人类生活产生的各类污水越来越多，其中包含的大量有机物、无机盐、病原菌等使得水体富营养化日益严重，急需开展生活污水的治理以减轻其对整个水资源的污染^[1].近年来，以高效净化的植物为主体的植物修复因可在原位修复的同时兼具较高的综合效益得到了快速的发展，适生、高效、有价值的植物筛选和应用显得尤为重要^{[2, 3]}.草本植物是所有绿色植物中种类最多、适应性最强、更新最快的自然资源^[4],其中牧草又是草本植物中具有良好经济价值的一类，所以筛选出净化能力强的优质牧草，是一种可将生态系统由恶性循环转变为良性循环、实现环境效益与经济效益完美统一的有效途径^[5].

狗牙根（Cynodon dactylon）为禾本科狗牙根属多年生草本植物，其根系发达且坚韧，营养体繁殖能力极强，是我国应用较广泛的草种之一^{[6, 7]}.Fonseca等^[8]以污水厂处理的尾水浇灌狗牙根，表明尾水可为狗牙根提供生长所需的氮素及水分，在降低氮素损失的同时节约了灌溉所需的可饮用水。Nogueira等^[9]以尾水作为狗牙根的灌溉用水，发现土壤中氮素含量有所增加，尾水的应用为狗牙根的生长提供了70.0% 的铵态氮，同时节省了氮肥的施用，创造了良好的经济价值。相关研究表明，狗牙根在污水浇灌条件下可生长良好，说明狗牙根具有一定的耐污能力，但上述研究均是将污染水体进行资源化利用，未见将狗牙根材料直接应用于水体的原位修复，更未见将Tifton 85狗牙根用于污水修复的报道。

多花黑麦草（Lolium multiflorum）为禾本科黑麦草属的一种优质牧草，在较低温度下可良好生长。周小平等^[10]发现多花黑麦草对污水中总氮（TN）、总磷（TP）的去除率分别为49.2 %和67.2 %,显着高于另外两种蔬菜及空白对照。徐晓峰等^[11]研究发现磷净化能力强的黑麦草吸收的磷占输入总量的94.3%,适宜在苏南地区冬季污水净化中推广。张志勇等^[12]研究了不同净化系统中多花黑麦草、香根草（Vetiveria zizanioides）及水芹（Oenanthe ascalonicum）对生活污水的净化能力，发现黑麦草在不同净化系统中对氮、磷的累积量均远高于其他植物。相关研究表明多花黑麦草是低温季节净化水体的优良选择^[13],Ding 等^[14]研究了不同多花黑麦草对中度富营养水体的净化效果，表明不同品种间存在显着差异。但关于多花黑麦草不同品种对重度富营养水体的修复差异鲜见报道。

草坪的陆地应用中，于温暖季节种植狗牙根、寒冷季节盖播黑麦草已非常普遍，Read等^[15]研究了狗牙根与多花黑麦草轮作来减轻养殖业对土壤造成的富磷危害，结果表明，采取轮作方式在10月份开始盖播多花黑麦草，收获的干物质及磷积累量显着高于未进行盖播的狗牙根。以这两种植物全年轮作的组合模式来进行水体修复未见报道。本研究以“国家水体污染控制与治理科技重大专项”为依托，通过暖季型牧草--Tifton 85狗牙根和冷季型牧草--3个多花黑麦草品种盖播轮作的方式，研究不同季节植物对水体中营养物质的净化能力，以期优选出适宜终年净化污染水体的植物组合。 1 材料与方法 1.1 试验材料及试验用水 1.1.1 试验材料

本研究选取牧草型的Tifton 85狗牙根和3个多花黑麦草品种为试验材料，详细信息见表 1.Tifton 85狗牙根取自江苏省中国科学院植物研究所草业中心试验地（32°02′N,118°28′E,海拔 30 m）,2001年从美国引入并在南京地区种植14年，在产量和质量方面均表现优异（未发表资料）;3个多花黑麦草品种源自百绿集团，均为在长三角地区良好生长且牧草产量高的优良品种。

