梭魚草(Pontederia cordata)攔截溝渠中氮、磷的效果研究

余紅兵,楊知建,肖潤林,張樹楠,劉 鋒,向佐湘,單武雄

國內(nèi)外學(xué)者對水生植物在水體凈化、生態(tài)修復(fù)等方面已經(jīng)進(jìn)行了很多研究[1-6]，并且已經(jīng)應(yīng)用到生態(tài)修復(fù)、水污染治理以及農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制等多個方面，但研究重點(diǎn)側(cè)重在蘆葦、茭白品種上以及湖泊的治理上[7-9]。水生植物作為生態(tài)溝渠的重要組成部分，通過溝渠攔截徑流和泥沙，植物滯留和吸收氮、磷，實(shí)現(xiàn)生態(tài)攔截氮、磷的功能[9-11]。

目前，關(guān)于農(nóng)田排水溝渠中的水生觀賞植物對氮、磷截留效應(yīng)方面的研究不多，而水生觀賞植物在水體景觀工程中因其景觀價值高、水體凈化能力強(qiáng)而引起關(guān)注。梭魚草又稱：北美梭魚草，雨久花科梭魚草屬多年生挺水或濕生觀賞類植物，花期5－10月，利用其植株生長速度快而大量吸收污水中營養(yǎng)物質(zhì)和龐大密實(shí)的根系產(chǎn)生的機(jī)械濾清效果特點(diǎn)，來攔截流經(jīng)溝渠流向河道中的農(nóng)業(yè)面源污染物。目前對于梭魚草后期收割帶走氮、磷的量及其收割期的探討也未見報道，因此，本研究采用在農(nóng)田排水溝渠中種植觀賞植物梭魚草的方法，通過梭魚草生物量的季節(jié)動態(tài)變化規(guī)律及其對氮、磷的積累量進(jìn)行研究分析，為梭魚草最佳收割期的探討提供合理數(shù)據(jù)，也為生態(tài)溝渠的系統(tǒng)管理與有效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗(yàn)在湖南省長沙縣金井鎮(zhèn)脫甲村飛躍農(nóng)田之間一條南北向的溝渠中進(jìn)行，該溝渠為2008年度由國家農(nóng)業(yè)部綜合開發(fā)，是典型城郊農(nóng)業(yè)區(qū)環(huán)境質(zhì)量修復(fù)與功能提升技術(shù)研究與示范基地。試驗(yàn)前對該自然排水溝渠按工藝要求進(jìn)行了結(jié)構(gòu)工程改造以及植物種植，溝渠常年保持一定水位，暴雨時容易發(fā)生溝渠水位臃集（茭白等植物易被淹淘汰），因梭魚草根系發(fā)達(dá)、抗倒伏并且具有一定觀賞價值，且該溝渠旁邊是一條鄉(xiāng)村公路，可在梭魚草生長季節(jié)形成良好的生態(tài)景觀廊道，于2010年選擇其隔段種植，并已正常運(yùn)行1年，以便進(jìn)行溝渠植物氮磷吸收以及茶園覆蓋還田養(yǎng)分循環(huán)利用技術(shù)研究。當(dāng)?shù)貙儆谥衼啛釒暇壖撅L(fēng)氣候，年平均氣溫16.5℃-20.5℃，1月平均氣溫11.9℃，極端最低氣溫-5.2℃，7月平均氣溫27.9℃，極端最高氣溫39.1℃，≥10℃的有效積溫6539℃，年平均降雨量1389mm，降雨多集中在4-6月，占全年降雨的76%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)主要設(shè)置梭魚草溝渠段和無植物溝渠段兩種處理，自上而下分別選擇無側(cè)面外來水的梭魚草溝渠段250m，無植物溝渠段250m，每個處理都是由水泥砌成的堰，中間留有一出水口形成3個監(jiān)測斷面，在試驗(yàn)期間均有水從出水口平緩流出。斷面1設(shè)置在梭魚草溝渠段的上端；斷面2設(shè)置在梭魚草溝渠段的下端，或無植物溝渠段的上端；斷面3設(shè)置在無植物溝渠段的下端。溝渠水源主要來自上游水塘的生活污水和農(nóng)田排水，4-6月湖南屬多雨季節(jié)，降雨以及農(nóng)田灌溉會有大量排水流向溝渠，因此選擇這段時間研究梭魚草溝渠段和無植物溝渠段水體氮磷含量的變化規(guī)律，從而評估生態(tài)攔截效應(yīng)。

