全 文 ：农业环境科学学报 2008,27(4):1495-1500
JournalofAgro-EnvironmentScience
摘 要:采用模拟试验研究了 pH和温度对薏苡植物床去除人工模拟富营养化水中氮磷的影响。一组试验在保持不同温度下即
10℃、20℃、30℃,另一组试验每2d调节一次pH使其分别保持在4、5、6、7、8、9。结果表明,薏苡植物床对富营养化水中氮磷的去
除十分有效,其中在 pH4和 pH5条件下对总氮的去除率可达到 77.75%和 78.30%,总磷的去除率达到 70.02%和 73.52%,高于其他
的pH条件;温度为30℃时对氮磷的去除效果要远远好于10℃和20℃。这些结果表明较低pH和较高温度有利于薏苡植物床对水
体氮磷的去除,这种植物可作为夏秋季富营养化水体修复的候选植物。
关键词:薏苡植物床;pH;温度;氮;磷
中图分类号:X703.1 文献标识码:A 文章编号:1672-2043(2008)04-1495-06
收稿日期:2008-04-15
基金项目:浙江省重大科技专项(2006-C-13059);教育部科技创新工
程重大项目培育基金(705824)
作者简介:高 冲(1983—),男,硕士研究生,主要从事水体富营养化
的植物修复研究。E-mail:gaochong2006@163.com
通讯作者:杨肖娥 E-mail:xyang581@yahoo.com
pH和温度对薏苡植物床去除富营养化水中氮磷的影响
高 冲 1,杨肖娥 1,向律成 1,熊集兵 2,吴 湘 1
(1.浙江大学环境与资源学院,环境修复与生态健康教育部重点实验室,浙江 杭州 310029;2.中国矿业大学环境与测绘学院,江
苏 徐州 221116)
TheEfectsofpHandTemperatureonRemovalofNitrogenandPhosphorusfromEutrophicatedWaterby
CoixLachryma-jobi.L
GAOChong1,YANGXiao-e1,XIANGLu-cheng1,XIONGJi-bing2,WUXiang1
(1.MOEKeyLab,Environ.RemediationandEcol.Health,ColegeofNaturalResources&EnvironSci.,ZhejiangUniversity,Hangzhou
310029,China;2.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)
Abstract:TheefectsofpHandtemperatureonremovalofnitrogenandphosphorusfromeutrophicatedwaterbyCoixLacryma-jobwere
studiedbysimulationexperiments.Inoneexperiment,Lachryma-jobi.Lwasgrownunderdiferenttemperatures,thatis10℃,20℃,30℃;
intheotherexperiment,theplantsweregrownineutrophicatedwaterwithdiferentpHof4,5,6,7,8,and9,respectively.Theresultsfrom
pHefectexperimentshowedthattheremovalrateoftotalnitrogenreached77.75%and78.30%andthatoftotalphosphorusreachedto
70.02%and73.52%atpH4and5.AndtheremovalratesofnitrogenandphosphorusatotherpHvalueswerelower.Fromthetemperature
experiment,wecouldseethattheremovalratesofnitrogenandphosphorusunder30℃weremuchhigherthanthoseunder20℃and10℃.
TheseresultsindicatedthatmoreeficientremovalofNandPbyCoixlacryma-joboccuratrelativelowpHandhightemperature,andthis
plantcanbeusedforphytoremediationofeutrophicwateratsummerandautumn.
