浮床栽種木本植物對人工濕地污水的凈化效果

蔣麗娟，佟金權(quán)，易心鈺

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

浮床栽種木本植物對人工濕地污水的凈化效果

蔣麗娟，佟金權(quán)，易心鈺

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

用木本植物萼距花、楊樹和旱柳作為泡沫板浮床栽培材料, 研究其生長狀況及對人工濕地污水的凈化效果。結(jié)果表明，3種植物在N、P含量較高的污染水體中都可以正常生長。在生長旺盛季節(jié)內(nèi)3種植物對污染水體中的 COD的月平均去除率分別為45.02%、46.41%和62.44%， 對TN的月平均去除率分別為40.27%、48.27%、63.29%，對TP月平均去除率分別27.76%、39.8%9和40.06%。其中對TN、TP的去除率顯著高于對照植物鳳眼蓮。同時(shí)3種植物對重金屬Hg、Cd、Cr、Cu具有較強(qiáng)的富集力，而對Mn、Zn和Pb具有超富集潛力。

萼距花；楊樹；旱柳；污染水體；去除率；重金屬富集

利用生物浮床治理富營養(yǎng)化水體逐步成為受損水生生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)，在我國的研究和應(yīng)用日益增多。浮床栽種植物類型有經(jīng)濟(jì)植物如水稻、 黑麥草和水芹，觀賞植物如香根草、 美人蕉、以及蔬菜和飼料植物如空心菜等多種水生或陸生植物[1-2]。到目前為止，大多浮床栽種系統(tǒng)以草本植物為主，涉及到的木本植物極少。草本植短期內(nèi)生物量增長快，N、P除去力強(qiáng)，但生長周期短、收獲較困難，收獲的植物利用率低。木本具有生長周期長，利用價(jià)值高，將木本植物引種濕地可在一定程度上緩解草本濕地植物換季難[3-4]，筆者利用萼距花、旱柳和楊樹為浮床栽培材料,測定其生長情況及其對污染水體營養(yǎng)的吸收及去除效果，研究結(jié)果為利用富營養(yǎng)化水體繁殖培育木本觀賞植物和能源植物、人工濕地植物的選擇與配置提供支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

植物選擇：選擇具有較高觀賞價(jià)值和能源價(jià)值、可進(jìn)行規(guī)模繁殖的耐水濕植物萼距花Cuphea hyssopifolia、旱柳Salix matsudana和楊樹Poplus deltoides Bartr.X P. euramericana為浮床植物。

植物種植：以中南林業(yè)科技大學(xué)株洲校區(qū)組合人工濕地系統(tǒng)中的表流濕地為試驗(yàn)基地，以盆栽作為輔助試驗(yàn)。將表流濕地分隔成3～5個(gè)小區(qū)，每一小區(qū)內(nèi)的浮床栽種1種植物，每1個(gè)小區(qū)為一試驗(yàn)重復(fù)，每種植物共計(jì)3個(gè)重復(fù)，以浮水植物鳳眼蓮為對照植物，同時(shí)，設(shè)置空白對照 (即不栽植任何植物的浮床)。 萼距花、楊樹和旱柳插條插入泡膜浮床上，然后將浮床放入表流濕地中，定期觀測插條的生根、存活及生長情況，觀測植物生長勢、不同植物在相同季節(jié)和相同植物在不同季節(jié)對污水的凈化能力。

濕地水源：試驗(yàn)培養(yǎng)水源為生活污水和試驗(yàn)樓污水混合，混合比為3∶1， 24 h連續(xù)動(dòng)態(tài)供水，量變化較大，約為600～1050 t/d。生活污水中COD、BOD、TN和TP濃度變幅較大，試驗(yàn)廢水中Pb、Cd、Cr等多項(xiàng)指標(biāo)超過了國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。廢水的化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 浮床栽培廢水源理化特性Table 1 Physical and chemical properties of wastewater for floating stuff (mg/L)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 COD、TN、TP去除率測定

按《水和廢水監(jiān)測分析方法》[5]，測定這些指標(biāo)在處理前后水中的變化，根據(jù)去除率% = 100(污水值-出水值)/污水值，計(jì)算出不同植物對每類污染物的去除率。

