摘要：本文以狐尾藻、水葫芦、石菖蒲3中水生植物为研究对象，对其对富营养化水的净化效果进行研究分析。试验处理NH4+-N初始浓度为4mg/L、TP初始浓度为2mg/L。试验水样体积为10L。试验周期为7周。然后再从三种植物中选出处理效果最好的植物对NH4+-N初始浓度分别为8mg/L和16mg/L和TP初始浓度为1mg/L和4mg/L的水样进行处理研究并与之前该种植物处理NH4+-N初始浓度为4mg/L、TP初始浓度为2mg/L时水样的结果作对比。结果显示，狐尾藻、水葫芦、石菖蒲这三种水生植物对富营养化水体都有明显的净化作用。而且石菖蒲不仅能适应一般情况的富营养化水体，而且能适应较高程度的富营养化的水体，并且生长情况良好，更适用于对富营养化水体的净化。
关键词：水生植物；富营养化水体；净化效果
1前言
目前，国内外已广泛开展了利用水生植物净化富营养化水体的研究。但是，由于富营养化景观水体具有氮、磷含量高和化学需氧量含量相对较低且不易生物降解等特点，单一的水生植物很难有效地去除景观水体中的污染物。因此，如何针对富营养化景观水体的污染特点，构建高效水生植物系统，选择对氮、磷营养物和有机污染物有较好去除效果的水生植物是研究的关键[1]。本研究学校周边的红河为研究对象，选择不同种类的水生植物狐尾藻、水葫芦、石菖蒲，研究其在水体中的生长特性及其对各种污染物的净化效果，通过模拟实验，选出适合富营养化景观水处理的挺水植物，为富营养化景观水体修复工程和提高污染物的处理效率提供技术支持。
2相关理论概述
2.1水生植物的概念
水生植物，顾名思义是指生长在水中，或者对水分的要求和依赖比较强的植物。根据水生植物的生活方式，一般将其分为以下几大类：挺水植物、浮叶植物，沉水植物和漂浮植物[2]。.
（1）挺水型：挺水型水生植物植株高大，花色艳丽，绝大多数有茎、叶之分；直立挺拔，下部或基部沉于水中，根或地茎扎入泥中生长，上部植株挺出水面。挺水型植物种类繁多，常见的有荷花、千屈菜、菖蒲、黄菖蒲、水葱、再力花、梭鱼草、花叶芦竹、香蒲、泽泻、旱伞草、芦苇等[3]。
（2）漂浮型：漂浮型水生植物种类较少，这类植株的根不生于泥中，株体漂浮于水面之上，随水流、风浪四处漂泊，多数以观叶为主，为池水提供装饰和绿荫。又因为它们既能吸收水里的矿物质．同时又能遮蔽射入水中的阳光，所以也能够抑制水体中藻类的生长。漂浮植物的生长速度很快，能更快地提供水面的遮盖装饰。但有些品种生长、繁衍得特别迅速，可能会成为水中一害，如水葫芦等。所以需要定期用网捞出一些．否则它们就会覆盖整个水面。另外．也不要将这类植物引入面积较大的池塘，因为如果想将这类植物从大池塘当中除去将会非常困难[4]。
（3）浮叶型：浮叶型水生植物的根状茎发达，花大，色艳，无明显的地上茎或茎细弱不能直立，叶片漂浮于水面上。常见种类有王莲、睡莲、萍蓬草、芡实、荇菜等[5]。
（4）沉水型：沉水型水生植物根茎生于泥中，整个植株沉入水中，具发达的通气组织，利于进行气体交换。叶多为狭长或丝状，能吸收水中部分养分，在水下弱光的条件下也能正常生长发育。对水质有一定的要求，因为水质浑浊会影响其光合作用。花小，花期短，以观叶为主。沉水植物，如软骨草属（Lagaro-siphon）或狐尾藻属(Myriophyllum)植物，在水中担当着“造氧机”的角色，为池塘中的其他生物提供生长所必需的溶解氧；同时，它们还能够除去水中过剩的养分，因而通过控制水藻生长而保持水体的清澈。水藻过多会导致水质混浊、发绿、并遮挡水生植物和池塘生物健壮生长所必需的光线。沉水植物有：轮叶黑藻、金鱼藻、马来眼子菜、苦草、菹草等[6]。
2.2水体富营养化的概念与危害
