全 文 ：黄花水龙对富营养化水体中氮磷去除效果的研究
王超 ,张文明＊ ,王沛芳 ,侯俊
(河海大学环境学院 教育部浅水湖泊综合治理与资源开发重点实验室 ,南京　210098)
摘要:在太湖地区沟渠 、池塘及河网中广泛分布着 1 种形态类似水花生的土著浮水植物———黄花水龙 , 其生长习性表明黄花水
龙是太湖地区水生态系统修复的潜在物种.采用室内试验和现场观测相结合的方式 , 进一步探讨了黄花水龙对富营养化水体
中氮磷的去除效果.室内试验结果显示 , 夏季黄花水龙对总氮去除率约为 60%,分别是水葫芦 、水花生和对照的 2.6、2.9和 3.8
倍 ,对总磷去除率约为 25%, 分别是水葫芦 、水花生和对照的 0.7 、1.9 和 5 倍;冬季黄花水龙对总氮和总磷去除率分别约为
23%和 20%, 是对照的 3.3和 2 倍;夏季和冬季黄花水龙对氨氮和硝氮亦有良好的净化效果.宜兴林庄港现场观测显示 , 7～ 10
月引种黄花水龙的河段水体中总氮和总磷的去除率为 10.2%～ 19.6%和 23.4%～ 41.6%, 而同期对照河段仅为 0.1%～ 1.6%
和3.7%～ 5.6%.室内试验和现场试验结果均表明黄花水龙对受损水体中氮磷具有良好的净化效果 , 可作为太湖河网富营养
化水体修复的植物之一.
关键词:黄花水龙;富营养化水体;氮;磷;植物修复;室内试验;现场观测
中图分类号:X522　文献标识码:A　文章编号:0250-3301(2007)05-0975-07
收稿日期:2006-08-07;修订日期:2006-10-10
基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412303);国家自然科学基金项目(50379012)
作者简介:王超(1958～ ),男 , 教授 ,博士生导师 ,主要研究方向水资
源保护与修复.
＊通讯联系人 , E-mail:wining@hhu.edu.cn
Removal of Nitrogen and Phosphorus in Eutrophic Water by Jussiaea stipulacea
Ohwi
WANG Chao , ZHANG Wen-ming , WANG Pei-fang , HOU Jun
(Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lakes , Ministry of Education , College of Environmental
Science and Engineering , HoHai University , Nanjing 210098 , China)
Abstract:Jussiaea stipulacea Ohwi , a native kind of floating vegetation resembling Alternanthera philoxeroides(Mart.)Griseb., is widespread
in ditches , ponds and rivers of Taihu Lake Basin.Its growth habits indicate its potential use in aquatic ecological restoration in Taihu Lake
Basin.The removal effects of Jussiaea stipulacea Ohwi on nitrogen and phosphorus in eutrophic water were further studied in indoor
experiment , as well as in field observation.The results of indoor experiment show that in summer , the removal rate for total nitrogen was
60%, which is 1.6 , 1.9 and 2.8 times greater than that of Eichhornia crassipes (Mart.)Solms., Alternanthera philoxeroides (Mart.)
Griseb., and control , respectively , and the removal rate for total phosphorus was about 25%, which is 0.3 times lower than that of
Eichhornia crassipes(Mart.)Solms., but 0.9 and 4 times higher than that of Alternanthera philoxeroides(Mart.)Griseb., and control , in
winter , the removal rates for total nitrogen and total phosphorus were 23% and 20%, 2.3 and 1 times higher than that of control;Jussiaea
stipulacea Ohwi also has good removal effects for ammonia and nitrite.And the results of field observation in Linzhuanggang River , Yixing
City , show that the removal rates of total nitrogen and total phosphorus in July to October were 10.2%～ 19.6% and 23.4%～ 41.6% in the
reach with Jussiaea stipulacea Ohwi , while only 0.1%～ 1.6% and 3.7%～ 5.6% in control reach.Based on its good purifying effect on
nitrogen and phosphorus in indoor experiment and field observation , the indigene Jussiaea stipulacea Ohwi is recommended as one species of
aquatic vegetation in phytoremediation for eutrophic water in rivers of Tailu Lake Basin.