1.3 評價指標(biāo)

定量分析梭魚草段與無植物溝渠段對氮、磷攔截的影響，作為攔截效果的評價指標(biāo)。計算公式如下：

式中：R1—梭魚草段攔截水樣氮或磷的能力（R1），%；C斷面1—梭魚草溝渠段的上端水樣氮、磷濃度，mg/L，C端面2—梭魚草溝渠段的下端水樣氮、磷濃度，mg/L；R2—無植物段攔截水樣氮或磷的能力（R2），%；C斷面2—無植物溝渠段的上端水樣氮、磷濃度，mg/L；C端面3—無植物溝渠段的下端水樣氮、磷濃度，mg/L。

1.4 樣品采集與分析方法

在2011年4-6月每月上旬分別在1，2，3三個監(jiān)測斷面出水口處采集水樣1次，并于2011年6月17日雨過后，在17日(下雨當(dāng)天)，18 日，19日，20日，21日，22 日分別在三個監(jiān)測斷面取水樣6次，每次取樣500 ml，不同端面氮磷含量及雨后幾天氮磷含量結(jié)果均取平均值。NH4+-N、NO3--N用流動分析儀測定；TN用堿性過硫酸鉀消化，然后用流動分析儀測定；TP用過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法測定[12]。從4月開始，每隔1月采用樣方(1 m×1 m)植物段的梭魚草，并于10月采集地下部分，采用收獲法采集地上部分樣品，采用挖掘法采集地下部分，取樣時將樣方內(nèi)莖葉齊地收割并將根狀莖與須根全部挖出，帶回實(shí)驗(yàn)室洗凈并自然風(fēng)干測其鮮重。所有采樣樣品于105℃殺青2 h，80℃烘干至恒重，獲取干物重，計算生物量。并烘干、粉碎等預(yù)處理，分析梭魚草地上及地下部分吸收的氮、磷含量。各植物樣品先用H2SO4-H2O2消化后，用流動分析儀測全氮，用鉬銻抗比色法測全磷[13]。運(yùn)用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝渠不同斷面攔截氮磷含量效果分析

通過對試驗(yàn)溝渠中從上向下的3個斷面中水中氮磷含量的變化趨勢圖（圖1、圖2）分析，可以看出，不同斷面中水中氮磷含量存在一定的差異。各斷面水體中全氮、硝態(tài)氮濃度均有不同程度的下降，銨態(tài)氮濃度先下降后稍增加，各斷面水體全磷的濃度下降情況則與全氮濃度下降情況相同。從溝渠上游梭魚草段到下游無植物段，即在斷面1到斷面3處，溝渠水中全氮、全磷含量是逐漸下降的。其中，全氮從3.05mg/L減少為2.24mg/L和2.15mg/L，全磷從0.10mg/L減少為 0.11mg/L和 0.10mg/L，硝態(tài)氮含量也逐漸下降，從0.42mg/L減少為0.39mg/L和0.38mg/L，而銨態(tài)氮含量從0.88mg/L減少為0.82mg/L然后增加到0.86mg/L。上述結(jié)果說明無論是梭魚草生態(tài)攔截段，還是無植物攔截的溝渠段，都會一定程度上降低溝渠水中的氮磷含量，但梭魚草段攔截氮磷的能力明顯高于無植物段的溝渠自然凈化，且全氮和全磷的攔截程度明顯高于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的攔截。

同時，從圖1、圖2、表1可以看出，梭魚草的生態(tài)攔截在溝渠的水體凈化中發(fā)揮重要作用。斷面1和斷面2之間為梭魚草溝渠段，水中全氮全磷在梭魚草溝渠段有明顯降低，其中，梭魚草攔截全氮、全磷的能力分別為27.05%、33.33%，攔截銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的能力分別為6.82%、7.14%，說明梭魚草可以吸收、滯留和凈化泥沙攜帶的顆粒態(tài)或不溶態(tài)的氮磷。斷面2和斷面3之間為無植物溝渠段，因溝渠水流的自然凈化，水中氮磷在無植物溝渠段雖有一定降低，但其凈化能力明顯減弱，而銨態(tài)氮甚至增加。且其自然凈化全氮、全磷的效果相對明顯，分別為3.37%、16.67%，而凈化銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的能力分別為-3.66%、2.56%。

