全 文 ：第 23卷第 3期
2009 年 6 月 水土保持学报Journal of Soil and Water Conserv ation Vo l.23 No.3Jun., 2009
　
　葎草水培生长及对富营养化水体中氮磷的净化 ＊
马占青1 ,温淑瑶2
(1.杭州职业技术学院 , 杭州 310018;2.北京师范大学地理学与遥感科学学院 , 北京 100875)
摘要:采用模拟自然条件下试验的方法 , 以水生态修复中已有研究的风车草和彩叶草作比对 , 探讨葎草水培生长
及对富营养化水体中氮磷的净化效果。试验结果显示 ,葎草的生长速度最快 , 其次是彩叶草和风车草 ,春夏季鲜
重的增长分别为 268%, 189%和 178%, 秋冬季鲜重的增长分别为 236%, 147%和 133%;葎草对 TN 、TP 和
CODC r具有较好的净化效果 , 春夏季好于秋冬季 , 其中春夏季的净化效果分别约为 81%, 90%和 86%,比彩叶草
分别提高约 18%, 23%和 17%, 比风车草分别提高约 26%, 16%和 25%;秋冬季葎草对 TN 、TP 和 CODC r的净化
效果分别约为 72%, 79%和 78%, 比彩叶草分别提高约 18%, 24%和 15%, 比风车草分别提高约 21%, 17%和
23%。因此 , 土著物种葎草可有效净化富营养化水体中的氮磷营养盐及有机物。
关键词:葎草;富营养化水体;氮;磷;植物修复
中图分类号:X522　　　文献标识码:A　　　文章编号:1009-2242(2009)03-0053-05
Removal of Nitrogen and Phosphorus in Eutrophic Water with Humulus scandens
MA Zhan-qing 1 ,WEN Shu-yao2
(1.Hangzhou Vocation and Technical College , H angzhou 310018;
2.S chool of Geography , Beij ing Normal University , Beij ing 100875)
Abstract:The removal ef ficiency of nit rogen and phosphorus in eutrophic wa ter w ith Humulus scandens was
studied in contrast w ith them w ith Cyperus alterni f ol ius and w ith Coleusblumei by expe riment w hich simula-
ted na tural conditions.The results show ed that g row th rates of f resh w eight o f Humulus scandens , Coleus-
blumei and Cyperus al terni f ol ius are 268%,189%and 178% respectively in spring and summer , and 236%,
147% and 133% respectively in autumn and w inter.It is clear that g row th rate o f f resh w eight of Humulus
scandens is the bigg est , that of Coleusblumei is the second , and that of Cyperus al terni f olius i s the thi rd.
The removal eff iciency of TN , TP and COD w ith Humulus scandens in eut rophic w ate r is 81%, 90% and 86%
respectively in spring and summer , which is higher than those w ith Coleusblumei 18%,23%and 17% respec-
tively , and which is higher than those wi th Cyperus alterni folius 26%,16% and 25% respectively.The re-
moval ef ficiency of TN , TP and COD w ith Humulus scandens in eut rophic w ater is 72%,79% and 78% re-
spectively in autumn and w inter , which is higher than those w ith Coleusblumei 18%,24% and 15% respec-
tively , and which is higher than those wi th Cyperus alterni folius 21%,17% and 23% respectively.The re-
moval of TN , TP and COD with Humulus scandens is ef fective in eutrophic w ater.The removal ef ficiency in
spring and summer is higher than that in autumn and winter.