Key words:Jussiaea stipulacea Ohwi;eutrophic water;nitrogen;phosphorus;phytoremediation;indoor experiment;field observation
　　利用水生植物 ,尤其是水生维管束植物和高等
藻类 ,对受损水体进行植物修复得到国内外的广泛
共识[ 1 ～ 3] .我国水生植物种类繁多 ,目前应用到水生
态修复工程的有四五十种 , 并取得了丰硕的成
果[ 4 ～ 7] ,但在研究和利用土著水生植物修复受损水
体方面仍然存在较大的不足.应用土著水生植物具
有克服外来物种入侵 、保护原生态系统 、修复效果良
好等优点.
在太湖地区沟渠 、池塘及河网中广泛分布着 1
种形态类似水花生的土著浮水植物 ———黄花水龙
(Jussiaea stipulacea Ohwi)(图 1).至今 ,关于黄花水龙
的研究仅限于其结构和形态方面[ 8 , 9] ,对其净水效果
则鲜见报道.考察其生长习性后 ,初步认为黄花水龙
是太湖地区水生态系统修复的潜在材料 ,原因是:
①黄花水龙已归化为太湖地区土著物种 ,有其天敌 ,
易于控制;②生长迅速;③生命力顽强 ,可湿生或沼
生 ,可以根状茎形式越冬;④长有白色呼吸根 ,可适
应水深不同或变化大的生境;⑤长有不定根 ,可牢牢
第 28 卷第 5期
2007 年5 月 环　　境　　科　　学ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol.28 , No.5
May , 2007
DOI :10.13227/j.hjkx.2007.05.008
盘绕或扎根于水底介质 ,且生长茂密 ,适合做水生态
修复的外围物种;⑥营养繁殖 ,极易成活 ,适合栽植;
⑦花为黄色 ,直径约 3 ～ 4 cm ,叶片嫩绿且在傍晚合
拢宛如玫瑰 ,具有很高的景观价值 ,全株可入药 ,具
有开发利用价值.
图 1　黄花水龙照片
Fig.1　Photo of Jussiaea stipulacea Ohwi
本研究采用了室内试验和现场观测相结合的方
式 ,进一步探讨黄花水龙对富营养化水体中氮磷的
去除效果.室内试验以水生态修复中研究较多的水
葫芦和水花生作为参照 ,对比研究了黄花水龙在夏
季对富营养化水体中氮磷的净化效果 ,并考察了低
温季节黄花水龙的净化能力.现场试验对比了引种
黄花水龙河段和对照河段对富营养化河水中氮磷的
去除效果.本研究旨在为太湖地区河网富营养化水
体修复提供植物选择的依据.
1　材料与方法
1.1　供试材料
黄花水龙 、水葫芦和水花生均采自太湖地区河
网.试验容器为 50 cm×30 cm×50 cm 的玻璃缸 ,每
缸水位 35 cm.试验水体取自南京市乌龙潭 ,基本水
质情况见表 1.从这些指标来看 ,该水体为富营养化
水体[ 10] .
表 1　试验水体的基本水质 mg·L -1
Table 1　Basic water quality in experiments mg·L-1
试验分类 TN TP NH+4 -N NO -2 -N NO-3 -N
夏季试验 7.89 2.17 6.56 0.03 0.07
冬季试验 7.24 1.03 6.23 0.19 0.02
1.2　试验设计
试验在河海大学实验室大厅内进行.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 10 min后称重.夏季试验
(2005-05-04 ～ 2005-06-05 ,共 32 d)水进缸前经 2层
纱布过滤以除去浮萍;冬季试验(2005-11-20 ～ 2006-
01-13 ,共 54 d)则直接进水.夏季试验共设8个缸 ,其
中黄花水龙 、水葫芦 、水花生和对照每组 2个重复.
冬季试验设 6个缸 ,其中黄花水龙和对照分别设 4
和 2个重复.试验初始生物量均为 65 g 缸 ,对照组
未种水生植物.试验采用室内自然光照 ,并添加蒸馏
水补充水分蒸发.试验开始后 ,每隔 2 ～ 3 d取 1次水
样 , 并分别 测定总氮 (TN)、总磷 (TP)、氨氮
(NH+4 -N)、亚硝氮(NO-2 -N)、硝氮(NO-3 -N)以及溶解
氧(DO)、水温(t)等 ,监测方法见表2.对TN和TP绘
制去除率与时间曲线 ,NH+4 -N等由于去除率变幅巨
大 ,对其绘制剩余浓度与时间曲线.此外为方便与夏
季试验比较 , 冬季试验部分指标采用前 30 d 监
测值.
