Effect of different coverage rates of cobblestone substrate on purification of water quality by Vallisneria natans

研究区位于北京市昌平区亭自庄村轻工业环境保护研究所生态修复实验基地(40°10′40″N，116°08′31″E)。试验选取典型沉水植物苦草，通过网购购置于江苏宿迁的养殖场。

试验基质取自于试验基地内，分别为砂壤土和鹅卵石。砂壤土用作栽种苦草的基质底泥，初始参数指标：有机质为10.13~10.76 g·kg⁻¹，总氮为0.42~0.56 g·kg⁻¹，碱解氮为42.12~53.43 mg·kg⁻¹，总磷为0.53~0.61 g·kg⁻¹，速效磷为7.46~8.34 g·kg⁻¹，砷为7.47~7.78 mg·kg⁻¹。鹅卵石用作覆盖在底泥上的基质，鹅卵石粒径及质量分布占比如表1所示。试验用水抽取于顺义区温榆河水生活污水排放处(40°00′15″N，116°38′06″E)。

将采购回的苦草植株剔除杂物，用大量清水洗净，放入准备好的水箱中，水箱直径约50 cm，高约70 cm，水箱以细砂作为固定的基底，加入一定量的Hoagland营养液，适应性培养2周作为预处理。

将砂壤土过5 mm筛用作基质底泥，过完筛的土样装桶，每桶装26 kg，取其中一部分基质底泥送检，测底泥中的砷质量分数。选取预处理后生长一致的苦草植株(7 g)，用去离子水洗净后种植于上直径、下直径、高分别为65、40、85 cm的白色塑料桶中，摆放整齐。为防止因高温和降水影响试验结果，把塑料桶安置在遮阳网和遮雨棚之下。

在种植苦草的基质底泥上用鹅卵石基质以不同的面积进行覆盖。试验共设置6个处理，覆盖率分别为0、30%、60%、70%、80%、90%。设空白对照(ck)，该对照不种植苦草，不覆盖鹅卵石，只有基质底泥和试验用水。每个试验桶鹅卵石用量约0~1 kg，加入试验用水50 L，水位高约30 cm，之后向每个试验桶中加入1瓶砷标准储存液(每瓶50 mL，质量浓度为1 mg·mL⁻¹)用于模拟砷污染，初次加砷后取水送检。试验初期，桶中水质状况：总氮为31.33 mg·L⁻¹，总磷为1.57 mg·L⁻¹，砷为967.33 μg·L⁻¹，基质底泥中的砷为7.72 mg·kg⁻¹。每种处理重复3次，试验于2024年5月开始至2024年10月结束。

测定水样中的氮、磷及砷质量浓度。试验开始时(6月，0 d)采集1次，之后的7月(30 d)、8月(60 d)、9月(90 d)分别采集1次，总计4次水样采集，其中，氮、磷水样总计4次采集，砷水样分别在6、7、8月采集，总计3次；测定底泥中的砷质量分数，试验开始时(6月，0 d)采集1次，之后7月(30 d)、8月(60 d)分别采集1次，总计3次底泥采样。在每次进行采样之前，需向桶中补充去离子水，以确保桶内的水位保持不变。从水面下方10 cm的位置处，采集250 mL的水样，底泥在10 cm深处取样，并在获取后立即送检。总氮用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定(HJ 636—2012)，总磷用钼酸铵分光光度法测定(GB 11893—89)，水中砷用原子荧光法测定(HJ 694—2014)，基质底泥中砷用原子荧光法测定(GB/T 22105.2—2008)。

在完成所有试验之后对植物的生物量进行测定。首先使用去离子水将采集的植物样本清洗干净，用吸水纸去除植物表面残留的水分，称取植物的鲜质量，然后将植物放入烘箱中进行烘干处理，最后称其干质量。