1.2.2 植物體重金屬含量測定

采用隨機(jī)取樣法，將每株樣品風(fēng)干、粉碎，用H2SO4消煮制備成溶液。金屬離子含量采用原子吸收分光光度法[6]。

1.2.3 植物根系活力測定

TTC（氯化三苯基四氮唑）法[7]，以TTC還原量表示脫氫酶活性并作為根系活力的指標(biāo)。四氮唑還原強(qiáng)度（mg/g(根鮮重)/h）＝四氮唑還原量（mg）/[根重（g）×?xí)r間(h)]

所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用平均值。采用SPSS軟件對微生物數(shù)量、脲酶、磷酸酶活性參數(shù)與人工濕地的凈化效果進(jìn)行二維或多維P≤0.05的相關(guān)顯著性分析。

2 結(jié) 果

2.1 萼距花、旱柳和楊樹在富營養(yǎng)化水體中的生長狀況

對表流濕地浮床栽種的3種木本植物及對照植物鳳眼蓮進(jìn)行定期觀察，記錄植物存活、水面上部分及水下根系生長發(fā)育狀況（表2）。結(jié)果顯示，以相同栽培方式（所有植物栽種前均沒進(jìn)行預(yù)處理），栽種在相同污染水體中的4種植物在新根發(fā)育時(shí)間、新根數(shù)量、植株存活率、生長勢等方面存在差異，但3種木本植物在污染水體中扦插存活率都較高，萼距花和楊樹的扦插成活率高達(dá)100%，旱柳成活率85%以上。與旱土栽種的楊樹、旱柳和萼距花比較，水生環(huán)境中生長的植株根系形態(tài)及其分布發(fā)生改變， 根系分布較淺，主根向下伸入水下15 cm左右。主側(cè)根分化不明顯，側(cè)根分枝增多，形成近須根狀簇生的根系，成近水平展開。

表2 不同植物引種表流濕地后存活狀況Table 2 Survival rate and growth vigor of different plants growing in waste water

上述結(jié)果表明，通過扦插方法、利用富營養(yǎng)水體可進(jìn)行木本植物繁殖培育，建立濕地喬灌木植物群落。

2.2 不同植物對污水COD的去除效果

植物扦插成活后的第二個(gè)月（即5月份）開始對污染水體中的COD具有較高去除率，圖1顯示4種植物在生長旺盛期內(nèi)的不同月份對水中COD的去除效果。

木本植物旱柳、楊樹和萼距花都具有較高的COD去除能力，6、7、8、9月份植株對COD的月平均去除率最高可達(dá)85%以上。3種木本植物中，旱柳對COD的去除效果最好，6月份高達(dá)90.75%，且顯著高出對照植物鳳眼蓮。10月底，木本植物生長速度降低或接近停止，開始落葉，塘內(nèi)有少量的枯落物， COD去除率逐漸降低； 生長期的7個(gè)月內(nèi)COD平均月去除率從強(qiáng)到弱順序如下：鳳眼蓮＞旱柳＞楊樹＞萼距花。

圖1 不同植物對COD的去除效果Fig.1 Removal rate of COD with different plants

2.3 不同植物對污水TN的去除效果

測定不同植物不同生長期對總氮的去除效果（如圖2）顯示：在植物生長的早期（5，6月份）和生長晚期（10、11月份），木本植物對TN的去率高于對照的草本植物鳳眼蓮，在生長期（7個(gè)月）內(nèi)旱柳對 TN的去除力最強(qiáng)，其中7、8兩個(gè)月的TN去除率高達(dá)85%以上。4種植物對TN的去除能力高低順序?yàn)椋汉盗緱顦洌绝P眼蓮＞萼距花，木本植物旱柳和楊樹對TN的去除率均高于鳳眼蓮。

圖2 不同植物對TN的去除效果Fig.2 Removal rate of TN with different plants

2.4 不同植物對污水TP的去除效果

圖3 顯示不同植物不同生長時(shí)期對TP的去除效果。旱柳在6、7、8三個(gè)月內(nèi)均具有較高的去除率，分別達(dá)81.45%、77.48%、81.06%。10底月草本植物進(jìn)入枯黃季節(jié)，3種木本植物仍具有較高的TP去除率，尤其是萼距花和旱柳。4種植物在生長期內(nèi)對TP的平均去除率依次是：旱柳＞楊樹＞鳳眼蓮＞萼距花，旱柳和楊樹的TP去除率顯著高于鳳眼蓮。