富营养化是一种植物营养物质如氮、磷等含量过多所引起的水质污染现象。在流速缓慢的水体中，水生生物的尸体残骸或者一些杂物会在水体底部堆积，导致单位面积水体中营养物质大量增加，水体从平营养状态过渡到富营养状态，进而演变为沼泽和陆地，这本是一种极为耗时的过程[7]。但由于人类的活动，将大量工业废水和生活污水以排入湖泊、水库、河口、海湾等缓流水体后，水生生物等大量繁殖，使生物量的种群种类数量发生改变，严重破坏了水体的生态平衡【8】。水体富营养化的危害：（1）降低水体的透明度。富营养化的水体中，各种藻类肆无忌惮的生长。我们经常可以看到有些湖面漂浮着一层“绿色浮渣”，臭味弥漫，透明度相当低，很难看到池底，有的富营养化现象严重的水体透明度仅有0.2米，水中植物的光合作用严重遭受影响，而藻类的大量增加导致浮游生物的繁殖速度加快，氧的消耗速度持续增加，水中溶解氧在急速下降。溶解氧过少，对水生动物有害，影响水生动物的正常生活,甚至造成鱼类大量死亡[9]。（2）向水体释放有毒物质。由于水中的溶解氧不足，导致水中的有机物质处于厌氧条件下分解产生有害气体，并且浮游生物的数量和种类也在增加，其中一些浮游生物产生的生物毒素(如石房蛤毒素)也会伤害水生动物[11]。（3）富营养化水体中亚硝酸盐和硝酸盐的含量超过了普通饮用水的标准，生物如果长期饮用这种水，身体健康将受到影响。（4）普通水水中的各种生物都会处于一个较为平稳的状态，但是水体呈现富营养状态时，这种平稳的状态就会被打乱，一些种类的生物生存率迅猛下降，而另外一些生物种类则疯长，这种生物种类演替会导致水生态系统的稳固性和多样性低落，最终整个水体生态系统崩溃[12]。（5）影响旅游和航运。水体富营养化的明显特征就是藻类在水面大量繁殖，水体透明度低，水质污浊，臭味弥漫，严重影响周围的旅游业，甚至丧失旅游价值。另外，富营养水体中也会存在大块的堆积物，导致航道堵塞，最终影响航运[13]。
2.3富营养化污染的净化技术
目前，国内外对水环境富营养化污染的净化技术，主要可以归结为以下几种：
（1）截污技术
截污技术是控制富营养化湖泊外源营养物质的有效措施，但是，外源营养物质的污染对湖水营养盐浓度较高湖泊的影响已经不是十分显著。以玄武湖为例，近十几年来，每年湖水的外源营养物总量虽然都增加，但湖水中的氮、磷总浓度并没有大幅度升高，反而略有下降[14]。理论上即使外源污染物质能完全被截除，湖水中的大量营养盐仍然存在，湖水富营养化仍然没有得到缓解。而实际上，部分外源污染物质如降水等也不可能完全截除[15]。在杭州西湖，有围隔模拟截污实验也表明，截污工程进行后，西湖水体的富营养化元素浓度不但没有明显下降，反而有所上升，同时围隔区内优势种为微囊藻，且出现水华，而同期围区外以平裂藻、小球藻和直链藻为优势种，未见微囊藻及水华。由此可见，依靠单一的截污技术很难有效的控制富营养化较为严重湖泊的藻类暴发[16]。
（2）生物处理技术
从实际效果来看，任何单一的物理、化学措施，都很难控制湖泊等水体的富营养化，有时甚至还会导致藻类生物量出现增加的趋势，所以物理、化学性措施在实践中常常治标不治本，只能作为辅助性措施。与之相比，生物处理技术具有经济方便、投资省、能耗低的特点，不易产生二次污染，对周围环境干扰较小，有利于建立合理的水生生态循环，并且可以最大限度地去除污染物，因此越来越受到人们的重视。近十几年来，国内外科学家开始运用生物处理技术净化富营养化水体[17]。
