模擬人工濕地植物對富營養(yǎng)化水體的修復研究

霍張麗, 朱廣龍, 張江汀, 魏學智

(1.山西師范大學 生命科學學院, 山西 臨汾041004; 2.山西省水利廳, 太原 030000)

模擬人工濕地植物對富營養(yǎng)化水體的修復研究

霍張麗1, 朱廣龍1, 張江汀2, 魏學智1

(1.山西師范大學 生命科學學院, 山西 臨汾041004; 2.山西省水利廳, 太原 030000)

人工濕地; 富營養(yǎng)化; 濕生植物; 去除率

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展、人口激增，隨之而來的環(huán)境惡化、水土流失等問題日益嚴峻，尤其是水土資源供需矛盾，對此我國水利部水土保持司于2006年開始重點開展生態(tài)清潔小流域治理工作[1]。生態(tài)清潔小流域建設以水源保護為中心，涉及流域內(nèi)的水土流失治理和流域內(nèi)污染源治理，其中水污染治理是主要的內(nèi)容之一[2]。人類在生產(chǎn)、生活過程中向河流排入大量農(nóng)藥、化肥及其他污染物質(zhì)，當超過河流生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力時，將導致水質(zhì)變差(如水體富營養(yǎng)化等)，直接對河流生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，降低其生態(tài)服務功能[3]?！?012年中國環(huán)境狀況公報》[4]顯示，在監(jiān)測的60個湖泊(水庫)中，富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊(水庫)占25.0%，其中，輕度富營養(yǎng)狀態(tài)和中度富營養(yǎng)狀態(tài)的湖泊(水庫)比例分別為18.3%和6.7%，形勢依然嚴峻。人工濕地用于富營養(yǎng)化水體的修復，具有投資少、易管理、效果好的特點，是一種新型生態(tài)污水處理技術[5]。通過實踐研究，構建適合我國不同地域特點的高效人工濕地，對修復我國富營養(yǎng)化水體具有迫切的現(xiàn)實意義[6]。

本實驗通過構建蘆葦(Phragmitesaustralis)、藨草(Scirpustriqueter)、薄荷(Menthahaplocalyx)、水芹(Oenanthejavanica)4種濕生植被小型人工濕地，定期進行水質(zhì)監(jiān)測和分析，研究不同濕地植被對富營養(yǎng)化水體的修復能力。篩選出凈化效果好、適宜于山西臨汾地區(qū)人工濕地生境的植物，充分發(fā)揮人工濕地在“清潔生態(tài)型小流域”建設中的重要作用，使生態(tài)環(huán)境得到顯著改善，為水環(huán)境保護提供重要的實驗依據(jù)[2]。

1 材料與方法

1.1 人工濕地的構建

小型模擬人工濕地系統(tǒng)構建于紅色塑料桶內(nèi)[7](桶的規(guī)格：上口直徑33 cm，內(nèi)徑28.5 cm，下口直徑24.5 cm，內(nèi)徑21 cm，高28 cm)，在桶底設一個水龍頭用來排水。在距桶底15 cm的桶體上設一個出水龍頭，并連接集水管用于采集水樣。集水管均勻打孔，用100目的濾布包裹，防止細砂進入管中造成堵塞。

在桶內(nèi)分層鋪設不同粒徑的河砂作為基質(zhì)，從下至上：10 cm厚的粗砂(粒徑1～3 cm)，15 cm厚的細砂(粒徑0.3～1 mm)，之間用100目的濾布隔開。

1.2 富營養(yǎng)化水體的配制

試驗前加入KNO3、NH4NO3、NaH2PO4和葡萄糖來人工模擬富營養(yǎng)化水體[8]，參照GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[9]地表Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ類水標準擴大10倍進行配置，所配置的初始濃度配比見表1。

表1 試驗水體營養(yǎng)成分初始濃度配比

1.3 濕地植物采集及處理

2013年6月從臨汾市汾河流域采集蘆葦、藨草、水芹、薄荷4種濕生植物，植物采集后，經(jīng)自來水、蒸餾水沖洗根部泥土，然后放入10%的Hoagland營養(yǎng)液中進行培養(yǎng)，一周換水一次。兩周后挑選大小一致、長勢良好的植株。將其植入試驗桶中，每桶種植8株。向桶中澆灌蒸餾水2次，每次將水排空后進行第二次注水。最后，一次性向每個實驗桶中注入5 L預先配好的富營養(yǎng)化水體。

1.4 試驗設計

1.5 計算方法

去除率=(Co-Ci)/Co×100%。

式中：Co——初始時的濃度；Ci——第i天的濃度。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2007對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，并做單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 4種濕生植物的生長狀況

植物的生長情況可以間接反映植物的耐污能力，所以實驗期間對植物的生長狀況進行觀察?？傮w來說，蘆葦長勢最好，株高變化最大，輕度處理下平均株高由原來的24.13 cm增長到56.92 cm，中度處理下平均株高由22.21 cm增加為58.64 cm，重度處理下平均株高增加29.86 cm。藨草株高變化不大，但實驗期間不斷有新芽冒出，長成完整的植株，使得實驗種植密度增大；水芹菜生長旺盛，根系生長發(fā)達，植株明顯增高加粗，不同濃度處理下，平均株高均增長12～15 cm，但底部葉片在生長過程中有不斷干枯脫落現(xiàn)象；薄荷在實驗期間株高無明顯變化，90%以上的植株出現(xiàn)了開花現(xiàn)象，說明長勢良好。