表1 溝渠梭魚草段與無植物段攔截氮磷的能力

就梭魚草段和無植物段不同處理對水中不同形態(tài)養(yǎng)分的凈化效果看，梭魚草段攔截氮磷的能力（6.82%-33.33%之間）明顯高于無植物段的自然凈化（-3.66%-16.67%之間）。生態(tài)溝渠中的植物在截留和凈化過程中起到重要作用的原因：一方面，植物根系巨大表面會附著大量微生物，根際會創(chuàng)造有利于各種微生物生長的微環(huán)境；另一方面，植物可通過莖葉向下輸送氧氣，在根系附近形成好氧微區(qū)，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)、氮、磷等的轉(zhuǎn)化；此外，植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收也是凈化的主要途徑[14]。

2.2 溝渠水中雨后氮磷含量時間變化分析

通過對溝渠水中雨后氮含量時間變化（圖3）分析：可以看出，從下雨當(dāng)天(17日)開始水中全氮含量呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，在雨后第2d(19日)含量達(dá)到最高，為2.53mg/L。硝態(tài)氮含量的變化趨勢與全氮含量變化趨勢一致，同時在雨后第2d(19日)含量達(dá)到最高，為0.46mg/L，且其變化相對比較平穩(wěn)。說明降雨會有大量農(nóng)田排水流向溝渠，雨后前2d由于受底泥釋放、泥沙沉積等因素影響，導(dǎo)致全氮、硝態(tài)氮含量不穩(wěn)定，但從雨后第3d(20日)開始，溝渠水中的全氮、硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)降低且趨于平穩(wěn)的狀態(tài)。而水中銨態(tài)氮含量變化則不穩(wěn)定，下雨當(dāng)天較高，為0.92mg/L,雨后第1d較低0.74mg/L，雨后第2d(19日)含量又增高，在17日，19日，21日為波峰，18日，20日，22日為波谷?？赡苁且?yàn)樗篝~草溝渠內(nèi)部呈現(xiàn)好氧和厭氧交替的環(huán)境條件，結(jié)合底泥和植物的作用以及農(nóng)田排水流向溝渠，導(dǎo)致銨態(tài)氮含量很不穩(wěn)定的主要原因。

通過對溝渠水中雨后全磷含量時間變化（圖4）分析可知：下雨當(dāng)天(6月17)溝渠水中全磷含量為0.11mg/L,然后降低再呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，在雨后第2d(19日)含量達(dá)到最高，為0.13mg/L，然后趨于平穩(wěn)，雨后3d均為0.10mg/L。說明水中全磷含量雨后前2d由于受底泥釋放、泥沙沉積等因素影響，使全磷含量變化不穩(wěn)定，再者，由于水生植物可以直接從水層和底泥中吸收磷，并同化為自身所需要的物質(zhì)，水生植物對磷的吸收，打破水體中磷平衡，使得水體中磷含量變得不穩(wěn)定。

2.3 溝渠梭魚草氮磷含量及生物量季節(jié)變化

圖5表明，梭魚草氮、磷含量都隨季節(jié)變化而變化，在整個生長季節(jié)均表現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在雨季（4-6月），梭魚草地上部分含氮量迅速增加，在10月份達(dá)到最高，為28.38 g/kg，進(jìn)入冬季后逐漸降低，12月份降到21.40g/kg。梭魚草地上部分含磷量變化相對平穩(wěn)，也在10月份達(dá)到最高，為4.10 g/kg，12月份為2.60 g/kg。圖6顯示，梭魚草生物量的季節(jié)動態(tài)變化呈逐漸增加后降低的趨勢，隨著梭魚草生育期的生長，生物量也逐漸增加，在其營養(yǎng)生長后期，生物量達(dá)到最高值，然后因植株枯萎，生物量又開始降低。生物量最大值出現(xiàn)在10月，為0.19kg/m2。圖6也表明，植物氮、磷吸收量也隨季節(jié)變化而變化，季節(jié)變化趨勢與生物量的變化一致，這表明植物氮、磷吸收量主要來自其生物量。