总氮、总磷和砷的去除率(R)计算公式为：R=(C₀−C_i)/C₀×100%。其中，C_i为第i次总氮、总磷或砷的质量浓度，C₀为总氮、总磷或砷的初始质量浓度。

使用Excel 2022整理数据，利用SPSS Statistics 27进行单因素ANOVA显著性分析，显著性水平为0.05，用Origin 2022作图。

如图1所示：在30 d时，水中总氮去除率均能超过50%，其中鹅卵石基质覆盖率为60%和80%的处理总氮去除率较高，分别达70.32%和68.56%，各处理水中总氮质量浓度均下降至9.30~15.22 mg·L⁻¹；在60 d时，除鹅卵石基质覆盖率为0的处理外，其余处理对总氮去除率均稳定在70%~80%，各处理水中总氮质量浓度维持在6.48~11.7 mg·L⁻¹内；在90 d时，鹅卵石基质覆盖率为30%的处理中，苦草对水中总氮去除效果最好，去除率高达94.93%，质量浓度低至1.59 mg·L⁻¹，除鹅卵石基质覆盖率为90%的处理外，与其他处理相比差异显著(P＜0.05)。

Figure 1.  Changes in total nitrogen concentration and corresponding removal rate in water

如图2所示：在30 d时，水中总磷去除率就能达到较大值(均超过80%)，水中总磷质量浓度均下降至0.14~0.52 mg·L⁻¹；在60 d时，鹅卵石基质覆盖率为0、60%、70%、80%的苦草对水中总磷去除率均超过90%，此时总磷质量浓度为0.10~0.35 mg·L⁻¹；在90 d时，各处理水中总磷去除率均稳定在94%~98%，其中鹅卵石基质覆盖率为30%的苦草对水中总磷去除率最高，为97.43%，质量浓度最低，为0.04 mg·L⁻¹，除覆盖率为0的处理外，覆盖率为30%的处理与其他处理相比差异显著(P＜0.05)。

Figure 2.  Changes in total phosphorus concentration and corresponding removal rate in water

如图3所示：在30 d时，水中砷去除率增长均超过70%，砷质量浓度为164.18~256.00 μg·L⁻¹，其中鹅卵石基质覆盖率为30%的砷去除效果最好，达83.03%；在60 d时，各处理砷去除率均达到最大值，数值均超过99%，此时水中砷质量浓度从最初的967.33 μg·L⁻¹下降至4.00~15.80 μg·L⁻¹内，鹅卵石基质覆盖率为30%的水中砷质量浓度最低(4.00 μg·L⁻¹)，去除率最高(99.59%)，除覆盖率为0和60%的处理外，覆盖率为30%的处理与其他处理相比差异显著(P＜0.05)。

Figure 3.  Changes in arsenic concentration and corresponding removal rate in water

如图4所示：在30 d时，所有处理底泥中的砷质量分数都不断升高，ck的砷质量分数最高，达9.55 mg·kg⁻¹，其次是鹅卵石基质覆盖率为60%的处理，达8.96 mg kg⁻¹，除覆盖率为80%的处理砷质量分数上升较低外，其余处理的砷质量分数均稳定上升到8.75 mg·kg⁻¹左右；在60 d时，底泥中砷质量分数不断下降，其中，覆盖率为30%的处理中底泥最终砷质量分数最低，为7.31 mg·kg⁻¹，苦草根系对该处理底泥中的砷吸收效果最好，除ck外，该处理与其他处理之间均无显著差异(P＞0.05)。

Figure 4.  Changes in arsenic content in substrate sediment

从表2可知：苦草最终生物量由高到低依次为30%、90%、60%、80%、70%、0的鹅卵石基质覆盖率处理，平均干质量分别为8.028、7.719、7.221、6.806、6.694、6.584 g。通过计算得出，30%的鹅卵石基质覆盖率对苦草净化水质的效果最佳。

从表3可知：鹅卵石基质覆盖率为30%的苦草处理组水中污染物质量最低。而3种污染物进入基质底泥的质量大小各不相同，其中总氮由高到低依次为90%、30%、60%、80%、70%、0的鹅卵石基质覆盖率处理，总磷由高到低依次为0、70%、80%、60%、90%、30%的鹅卵石基质覆盖率处理，砷由高到低依次为0、70%、80%、60%、30%、90%的鹅卵石基质覆盖率处理。进入基质底泥的污染物大部分留在土壤中，少部分会被微生物利用或被植物根系吸收。