表 2　监测指标的分析方法
Table 2　Analytic methods of items measured in water
监测指标 监测方法 参考标准
TN 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 GB 11894-89
TP 钼酸铵分光光度法 GB 11893-89
NH+4 -N 纳氏试剂比色法 GB 7479-87
NO -2 -N 分光光度法 GB 7493-87
NO -3 -N 酚二磺酸分光光度法 GB 7480-87
DO 和 t 雷磁便携式溶氧仪
2　结果与讨论
2.1　植物生长态势
夏季试验期间室内平均光强为2 210 lx ,气温和
水温变化范围为 11 ～ 33℃和 18 ～ 26℃,3种水生植
物生长存在明显差异.黄花水龙生长最快 ,根 、茎长
度分别由试验初期的1 cm和25 cm左右增加到末期
的2 cm和90 cm左右 ,植物鲜重增加了 104%(图2);
水葫芦生长较快 ,不断有色泽鲜嫩的水葫芦长出 ,个
体数由原来的 15 个增加到 27个 ,植物鲜重增加了
31%;水花生生长较为缓慢 , 根 、茎长度分别由约
1 cm和 25 cm 增加到约 2 ～ 3 cm和 70 cm ,植物鲜重
仅增加了23%.
冬季试验期间室内平均光强为1 240 lx ,气温和
水温变化范围为-5 ～ 19℃和 0 ～ 12℃.冬季试验期
内 ,黄花水龙前 30 d长势良好 ,随后由于气温下降 ,
水上部分逐渐枯萎并逐渐沉入水下 ,整个试验期内
黄花水龙鲜重下降约 5%.
从植物的生长态势来看 ,黄花水龙在温暖条件
976 环　　境　　科　　学 28 卷
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巨大潜力.此外 ,试验过程中
观察到黄花水龙的自然天敌 ,因此克服了外来物种
疯长而无法控制的弊端.
图 2　夏季和冬季供试水生植物的生物量
Fig.2　Plant biomasses in summer and winter experiments
2.2　对总氮的去除效果
由图 3(a)可以看出 , 3种水生植物在夏季对总
氮均有明显的去除效果 ,且去除率存在明显差异 ,黄
　　　　　　
花水龙对 TN 的去除率明显高于水葫芦 、水花生和
对照.有黄花水龙的水体中 TN去除率为 60%,黄花
水龙(鲜重)可去除 N 0.119 mg (g·d).有水葫芦和
水花生的水体中 TN 去除率分别约为 23%和 21%,
对照水体中 TN 去除率仅为 16%左右.黄花水龙对
TN的去除效果(去除率及单位时间单位鲜重植物的
去除能力 ,下同)分别是水葫芦 、水花生和对照的
2.6 、2.9和 3.8倍.万志刚等[ 11] 对 10种水生植物的
研究发现水葫芦对 TN 的去除能力最强.本研究的
结果表明 ,黄花水龙对 TN 的去除能力甚至高于水
葫芦 ,可见黄花水龙是 1 种理想的植物材料用于净
化富营养化水体中的氮素.
冬季低温条件下 ,有黄花水龙的水体中 TN 平
均去除率可达 23%,黄花水龙(鲜重)去除 N 0.025
mg (g·d);对照水体中 TN 平均去除率仅为 7%;冬
季黄花水龙对TN的去除效果是对照的 3.3倍 ,如图
3(b).可见低温条件下黄花水龙对氮素依然具有良
好的净化效果.
图 3　试验水体中 TN去除率
Fig.3　Removal rate of TN in summer and winter studied water body
2.3　对氨氮的去除效果
夏季试验第 3 ～ 10 d ,各受试水体中 NH+4 -N 浓
度由 6.56 mg L急降至 0.3 ～ 0.6 mg L ,去除率在
90%～ 95%左右 ,且有黄花水龙水体中NH+4 -N的去
除速度明显快于有水葫芦和水花生水体 ,如图 4
(a),后期有黄花水龙的水体中 NH+4 -N 浓度高于其
它试验水体 ,原因可能是试验后期水面以下的黄花
水龙植株衰败产生的 NH+4 -N重新释放到水体中.冬
季试验前 30 d ,有黄花水龙水体中 NH+4 -N 浓度由
6.23 mg L降至 0.14 mg L ,去除率达 98%,去除效果
比对照高出 13%～ 68%,如图 4(b).黄蕾等[ 12] 对冬
季伊乐藻等4种水生植物对氨氮吸收效果的研究也
得到类似的结果.
