人工濕地植物3種指標(biāo)屬性與其凈化功能的關(guān)系評(píng)價(jià)

劉 穎，劉 磊，袁平成，郭恢財(cái)，胡小飛，高勇生

(1.南昌大學(xué) 生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，江西 南昌 330031;2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045;3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045)

很多研究表明，植物體對(duì)污水的凈化作用不僅與植物體本身的生長(zhǎng)特性和根系面積密切相關(guān)，還依靠根際分泌物以及根際環(huán)境下生長(zhǎng)的微生物共同作用［1－2］。植物一方面靠自身的光合作用吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);另一方面通過(guò)根系分泌有機(jī)酸類等物質(zhì)，促進(jìn)微生物對(duì)有機(jī)物的降解;同時(shí)，發(fā)達(dá)的植物根系能夠?yàn)槲⑸锾峁┖玫纳L(zhǎng)環(huán)境，且在維持植物體和微生物生命力以及固定基質(zhì)床表面等方面都有著極其重要的作用。然而目前對(duì)于污水凈化效果的研究，植物體吸收N、P元素和根際微生物研究較多，根系面積研究不多，對(duì)各指標(biāo)的綜合評(píng)定較少。本文從根際微生物類群多樣性、根系面積大小以及植物體本身吸收N、P元素的功能3種屬性進(jìn)行研究，以較新的視角分析其與凈化功能之間的關(guān)系，為人工濕地的控制與管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)所用材料為蘆葦(Phragmitas communis)、菖蒲(Acorus calamus)、鳶尾(Iris germanica)、香根草(Vetiveria zizanoides)、梭魚(yú)草(Pontederia cordata)、水蔥(Scirpus validus)、茭白(Zizania latifolia)、旱傘草(Cyperus alternifolius)、再力花(Thalia dealbata)、大皇冠(Echinodorus amazonicus)等10種人工濕地水培植物。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將濕地植物種植在100 L的塑料水桶內(nèi)(水容積80 L，種植密度2～3株/桶，每桶為1個(gè)重復(fù)，每桶植物設(shè)2個(gè)重復(fù)，并設(shè)1組有基質(zhì)無(wú)植物的作為空白對(duì)照試驗(yàn))，用自然發(fā)酵、沉淀并過(guò)濾后的江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生宿舍下水道污水進(jìn)行培養(yǎng)，污水以20 d為周期進(jìn)行更換。于7月底、12月底，2次分別在不同的桶中，破壞性地收集1株植物。收集時(shí)注意植物的根要保持完整，輕輕去掉附著在根上的沙土和礫石，帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 水培植物微生物測(cè)定及計(jì)算 將收集的植物用消過(guò)毒的剪刀剪下一部分根混合，放在消毒好的自封袋里盡快測(cè)量其微生物類群數(shù)量，不能馬上測(cè)量則放置在－80℃冰箱保存，以維持微生物的活性。操作要在超凈工作臺(tái)上進(jìn)行，工作臺(tái)需提前30min紫外燈照射，以免增加污染。本實(shí)驗(yàn)采用稀釋平板法測(cè)量細(xì)菌、放線菌和真菌3類微生物的數(shù)量［3］。

1.3.2 水培植物根系面積計(jì)算 將收集植物的根系剪下，沖洗干凈并吸取多余水分，完整剪下全部二級(jí)根和三級(jí)根，并在其中各挑選出3根完整的二級(jí)、三級(jí)根作為樣本，將其分別簡(jiǎn)稱1 cm的小段，這些小段平行緊密排列后測(cè)定其寬度，則單段的平均寬度即為二級(jí)根和三級(jí)根的平均直徑。用排水法測(cè)量二級(jí)根和三級(jí)根的體積，進(jìn)而求出二級(jí)根系和三級(jí)根系的總體積和總面積，二級(jí)根系和三級(jí)根系面積之和即可看作植物體的根系面積，一級(jí)根系面積可忽略不計(jì)［4］。運(yùn)用公式如下:V總=(M總·V樣)/M樣，V總=π(D/2)2H，S總=πDH，由此可以得出:S總=4V總/D。其中，V總、M總、V樣、M樣、S總、D、H 分別代表總根系體積、總根系質(zhì)量、樣本根系體積、樣本根系質(zhì)量、總根系面積、根系平均直徑和根系平均長(zhǎng)度。

1.3.3 水培植株根、莖、葉氮磷濃度測(cè)定和氮磷化學(xué)計(jì)量比計(jì)算 將收集植物的莖和葉洗凈分開(kāi)后，與根一起分別用牛皮紙包好放入60℃烘箱中烘干至恒重，磨碎過(guò)篩，用H2SO4－H2O2消煮后，分別采用凱氏定氮法和鉬銻抗比色法測(cè)定全氮和全磷含量［5］，計(jì)算出不同植物體根、莖、葉的氮磷濃度及其化學(xué)計(jì)量比。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析 所有數(shù)據(jù)采用SPSS(11.5)軟件處理。采用單因素方差分析中的多重比較分別檢驗(yàn)各因素之間的差異;顯著性水平P＜0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同植物的微生物數(shù)量