由于梭魚草屬于根莖型挺水植物，也可以通過根部從溝渠底泥中吸取氮、磷營養(yǎng)元素，從而降低底泥中氮、磷的含量。表2結(jié)果表明，梭魚草根部10月份氮、磷含量分別為18.34 g/kg、2.65 g/kg，生物量為 0.41 kg/m2，梭魚草全年可通過根部從溝渠底泥中吸取氮、磷分別為7.59g/m2、1.10g/m2，從本研究中的氮磷吸收量看，將梭魚草應(yīng)用于溝渠作為攔截氮磷植物，地上與地下部分均可取得較好效果。因此，溝渠中種植挺水植物梭魚草將成為修復(fù)溝渠水體的重要途徑。溝渠梭魚草段氮磷去除的重要作用機(jī)理主要是因?yàn)橹参锷L及其根系-土壤微生物系統(tǒng)的截留、微生物降解、氧化還原等作用。

表2 梭魚草地上與地下部分(10月)氮磷吸收量和生物量

2.4 梭魚草最佳收割期的確定及收割覆蓋

從圖5、圖6可以看出，梭魚草在整個生長發(fā)育期生物量以及氮、磷含量和吸收量呈明顯的動態(tài)變化，表2表明，梭魚草在10月份地上部分氮、磷含量達(dá)到最高值，分別為28.38g/kg、4.10g/kg，生物量為 0.19kg/m2，梭魚草收割全年可從溝渠帶走氮、磷分別為5.36g/m2、0.78g/m2，由此說明梭魚草在10月份收割能充分發(fā)揮其在溝渠中攔截氮、磷的能力，為觀賞水生植物在溝渠進(jìn)行推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

在確定最佳的收割期對梭魚草進(jìn)行地上收割時，不僅要考慮其充分?jǐn)r截氮磷等營養(yǎng)物的能力，同時還應(yīng)考慮到梭魚草的觀賞價值。梭魚草作為觀賞植物，其花期為5-10月，且植株具有很強(qiáng)的觀賞特性等優(yōu)點(diǎn)，因此，在梭魚草的生長晚期10月底，及時收割，即避免了對水體產(chǎn)生二次污染，從而兼顧了梭魚草的景觀價值和凈化水體功能的充分發(fā)揮。同時，在長沙縣金井鎮(zhèn)的百里茶廊，開展溝渠植物氮磷吸收—茶園覆蓋還田養(yǎng)分循環(huán)利用技術(shù)研究，即將收割的梭魚草覆蓋到丘陵茶園，使其吸收的氮磷循環(huán)利用，并定期進(jìn)行茶園土壤、茶園雜草等生態(tài)環(huán)境調(diào)查研究，這也進(jìn)一步發(fā)揮了梭魚草的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，此研究有待進(jìn)一步深入。

3 討論

農(nóng)田排水溝渠對氮、磷均有一定程度的截留效應(yīng)，而水生植物的存在可增強(qiáng)該截留效應(yīng)。在本研究中，梭魚草生態(tài)攔截氮磷的能力明顯高于無植物段的自然凈化。徐紅燈等[15]研究結(jié)果也表明種植有水生植物的生態(tài)溝渠對氮、磷的截留效果明顯好于自然溝渠，生態(tài)溝渠氮、磷的截留效率均在30%以上,而自然溝渠的截留效率為20%-30%。其主要原因是由于梭魚草發(fā)達(dá)的根系,有助于硝化細(xì)菌的生長,使溝渠底泥中的硝化作用增強(qiáng),有利于氮的吸收和轉(zhuǎn)化；另外,水生植物可以直接從水層和底泥中吸收氮、磷,并同化為自身所需要的物質(zhì),水生植物對磷的去除是通過植物吸收、微生物轉(zhuǎn)化積累及物理化學(xué)等幾方面共同作用完成的[16],使作為水體中磷的源和匯的沉積物-水界面發(fā)揮匯的作用,打破了界面的平衡,因此有利于磷的吸附和沉積[17]。無植物的溝渠段,由于缺少根區(qū)的氧化環(huán)境,其對氮、磷的攔截能力也就低于有梭魚草的溝渠段。楊林章等[18]研究認(rèn)為植物不僅可以通過吸收同化去除水體中的一部分氮磷,還能產(chǎn)生有利于水體氮磷去除的環(huán)境,如根系的泌氧能創(chuàng)造有利于硝化-反硝化反應(yīng)進(jìn)行的厭氧-好氧環(huán)境,溝底植物發(fā)達(dá)的根系能降低水速而有利于水流中顆粒物質(zhì)的沉淀。一年來生態(tài)溝渠系統(tǒng)植物組合所累積的氮磷量高于底泥中所累積的氮磷量,還形成了良好的生態(tài)景觀。姜翠玲等的研究也表明，我國長江中下游地區(qū)溝渠去除非點(diǎn)源污染物的主要機(jī)制就是植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，蘆葦和茭白對N的吸收能力較高，濕地植物定期收割是凈化非點(diǎn)源污染物的關(guān)鍵措施。濕地植物的吸收是凈化非點(diǎn)源污染物的一個重要因素,每年秋季蘆葦?shù)厣喜糠质崭钜院?可帶走818kg/hm2的N和103.6 kg/hm2的P,茭草通過收割可帶走131 kg/hm2的N和28.9 kg/hm2的P，解決了植物的二次污染問題[9]。

