全 文 ：第 2 5卷第 1期
2 0 1 4 年 2 月
水 资 源 与 水 工 程 学 报
Journal of Water Ｒesources ＆ Water Engineering
Vol． 25 No． 1
Feb ． ，2014
收稿日期:2013-08-22; 修回日期:2013-09-14
基金项目:国家科技支撑计划课题(2012BAC07B02)
作者简介:王 盼(1990-) ，女，陕西榆林人，硕士研究生，主要从事水污染化学等方面的研究。
通讯作者:孙红文(1967-)，女，天津市人，教授，博士生导师，主要从事环境化学方面的研究。
DOI:10． 11705 / j． issn． 1672 － 643X． 2014． 01． 03
不同氮源对黄花鸢尾净化富营养化水体的影响
王 盼1，马牧源2，刘春光1，孙红文1
(1．南开大学 环境科学与工程学院 环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津 300071;
2．中国林业科学研究院 湿地研究所，北京 100091)
摘 要:利用水生植物床系统研究了不同氮源(硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐)对黄花鸢尾(Iris pseudoacorus)去除水体
氮磷营养盐效率的影响，同时对植物的生长量、水体中叶绿素 a含量、黄花鸢尾对氮磷的吸收利用以及氮循环细菌
的分布和氧化亚氮的通量进行了综合研究。结果表明:黄花鸢尾对硝酸盐氮具有优先选择性，而对氨氮的去除效
果较差。从植物总氮、总磷吸收量来看，3 种氮源中硝酸盐氮 ＞亚硝酸盐氮 ＞氨氮;从氮循环菌分布和 N2O释放量
来看，硝酸盐氮 ＞氨氮 ＞亚硝酸盐氮。一定范围内，植物对营养盐的吸收随营养盐浓度增加而增加，但水体中营养
盐浓度过高则会抑制植物的生长，浓度为 80 mg /L的硝酸盐氮，亚硝酸盐氮和氨氮都对黄花鸢尾生长有抑制作用，
尤其是高浓度氨氮溶液中，植物的湿重明显减少，因此，黄花鸢尾更适宜治理硝酸盐污染的水体。
关键词:水污染;黄花鸢尾;富营养化;氮源
中图分类号:X52 文献标识码:A 文章编号:1672-643X(2014)01-0013-05
Effect of different nitrogen sources on water body of
eutrophication purified by Iris pseudoacorus
WANG Pan1，MA Muyuan2，LIU Chunguang1，SUN Hongwen1
(1． Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria，College of Environmental Science and
Engineering of MOE，Nankai University，Tianjin 300071，China;2． Ｒesearch Institute of Wetland，
Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China)
Abstract:An aquatic plant bed system was used to study the effects of different nitrogen forms (nitrate，
nitrite，and ammonium)on nutrient removal by Iris pseudoacoru． Meanwhile，the plant growth，solution
chlorophyll － a concentration TN and TP uptaken by Iris pseudoacorus，the distribution of nitrogen cycle
bacteria and flux of nitrous oxide were analyzed． The results showed that Iris pseudoacorus has prior se-