人工濕地在處理污水的過(guò)程中，植物根區(qū)微生物的存在對(duì)有機(jī)物的降解和轉(zhuǎn)化有著重要的作用［6－8］，許多研究表明，微生物類群數(shù)量的多寡影響著濕地系統(tǒng)對(duì)污水的凈化效果。

從表1可以看出，不同人工濕地植物根系微生物類群和數(shù)量均有所不同，從數(shù)量來(lái)看，細(xì)菌、放線菌和真菌均不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，分別為106～107、105、104～105，數(shù)量大小為細(xì)菌，放線菌，真菌，且細(xì)菌數(shù)量極高，約占微生物總數(shù)的95%，這也與田呈明［9］研究一致。從植物種類來(lái)看，不同植物的微生物總數(shù)由大到小依次為大皇冠、再力花、鳶尾、蘆葦、梭魚(yú)草、菖蒲、香根草、水蔥、茭白和旱傘草，除大皇冠、再力花、鳶尾和蘆葦微生物總數(shù)差異較明顯，其余6種植物之間的數(shù)量差異相差不大，說(shuō)明大皇冠、再力花、鳶尾和蘆葦根際微生物活性較強(qiáng)。從季節(jié)來(lái)看，3類細(xì)菌以及微生物總數(shù)均滿足7月份數(shù)量高于12月份，且微生物總數(shù)7月份約高出12月份1倍的數(shù)量，可能是由于夏季的溫度高，有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，微生物活動(dòng)十分活躍，而冬季溫度低，一些微生物難以存活的原因，這也與Lu等［10］研究表明濕地微生物與植物冬季活性降低，TP和TN的平均去除率下降相一致。

表1 不同植物微生物數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化Tab.1 The monthly variations of microorganism quantity of different plants

2.2 不同植物的根系面積

植物根系能夠加強(qiáng)植物自固定能力，并與濕地基質(zhì)相結(jié)合，是人工濕地系統(tǒng)中許多微生物和浮游生物活動(dòng)的載體，能夠改善微生態(tài)環(huán)境［4］，強(qiáng)化植物對(duì)污水的凈化功能［11－13］。由表2可以看出，不同季節(jié)10種人工濕地植物的二、三級(jí)根系面積有所不同。從整體來(lái)看，7月份和12月份的三級(jí)根系面積普遍高于二級(jí)根系面積，且7月份的二級(jí)根系面積約占根系總面積的2% ～10%，三級(jí)根系是二級(jí)根系的8～50倍不等;12月份的二級(jí)根系面積約占根系總面積的2% ～8%，三級(jí)根系是二級(jí)根系的11～45倍不等，因此三級(jí)根系是污水處理過(guò)程中的主要作用結(jié)構(gòu)，而二級(jí)根系對(duì)整個(gè)植物根系的影響不大，故一級(jí)根系面積與二級(jí)根系和三級(jí)根系相比可忽略不計(jì)。

從表2中還可以看出，由7月到12月份的二級(jí)根系和三級(jí)根系面積普遍都有所增加，說(shuō)明植物體從夏季到冬季的生長(zhǎng)過(guò)程中，植物根系面積也相應(yīng)地增加和擴(kuò)展。從不同植物來(lái)看，7月份植物體總根系面積由大到小依次為梭魚(yú)草、水蔥、再力花、大皇冠、蘆葦、菖蒲、茭白、旱傘草、鳶尾、香根草;12月份由大到小依次為水蔥、梭魚(yú)草、再力花、大皇冠、蘆葦、菖蒲、茭白、旱傘草、香根草、鳶尾，可見(jiàn)植物體的根系面積大小變化差異不大，說(shuō)明植物體根系面積均在各自的水平上穩(wěn)步增加。

表2 不同植物根系面積的動(dòng)態(tài)變化Tab.2 The monthly variations of roots area of different plants

2.3 不同植物體氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量比

圖1 水培系統(tǒng)不同植物的根莖葉氮磷濃度的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 The monthly variations in the concentrations of N and P in roots，stems and leaves of different plants in bucket－cultivated system

將7月份和12月份采集的植物體分不同器官分別進(jìn)行N、P以及其化學(xué)計(jì)量比的測(cè)定，得出圖1。從圖1中可以看出，不同植物的不同器官在不同季節(jié)分別呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性。從月份來(lái)看，所有植物根、莖、葉的N含量、P含量及N∶P值均表現(xiàn)為7月明顯高于12月，可見(jiàn)夏季是植物生長(zhǎng)的旺盛期，對(duì)N、P的吸收能力也較強(qiáng)，冬季植物枯萎，植物氮磷吸收可能還受到植物死亡分解過(guò)程中氮磷含量的釋放［14］、污水本身氮磷含量、濕地基質(zhì)以及氣候條件等影響［15］，故植物器官對(duì)N、P的吸收能力有所下降。