降雨后氮在溝渠系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化主要通過沉積作用、脫氮作用、植物吸收和滲濾作用等[19-21]。溝渠可以在降雨后截留大部分顆粒態(tài)氮，脫氮也是氮從水體最終去除的一個主要過程。本研究結(jié)果顯示溝渠系統(tǒng)在降雨后，溝渠水中全氮、硝態(tài)氮含量呈先增加后降低的變化趨勢，銨態(tài)氮含量變化則不穩(wěn)定，其主要原因可能是降雨徑流在短時間內(nèi)的匯入和溝渠系統(tǒng)的不穩(wěn)定性使氮的各項(xiàng)轉(zhuǎn)化受到影響,但隨時間增加,這種影響逐漸減少,表明溝渠系統(tǒng)同時又具有一定的抗沖擊修復(fù)作用,在一定時間內(nèi)可逐漸恢復(fù)穩(wěn)定,使氮的各種轉(zhuǎn)化作用得以發(fā)揮[22]。本研究全磷含量在雨后第2d含量達(dá)到最高，然后趨于平穩(wěn)，這與降雨后較大的徑流使磷的轉(zhuǎn)化作用受影響,出現(xiàn)濃度增加并在雨后第2d達(dá)到最高,但是由于底泥對磷的吸附和水中顆粒物的增加，再加上溝渠系統(tǒng)的抗沖擊修復(fù)性,使磷的轉(zhuǎn)化作用迅速恢復(fù),總磷濃度趨于平穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)由于溝渠自身凈化和梭魚草的攔截凈化作用，均對溝渠中的氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮和總磷都有著不同程度的降解能力；且梭魚草段攔截氮磷的能力（6.82%-33.33%之間）明顯高于無植物段的自然凈化（-3.66%-16.67%之間）；梭魚草段與無植物段都會凈化溝渠水中的氮磷含量，全氮、全磷含量的降低（3.37%-33.33%之間）一般要高于硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的變化幅度（-3.66%-7.14%之間）。

(2)在降雨結(jié)束以后，溝渠水中全氮、硝態(tài)氮含量呈先增加后降低的變化趨勢，前兩天不穩(wěn)定，但從雨后第3d開始，其含量呈現(xiàn)降低且趨于平穩(wěn)的狀態(tài)，銨態(tài)氮含量變化則不穩(wěn)定，下雨當(dāng)天溝渠水中全磷含量為0.10mg/L,然后降低再呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，在雨后第2d(19日)含量達(dá)到最高，為0.13mg/L，然后趨于平穩(wěn)。

(3)梭魚草地上部分氮磷含量以及生物量季節(jié)動態(tài)變化在10月中旬達(dá)到最高值，由此確定此時為梭魚草最佳收割期，其氮磷含量分別為 28.38g/kg、4.10g/kg，生物量為0.19kg/m2，梭魚草收割全年可從溝渠帶走氮、磷分別為5.36g/m2、0.78g/m2，這既避免了對水體產(chǎn)生二次污染，又兼顧了梭魚草的景觀價值和凈化水體功能的充分發(fā)揮。

(4)同時，開展溝渠植物氮磷吸收——茶園覆蓋還田養(yǎng)分循環(huán)利用技術(shù)研究，將收割的梭魚草覆蓋到丘陵茶園，使其吸收的氮磷循環(huán)利用，定期進(jìn)行茶園土壤、茶園雜草等生態(tài)環(huán)境調(diào)查研究，這也進(jìn)一步發(fā)揮了梭魚草的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。此研究有待進(jìn)一步深入。

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