生物处理工程的具体措施主要是建立生态净化系统，通过水生生物的新陈代谢活动吸收利用氮、磷等营养盐，从而达到减缓水体营养负荷的作用。目前，对于已经呈富营养化的湖泊，逐步开始恢复水生植被，形成人工净化生态系统，主要利用湖泊沿岸浅滩的沉水植物和湖水中微生物的作用，提高湖泊水体的自净能力和生态环境质量，同时还可以美化湖泊周围的景观环境[18]。
（3）化学净化技术
化学净化技术，即通过使用化学药剂，将铝、铁、钙等离子加入到水体中，与污水中的氮、磷等物质发生化学反应，形成沉淀，从而达到去除富营养化污染物的目的，也包括使用抑制藻类生长繁殖的药剂去除水体中大量藻类等方法[19]。化学净化技术除藻虽然能立竿见影，但是不可避免的会污染环境，或者破坏生态平衡，造成二次污染[20]。
主要的化学净化方法包括凝聚沉降方法和用化学药剂杀藻等方法。对于那些营养盐含量较高的湖泊水体，采用投加化学药剂方法，使其生成沉淀而沉降。常见的方法有铁盐凝聚沉降法、铝离子交换法、石灰凝聚、氨汽提法等，其中性价比最高的是铁、铝和钙。在广泛的生态条件下，磷都能与铝盐紧密结合，所以铝盐是最常被选用化学药剂，实践中多采用硫酸铝明[21]。
3材料与方法
3.1实验材料
参考以往相关研究，结合本地情况，选择狐尾藻、水葫芦、石菖蒲3种挺水植物作为实验材料。实验用水取自学校周边的红河水体。(1)狐尾藻：(学名MyriophyllumverticillatumL.)属于小二仙草料的多年生沉水植物。其适应性极强，为世界广布物种。它能较快地去处水体中的氮、磷等富营养化元素，还能吸收其中的重金属元素，是一种较强的净化水体植物。同时其还可以饲养鱼、猪、鸭等[22]。(2)水葫芦：葫芦（WaterHyacinth），又名凤眼莲、水浮莲、布袋莲、凤眼蓝。属雨久花科凤眼莲属。根生于节上，根系发达，靠毛根吸收养分，根茎分蘖下一代。叶单生，直立，叶片卵形至肾圆形，顶端微凹，光滑；叶柄处有泡囊承担叶花的重量，悬浮于水面生长。秆（茎）灰色，泡囊稍带点红色，嫩根为白色，老根偏黑色。穗状花序，花为浅蓝色，呈多棱喇叭状，上方的花瓣较大；花瓣中心生有一明显的鲜黄色斑点，形如凤眼，也像孔雀羽翎尾端的花点，非常耀眼、靓丽。 蒴果卵形，有种子多数。原产南美，1901年为了解决饲养生猪饲料不足被引入中国，水葫芦的繁殖速度极快，它以每周繁殖一倍的速度滋生，在中国南部水域广为生长，成为外来物种侵害的典型代表之一[23]。(3)石菖蒲：（学名：Acorusgramineus）属菖蒲科，又称九节菖蒲、山菖蒲、药菖蒲、金钱蒲、菖蒲叶、水剑草等，为禾草状的多年生草本植物，生长于海拔20米至2600米的地区，多生在密林下，花语是信仰者的幸福、仰慕的信。石菖蒲原产中国及日本，前苏联至北美也有分布，其根茎具气味，叶全缘，排成二列；肉穗花序（佛焰花序），花梗绿色，佛焰苞叶状；花期为五月至六月，果期为七月至八月；根茎常作药用。其毒性为全株有毒，根茎毒性较大，口服多量时会产生强烈的幻视[24]。
3.2实验栽培容器
本试验根据三种不同植物的生长需求和特性选用其容积和面积分别为40L、0.16m2的水箱。
3.3实验设计
本试验在宽敞明亮的教室进行，自然光照，将植株大小接近的实验材料分别移植到容器中，并根据植物特点调整各植物的密度，实验水样体积均为10L，其中NH4+-N和TP的浓度为分别为4mg/L、2mg/L。试验期间通过加蒸馏水补充蒸腾、蒸发和采样所耗的水分，借以保持桶中的水位。试验周期为10周。试验开始后定期取试验容器中的水样，分别测定水中PH、氨氮和总磷的质量浓度。同时，定期测定各处理中植株生长高度[25]。
该组实验完后再选取石菖蒲在不同高低浓度条件下对水体中氮磷的处理能力实验，并对石菖蒲在不同浓度下的处理结果进行分析比较。其不同水样氨氮和TP的浓度见下表3-1[26].
