遍好于未收割，水体中N、P含量大幅降低。

2.3 植物收割移除污染物量与水质净化相关因子

水生植物对污染物的去除能力与植物种类、植物净生长量、单位生物量的污染物蓄积强度有关，植物还可通过根系分泌物影响系统中微生物的特性，进而影响对污染物的净化效果[11-13]。分析表明，植物收割移除的N、P量与水体中去除的N、P量呈正相关，但均不显著。其中，通过植物收割对表层水水质的影响略高于底层水(表2)。

表2 植物收割移除N、P量与水中去除N、P量相关分析

有关研究表明，通常生物量大、N、P积累量高的植物对污染水体中N、P吸收能力较大[3,14-15]。通过植物适时收割可以彻底将污染物移除水体，并且减少凋落物腐烂造成的二次污染，这也是收割对表层水水质影响较大的其中一个原因，植物收割有利于污染水的净化。

3 小结与讨论

研究中的8种水生植物通过适度收割管理具有良好的净化能力，植物收割前0～10 cm水体平均N含量普遍为地表水GB3838—2002中Ⅲ～Ⅳ类水标准，P含量为Ⅲ～Ⅴ类水标准，个别种类(再力花)水质为劣Ⅴ类水。植物收割后，除茭草外，0～10 cm水体平均N含量达到Ⅱ-Ⅲ类水标准，P含量达到Ⅲ～Ⅳ类水标准。

有研究认为，N、P主要集中在植物的地上部[16]，也有研究认为大部分植物地下部分N、P含量与地上部分基本相当[17]。本研究中，75%水生植物地上部分N含量高于地下部分，50%植物地上部分P含量高于地下部分，具体依植物种类而定。年末对植物地上部分收割，经过一个生长期后，大部分水体水质可提高1～2个等级，单次移除的植物N、P积累量对净化水质的贡献较小，与其去除的N、P量相关不显著，因此，需要掌握适宜的收割频率和时机。

水生植物在水环境治理中起着重要的作用，一方面是自身可以吸纳同化大量污染物，另一方面，通过发达的根系为微生物提供良好的生存环境，进而提高系统对污染物的吸收与利用能力，其中通过植物生长吸收去除的量很小，研究表明，植物通过吸收去除N、P一般占5%～10%[18-19]，而根系微生物的硝化与反硝化作用是N去除的主要途径[20-23]。因此，在利用水生植物净化污染水的过程中，除了选取适宜的植物种类外，根据不同植物的养分积累特征、再生能力等对植物地上部分进行及时收割，以保证水生植物系统长效净化效能。