Key words:Humulus scandens;eutrophic w ater;nit rog en;phosphorus;phy toremediation
我国已趋富营养化的湖泊达 90%以上[ 1] ,对富营养化湖泊进行水生植物修复已得到国内外学者的广泛共
识[ 2-3] 。目前 ,国内水生态修复工程的应用水生植物有 40 ～ 50种 ,并取得了丰硕的成果[ 4-6] ,然而在富营养水体
中水生植物难以形成稳定的植被[ 7-8] 。葎草在我国南北各地均有分布和生长[ 9-10] ,在浙江及杭州地区的河滩湿
地常形成较大面积的单优群落 。至今 ,有关葎草的研究限于其形态特征与生长特点 、营养成分与饲用价值 、药
物提取与药理药学及生态护坡等方面[ 11-13] ,对其净化水质效果则鲜有报道。由于葎草已属于浙江及杭州地区
的土著物种 ,其根系发达 ,主根粗壮 ,茎柔韧 ,长可达 5 m 左右 ,生长速度快 ,抗逆性强 ,喜湿耐旱 ,具有一定的
景观价值 ,全株可入药。
＊ 收稿日期:2009-01-13
基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y504140)
作者简介:马占青(1961-), 男 , 内蒙古托县人 , 博士 , 杭州职业技术学院化学工程系副教授 , 主要从事水污染控制与治理技术研究。
E-mail:mzqnm g@163.com
在富营养化水体中 ,初级生产力高 ,透明度低 ,光补偿点难以正常维持光合作用 ,使水生植物的恢复困难;
另外 ,对恢复稳定的水生植被所需要的环境前提考虑较少[ 14] 。因此 ,探寻一种可以营造适合水生植物生长和
扩增生境条件的技术是很有必要的 。本研究采用模拟自然条件下试验的方法 ,探讨葎草的水培生长及对富营
养化水体中氮 、磷和 COD的净化效果 ,旨在克服水生植物治理富营养化水体光补偿低的技术瓶颈 ,为浙江及
杭州地区富营养化水体修复提供植物选择的依据 。试验以水生态修复中已有研究的风车草和彩叶草作比对 ,
对比研究了葎草在春夏季和秋冬季对富营养化水体中氮 、磷和 COD的净化效果 。
1　材料与方法
1.1　供试植物
供试植物葎草 、风车草和彩叶草均采自杭州地区。葎草(Humulus scandens)又名拉拉秧 、拉拉蔓 、拉拉藤 、
五爪龙 、勒草等 ,一年生或多年生缠绕(或平卧)草本植物 ,具有较强的攀缘性和生命力 。风车草(Cyperus al-
terni f ol ius)又名伞草 、水棕竹 、水竹 ,莎草科莎草属 ,多年生草本植物 ,已有用于人工湿地或水塘边种植美化水
域景观和净化污水。彩叶草(Coleusblumei)又名锦紫苏 ,唇形科鞘蕊花属 ,多年生草本植物 ,生长需要大量水
分 ,茎叶紫色 ,多年会长成亚灌木状 ,常用于景观美化。
表 1　试验用水水质状况 mg/ L
试验类别 pH 值 TP TN NO -3 -N NO -2 -N NH +4 -N CODCr DO
夏秋季 8.28 0.271 4.21 0.05 0.01 3.50 128 4.10
秋冬季 8.08 0.198 4.13 0.02 0.09 3.28 102 5.16
1.2　供试水样
试验用水取自杭州下沙高教
园区景观湖泊 ,该水体富营养化程
度较为严重 ,试验用水的水质状况
见表 1 ,从这些指标来看 ,该水体为富营养化水体。
1.3　试验方法
试验塑料水槽为:长×宽×高=90 cm ×70 cm×50 cm ,实际使用水体体积为 250 L。试验模拟自然条件 ,
水槽置于有阳光的户外 ,并埋入地下 40 cm(防侧光入射及保温),除较大的大气降水外 ,其余时间不遮盖 。
选择苗高或径长约 25 cm 的植株 ,经去土洗净根后置于定植杯中 ,再移栽定植到泡沫板后漂浮于试验水箱
中。试验前用静置 1 d的自来水将野外采回的植物冲洗干净 ,然后用蒸馏水清洗 ,自然风干 5 min 后称重 。
试验共设 8个水箱 ,其中葎草 、风车草 、彩叶草和对照每组 2个重复。试验初始生物量见表 2 ,对照组未种
植物 。试验开始后 ,每隔 5 d取 1次水样 ,并分别测定总氮(TN)、总磷(TP)、亚硝氮(NO 2 --N)、硝氮(NO 3 -
-N)、氨氮(NH 4 +-N)以及化学耗氧量(CODCr)、溶解氧(DO)、水温(t)等。试验时间春夏季为:2006-05-
14至 2006-07-03 ,秋冬季为:2006-11-10至 2006-12-30 ,各 50 d。
