生物修复技术对富营养化水体中氮素清除效率研究

叶胜兰1,2,3,4，牛子儒1,2,3,4

摘要：本研究通过人工气候室盆栽进行验，研究不同富营养化程度水体条件下的中生植物对氮素的清除规律。结果表明，富营养化程度最高的N3处理的叶片含氮量含量最高，为16.22 g/kg。在不同强度营养化水体中，鸢尾对水体中氨氮均有较高的去除效果。各处理水体中NO3－-N浓度先升高再下降，然后趋于平稳。中、高浓度富营养化水体对NO3－-N高于其他处理，其清除率达到了56.4%和62.2%。

关键词：氮素浓度；鸢尾；去污效率

1.引言

湖泊水体富营养化已成为水环境污染的一个重要问题，其主要原因是城市生活污水，造纸、炼钢等工业废水以及农药和化肥等地表污染物，包含了大量有机物和无机营养物质[1]。这些物质进入水体后，为藻类及浮游生物提供了充足的生长条件，使其迅速繁殖，造成水体溶解氧不断下降，导致水质不断恶化[2-3]。目前，许多国内外的专家学者经过大量的试验研究发现，氮磷等营养元素在底泥与上覆水之间的迁移转化受到温度、pH、DO等[4-6]诸多环境因素的影响。水生植物一方面可通过自身的吸收和利用水体中的氮、磷物质；另一方面，植物发达的根系通过扎根在底泥中，可有效的防止底泥发生上浮，降低了内源营养盐向水体中释放，减少水体发生二次污染，且已经在工程实践中得到广泛的应用[7-9]。水生植物对养分如氮、磷等营养物质的吸收富集是修复、调节和控制水体发生富营养化的最为主要且有效途径[10-13]。且不同种类的中生植物对氮、磷的去除效果存在巨大的差异性，目前，大多植物的去除率变化范围为20%～98%。同时，植物修复水体是一种简单、经济、可持续的水体修复手段，在富营养化水体治理中得到广泛应用[14-15]。其中，中生植物相比于大部分以水生植物和湿生植物为主的湿地植物而言，具有根系更深，根系输送氧气和新陈代谢能力更强，生长期更长的特点，用于水体的净化可减少二次污染，降低成本[16-17]。因此，植物修复不仅高效、安全，且具有可持续性。

2.材料与方法

2.1试验材料

植物：鸢尾（Iris tectorum Maxim.），移栽时选择基本大小一致的幼苗，保证实验一致；

由硝酸铵(NH4NO3 )配制成的低、中、高3种不同TN质量浓度(3、12、18 mg/L)的富营养化水体，试验平衡后开始进行试验。补充水分为超纯水。

2.2 试验设计

试验装置为直径30 cm、高50 cm 的圆柱型聚氯乙烯(PVC)桶。将培育好的鸢尾幼苗，以相同生物量移植至塑料桶内，移植完成后，向塑料桶内添加蒸馏水1 L。稳定3d 后加水至45 cm处。实验开始后定期采样，测定各项指标。植物收获后，将根与茎叶分开，用于植物中全氮的测定。

2.3测定指标及方法

水体中硝态氮、铵态氮含量：利用AA3流动分析仪测定。

植物样中氮素测定：利用H2SO4-H2O2消煮法浸提。

3.结果与分析

3.1鸢尾不同器官总氮的含量

图1为整个实验期间，鸢尾不同器官含氮量对比(以干重计)。鸢尾叶中的总氮质量浓度显著大于茎和根（p<0.05），茎和根中的总氮质量浓度无明显差异（p>0.05）。其中，叶片中N1、N2和N3的总氮浓度分别为9.87、13.55和14.51 g/kg，且三者间差异显著（p<0.05）。

图1鸢尾不同器官总氮含量

3. 2鸢尾对水体中铵态氮素清除率研究

在不同氮素浓度富营养化水体条件下，鸢尾对水体中氨氮均有一定的去除效果，且去除速率较快（图2）。在实验初期（20 d），低、中、高和对照组水体中的氨氮质量浓度快速下降，分别由1.27 mg/L、6.89 mg/L、11.79 mg/L和6.55 mg/L，分别降至0.92 mg/L、4.73 mg/L、7.15mg/L和5.31mg/L，去除率分别为33.1%、38.6%、39.4%和47.8%。种植水生植物对不同浓度氨氮的去除效果均显著高于对照（p＜0.05）。实验结束时，高、中、低和对照组对水体中氨氮的最终去除率分别为84.1%、78.5%、63.8%和12.6%。

图2 水体中氨态氮含量变化

3. 3鸢尾对水体中硝态氮素清除率研究

由图3可看出，各处理水体中NO3－-N浓度先升高再下降，然后趋于平稳。在植物生长旺盛期，水体中NO3－-N快速下降，富营养水体NO3－-N最低将至了0.91 mg/L，NO3－-N消除率平均达到了

20.4%，其中N3和N2处理的硝态氮清除率显著高于低浓度处理，分别达到30.1%和28.8%，但两者间差异不显著。到试验结束时，低、中、高浓度处理和CK的NO3－-N分别为0.74、1.42、1.85和2.71 mg/L，其清除率为31.5%、56.4%、62.2%和7.5%。

图3 水体中硝态氮含量变化情况

3.结论

种植鸢尾后，一方面，另一方面植物通过养分吸收去除水体中的氮素，且对高浓度的清除效果最为显著。综合分析水体中的氮素减少原因，可能是氮素在底泥、上覆水、植物体中存在动态平衡，植物组可通过吸收、根系作用等大量消耗水体、底泥中的氮素，尤其在植物的生长旺盛期可大量消耗氮素，降低水体的富营养化程度，维持底泥稳定的状态。

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作者简介：叶胜兰(1986-)，女，四川人，硕士研究生，从事植物营养生长以及土地整治等方面研究。E-mail：[e-mail]

基金：陕西地建-西安交大土地工程与人居环境技术创新中心开放基金资助项目（2021WHZ0093）及陕西省土地工程建设集团内部项目（DJNY-YB-2023-34）。