lectivity on different nitrogen forms and has worse removal effect on ammonium N and nitrogen N． From
the view of uptake of N and P by the plant，nitrate N ＞ nitrite N ＞ ammonium N;from the view of amount
of nitrogen cycle bacteria and release of N2O，nitrate N ＞ ammonium N ＞ nitrite N． The uptake of nu-
trients increased with the increase of concentration of nitrogen in a certain range． When the concentration
is too high (80 mg /L)，the growth of plant is inhibited． The wet weight of plant is obviously decreased in
solution of high concentration． In conclusion，Iris pseudoacorus is more suitable to be used in the water
body polluted with nitrate．
Key words:water pollution;Iris pseudoacorus;eutrophication;nitrogen source
近年来，湖泊富营养化已成为全球共同面临的
水环境污染问题，受到各国关注。多年的调查结果
表明，我国富营养化湖的比例由 20 世纪 70 年代的
41%发展到 80 年代的 61%，90 年代已经上升到
77%。根据对全国 39 个大、中型水库的调查，处于
富营养状态的水库个数和库容分别占调查总数的
30． 8%和 11． 2%。处于中营养状态的水库个数和
库容分别占所调查水库的 43． 6%和 83． 1%。此外，
近年来我国部分河流水域如汉江、珠江等也出现了
水体富营养化现象［1］。因此，水体“富华”是我国当
前亟待解决的环境问题之一。目前，应用生态工程
控制湖泊水体富营养化，即在富营养的水体中种植
大型植物以去除其中的营养盐，越来越受到重
视［2 － 5］。研究表明，利用水生植物去除富营养化水
体中的氮磷有显著的效果［6 － 7］。影响水生植物去除
营养盐效率的因素主要包括植物群落类型［8 － 9］、季
节［10］、温度［11 － 12］、pH 和曝气［13］以及植物丰度［14］
等。营养盐的形态对于植物吸收营养盐有重要影
响，对于陆生植物方面的研究很多，但是对于用于控
制水体富营养化的植物这方面的研究鲜有报
道［15 － 16］。基于此，本文利用植物床系统对黄花鸢尾
(Iris pseudoacorus)去除富营养化水体中营养盐的
效率与不同氮源和浓度之间的关系展开研究，以期
为富营养化水体的治理提供理论参考 。
1 材料和方法
1． 1 实验材料与仪器
黄花鸢尾(取自天津水生植物研究站) ;气相色
谱仪(6820，Agilent) ;紫外可见分光光度计(Cary50，
Varian)。
1． 2 实验方法
将湿重大小相近的黄花鸢尾清洗干净，固定于
泡沫板上，然后置于装有营养液的培养箱(65 cm ×
45 cm ×50 cm，长 ×宽 ×高)中进行培养。每个培养
箱栽种黄花鸢尾 2 株，分别以硝酸钾、亚硝酸钾、氯
化铵为氮源配制 3 个氮浓度不同的营养液，氮浓度
分别为 10、30 和 80 mg /L。营养液中其他成分为:
硫酸镁(0． 261 g /L)，磷酸氢二钾(0． 51 g /L) ，硫酸
锰(0． 0025 g /L) ，硫酸铜(0． 00008 g /L) ，硼酸
(0． 0025 g /L)，硫酸锌(0． 0005 g /L)［17］。每个培养
箱中装承营养液 20 L。每个处理重复 2 次，以蒸馏
水补充蒸发损失的营养液。实验周期为 24 d，每4 d