Keywords:CoixLachryma-jobi.L;pH;temperature;nitrogen;phosphorus
湖泊富营养化已经成为一个世界性的环境问题,
利用水生植物富集氮、磷是治理、调节和抑制湖泊富
营养化的有效途径之一[1]。其中利用以植物为主体和
各种景观结构控制外源污染一直是国内外本领域的
研究前沿和热点问题[2、3]。大量的试验证明,植物修复
去除富营养化水中的氮磷有显著的效果[4～7]。在植物修
复的过程中,由于植物对营养物质地化循环起到重要
作用,但植物的形态、生物量、植物生理等均受到外界
温度的影响。不同植物的生长发育均有适宜的温度范
围,这对植物吸收矿质营养及净化水体显得尤为重要[8]。
植物生长都有一定的 pH范围,pH不仅能够影响植
物的生长而且能够影响营养元素在水中的存在形态,
还会影响到氨在水中存在的比例,从而影响到氨在水
中的毒性[10、11],同时 pH还可以影响磷在水中的形态
2008年7月
转化。薏苡(CoixLachrymajobi.L)为一年生禾本科植
物,是我国古老的一种粮药兼用植物[9],是新发现的对
富营养化水净化效果非常好的材料,在一般富营养化
水体和营养元素严重失调的重富营养化水体中均能
生存。在适宜温度下植物生长十分迅速,对富营养化
水体中氮磷有很好的去除效果。但环境因子对其去除
水中氮磷效果的影响尚没有研究。本文主要研究了重
要的环境影响因子(pH和温度)对薏苡植物床去除水
体中氮磷效果的影响,为利用薏苡植物床净化富营养
化水体提供一定的科学参考。
1 材料与方法
1.1试验材料
薏苡种子买自河北省某种植基地,移栽时薏苡有
2～3片叶子,大约每棵1.2g(鲜质量)左右。
1.2试验方法
试验在浙江大学人工气候室内进行,将薏苡种子
先在基质中育苗,待植物长至 30cm左右、具有 2～3
片叶子时,将薏苡移栽到泡沫板上制成植物床,放到
15L的圆桶中,桶高 30cm,每桶种 10株植物,供试
水体的营养指标为 TN5.63mg·L-1、TP0.51mg·L-1、
NH+4-N2.83mg·L-1、NO-3-N2.71mg·L-1。
1.2.1温度试验
试验分为3个处理,pH调节为6,将不同的处理
放在10、20、30℃的温度条件下,每个处理都设置对
照,重复3次。
1.2.2pH试验
试验分为6个处理,水体的pH分别用0.5mol·
L-1的盐酸和0.5mol·L-1的氢氧化钠调节为4、5、6、7、
8、9,每2d调节一次使pH保持稳定,温度统一为30℃,
每个处理都设置对照,重复3次。
1.2.3测定项目
每隔6d测定水中的总磷、总氮、氨氮和硝态氮[12]。
每6d测定一次株高,在试验的开始和结束分别测定
植物的生物量。
2 结果与分析
2.1pH对薏苡植物床去除水中氮磷的影响
2.1.1pH对薏苡生长状况的影响
文中各图均为3次重复的平均值,对于植物对水
中氮磷的处理结果,在计算中将处理的平均值与空白
值相减得到。从图1可以看出薏苡在不同pH的影响
下地上部的生长情况。在第6d到第18d是其生长最
快的时期,各个 pH处理的植物都生长迅速,只是在
pH4和 pH5条件下植物生长地更加迅速,pH8和
pH8处理的植物生长最为缓慢,但还是在生长,pH6
和pH7处理的植物介于前面两者之间,其中以 pH5
处理时植物生长最好,pH8处理时植物生长最差。从
图2可以看出,在处理24d后的薏苡生物量的变化。
当pH5时生物量增加最多为 27.15g,pH5以后随着
pH的升高生物量的增加逐渐减小,到了 pH9时生物
量只增加了8.33g。说明薏苡在pH5左右的时候生长
最好,如果长期保持在pH较高的水平下薏苡的生长
状况将受到抑制。
2.1.2pH对薏苡植物床去除富营养化水中氮素的影响
从图 3A可看出,在第 6d时 pH4、pH5和 pH6
对氨氮的去除率相对于 pH7、pH8、pH9等处理较低,
图1不同pH条件下薏苡株高的变化
Figure1HeightofCoixLachryma-jobi.atdiferentpH
80
70
60
50
40
30
20
10
0
240 126 18
处理时间/d
株
高
/c
m
pH4
pH5
pH6
pH7
pH8
pH9
图2pH对薏苡生物量变化的影响
Figure2FreshweightofCoixLachryma-jobi.atdiferentpH
30
25
20
15
10
5
0
pH8 pH9pH7pH6pH5pH4
鲜
质
量
变
化
/g
高 冲等:pH和温度对薏苡植物床去除富营养化水中氮磷的影响1496
第27卷第4期 农 业 环 境 科 学 学 报
pH4 pH5 pH6 pH7 pH8 pH9
图4不同pH影响下薏苡植物床对水中总磷的去除率变化
Figure4TheremovalrateofTPfromwaterbyCoix
Lachryma-jobi.atdiferentpH
80
70
60
50
40
30
20
10
0
240 126 18
处理时间/d
去
除
率
/%
pH4
pH5
pH6
pH7
pH8
pH9
A.氨氮、B.硝态氮、C.总氮
图3不同pH影响下薏苡植物床对水中氮素的去除率变化