表3-1石菖蒲处理NH4+-N、TP浓度一览表
| 处理 | 初始浓度（mg/L） | TP初始浓度（mg/L） |
| 处理1 | 4 | 2 |
| 处理2 | 8 | 4 |
| 处理3 | 16 | 8 |
3.4数据处理及分析方法
3.4.1TN——碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ636-2012）
（一）方法原理：在120～124℃下，碱性过硫酸钾溶液使样品中含氮化合物的氮转化为硝酸盐，采用紫外分光光度法于波长220nm和275nm处，分别测定吸光度A220和A275，按公式计算校正吸光度A，总氮（以N计）含量与校正吸光度A成正比。
（二）标准曲线的绘制：分别量取0.00、0.20、0.50、1.00、3.00和7.00ml硝酸钾使用液于25ml具塞磨口玻璃比色管中→加水稀释至10.00ml→加入5.00ml碱性过硫酸钾溶液→高压蒸汽灭菌→取出比色管冷却至室温→按住管塞将比色管中的液体颠倒混匀2～3次→每个比色管分别加入1.0ml盐酸溶液→用水稀释至25ml标线→在紫外分光光度计上，以水作参比，分别于波长220nm和275nm处测定吸光度零浓度的校正吸光度Ab、其他标准系列的校正吸光度As及其差值Ar按公式（2）、（3）和（4）进行计算。以总氮（以N计）含量（μg）为横坐标，对应的Ar值为纵坐标，绘制校准曲线。
A＝A220－2A275(1)
Ab＝Ab220－2Ab275（2）
As＝As220－2As275（3）
Ar＝As－Ab（4）
式中：
Ab——零浓度（空白）溶液的校正吸光度；
Ab220——零浓度（空白）溶液于波长220nm处的吸光度；
Ab275——零浓度（空白）溶液于波长275nm处的吸光度；
As——标准溶液的校正吸光度；
As220——标准溶液于波长220nm处的吸光度；
As275——标准溶液于波长275nm处的吸光度；
Ar——标准溶液校正吸光度与零浓度（空白）溶液校正吸光度的差。
（三）测定:量取10.00ml试样于25ml具塞磨口玻璃比色管中，按照以上步骤进行测定。
（四）空白试验：用10.00ml水代替试样，按照以上步骤进行测定[27]。
3.4.2TP——钼酸铵分光光度法（GB11893-89）
（一）方法原理：在中性条件下用过硫酸钾（或硝酸-高氯酸）使试样消解，将所含磷全部氧化为正磷酸盐。在酸性介质中，正磷酸盐与类酸铵反应，在锑盐存在下生成磷钼杂多酸后，立即被抗坏血酸还原，生成蓝色的络合物。
（二）采样：采取500mL水样→加1mL硫酸调节样品的pH值，使之低于或等于1，或不加任何试剂于冷处保存试样的制备:取25mL样品于具塞刻度管中。
（三）空白试样：按规定进行空白试验，用水代替试样，并加入与测定时相同体积的试剂。
（四）过硫酸钾消解:向试样中加4mL过硫酸钾，将具塞刻度管的盖塞紧后，用一小块布和线将玻璃塞扎紧(或用其他方法固定)，放在大烧杯中置于高压蒸气消毒器中加热，待压力达1.1kg/cm2，相应温度为120°C,时，保持30min后停止加热。待压力表读数降至零后，取出放冷。然后用水稀释至标线。
（五）发色：分别向各份消解液中加入1mL抗坏血酸溶液)混匀，30s后加2mL钥酸盐溶液充分混匀。
（六）分光光度测量：室温下放置15min后，使用光程为30mm比色皿，在700nm波长下，以水做参比，测定吸光度。扣除空白试验的吸光度后，从工作曲线(6.2.4)上查得磷的含量。
（七）工作曲线的绘制：取7支具塞刻度管分别加入不同量的磷酸盐标准溶液→加水至25mL→按测定步骤进行处理→以水做参比，测定吸光度→扣除空白试验的吸光度后，和对应的磷的含量绘制工作曲线[28]。实验数据采用Excel和spss软件进行分析计算和标准差分析。