测定一次水中总氮，总磷和叶绿素 a 的浓度。培养
期间，采集根际和根外水样，用 MPN 法测定氮循环
细菌的数量。收集每个处理的气体样品，并测定
N2O的通量。实验结束后，收集黄花鸢尾烘干并测
定植物体内 N、P的含量。
1． 3 测定方法
1． 3． 1 氮循环细菌的测定—MPN 法 分别配制硝
化、亚硝化、氨化及反硝化细菌培养基，调节 pH 值，
分装于试管中，并在氨化及反硝化培养基中加入小
倒管，加塞，灭菌。每个水样作 5 ～ 6 个 10 倍系列稀
释。每支试管中接种水样或稀释水样各 1 mL，每一
稀释度做 5 个平行。在 28 ± 1 ℃条件下，氨化细菌、
反硝化细菌培养 15 d，硝化和亚硝化细菌培养 30 d，
检测各种形态氮的产生和消失情况。查 MPN表，计
算样品中的细菌数量［18］。
1． 3． 2 叶绿素 a的测定 取水样，经滤膜过滤后将
滤膜放入研磨器中;加入少许 90%丙酮液研磨 3 ～ 5
min后转移至具塞玻璃离心管中;再用丙酮液洗研
磨器数次，合并到离心管中，并定容至 5 mL 冷藏过
夜。次日取出，加入碳酸镁溶液 0． 2 mL，在 2000
r /min下离心 20 min。上清液用分光光度计测
定［19］。
1． 3． 3 N2O 通量的测定 N2O 通量的测定采用封
闭式静态箱法(Closed Chamber Method) ，收集每个
实验组的气体样品，并通过气相色谱测定 N2O 的通
量［20］。
1． 3． 4 植物体内 N、P含量的测定 将黄花鸢尾在
105 ℃下烘干，磨碎呈粉末状，用浓硫酸 －双氧水法
进行消解，消解后的样品分别用扩散法和用钼矾磺
酸比色法测定植物中氮、磷的含量［21］。
2 结果与讨论
2． 1 不同氮源对黄花鸢尾生长量的影响
经过 24 d 的培养，黄花鸢尾在不同氮源条件下
的生长量见表 1。黄花鸢尾在硝酸盐为氮源的培养
箱中长势最好，其次是亚硝酸盐处理，在铵盐为氮源
条件下黄花鸢尾生长最差，说明黄花鸢尾不适宜在
铵盐为氮源的条件下生长。3 个营养盐水平中，在
低浓度(10 mg /L)下长势最好，说明高浓度氮对于
植物有一定危害。黄蕾等［7］研究 4 种水生植物在冬
季脱氮除磷效果时发现，水体氮浓度过高对沉水植
物生长会产生胁迫，与本研究结果相一致。
表 1 不同氮源对黄花鸢尾生长量的影响 mg /L，g /株
氮源
氮浓度
NO －3
10 30 80
NO －2
10 30 80
NH +4
10 30 80
植物湿重
增加量
14 11． 9 2． 1 6． 2 4． 1 2． 3 － 1． 5 － 7． 5 － 3． 7
2． 2 黄花鸢尾对不同氮源营养液中总氮，总磷的去
除及吸收效果
培养 24 d后，黄花鸢尾对总磷及总氮的去除率
及吸收量分别见图 1 和图 2。相同氮源时，浓度低
的总氮去除率高，浓度高的总氮去除率低;但总体上
黄花鸢尾对总氮的去除量仍是随着氮浓度增加而增
加的。对不同氮源，在低浓度(N 浓度 10，30
mg /L)时，以硝酸钾，亚硝酸钾为氮源的总氮去除率
41 水 资 源 与 水 工 程 学 报 2014 年
相差不大，硝酸钾为氮源的总氮去除率略高于亚硝
酸钾，且远远高于氯化铵为氮源的总氮去除率，即
TN(NO －3 )≈TN(NO
－
2 )＞ TN(NH
+
4 )。在氮浓度为
80 mg /L条件下，以氯化铵，亚硝酸钾为氮源的总氮
去除率相差不大，但明显高于硝酸钾为氮源的总氮
去除率，即 TN(NH +4 )≈TN(NO
－
2 )＞ TN(NO
－
3 )。
铵盐的去除率随浓度增高，一方面由于在高浓度氨
存在下，植物对氮的吸收率增加(图 1) ;另一方面从
植物的氮吸收量来看(图 2) ，以铵盐为氮源的吸收
量最少，还可能是由于高浓度氨氮使 pH 升高，部分
铵盐转化为 NH3 释放到空气中。
相同氮源，氮浓度低的总磷去除率高，氮浓度高
的总磷去除率低，这主要是由植物生长情况决定的
(表 1)。不同氮源，在低浓度(氮浓度 10，30 mg /L)
时，总磷的去除率以硝酸钾为氮源的培养箱中最高，
亚硝酸钾次之，氯化铵最差，即 TP (NO －3 )＞
TP(NO －2 )＞ TP(NH
+