2　结果与讨论
表 2　植物试验前后生长变化
测定项目 葎草夏季 冬季
彩叶草
夏季 冬季
风车草
夏季 冬季
初始鲜重/g 120 127 123 119 125 129
末期鲜重/g 321 300 232 175 223 172
增长率/ % 268 236 189 147 178 133
2.1　葎草生长变化
春夏季试验期间的气温和水温变化在 14 ～ 36℃和
20 ～ 29℃之间 ,秋冬季试验期间的气温和水温变化在 3
～ 24℃和 5 ～ 17℃之间 ,试验植物初始根长约为 2.0 cm ,
茎长或株高约为 25.0 cm ,试验植物之间生长存在明显
差异 ,植物生长情况见表 2。
春夏季试验期间 ,葎草的生长速度最快 ,根与茎长度分别增加到试验末期的 4.5 cm 和 92.5 cm左右 ,是初始
鲜重的268%;彩叶草的生长速度居中 ,根长与株高分别增加到试验末期的3.5 cm和42.0 cm 左右 ,是初始鲜重的
189%;风车草生长速度较慢 ,根长与株高分别增加到试验期末期的 3 cm 和 39 cm 左右 ,是初始鲜重的 178%。
秋冬季试验期间 ,植物前 35 d长势良好 ,后期随着气温的下降 ,植物长势逐步趋缓 ,到试验结束后 ,葎草的
根与茎长度分别增加到 4.0 cm 和 86.0 cm 左右 ,是初始鲜重的 236%;彩叶草的根长与株高分别增加到 3.0
cm 和 38.5 cm 左右 ,是初始鲜重的 147%;风车草的根长与株高分别增加到3.0 cm 和 37 cm 左右 ,是初始鲜重
的 133%。从植物的生长情况来看 ,葎草鲜重的增长降幅比对照植物低 ,葎草在温暖条件下的生长迅速和低温
条件下的较强生命力 ,使之具备了修复富营养化水体的较大潜力 。
2.2　TN 的净化效果
由图 1a 和图 1b可以看出 ,试验植物对 TN均有明显的净化效果 ,显著高于对照组 ,试验植物之间 TN 的
去除率存在明显差异 ,葎草对 TN的去除率明显高于彩叶草和风车草 。春夏季葎草 、彩叶草和风车草 TN 的去
54 水土保持学报　　　　　 第 23 卷
除率分别为 81%, 63%和 55%,对照组 TN的去除率仅为 16%;秋冬季葎草 、彩叶草和风车草 TN 的去除率分
别为 72%,54%和 51%,对照组 TN 的去除率为 14%。刘士哲等[ 15] 的研究发现 ,彩叶草和风车草对 TN 的去
除能力较强;本研究的结果表明 ,葎草对 TN 的去除能力高于对比植物 ,可见葎草是一种较为理想的净化富营
养化水体中氮素的植物材料。
图 1a　春夏季试验水体中 TN 去除率　　　　　　　　　　　　　图 1b　秋冬季试验水体中 TN 去除率
2.3　NH +4 -N的去除效果
春夏季试验在第5 ～ 20 d之间 ,试验水体 NH+4 -N 含量由 3.50 mg/L 快速降至 0.21 ～ 0.39 mg/ L ,去除率为
89%～ 94%,其中葎草的NH+4 -N去除率明显高于彩叶草和风车草 ,其后试验水体 NH+4 -N 含量降幅逐步趋
缓 ,见图 2a。秋冬季试验前 35 d ,有葎草的试验水体中 NH+4 -N 含量由 3.28 mg/ L 降至 0.10 mg/L ,去除率达
97%,彩叶草和风车草的 NH+4 -N去除率分别为 87%和 91%,明显高于对照组的 NH+4 -N去除率 ,见图 2b。
有研究表明[ 16] ,水体中 NH+4 -N 去除的主要途径有植物吸收 、硝化反应和氨挥发等。氨挥发的条件之一
是水体 pH >8.0 ,水质分析结果表明试验水体 pH>8.0 ,因此氨挥发可能是 NH+4 -N 去除的原因之一。无论
是春夏季还是秋冬季 ,试验组水体中 NH +4 -N 去除效果都好于对照组 ,但去除效果相差不大 ,说明除水生植
物吸收 NH +4 -N 外 ,可能还存在氨挥发过程。另外 ,由图2a、图2b 、图3a和图3b可发现 ,水体中 NH+4 -N 和
NO
-
2 -N 含量存在彼此消长的变化规律 ,因此 NH +4 -N 去除可能还存在由于水体中氨氧化菌的硝化作用将
NH
+
4 -N 氧化为 NO -2 -N和 NO -3 -N的过程 。秋冬季试验组水体中 NH +4 -N 的去除效果明显好于对照 ,
可能是试验水体氨挥发过程弱化的结果 。
图 2a　春夏季试验水体氨氮含量变化　　　　　　　　　　　　图 2b　秋冬季试验水体氨氮含量变化