4结果与分析
4.13种水生植物对水体中NH4+-N浓度的影响
从图4-1中可以看出，随着时间的变化，三种水生植物对水体中NH4+-N的浓度都有不同程度的影响，他们的变化趋势都是先前几周迅速下降后面几周就趋于平稳。特别是水葫芦，在前三周水体中NH4+-N的浓度直接降到2.2mg/L。之后几周就基本变化不是很大了。但是各种植物对水样中氨氮浓度的处理差异很大，如在十周过后栽植狐尾藻的水样中的NH4+-N的浓度降为1.9mg/L，而栽植了石菖蒲的容器中NH4+-N的浓度降为0.76mg/L。由此可见三种水生植物中石菖蒲对水体中NH4+-N的处理效果最佳。而对照组容器中NH4+-N的浓度只降到了3.2mg/L，由此可见栽植了试验植物的水体对NH4+-N的净化处理效果要优于没有栽植试验植物的水体。根据各植物最后对水体中NH4+-N的浓度的处理情况来看，该种NH4+-N的浓度水样并未到达三种植物对营养元素的吸收的极限值。
图4-13种水生植物对水体中浓度的影响
从图4-2可以看出，三种水生植物对水体TP的去处效果与对照相比均比对照显现出较强的下降趋势，说明植物系统对水体中TP的影响好于无植物对照系统。不同水生植物对TP处理水体中TP含量的影响总的趋势基本是一致的。植物栽植后前三周，TP的浓度迅速下降，直接降到1.3mg/L左右。后再后面几周TP的浓度变化就没那么明显了，稳定的下降，但是处理效果还是非常好的。可以明显的看出无植物的对照组中的TP浓度在后面还有上升的趋势，说明没有植物的水体对TP的吸收很不稳定。虽然三种植物的处理趋势都基本一致，但从图中也不难看出石菖蒲对磷的吸收效果还是要优于水葫芦和狐尾藻的。
图4-23种植物对水体中TP浓度的影响
4.2石菖蒲在不同浓度下对富营养化水体的净化效果
通过上面的试验和对实验结果的分析比较，得出结论水生植物石菖蒲生长状态良好，且处理效果也好于水葫芦和狐尾藻。在石菖蒲对NH4+-N的吸收实验中发现当NH4+-N在4mg/L的情况下并没有达到其吸收的极限值，对其在其他不同NH4+-N浓度下的富营养化水体的处理效果并不能体现出来。因此，通过调整N、P浓度处理，进一步比较石菖蒲在试验期间内对不同程度富营养化水体中营养元素的处理效果。
(1)石菖蒲对不同程度富营养化水体中NH4+-N含量的影响
从图4-3中可以看出，在植物栽植后，水体中的NH4+-N浓度都逐渐下降，而且下降趋势都大同小异，都是在前面几周下降迅速，后面就趋于平稳。但是虽然下降趋势是基本一致的，但是其在不同浓度NH4+-N下的下降差异较大。当NH4+-N浓度为16mg/L时，实验结束后NH4+-N浓度降为7mg/L，差值为9，而当NH4+-N浓度为8mg/L时NH4+-N浓度降为4mg/L，差值为4。当NH4+-N浓度为4mg/L时，NH4+-N浓度降为0.76，差值为3.24。由此可见，石菖蒲在高浓度下的对营养元素的吸收能力更强，随之NH4+-N浓度的升高，其对氮的吸收能力变强。从图中可以看出，设置的三种初始浓度还是没有达到石菖蒲对营养元素的吸收的极限值。
图4-3石菖蒲对水体中NH4+-N的净化效应
(2)石菖蒲对不同程度富营养化水体中TP浓度含量的影响