圖3 不同植物對TP的去除率Fig. 3 Removal rate of TP with different plants

2.5 不同植物對污染水體中重金屬的富集

濕地植物收獲后，將其干燥，硝化，測定不同植物地上部分對不同重金屬元素的富集量（見表3）， 從表中可知，在所觀測的4種植物中，楊樹植株體內(nèi)所含的重金屬元素As濃度低于污水中As 的含量外，其它重金屬離子在植株體中的濃度均大大地超過污水中重金屬離子的濃度，植物體內(nèi)金屬離子的最低含量也達(dá)到污水中金屬離子濃度的1.5倍，表明植物對金屬離子具有較強(qiáng)的吸收富集潛力。

表3 不同植物體內(nèi)重金屬離子濃度（ug/g 干物質(zhì)）Table 3 Concentration of heavy metal ion in different plant tissues

圖4 不同植物體內(nèi)金屬離子濃度Fig 4 Concentration of heavy metal ion in different plant tissue

上圖4顯示，不同植物對不同重金屬富集力差異極顯著（F＜0.01），每種植物都對一種或其中的幾種重金屬離子具有較強(qiáng)的吸收能力。3種木本植物對Zn、Cu、Pb和Mn都有較強(qiáng)的富集力，其中以旱柳對Mn富集力最強(qiáng)，是污水濃度的400多倍，其次是鳳眼蓮和萼距花對Mn富集力。旱柳對Cr亦具有極強(qiáng)的富集力（是污水中重金屬濃度的75倍）。以上結(jié)果分析表明，試驗(yàn)的3種木本植物對污染水體的多種重屬都具有較強(qiáng)的富集力，且旱柳對Mn、Cr、Pb的富集力顯著高于對照植物鳳眼蓮。

2.6 植物生長特性與植物凈化力分析

2.6.1 植物根系特性與植物凈化的相關(guān)性

表4 為單位面積根數(shù)、根長與植物對COD、TN、TP去除效果的相關(guān)性。表中數(shù)據(jù)及其相關(guān)分析表明：單位面積根的數(shù)量與植物對COD、TN和TP的去除率沒有顯著的相關(guān)性；根的平均長度與植物TN、TP去除率呈極顯著正相關(guān)（F分別為0.01和0.04＜F0.01），與COD的去除呈不顯著正相關(guān)，但根系活力與COD呈極顯著正相關(guān)（F=0.732＜F0.01），而與TN、TP的去除率呈不顯著正相關(guān)。

2.6.2 植物生物量與植物凈化的相關(guān)性

表中數(shù)據(jù)及其相關(guān)分析表明：單位面積生物量與植物對TN、TP的去除率成極顯著正相關(guān)（r分別為0.789, 0.691，r≤0.01），但單位面積生物量與COD的去除呈正不顯著正相關(guān)。

表4 植物根系與植物凈化效果Table 4 Root system and contamination removing rate

表5 植物生物量與植物凈化效果Table 5 Biomass and removal rate of COD/TN/TP with different plants

上述結(jié)果表明，根系活力有利于植物對有機(jī)物的分解，促進(jìn)COD的去除，而植物根的生長和生物量的增加加速植物對N、P的需求，有利于污染水體中TN和TP的去除。

3 結(jié)論與討論

木本植物在人工濕地中應(yīng)用的制約因子之一是植物對水生生境的適應(yīng)。前人對木本植物池杉、水翁、兩棲榕及紅樹林的研究報(bào)道表明，只要植物能適應(yīng)濕地環(huán)境，對營養(yǎng)鹽和藻類就具有顯著的凈化效應(yīng)均能取得較好的凈[8-13]。本試驗(yàn)?zāi)颈灸茉粗参锖盗顦浼澳颈居^賞植物萼距花在含有多種重金屬的富營養(yǎng)化污染水體中均能夠正常生長, 并能有效地去除水體中的氮、 磷等營養(yǎng)物質(zhì)。與草本植物鳳眼蓮相比，楊樹和旱柳對TN、TP的去除效果更好。此外，3種木本植物對重金屬Cd、Cr、Cu、Hg有較強(qiáng)的富集力，而對Mn、Zn和Pb具超富集潛力，以旱柳對Mn的富集力最強(qiáng)，其植物體內(nèi)Mn的濃度是污水中濃度的400倍。