表 1 试验材料 Table 1 Plants used in this study

表选项

研究用水体取自南京市锁金村河道，添加一定的营养盐^[16]后测得温暖和寒冷两个季节试验水体的TN、TP、化学需氧量（COD）浓度分别为25.82、2.53、63.2和27.07、2.81、54.03 mg·L^-1.根据水利部发布的《地表水资源质量评价技术规程》中湖库富营养化程度评价标准^[17],判定供试水体均为重度富营养水体。 1.2 试验方法 1.2.1 植物材料预培养

试验在江苏省中国科学院植物研究所草业研究中心温室内进行，分温暖季节和寒冷季节两个时间段。温暖季节：于2013年4月下旬利用海绵将长势基本一致的当年生带1个腋芽的狗牙根茎段固定于挤塑板载体上，在自来水中预培养两周待狗牙根生根良好后，选择生物量相当的材料进行富营养水体处理。处理前狗牙根的初始鲜重为（54.26±0.96）g.

寒冷季节：于2013年10月下旬对狗牙根进行低修剪后使用多花黑麦草草种（18 kg·hm^-2的播种量）进行盖播，通过千粒重与播种面积算得每个处理的播种量为22粒，每个处理多播5粒，待多花黑麦草进入分蘖期后将多余的植株拔出，确保各处理的初始苗数相同，并选择生物量相当的材料进行富营养水体处理。处理前3个多花黑麦草的初始鲜重为（12.05±0.04）g. 1.2.2 试验处理

温暖季节试验于2013年5月23日至6月4日进行，试验期间日最大光照强度范围为396.0~883.8 μmol·m^-2·s^-1,日均最高温为39.5 ℃，最低温为18.5 ℃。寒冷季节试验于2013年12月3日至12月28日进行，试验期间日最大光照强度范围为198~612 μmol·m^-2·s^-1,日均最高温为18.0 ℃，最低温为-4.0 ℃。试验选取口径为27 cm、高为25 cm的底部无洞花盆为水培容器，以直径为25 cm挤塑板为种植载体，每个植物处理设置4个重复，以不种植植物的水体为空白对照（CK）,试验期间每天通过添加蒸馏水补充由于蒸发、植物蒸腾损失的水分。 1.2.3 测定项目

水体测定：试验进入处理阶段后，温暖季节试验每4 d取一次水样，寒冷季节试验每5 d取一次水样（暖季型植物生长速度快于冷季型植物，取样间隔设置得稍短）,每次取水样15 mL（取样前对水体进行搅动，保证其混合均匀）,并在24 h内完成水样测定工作。测定的指标包括TN、TP及COD,根据国家环保总局发布的《水和废水检测分析方法》，分别采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法、钼锑抗分光光度法和重铬酸钾法进行测定^[18].

植物样品：将植株分为水上和水下两部分（即以挤塑板载体为分割线分为根系与茎叶两部分）,称得初始和结束时鲜重后将植株样品置于烘箱中105 ℃杀青30 min,随后在75 ℃下烘干至恒重，称得其初始和结束时干重，最后测定植株的氮磷含量^[16]. 1.2.4 数据处理

生物量变化=结束生物量-初始生物量

植株氮（磷）积累量的贡献率=植株氮（磷）积累量/系统氮（磷）去除总量×100%

植物对富营养水体中污染物的去除率^{[19, 20, 21]}:

W_i=（C₀- C_i）/C₀×100%

采用SPSS 20.0对所测数据进行统计分析：温暖季节的狗牙根处理的水体和对照水体间的比较采用配对样本T检验，寒冷季节不同多花黑麦草处理的水体和对照水体间采用Duncan法进行单因素方差分析。采用Excel 2010制图。 2 结果与分析 2.1 不同植物在重度富营养水体中的生长状况