从图4-4中可以看出，在植物栽植后不同高低浓度水体中的TP浓度都逐渐降低，且在不同浓度下的处理效果存在差异较大。当TP浓度为8mg/L时，刚开始一周的时候TP的浓度下降并不怎么明显，一周过后还有微弱的上升，这有可能是实验容器中的基质放出的磷亦可能是在测定TP浓度的时候的处理不当造成的。而此后TP浓度迅速下降，直接从8.25mg/L直接降到5.45mg/L。后面几周下降速度有所减缓。当TP浓度为4mg/L时，TP的下降趋势比较稳定，个阶段对磷的吸收都比较均匀稳定。其最终的吸收效果还是比较好的。当TP浓度为2mg/L时，前面2周TP的浓度下降很明显，后面就逐渐趋于稳定。处理效果还算理想。通过对石菖蒲在不同浓度下的处理效果进行比较可以发现在实验开始的前面一周，石菖蒲对容器中磷元素的吸收都不显，可能再次阶段石菖蒲还没完全适应在不同TP浓度下的生长环境，所以影响了对磷的吸收。但一周过后，也就是植物完全适应生长环境后，TP的浓度迅速下降，可见此阶段植株处于生长的旺盛期。而此后TP的浓度下降趋势减缓。而且不难看出，设置的三种初始TP浓度依然没有达到石菖蒲对富营养化水体中营养化元素吸收的极限值。在第7周的时候高中低初始TP浓度水样中的TP浓度分别为4.00mg/L、1.02mg/L、0.10mg/L，较之初始浓度分别减少了4.00mg/L、2.98mg/L、1.9mg/L。可见随着TP浓度的增加，石菖蒲对磷元素的吸收能力增强。
图4-4石菖蒲对水体中TP的净化效应
（3）石菖蒲对不同程度富营养化水体中NH4+-N和TP去除率的影响
从图4-5可以看出，石菖蒲在处理不同高低NH4+-N浓度的试验中，在七周过后的去除率都达到50%以上，而且都远远的大于无植物栽植的对照组中NH4+-N浓度的去除率。由此可见石菖蒲在不同高低NH4+-N浓度的水样中的对磷的吸收能力都很强。当NH4+-N的浓度为4mg/L时TP的去除率高达到75.15%，较之对照组的24.15%石菖蒲表现除了极强的净化处理能力。而较之其在TP浓度为8mg/L和16mg/L时的52.75%和56.13%也表现出了巨大的差异和更好的处理效果。由此可见，在低浓度下石菖蒲对NH4+-N的处理效果更为显著。
图4-5不同浓度下石菖蒲对水体中NH4+-N的去除率
从图4-6可以看出，在实验进行七周过后，石菖蒲在不同浓度下对TP的处理效果都非常显著，特别是在当TP浓度为2mg/L和4mg/L时的去除率高达78%和76.25%较之对照组的31%和26.65%超出了47个百分点和50个百分点。由此可见栽植了石菖蒲的水样对TP的处理效果远远大于没有栽植植物的水样。但是当TP浓度达到8mg/L时，石菖蒲对TP的处理效果大打折扣，只有49%，这说明了随着TP浓度的增加，石菖蒲对磷的吸收效果降低。
图4-6不同浓度下对水体中TP的去除率
因此，石菖蒲不但对一般程度的富营养化水体中的营养元素有较好的吸收能力，而且，对重度富营养化水体中的氮磷也有一定的吸收富集作用。石菖蒲对水体中NH4+-N，TP的去除量，随水体中初始浓度的增大而增加，并且浓度越高其现象也越明显。营养水平较高的试验水样比营养水平较低的试验水样去除率低，说明当水体富营养化达到一定程度后，该植物对水体中营养盐的去除率所需周期更长才能达到更好的去除效果。
5结论
综上所述，本文主要针对3种水生植物对富营养化水的净化效果研究进行了研究分析。本文通过结合本地情况，选择狐尾藻、水葫芦、石菖蒲3种挺水植物作为实验材料，得出的结果有：（1）不同挺水植物对水体中NH4+-N浓度的影响，它们的变化趋势是一致的，栽植植物后，各处理水体中的NH4+-N浓度均有不同程度的下降，且浓度下降的趋势基本相同；（2）不同水生植物对TP处理水体中TP含量的影响总的趋势基本是一致的，TP的处理趋势最好的还是石菖蒲；（3）水生植物石菖蒲不仅生长良好，且处理效果也好于水葫芦和狐尾藻。
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