4 );在高浓度(氮浓度 80 mg /L)
时，TP(NO －2 )＞ TP(NO
－
3 )＞ TP(NH
+
4 )。
黄花鸢尾在不同氮源及氮浓度梯度条件下，对
总氮总磷的去除规律基本一致，只是在氨氮浓度为
80 mg /L 时，总氮的去除率较高。这表明，氮源对
TN、TP去除起重要作用。总体上，黄花鸢尾对硝酸
盐和亚硝酸盐氮源水体中总氮和总磷去除效果要好
于铵盐氮源。而且，总氮总磷去除率与氮浓度相关，
基本上去除率随浓度增加而有所下降。
不同氮源条件下，黄花鸢尾对氮、磷吸收量的比
较见图 2。可以看出，黄花鸢尾对硝酸盐为氮源的
氮、磷吸收量最多，亚硝酸盐氮源次之，铵盐氮源中
最少。这表明，3 种无机氮源中，硝酸盐氮是最利于
被黄花鸢尾吸收利用的氮形态。从图 2A 中可以看
出，在氮浓度较低(氮浓度 10，30 mg /L)条件下，黄
花鸢尾对氮的吸收量随浓度增加而增加;而浓度较
高时(80 mg /L)，黄花鸢尾对硝酸盐氮源和亚硝酸
盐氮源的氮吸收量不再继续升高。这表明，氮浓度
较高时对植物生长有一定毒性，黄花鸢尾对氮的吸
收利用受到抑制，而植物体内的氮随着铵盐浓度升
高而升高。植物对氮的吸收与溶液箱氮的去除率具
有很好的吻合。
黄花鸢尾对不同氮源，不同氮浓度水体中总磷
的去除情况见图 2B。从图中可以看出，不同氮源培
养箱中，磷的总吸收量随浓度升高有所下降。这主
要是植物生长量大大降低引起的。
图 1 不同氮源对黄花鸢尾去除总氮(A)、总磷(B)的影响 图 2 不同氮源对黄花鸢尾吸收 氮(A)、磷(B)的影响
2． 3 不同氮源对各营养液中叶绿素 a的影响
氮源对营养液中叶绿素 a 的浓度有显著影响。
相同氮源时，叶绿素 a 浓度随氮浓度增加而增加。
当氮源分别为 NO －3 、NO
－
2 、NH
+
4 时，在 10 mg /L氮浓
度水平下，叶绿素 a 浓度分别为 5． 12、5． 98、15． 37
mg /L;氮浓度为 30 mg /L 时，叶绿素 a 浓度分别为
8． 54、6． 83、20． 07 mg /L;氮浓度为 80 mg /L时，叶绿
素 a浓度分别为 13． 24、7． 26、23． 06 mg /L。不同氮
源处理中，以铵盐为氮源的培养箱中叶绿素 a 浓度
最高。结合总磷的去除率来看，叶绿素 a 与总磷去
除率间呈现显著负相关关系(Ｒ2 = 0． 898)。即磷
去除率高时，磷浓度低，叶绿素 a值低;反之，磷去除
率低时，即磷浓度高的条件下，叶绿素 a 值高。可
见，磷浓度是叶绿素 a 的主要限制因子。洪刚强
等［22］在研究活性磷对浒苔生长和叶绿素含量影响
的研究时发现，在一定范围内，叶绿素的含量随磷浓
度的增加而增加，与本研究结果相符。
2． 4 不同氮源对氮循环细菌的分布和氧化亚氮
(N2O)通量的影响
2． 4． 1 氮循环细菌 分别对不同氮源培养箱中根
际和根外氮循环菌进行测定，结果见表 2。各种氮
循环菌的最大可能数 MNP 在根际区域比根外要高
出 1 ～ 3 个数量级。这说明植物根系提供了好氧 －
厌氧微环境，更有利于微生物生长。4 类细菌中，亚
硝化菌数量最少，说明它能制约氮循环作用。硝化
菌和反硝化菌在以硝酸盐和铵盐为氮源的培养箱
51第 1 期 王 盼，等:不同氮源对黄花鸢尾净化富营养化水体的影响
中，数量随浓度增加而减少;在亚硝酸盐为氮源的培
养箱中随浓度增加而增加。总体看来，3 种氮源中
氮循环菌分布为硝酸盐中最多，铵盐中次之，亚硝酸
盐中最少。
表 2 不同氮源条件下黄花鸢尾培养箱中
氮循环细菌分布对数表 mg /L
NC
NO －3
10 30 80
NO －2
10 30 80
NH +4
10 30 80
ab
Ｒ 5． 92 5． 28 5． 28 5． 45 4． 32 4． 79 4． 98 5． 46 5． 31
N 7． 05 6． 08 6． 08 6． 19 6． 24 5． 92 6． 83 7． 34 7． 19
nob
Ｒ 3． 40 3． 60 3． 40 3． 60 3． 95 3． 40 3． 95 3． 95 3． 88
N 4． 40 4． 40 4． 30 4． 98 4． 30 4． 98 5． 04 5． 04 4． 48