Figure3TheremovalrateofN(A(NH+4-N)、B(NO-3-N)、C(TN))fromwaterbyCoixLachryma-jobi.atdiferentpH
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
24181260
处理时间/d
去
除
率
/%
A
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
24181260
处理时间/d
B
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
24181260
处理时间/d
C
主要是因为在碱性条件下铵态氮容易挥发,在pH较
高时还有一部分的铵态氮转化成了硝态氮,这从图
3B可以看出来,在第6d的时候硝态氮的含量有所
增加,但是在12d后这3个处理对氨氮的去除率上
升很快。这主要是由于植物在12d以后在这3种处
理条件下生长很快,吸收了大量的氮素。但是到了18
d以后,在不同pH条件下各处理的氨氮去除率的增
加开始减缓,但总体来看24d以后各种pH处理之间
的差异不是很大。从图3B可以看出pH对薏苡植物
床去除硝态氮的影响,在开始的几天里去除率变化非
常小,在pH高于7的几个处理甚至出现了硝态氮增
加的现象,这主要是由于在植物刚移入碱性环境中还
没有适应新的生存环境,植物中的氮外渗还有可能是
铵态氮在高pH条件下转化成的硝态氮。但是随着时
间的推移,薏苡植物床对硝态氮的去除率不断升高,
尤其是在pH小于7的几个处理中,在18d时去除率
就达到了40%左右,而在24d以后pH8和pH9的两
个处理其效果明显低于其余的几个处理,其中又以
pH5的效果最明显,达到了80%。与氨氮的去除不同
就是在后期硝态氮去除率增加速率要远远大于对氨
氮去除速率的增加。薏苡植物床对富营养化水中总氮
的去除从图3C可以看出,在第6d时去除率pH较高
的处理效果较好,这主要是对氨氮的去除,随着时间
的推移,低 pH条件的优势逐渐显示出来,这主要是
低pH条件下薏苡生长较快,具有更加发达的根系,
而且地上部的生长也远远快于高pH的处理,在第24
d的时候各处理对总氮的去除率效果为 pH5>pH4>
pH6>pH7>pH8>pH9。
2.1.3pH对薏苡植物床去除水中总磷的影响
从图4可以看出,薏苡植物床对富营养化水体中
总磷的去除率变化,跟对氮的去除差不多。在刚移栽
薏苡植物床时对总磷的去除率变化不是很大,在不同
的pH处理间差异也很小。但是随着时间推移去除的
速率逐渐加快,因为此时植物的生长十分迅速,无论
是植物的地上部还是根都迅速的生长,尤其是pH4、
pH5、pH6处理根的数量和长度都生长很快,植物吸
收了大量的氮磷,从而大量的降低了水中磷的水平。
虽然从植物的生长状况来看,pH4和 pH5两个处理
与pH6和pH7两个处理之间差异比较明显,但是从
对总磷的处理状况来看差异不是很大,即使pH5与
pH7之间也只相差了13%。24d后pH9处理对磷的
去除率最低为24.17%,在前18dpH8与pH9处理对
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2008年7月
图6不同温度对薏苡生物量变化的影响
Figure6FreshweightofCoixsLachryma-jobi.under
diferenttemperatures
30℃ 20℃
处理温度
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
鲜
质
量
变
化
/g
磷的去除率基本差不多,只是在24d后pH8处理的
去除率略高。
2.2温度对薏苡植物床去除水中氮磷的影响
2.2.1温度对薏苡生长状况的影响
从图 5可以看到在不同温度下薏苡株高的变化
情况。在温度为30℃时,随着时间推移薏苡的高度一
直在增加,在6d后就增加了6cm左右,而在20℃和
10℃条件下在12d的时候基本上没有生长。在18d
的时候20℃条件下的植物增长了约3cm,而这时30
℃条件下的植物已经增长了18cm,但是在10℃条件
下一直没有增长,在24d的时候都已经干枯。而24d
后 30℃的植物已经增长了近 30cm。从图 6可以看
出,24d以后不同处理的生物量变化情况,两个温度
之间的差异相当明显,30℃条件生物量增加了 18.23
g,而 20℃条件的处理在 24d后增加了不到 2g,10
℃条件下24d后植物已经死掉。说明薏苡生长的合
适温度应是30℃。
2.2.2温度对薏苡植物床去除水中氮素的影响
从图 7A可以明显地看出薏苡植物床在不同的
温度下对氨氮的去除率具有很大差异,无论是处理的
初期还是后期,随着温度的升高薏苡植物床对水体中
氨氮的去除率都是迅速升高的。从植物的生长状况也
能很好地看出植物的效果,经过 24d的处理在 20℃
下的薏苡基本没有什么生长,虽然叶片保持着绿色,
但是根长和株高的变化非常小。在10℃条件下的薏
苡处理到18d时基本都已经死亡,因此在后来不但
图5不同温度影响下薏苡株高的变化
Figure5HeightofCoixLachryma-jobi.under