如表 2所示，温暖季节的试验结束后，Tifton 85狗牙根的总鲜重增加量达1 303.1 g·m^-2,水上部分的干重增加量占总增加量的比值达83.7%,远大于水下部分所占比值。寒冷季节试验结束后，三种多花黑麦草的总鲜重增加范围在737.7~834.2 g·m^-2内，依次为特高>剑宝>美克斯，单位面积干重增加范围在114.0~128.6 g·m^-2内，依次为特高>剑宝>美克斯，特高与剑宝的生物量增加值均显着高于美克斯（P < 0.05）.三种多花黑麦草水上部分的干重增加量占总增加量的比值达71.0%以上，远大于水下部分所占比值。

表 2 不同季节试验植物在重度富营养水体中生物量的变化 Table 2 Variation of plant biomass in heavily eutrophic water

表选项

温暖季节试验水体中TN、TP及COD的去除结果如图 1所示。

图 1 Tifton 85狗牙根处理与对照水体中TN、TP及COD的去除率比较 Figure 1 Comparisons of TN,TP and COD removal efficiencies between C. dactylon and CK

图选项

处理4 d后，Tifton 85狗牙根对水体中TN的去除率已高达80.4%,随着水体中TN浓度的降低，去除率增加量趋于缓慢，但整个过程Tifton 85狗牙根的去除效果均显着优于空白对照（P < 0.01）.处理16 d后，Tifton 85狗牙根对TN去除率达98.2%,TN的浓度从25.82 mg·L^-1降至0.46 mg·L^-1（数据未列出，下同）,已低于轻度富营养的评价指标（1.0 mg·L^-1）,达到非富营养化水体标准，而对照水体中TN的浓度仍处于重度富营养化水平。

处理4 d后，Tifton 85狗牙根对水体中TP的去除率达48.4%,处理8 d后，去除率达78.2%,随着水体中TP浓度的降低，去除率增加量趋于缓慢，但整个过程Tifton 85狗牙根的去除效果均显着优于空白对照（P < 0.01）.处理16 d后，Tifton 85狗牙根对TP去除率达98.3%,TP的浓度从2.53 mg·L^-1降至0.04 mg·L^-1（图 1）,已低于轻度富营养的评价指标（0.1 mg·L^-1）,达到非富营养化水体标准，而对照水体中TP浓度仍处于重度富营养化水平。

处理4 d后，Tifton 85狗牙根对水体中COD的去除率达41.1%,随后去除率增加量趋于缓慢，但整个过程Tifton 85狗牙根对水体中COD的去除率均显着高于空白对照（P < 0.05）.处理16 d后，Tifton 85狗牙根对COD去除率达70.7%,COD的浓度从63.2 mg·L^-1降至19.0 mg·L^-1,即降至中度富营养化水平，而对照水体中COD浓度为25.0 mg·L^-1,仍处于重度富营养化水平。 2.3 寒冷季节多花黑麦草对水体中营养物质的净化效果

寒冷季节试验水体中TN去除效果如图 2所示，盖播了多花黑麦草的处理对TN的去除率一直显着高于未进行盖播的Tifton 85狗牙根及空白对照水体（P < 0.05）,且未进行盖播的Tifton 85狗牙根和空白对照间无显着差异。处理5 d后，盖播的不同多花黑麦草品种对水体TN的去除率依次为特高>剑宝>美克斯，特高的净化能力显着优于剑宝和美克斯。随着试验进行，特高的净化能力一直处于领先水平，处理25 d后，其处理的水体中TN浓度从27.07 mg·L^-1降至0.86 mg·L^-1,已低于轻度富营养的评价指标（1.0 mg·L^-1）,达到非富营养化水体浓度；美克斯和剑宝分别为2.7、1.4 mg·L^-1,并未低于轻度富营养评价指标，属于轻度富营养浓度。

图 2 不同品种多花黑麦草对水体中TN的去除率比较 Figure 2 Comparisons of TN removal efficiencies of different L. multiflorum