db
Ｒ 6． 04 5． 48 5． 40 5． 04 5． 40 5． 40 5． 60 5． 98 5． 40
N 8． 65 7． 54 6． 65 6． 04 6． 48 7． 30 7． 65 7． 60 7． 54
nb
Ｒ 4． 65 4． 30 4． 30 3． 85 3． 95 4． 18 4． 18 3． 95 3． 95
N 6． 65 6． 65 6． 08 5． 30 5． 18 5． 85 5． 60 5． 30 5． 88
注:ab(ammonifying bacteria)氨化菌;nob(nitrosation bacteria)亚
硝化菌;nb(nitrifying bacteria)硝化菌;db(denitrifying bacteri-
a)反硝化菌;Ｒ(rhizosphere)根际;N(non － rhizosphere)根外。
2． 4． 2 氧化亚氮通量 氧化亚氮是硝化反硝化作
用的重要产物，自然条件下，水体中的氮在氮循环菌
的作用下主要以氧化亚氮的形式逸出。所以，一定
程度上，氧化亚氮通量可以反映水体中硝化反硝化
强度［23］。
比较不同氮源处理条件下氧化亚氮通量的变化
(图 3)。实验结果表明，随着氮浓度的增加，以硝酸
盐和铵盐为氮源的培养箱中，释放的氧化亚氮通量
随着营养盐浓度增加而减少;而以亚硝酸盐为氮源
的培养箱中氧化亚氮随之增加。不同氮源处理条件
下，总体来看，氧化亚氮的释放量为 NO －3 ＞ NH
+
4 ＞
NO －2 ，在低浓度(氮浓度 10，30 mg /L)时表现尤为
明显。
硝化作用和反硝化作用都可以产生氧化亚氮，
途径见图 4。
图 3 氮源对黄花鸢尾培养箱中氧化亚氮释放通量的影响 图 4 氧化亚氮的形成［24］
在硝酸盐氮源处理的各培养箱中，提供了充足
的硝酸盐，作为反硝化菌生长的基质，利于反硝化反
应发生;而铵盐为氮源处理的各培养箱中，存在充足
的铵盐作为硝化菌生长的基质;所以在铵盐和硝酸
盐氮源中生成的氧化亚氮较多。但是，氮浓度过高
时会抑制黄花鸢尾的生长，导致植物根部密度降低，
从而使硝化菌和反硝化菌数目有所减少，所以氧化
亚氮释放通量随氮浓度增加而减少。铵盐处理中，
虽然硝化菌和反硝化菌数量变化不大，但是由于亚
硝化菌数量在高浓度时为 104． 48，比低浓度时
(105． 04)有所降低，而亚硝化细菌是氮循环过程的速
控步，所以铵盐处理中氧化亚氮通量也随氮浓度增
加而降低。亚硝酸盐处理中，由于亚硝化氮不稳定，
向硝态氮和氨氮转化，所以硝化菌、反硝化菌数量都
随氮浓度升高而升高，所以氧化亚氮通量也随浓度
升高而有所增加。
氧化亚氮的产生主要是在微生物的参与下，通
过硝化和反硝化作用完成的。本文分析了氧化亚氮
通量与硝化及反硝化细菌数的相关性，氧化亚氮通
量与硝化及反硝化细菌数呈显著正相关关系，相关
系数(Ｒ2)分别为 0． 6306 和 0． 8899;与硝化及反硝
化菌之和线性关系最好，Ｒ2 达到 0． 9115。这说明氧
化亚氮主要是硝化和反硝化菌共同作用产生的，而
反硝化起到主要作用。
3 结 语
(1)植物吸收水体中的营养盐对其中氮元素形
态有一定的选择性，本实验中，黄花鸢尾对硝酸盐氮
具有优先选择性，而对氨氮的去除效果较差。
(2)在一定范围内，植物对营养盐的吸收随营养
盐浓度增加而增加，但当水体中营养盐浓度过高时，
有可能对植物生存产生不良后果，抑制植物的生长。
(3)从植物 TN、TP吸收量来看，3 种氮源中，硝
酸盐氮 ＞ 亚硝酸盐氮 ＞ 氨氮;从氮循环菌分布和
N2O释放量来看，硝酸盐氮 ＞氨氮 ＞亚硝酸盐氮。
在 4 种氮循环细菌中，氧化亚氮释放通量与硝化菌
和反硝化菌之和的关系最为紧密。
(4)黄花鸢尾在硝酸盐条件下对氮、磷去除率
61 水 资 源 与 水 工 程 学 报 2014 年
高，吸收利用氮、磷能力最强，利于微生物生长，并能
将叶绿素 a水平维持在较低范围内。所以黄花鸢尾
较适宜用于硝酸盐氮为优势氮源的富营养化水体治
理，不宜用于氨氮水平高的富营养化水体治理。
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