diferenttemperature
70
60
50
40
30
20
10
0
240 126 18
处理时间/d
30℃
20℃
10℃
株
高
/c
m
A.氨氮、B.硝态氮、C.总氮
图7不同温度影响下薏苡植物床对水中氮的去除率变化
Figure7TheremovalrateofN(A(NH+4-N)、B(NO-3-N)、C(TN))fromwaterbyCoixLachryma-jobi.underdiferenttemperature
240 126 18
处理时间/d
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
B
240 126 18
处理时间/d
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
30℃ 20℃ 10℃
C
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
240 126 18
处理时间/d
去
除
率
/%
A
高 冲等:pH和温度对薏苡植物床去除富营养化水中氮磷的影响1498
第27卷第4期 农 业 环 境 科 学 学 报
没有去除效果反而对氨氮有所增加。从图7B可以看
到在不同的温度条件下薏苡植物床去除富营养化水
中硝态氮的变化情况。从薏苡植物床放入富营养化水
中以后,在10℃的条件下薏苡植物床对硝态氮的去
除率自始至终都在5%,而在30℃条件下薏苡植物床
对水体中硝态氮的去除率一直在升高,这主要是因为
温度高有利于薏苡的生长。薏苡生长迅速根系发达,
一方面植物的生长需要氮素,另一方面由于植物的根
系发达,为微生物的生长提供了载体,同时这样的温
度对微生物的生长和繁殖也是有利的,因此在30℃
条件下薏苡植物床对硝态氮的去除率在24d后甚至
达到了65.66%。而20℃时植物的生长缓慢,为微生
物提供的载体少,而且温度不太适宜,所以去除率也
不是很高,只有7%左右。对于温度对薏苡植物床去
除富营养化水中总氮的效果,从图 7C中看出基本与
氨氮和硝态氮相同。
2.2.3温度对薏苡植物床去除水中总磷的影响
从图8中可以看出,随着温度的升高薏苡植物床
对水中总磷的去除率逐渐升高,在30℃薏苡植物床
对水体中总磷的去除率远远高于其他的温度,因为对
水中磷的去除,植物的吸收是起到主要作用的。在图
中可以明显看出,生长前期植物生长缓慢,去除率的
变化速度很慢,随着时间推移在后期植物生长非常迅
速,去除率的变化速率也是相当的大。从图中我们可
以看出温度对薏苡去除富营养化水中氮磷的影响还
是非常大的,尤其是在后期20℃条件下处理 24d后
去除率还不足10%,但是在30℃条件下去除率达到
了57.52%。
3 讨论
从本文结论不难看出,pH和温度对薏苡植物床
去除富营养化水中氮磷效果的影响主要是通过影响
植物的生长状况,从而影响了薏苡植物床对富营养化
水中氮磷的去除效果。Li等[13]的研究也表明水体中磷
的去除速率与植物的生长速率和植物中的含磷量有
关。薏苡在30℃时生长迅速,生物量大,在生长的过
程中可以吸收大量的营养元素,同时由于薏苡具有
较发达的根系为微生物的生长提供了很好的载体,在
脱氮除磷的过程中还有可能对其他物质有所去除。薏
苡植物床在pH4和pH5时对富营养化水体中氮磷的
去除效果最好,随着pH的增加对氮磷的去除效果都
会逐渐降低。在现在的地表水体中富营养化水体的
pH范围比较宽广,薏苡对不同pH的富营养化水的
适应范围也较广,因此应用薏苡植物床对富营养化水
进行脱氮除磷是一种切实可行的方法。另外薏苡植物
床对富营养化水中氮磷的去除受温度的影响也较大,
在30℃时植物生长速度最快,其对氮磷的去除效率
也最高,在很短的时间内就能取得很显著的净化效
果,但是在温度较低的条件下,其生长明显受到抑制,
去除效果也大大降低,因此薏苡对富营养化水中氮磷
的去除适合于在夏季温度较高的时候。因为一般情况
下大规模的藻类爆发也是发生在夏季,因此利用薏苡
植物床净化富营养化水有着广阔的应用前景。本文通
过研究 pH和温度对薏苡植物床去除富营养化水中
氮磷的影响,为有效地利用薏苡植物床去除富营养化
水中的氮磷提供了必要的科学依据。
4 结论
从本试验可以看出,pH和温度对薏苡植物床去
除富营养化水中的氮磷有明显的影响,这种影响主要
是通过影响植物的生长进而影响其对氮磷的去除。其
中pH5时效果最好;在30℃条件下薏苡植物床对氮
磷的去除效果最好。
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图8不同温度影响下薏苡植物床对水中总磷的去除率变化
Figure8TheremovalrateofTPfromwaterbyCoix
Lachryma-jobi.underdiferenttemperatures
240 126 18
处理时间/d
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
30℃
20℃
10℃
去
除
率
/%
1499
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