已有的研究表明 ,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[ 13] .氨挥发的
条件之一是水体 pH>8.0 , 而监测结果显示各试验
水体pH<8.0 , 因此氨挥发不是NH+4 -N去除的主要
原因.在夏季 ,有水生植物的水体中 NH+4 -N去除速
度略快于对照 ,但去除效果相差不大 ,说明水生植物
吸收对NH+4 -N 的去除贡献较小.由图 4(a)和图 5
(a)对比分析可以看出 ,水体中 NH+4 -N和 NO-2 -N浓
度存在此消彼长的变化规律 ,因此夏季 NH+4 -N 去除
可能主要是由水体中氨氧化菌的硝化作用将NH+4 -N
9775 期 王超等:黄花水龙对富营养化水体中氮磷去除效果的研究
氧化为NO-2 -N和NO-3 -N.冬季有黄花水龙的水体中
NH
+
4 -N的去除效果明显好于对照 ,此外冬季早期水
体中NH+4 -N和NO -2 -N浓度也存在明显的此消彼长
的变化规律[图 4(b)和图 5(b)] ,结果暗示冬季植物
吸收和硝化作用可能是 NH+4 -N去除的主要原因.
2.4　对硝氮的去除效果
图 4　试验水体中氨氮浓度的变化
Fig.4　NH+4 -N concentrations in summer and winter studied water body
图 5　试验水体中亚硝氮浓度的变化
Fig.5　NO-2 -N concentrations in summer and winter studied water body
　　对比图5和图 6 ,水体中NO-2 -N发生硝化反应 ,
使得夏季水体中 NO-3 -N 从 0.07 mg L升至 1.70 ～
3.15 mg L , 冬季 NO-3 -N 从 0.02 mg L升至 2.11 ～
2.71 mg L ,出现了 NO -3 -N累积现象 ,但不管是夏季
还是冬季随着培养时间的延长 ,有水生植物的水体
中NO -3 -N浓度均有下降 ,如图 6.通过比较 ,发现有
黄花水龙的水体中NO-3 -N的累积程度最轻 ,即黄花
水龙对NO -3 -N的去除效果优于水葫芦和水花生 ,另
有水生植物水体的去除效果优于对照水体.
已有研究表明 ,水体中NO -3 -N去除的主要原因
有反硝化作用和水生植物的吸收作用.一般认为 ,发
生反硝化的条件之一是水中 DO 应在 0.5 mg L以
下 ,而夏季和冬季试验水体 DO分别在 1.4 ～ 6 mg L
和 4 ～ 10 mg L之间 ,较高的 DO 说明反硝化不是本
试验中NO-3 -N去除的主要原因 ,进而表明水生植物
吸收很可能是试验水体中NO-3 -N降低的主要原因 ,
从本试验结果看黄花水龙有较强的吸收 NO -3 -N的
潜力.NO-3 -N被植物吸收作为氮源 ,在硝酸还原酶
(NR)、谷氨酸合酶(GOGAT)、谷氨酰胺合酶(GS)等
植物体内酶的作用下合成植物蛋白.但是 ,在某些微
观环境下 ,如水生植物表面附着的生物膜的内部 ,则
可能出现缺氧或厌氧条件 , 从而为反硝化菌利用
NO
-
3 -N 进行同化和异化反硝化创造了条件.因此 ,
反硝化作用也不能完全排除 ,有待进一步探讨.
978 环　　境　　科　　学 28 卷
图 6　试验水体中硝氮浓度的变化
Fig.6　NO-3 -N concentrations in summer and winter studied water body
2.5　对总磷的去除效果
夏季试验结果显示 3种水生植物对 TP 的去除
效果亦存在较大差异 ,如图 7(a):有黄花水龙水体
TP去除率为 25%左右 , 黄花水龙(鲜重)可去除 P
0.014 mg (g·d);有水葫芦和水花生的水体 TP 去除
率分别为 34%和 13%左右.对照水体中 TP 去除率
为5%左右.可见黄花水龙对 TP的去除效果分别是
水葫芦的 0.7倍 ,水花生的 1.9倍和对照的 5倍.因
此 ,夏季黄花水龙对磷素的去除能力虽略小于水葫
芦 ,但明显高于水花生和对照.