试验前期(30 d)，各处理的总氮和总磷去除率均有提升，鹅卵石对苦草起固定作用，同时不同覆盖率使得苦草对光^[15]的吸收效率有所不同，苦草生长及净化氮磷的效率也会受到影响^[16]。适量的氮元素可以与磷元素产生协同作用，促进苦草对总磷的吸收^[17]。试验中期(60 d)，各处理的总氮和总磷去除率缓慢增高，微生物和藻类发挥净化作用，鹅卵石作为覆盖基质，空隙可为微生物提供适宜的生存环境^[18]，也可为藻类提供附着位点^[19]，从而增加了植物和微生物之间的物质交换以及水体中的养分与基质的交互作用。空白对照组部分养分被去除，是因为基质底泥对其的吸附和微生物的利用，例如硝化和反硝化细菌，同时部分氮元素可转变为氨氮^[20]挥发到空气中，磷元素可结合特定的金属离子或水中的悬浮颗粒物沉淀到底部^[21]，被基质底泥吸收或被微生物利用。无覆盖处理对总氮去除率低于空白对照，可能是该处理的苦草存在枯萎植株，微生物分解植物残体、腐殖质等含氮有机物，从而导致氮元素的重新释放^[22]。试验后期(90 d)，鹅卵石基质覆盖率为30%的苦草生物量最大，对氮磷去除效果最佳。生物量大小是衡量植物净化水质能力的一个指标^[23]，苦草的根、茎、叶等都可以吸收水中的营养物质^[24–25]，生物量越高对富营养化水体中氮磷营养盐的净化效果越好^[26]。

有研究表明：加入鹅卵石基质的苦草生物量会比加入磨石或碎石的生物量更大，但对于水体中氮磷的净化效果，却是加入磨石或碎石的效果更好^[13]，这是由于磨石和碎石表面更为粗糙，可容纳更多的微生物和藻类。鹅卵石对氮磷元素具有一定的物理吸附作用，以孔隙填充和静电吸附为主^[27]，鹅卵石的存在促进了基质底泥、苦草根系与水体之间的养分利用和交换效率^[28]。本研究后期水体中总氮质量浓度起伏较大，原因可能是鹅卵石释放出部分氨氮^[29]。加入混合的基质对苦草去污能力也有影响^[30]，底泥+2层无纺布+玉米Zea mays芯+生物质焦+砂+水+苦草组合对污水中氮磷去除具有较快的速率，净水效果较强，但苦草长势以及生物量并不是最好，说明基质对污水的净化发挥了巨大作用。

本研究发现：30 d时水中砷质量浓度下降较快，各处理的砷去除率均超过70%，而基质底泥中的砷质量浓度不断增加。这是因为砷的迁移和转化以生物作用、吸附解吸为主，还受水体pH、氧化还原电位、磷酸盐、胶体或颗粒性质等因素调控，可能是因为pH和氧化还原电位可通过改变砷的溶解性来调控其毒性，磷元素影响水生植物砷去除的方式主要是通过与砷元素竞争相同的吸附位点^[31]。水体中的砷有溶解态和悬浮态2种形态，溶解态的砷被水中的颗粒物吸附悬浮于水体，最终通过沉淀作用转移到基质底泥中^[32]。底泥中含有大量元素，其中铁、铝、锰的氧化物和氢氧化物是砷的主要吸附剂，砷可通过专性吸附和非专性吸附固定到铁氧化物表面最终被土壤大量吸收^[33]。对于微生物来说，不仅可以通过新陈代谢改变砷存在的环境条件，还能通过分解有机质产生较易络合金属离子的物质^[34]。环境中磷酸根等阴离子^[35]、季节及水流紊动等外界条件也会影响到砷的迁移转化。因此试验30 d基质中砷显著增加，以沉淀作用、底泥吸附为主，同时苦草对砷也具有吸收作用。试验后期(60 d)，水中砷去除率均达99%，苦草对砷的去除效果主要来源于自身净化，其茎叶能吸收一定量的砷元素^[36]，鹅卵石对水中砷也具有少量的吸附作用，砷元素主要停留在鹅卵石粗糙孔隙中，卵石表面附着一些铁氧化物可与砷发生络合反应，从而被吸附在卵石表面^[37]。可见，鹅卵石促进了水、基质底泥和植物根系间的交互作用。

随着苦草的生长，水体中的污染物逐渐净化，水质都得到了一定的改善。鹅卵石基质覆盖率为30%的苦草对水中氮磷砷的净化效果最佳。研究过程中，水中部分砷沉淀进入底泥，致使底泥中的砷质量分数呈先上升后下降的趋势，其中，鹅卵石基质覆盖率为30%的苦草对底泥中砷吸收最佳。