2.4　NO -3 -N 的去除效果
由图 3a 、图 3b 、图 4a和图 4b可知 ,试验前期水体中 NO -2 -N 发生硝化反应 ,使春夏季水体中 NO -3 -N
从 0.05 mg/ L 提高到 1.21 ～ 1.68 mg/L ,秋冬季 NO-3 -N 从 0.02 mg/L 提高到 1.12 ～ 1.45 mg/L ,发生了
NO
-
3 -N 累积现象 ,其后无论是夏季还是秋冬季 ,试验组水体中 NO -3 -N 浓度均有下降 ,见图 4a和图 4b;比
较发现 ,生长葎草的水体中 NO-3 -N 的累积较低 ,生长彩叶草和风车草的水体中 NO-3 -N 的积累相对较高 ,
对照水体中 NO-3 -N 的积累最高。
有研究表明 ,水体中 NO -3 -N的去除是由于反硝化作用和水生植物的吸收作用 ,发生反硝化的条件之一
是水中DO应在0.5 mg/ L以下 ,而春夏季和秋冬季试验水体 DO含量远远大于0.5 mg/ L ,故反硝化作用不是
NO-3 -N 去除的主要因素 ,即植物吸收可能是 NO -3 -N 含量降低的主要因素 ,试验结果表明葎草有较强的吸
收 NO-3 -N 的潜力。
55第 3 期 　　　 　　马占青等:葎草水培生长及对富营养化水体中氮磷的净化
图 3a　春夏季试验水体中亚硝态氮含量变化　　　　　　　　　　　　图 3b　秋冬季试验水体中亚硝态氮含量变化
图 4a　春夏季试验水体中硝态氮含量变化　　　　　　　　　　　　图 4b　秋冬季试验水体中硝态氮含量变化
2.5　TP 的去除效果
TP 的去除试验效果见图 5a和图5b。结果表明 ,种植植物的试验组 TP 的去除效果显著高于对照组 ,春夏
季试验组 TP 的去除率好于秋冬季 ,而 3种植物 TP 的去除效果存在较大差异 ,葎草 TP 的去除率明显高于彩
叶草和风车草 。春夏季葎草 、彩叶草和风车草 TP 的去除率分别为 90%, 67%和 74%,秋冬季分别为 79%,
55%和 62%。
植物主要是通过其同化作用 ,即通过植物根系吸收可溶性活性磷而达到磷的去除。另外 ,植物根系为聚磷
菌等微生物提供附着空间 ,聚磷菌在好氧条件下通过主动输送的方式将水体中的 H3 PO4 摄入体内合成 A TP
和聚磷酸盐。无论是种植植物的还是不种植植物的水体 ,总磷含量都随时间的延续呈逐渐降低的趋势 ,可能是
由于水体中的颗粒沉降而将磷带入水体下部 ,此外 ,含 P 化合物本身的降解 、沉淀 、挥发等都能降低水体 P 的
含量 ,而这些反应过程在有植物存在时会变得更活跃。
图 5a　春夏季试验水体 TP 去除率　　　　　　　　　　　　　图 5b　秋冬季试验水体 TP 去除率
2.6　CODCr的去除效果
从图 6a 和图 6b可看出 ,无论是春夏季还是秋冬季 ,种植植物的水体中 CODCr的去除率显著高于对照组 ,
葎草的 CODCr去除率明显好于彩叶草和风车草。春夏季葎草 、彩叶草和风车草 COD的去除率分别为 86%,
69%和 61%,秋冬季为 78%, 63%和 55%。
对照组水体中的 CODCr含量随着时间的延续而有一定的降低 ,可能是由于水体中的有机物在自然条件下
受微生物的作用而逐步转化为无机物所致;而种植植物的水体 CODCr去除率要比对照的高得多 ,可能是由于植
物种植后一方面植物可直接吸收小分子的有机物 ,另一方面可能是植物强化了有机物的直接降解过程。
56 水土保持学报　　　　　 第 23 卷
图 6a　春夏季试验水体 CDO 去除率　　　　　　　　　　　　　图 6b　秋冬季试验水体 CDO 去除率
3　结论
葎草对 TN 、TP 和 CODCr具有极好的净化效果 ,春夏季好于秋冬季 ,其中春夏季的去除率分别约为 81%,
90%和 86%,比彩叶草分别提高约 18%,23%和 17%,比风车草分别提高约 26%,16%和 25%;秋冬季葎草对
TN 、TP 和 CODCr的去除率分别约为 72%, 79%和 78%,比彩叶草分别提高约 18%,24%和 15%,比风车草分
别提高约 21%,17%和 23%。因此 ,土著物种葎草可有效去除富营养化水体中的氮磷营养盐及有机物 ,可用作
浙江及杭州地区富营养化湖泊水体的修复植物。
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责任编辑:付会芳
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