图选项

寒冷季节试验水体中TP去除效果如图 3所示。盖播多花黑麦草的处理对TP的去除率一直显着高于未进行盖播的Tifton 85狗牙根及空白对照水体（P < 0.05）,且未进行盖播的Tifton 85狗牙根和空白对照间无显着差异。处理5 d后，盖播的不同多花黑麦草品种对水体TP的去除率无显着差异，处理10 d后产生差异，特高与剑宝对TP的去除率显着高于美克斯（P < 0.05）,且特高的净化能力一直处于领先水平。处理25 d后，特高处理的水体中TP浓度从2.81 mg·L^-1降至0.22 mg·L^-1,美克斯和剑宝处理的水体分别降至0.50、0.37 mg·L^-1,均已低于中度富营养的评价指标（0.6 mg·L^-1）,达到轻度富营养水体标准。

图 3 不同品种多花黑麦草对水体中TP去除率的比较 Figure 3 Comparisons of TP removal efficiencies of different L. multiflorum

图选项

寒冷季节试验水体中COD去除效果如图 4所示。处理5 d后，盖播不同品种多花黑麦草的处理对水体COD的去除率虽无显着差异，但均显着高于未进行盖播的Tifton 85狗牙根及空白对照水体（P < 0.05）.随着水体中COD浓度的降低，去除率增加量趋于缓慢，整个过程不同多花黑麦草品种间几乎无差异。处理25 d后，三种黑麦草对COD去除率均达68.0%以上，其浓度从54.03 mg·L^-1降至15.83~17.02 mg·L^-1,而未盖播的Tifton 85狗牙根及对照水体中COD浓度分别为22.4和21.9 mg·L^-1.

图 4 不同品种多花黑麦草对水体中COD的去除率比较 Figure 4 Comparisons of COD removal efficiencies of different L. multiflorum

图选项

供试植物在重度富营养化水体中氮、磷积累情况见表 3.温暖季节的试验结束后，Tifton 85狗牙根对氮、磷的积累总量分别为2 461.2、213.2 mg·m^-2,植株氮、磷总积累量对系统总去除量贡献率达97.2%和85.8%,其中水上部分贡献率达80.2%和63.7%,远大于水下部分的贡献率。寒冷季节试验结束后三个多花黑麦草对氮、磷的积累总量范围分别为1 877.1~2 191.0 mg·m^-2和199.0~253.7 mg·m^-2,其中特高与剑宝的氮、磷积累量显着高于美克斯（P < 0.05）,植株氮、磷总积累量对系统总去除量贡献率分别达76.0%和84.0%以上，水上部分贡献率达60.0%和61.0%以上，均远大于水下部分的贡献率。

表 3 4种植物氮磷积累量 Table 3 Nitrogen and phosphorus accumulation in four plants

表选项

金树权等^[22]在比较10种水生植物对水体的净化效果后指出，植物的净增生物量是决定植物水质净化效果的一个重要因素。Zhu等^[23]对水体净化过程中植物的生物积累量进行了研究，表明水上部分比重越大越有利于通过收割达到净化水体的目的。本研究中供试植物生物量明显增加，水上部分干重增加量占总干重变化值的比率均在70%以上，有利于通过收割将植物同化的营养物质带离水体。同时所用植物均为优质牧草，其全年的持续性收割，既可修复水体，又可为食草动物全年度提供优质的青饲料，达到了环境效益与经济效益的良性结合^[5].