試驗(yàn)的3種木本植物的根系活力與植物COD去除率呈極顯著正相關(guān)，植物根系平均長度和生物量與植物TN、TP的去除率呈極顯著正相關(guān)，表明，采取生物或非生物方法促進(jìn)植物根系發(fā)育、增加根性活力、促進(jìn)植物生長，可克服木本植物因生長慢、根系發(fā)育不良，導(dǎo)致凈化效果不占優(yōu)勢，人工濕地構(gòu)建以草本植物為主的缺陷。

盡管目前在木本植物人工濕地污水凈化與湖泊富營養(yǎng)化修復(fù)方面尚未有較系統(tǒng)的研究，但前人與本試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，木本植物在構(gòu)建污水處理人工濕地、湖濱帶原位污染水體修復(fù)、面源污染控制及景觀格局優(yōu)化都具有較好的應(yīng)用前景。

[1] Akira M, Fumitake K, Waichi A.et al. Plant production and water purification efficiency by rice and umbrella plant grow in a floating culture system under various water environment conditions [J]. Fac Agr Kyushu Univ, 2000, 45(1): 28-38.

[2] 張村俠, 朱世東. 浮床栽培綠葉蔬菜對富營養(yǎng)化水體的凈化效果[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2007, 35(14): 4193- 4194.

[3] 白曉燕. 木本植物人工濕地在湖泊富營養(yǎng)化修復(fù)中的應(yīng)用展望[J]. 廣東化工, 2011 , (8): 76-77.

[4] 趙 珊, 張 軍, 陳 沉, 等. 木本植物作為人工濕地植物的可行性試驗(yàn)[J]. 凈水技術(shù), 2012, 31(1): 73-79.

[5] 國家環(huán)保局. 水和廢水監(jiān)測方法[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1989.

[6] 蔣躍平, 葛 瀅, 岳春雷, 等. 人工濕地植物對觀賞水中氮磷去除的貢獻(xiàn)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 24(8): 1718-1723.

[7] 上海植物生理學(xué)會(huì). 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊[M]. 上海科技技術(shù)出版社, 1985.

[8] 楊昌鳳, 黃淦泉, 宋文初, 等. 模擬人工濕地處理污水的試驗(yàn)研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 1991, 2(4): 350-354．

[9] 靖元孝, 楊丹菁, 任延麗, 等. 水翁(Cleistocalyx operculatus)人工濕地的生長特性及其對污水的凈化效果[J]．環(huán)境科學(xué)研究, 2005, 18(1): 9-13．

[10] 靖元孝. 人工濕地污水處理系統(tǒng)3種紅樹植物生理生態(tài)特性[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 20(3): 528-532．

[11] 靖元孝, 楊丹菁, 陳章和, 等. 兩棲榕在人工濕地的生長特性及其對污水的凈化效果[J]．生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23(3)：614-619．

[12] Boonsong K, Piyatiratitivorakul S, Patanaponpaiboon P. Potential use of mangrove plantation as constructed wetland for municipal wastewater treatment[J]．Water Science and Technology, 2003,48: 257-266．

[13] Heidy S, Stephane P. Differing nitrogen use strategies of two tropical rainforest late successional tree species in French Guiana: Evidence from 15N natural abundance and microbial activities[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2008, 40: 487-494．

Purif i cation effect of cultivating woody plants on fl oating beds on waste water of constructed wetland

JIANG Li-juan, TONG Jin-quan, YI Xin-yu
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

With cuphea, poplar and salix as the planting stuffs on fl oating beds, the studies on their growth status and the purif i cation effect on the waste water in constructed wetland indicate that the three woody plants could grow in the waste water normally. During their growing season, their removal rates of COD per month were 45.02%, 46.41% and 62.44%, removal rates of TN were 40.27%,48.27%, 63.29%, and removal rates of TP 40.27%, 48.27% and 63.29% respectively. Particularly, the removal rates of TN, TP with plants of poplar and Salix were much higher than that of water hyacinth plant. Meanwhile, the three plants have great enrichment capacity of heavy metal Mn, Zn and Pb.

Cuphea hyssopifolia; poplar; Salix matsudana; waste water; removal rate; heavy metal enrichment

S719

A

1673-923X(2012)12-0017-04

2012-06-13

湖南省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)學(xué)科基金項(xiàng)目“生物質(zhì)液體燃料資源植物光皮樹品種選育和豐產(chǎn)栽培技術(shù)示范”(2011BAD22B08)

蔣麗娟（1965-），女，湖南道縣人，博士，教授，研究方向：資源植物培育與利用；E-mail:znljiang2542@yahoo.cn

[本文編校：吳 彬]