冬季试验有黄花水龙水体中 TP 平均去除率为
20%,如图 7(b), 黄花水龙(鲜重)可去除 P 0.003
mg (g·d).对照水体中TP 平均去除率为 10%.因此 ,
黄花水龙在冬季对 TP 仍有较好的去除作用 ,去除效
果是对照水体的 2倍.
水生植物对去除磷素发挥重要作用 ,一方面水
生植物通过同化作用去除磷 ,即通过植物根系吸收
可溶性活性磷(SRP),合成核酸 、核苷酸 、磷脂及糖
磷酸酯等植物细胞组成;另一方面 ,水生植物表面为
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H3PO4 摄入体内
合成ATP 和聚磷酸盐.
图 7　试验水体中 TP去除率
Fig.7　Removal rate of TP in summer and winter studied water body
3　现场观测
现场观测在宜兴市大浦镇林庄港 ,观测河段长
400 m ,宽10 ～ 14 m ,水深1.1 ～ 2.3 m ,河道水体为富
营养化水体.在试验河段的前200 m 引种黄花水龙 ,
到监测开始时 ,黄花水龙已占据河道两侧各 1 ～
9795 期 王超等:黄花水龙对富营养化水体中氮磷去除效果的研究
2 m;后 200 m 为对照河段.两段河段在河道形态 、水
流特性等其它方面均基本一致.监测点布设在各河
段的上 、下游断面 ,监测指标为 TN和 TP ,监测结果
见图8和图 9.
图 8　引种黄花水龙河段水体中 TN和 TP去除效果
Fig.8　Removal of TN and TP in studied reach with Jussiaea stipulacea Ohwi
图 9　对照河段水体中 TN 和 TP去除效果
Fig.9　Removal of TN and TP in control reach
　　根据观测 ,7 ～ 10月 ,黄花水龙生长旺盛 ,河段
水体中 TN 和 TP 的去除率分别为 10.2%～ 19.6%
和23.4%～ 41.6%(图 8);同期对照河段水体中 TN
和TP 的去除率则只有 0.1%～ 1.6%和 3.7%～
5.6%(图 9).12月份部分黄花水龙衰败 ,水体中 TN
和TP的去除率分别为 8.3%和 13.3%,此时对照河
段去除率仅为 3.7%和 0.9%.06-28和 11-04 太湖
水发生倒灌 ,因此去除率表现为负值.观测结果表
明 ,黄花水龙是修复富营养化水体的理想材料 ,可在
太湖河网水生态修复工程中应用.
4　结论
(1)室内试验结果表明 , ①黄花水龙对 TN 具有
极好地净化效果 ,其中夏季对 TN去除率约为 60%,
黄花水龙(鲜重)可去除 N 0.119 mg (g·d),是水葫
芦 、水花生和对照的 2.6 、2.9和 3.8倍;冬季低温条
件下 ,黄花水龙对 TN仍有良好的去除效果 ,去除率
约为 25%,黄花水龙(鲜重)去除 N 0.025 mg (g·d),
是对照的5倍.②黄花水龙对 TP 具有较好地净化效
果 ,其中夏季对 TP 去除率约为 25%,黄花水龙(鲜
重)可去除P 0.014 mg (g·d),分别是水葫芦 、水花生
和对照的 0.7倍 、1.9倍和 5倍;冬季低温条件下 ,黄
花水龙对 TP 仍有较好地去除效果 , 去除率约为
20%,黄花水龙(鲜重)可去除 P 0.003 mg (g·d),是
对照的 2倍.③黄花水龙在夏季对NH+4 -N和 NO-3 -N
的去除效果优于水葫芦和水花生 ,更优于对照水体;
黄花水龙在冬季对 NH+4 -N和 NO-3 -N亦有良好地去
除效果.
(2)现场观测结果显示 , 7 ～ 10月引种黄花水龙
的河段水体中 TN 和 TP 的去除率分别为 10.2%～
19.6%和 23.4%～ 41.6%,而同期对照河段水体中
的去除率只有 0.1%～ 1.6%和 3.7%～ 5.6%,表明
980 环　　境　　科　　学 28 卷
黄花水龙对TN和 TP 的去除效果明显.
(3)室内试验和现场观测结果均表明 ,土著物种
黄花水龙可有效去除富营养化水体中的氮磷营养
盐 ,可用作太湖河网富营养化水体的修复植物.
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9815 期 王超等:黄花水龙对富营养化水体中氮磷去除效果的研究