從植物體的N∶P值可以看出，水培環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)的影響情況即養(yǎng)分供應(yīng)情況。其中，7月份植物整體N∶P由大到小依次為:水蔥、旱傘草、蘆葦、梭魚(yú)草、鳶尾、香根草、大皇冠、菖蒲、再力花、茭白，12月份為:旱傘草、蘆葦、梭魚(yú)草、水蔥、香根草、鳶尾、大皇冠、再力花、茭白、菖蒲。按照經(jīng)典的N∶P比例研究即Wassen［16］和Koerselman＆Meuleman［17］等人進(jìn)行的施肥研究結(jié)論判斷，本實(shí)驗(yàn)中7月份水蔥、旱傘草、蘆葦、梭魚(yú)草的N∶P值大于16，鳶尾的N∶P值在14～16，香根草、大皇冠、菖蒲、再力花、茭白的N:P值小于14，而12月份N∶P值大于16的是旱傘草、蘆葦，N∶P值在14～16的是梭魚(yú)草、水蔥，N∶P值小于14的是香根草、鳶尾、大皇冠、再力花、茭白、菖蒲。

總體來(lái)看，水培系統(tǒng)大部分濕地植物系統(tǒng)受N限制，其中受P限制程度較為明顯的植物是旱傘草，其次是蘆葦，受N限制程度的由大到小依次是茭白、再力花、菖蒲、大皇冠、香根草，鳶尾、水蔥、梭魚(yú)草3種植物受兩元素共同限制。故今后在輕度富營(yíng)養(yǎng)化污水的人工濕地植物的配置上應(yīng)避免使用高N和高P濃度的物種，這是由于盡管植物能夠吸收較多的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)水體污染物去除率高，但同時(shí)植物生長(zhǎng)也需要較多的營(yíng)養(yǎng)元素，競(jìng)爭(zhēng)力偏弱，在本文中顯示高N物種為旱傘草，高P物種為香根草。但是，人工濕地植物配置應(yīng)具體情況具體分析，本文不屬于輕度富營(yíng)養(yǎng)化污水，反而高N和高P濃度植物對(duì)系統(tǒng)污染物去除率有積極的作用。

表3 水培系統(tǒng)10種植物對(duì)污水處理的綜合評(píng)定Tab.3 The comprehensive evaluation of 10 plants in sewage treatment in bucket-cultivated system

2.4 不同植物對(duì)污水處理的綜合評(píng)定

對(duì)于濕地植物篩選的綜合評(píng)定方法有很多，龐金華等［18］根據(jù)植物的凈化效果、植物地上部分生物量、根系生物量、植物觀賞性以及病蟲(chóng)害5個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，涂燕［19］根據(jù)凈化效果、植物生物量和生長(zhǎng)率3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文嘗試提出將凈化效果、微生物數(shù)量、根系面積以及植物吸收4個(gè)指標(biāo)綜合考慮，利用權(quán)重計(jì)算對(duì)10種濕地植物進(jìn)行綜合評(píng)定，可以得出表3。其中，根據(jù)靜態(tài)水培試驗(yàn)對(duì)污水處理的重要程度不同，一級(jí)指標(biāo)凈化效果、微生物數(shù)量、根系面積和植物吸收分別賦予其權(quán)重值為0.4、0.2、0.2、0.2，凈化效果的二級(jí)指標(biāo)為 NH4+－N、TN、TP、COD 的去除率，其權(quán)重值均為 0.25;微生物數(shù)量的二級(jí)指標(biāo)為細(xì)菌、放線菌、真菌，其權(quán)重值均為1/3;根系面積的二級(jí)指標(biāo)為二級(jí)根系面積和三級(jí)根系面積，其權(quán)重值均為0.5，植物體吸收的二級(jí)指標(biāo)為N吸收濃度和P吸收濃度，權(quán)重值均為0.5。每個(gè)二級(jí)指標(biāo)按照10種植物在該指標(biāo)的最大值與最小值之間分為10個(gè)均等區(qū)間，從高到低區(qū)間得分分別為100、90、80……10分，每個(gè)二級(jí)指標(biāo)的得分?jǐn)?shù)與該二級(jí)指標(biāo)和一級(jí)指標(biāo)權(quán)重值的乘積記為該植物的實(shí)際得分，求和得到總分，進(jìn)而對(duì)植物得分情況進(jìn)行排序。

3 結(jié)論

本文綜合凈化效果、微生物數(shù)量、根系面積和植物吸收4個(gè)指標(biāo)，利用權(quán)重計(jì)算法得出，10種植物得分情況從高到低分別為再力花，梭魚(yú)草，菖蒲，鳶尾，水蔥，大皇冠，蘆葦，香根草，茭白和旱傘草。人工濕地植物對(duì)污染物的去除受到很多因素的影響，不同植物配置對(duì)污染物的凈化效果不同，在研究單一植物凈化功能的基礎(chǔ)上，綜合考慮氣候、植物、水質(zhì)、配置等因素，篩選出因地制宜、因時(shí)制宜的人工濕地植物，對(duì)人工濕地進(jìn)行綜合功能的開(kāi)發(fā)，意義更為深遠(yuǎn)。

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