Kansiime等^[24]研究指出，在富营养化的污染水体中种植植物后显着提高了水体中营养物质的去除率。本研究中两个季节试验水体中TN、TP的浓度多表现为试验前期大幅度下降，其浓度降至很低的水平，所选的供试植物可在高浓度的富营养水体中快速吸收营养物质，起到良好的净化效果；随着水体中营养物质浓度的快速降低，植物吸收速率降低，与常会庆等^[25]的研究中试验前期水体TN浓度急剧下降，随后平缓下降的趋势相吻合。Montemurro等^[26]的研究结果也表明，植物对某种营养物质的吸收利用率与其供应浓度有关。Epstein教授和他的团队用Michaelis-Menten方程描述离子的运输，虽不同植物对不同离子的亲和力不同，但离子浓度与吸收速率之间的吸收动力学曲线均表明，在一定范围内，植物吸收离子的速度随介质中浓度的升高而升高，浓度降低则吸收速率亦降低^{[27, 28]}.温暖季节选用的Tifton 85狗牙根对重度污染水体处理16 d后，水体中的TN和TP的去除率均高达98.0%以上，显着高于对照水体，使TN、TP均降至非富营养化浓度，表现出优异的净化效果。寒冷季节所用的3个多花黑麦草品种的去除效果也显着地优于空白对照，综合TN和TP的去除率，可知特高多花黑麦草的净化效果最好，处理重度富营养水体25 d后，使得水体达到非富营养化标准，而剑宝与美克斯处理的重度富营养水体25 d后降至轻度富营养水平。

本研究中试验前期处理水体中 COD下降速度最快，随后速度减弱，趋于平缓，表明在经历前期较好的净化时段后，水体中剩余一部分较难去除的有机物质。这与Vymazal等^[29]的研究相符，即污染水体中含有较多不稳定易于降解的有机物和少部分不易于降解的有机物。虽然不同季节植物、不同植物品种对重度富营养水体中COD的去除效果几乎无显着差异，但植物处理后可将处理水体中COD浓度降至中度富营养水体标准，而空白对照仍处于重度富营养化水平。这与前人的一些相关研究中提到植物处理的水体中COD去除率显着高于空白对照水体一致^{[30, 31]}.

Vymazal等^[29]研究了不同的种植方式对营养物质去除的影响，表明漂浮的种植方式中植物吸收对氮磷的去除所起的作用最大。Huett等^[32]研究表明植株对氮磷的积累量分别占系统去除总量的76%和86%.蒋跃平等^[33]研究了观赏水体中植物吸收对系统氮磷去除的贡献率，结果表明供试植物平均氮磷积累量对水中氮磷去除的贡献率分别为46.8%和51.0%.本研究采用漂浮的种植方式，至试验结束，不同植物对系统TN和TP去除量的贡献率范围分别为76.7%~97.2%和84.5%~98.2%,表明植物对氮磷的积累在净化系统中起到关键性作用。目前也有一些漂浮植物对水体净化效果较为理想的报道，如凤眼莲、浮萍、满江红等，但多数经济价值不高，同时其水域生长面积不易于控制，可能会大量繁殖，封闭水面环境，对水中原有动植物的生境造成侵害，且浮生叶片不易于打捞收割，若打捞收割不及时其叶片的死亡与腐烂分解会对水体造成二次污染^{[34, 35]}.另外，研究的植物多集中在温暖季节，缺乏冷暖季节对接技术，一旦进入低温季节，水体净化便发生中断。本研究利用牧草轮作实现了水体的全年净化，长势迅速、净化效果优异的陆生牧草因人工漂浮种植，可以有效地控制其所在的水域面积和形状，且牧草的可持续性收割能及时将营养物质带离水体，并快速地进入畜牧业应用环节，实现了净化与经济的良性结合。 4 结论

本研究中供试植物的净化效果显着优于对照，其中，暖季型的Tifton 85狗牙根处理的重度富营养水体中的TN、TP均由重度富营养降至非富营养化浓度，COD由重度富营养降至中度富营养浓度。盖播的3个冷季型多花黑麦草品种对TN和TP的去除率存在显着差异，特高表现最好，其处理的水体中TN、TP均由重度富营养降至非富营养化浓度，品种间COD去除率虽无显着差异，但也均降至中度富营养浓度。暖季型的Tifton 85狗牙根净化效果优异，寒冷型的特高多花黑麦草净化效果最好。Tifton 85和特高可作为长三角地区周年水体净化的优异牧草组合进行推广。