2.2 不同濃度條件下水體主要污染物去除率的比較

2.2.1 各種植被人工濕地對不同濃度水體中TP的去除 由圖1A可以看出，與對照相比，輕度處理中4種植物對TP都有較好的去除作用?？傮w的趨勢表現(xiàn)為：蘆葦(89.3%)>藨草(82.4%)>薄荷(81.8%)>水芹(80.5%)>CK(61.2%)。差異顯著性分析表明：實驗組的去除率都顯著高于對照組(P<0.01)，蘆葦與薄荷和水芹相比對TP的去除差異極顯著(P<0.01)。中度處理下，藨草(去除率：74.96%)>薄荷(72.5%)>蘆葦(69.96%)>水芹(64.4%)>CK(36.42%)(圖1B)。差異顯著性分析表明：藨草、薄荷對中濃度TP的去除無明顯差異，但都顯著高于水芹(P<0.01)。重度處理下，在15天后4種植被人工濕地對TP的去除均達到飽和，去除率沒有明顯差異，蘆葦為63.68%、薄荷為61.69%、藨草為60.59%、水芹為59.68%，都顯著高于對照組(22.87%)(圖1C)。

圖1 人工濕地系統(tǒng)對不同濃度富營養(yǎng)化水體中TP的去除效果

2.2.2 各種植被人工濕地對不同濃度水體中TN的去除效果比較 與對照組的去除率(48.62%)相比，4種濕生植物對輕度處理下的TN都有明顯的去除作用。其中去除效果最顯著的是蘆葦，20 d內(nèi)試驗水體中的TN濃度從2 mg/L降到了0.265 mg/L，去除率高達86.76%。其它三種植物的去除率從高到低依次為藨草(78.06%)、水芹(74.87%)、薄荷(74%)(圖2A)。差異顯著性分析表明：輕度處理下，蘆葦對TN的去除水平顯著優(yōu)于其它植物(P<0.05)。中度處理下(圖2B)，差異顯著性分析可知：蘆葦和藨草對TN的吸收無顯著差異，但顯著高于水芹和薄荷(P<0.05)。4種植物對TN的吸收率依次為：蘆葦(73.27%)、藨草(70.52%)、水芹(67.51%)、薄荷(62.94%)，都明顯高于對照組(36.68%)。對于重度富營養(yǎng)化水體中TN的去除，對照組的去除率為23.98%，實驗組的去除率為：藨草(51.8%)>蘆葦(48.71%)>水芹(43.26%)>薄荷(40.75%)。差異顯著性分析表明：藨草對重濃度TN的去除明顯高于水芹、薄荷和空白對照組(P<0.01)，與蘆葦無明顯差異。

圖2 人工濕地系統(tǒng)對不同濃度富營養(yǎng)化水體中TN的去除效果

圖3 人工濕地系統(tǒng)對不同濃度富營養(yǎng)化水體中-N的去除效果

2.2.4 各種人工濕地植被對不同濃度水體中COD的去除效果比較 4種濕地植物對低濃度富營養(yǎng)化水中COD的凈化效果見圖4A。通過分析可以得出：藨草對COD的去除率最高為77.57%，其次為：蘆葦(74.63%)>薄荷(72.84%)>水芹(66.17%)>CK(43.97%)。差異顯著性分析表明：輕度處理下藨草對COD的去除率明顯高于其它植物組和對照組，且差異顯著(P<0.05)，蘆葦和薄荷之間無顯著差異。由圖4B可知，4種植物對中度富營養(yǎng)化水體中COD的去除能力依次為：藨草(74.42%)>蘆葦(71.52%)>薄荷(63.19%)>水芹(61.52%)。與輕度處理下趨勢一致，但去除率總體略低于輕度處理。差異顯著性分析表明：藨草的凈化能力顯著高于薄荷和水芹(P<0.01)。對于重度富營養(yǎng)化水體中COD的去除，對照組的去除率為29.21%。實驗組中去除率最高的仍為藨草62.89%，試驗期間水體中的COD從181.79 mg/L下降到67.46 mg/L(見圖4C)。其次是薄荷和水芹，去除效果最差的是蘆葦，只有51.53%。差異顯著性分析表明：藨草對COD的去除極顯著優(yōu)于其它三種植物(P<0.01)。

圖4 人工濕地系統(tǒng)對不同濃度富營養(yǎng)化水體中COD的去除效果

3 討論與結論

試驗水體富營養(yǎng)化濃度的設置由低到高逐漸增加，植物對主要污染物的去除率也逐漸降低，表現(xiàn)出一定的負相關現(xiàn)象。這也與很多學者的研究結果一致[13-14]。當然去除率降低的程度和植物本身有關，不同的植物之間存在一定的差異。由于不同植物對水體中營養(yǎng)鹽的凈化優(yōu)勢不同，所以在具體實踐操作中，要針對富營養(yǎng)化水質(zhì)的特點，有選擇地構建人工濕地進行修復，同時還要考慮到水體富營養(yǎng)鹽的濃度。

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RemediationFunctionofSimulatedArtificialWetlandPlantstoWaterEutrophication

HUO Zhang-li1, ZHU Guang-long1, ZHANG Jiang-ting2, WEI Xue-zhi1

(1.CollegeofLifeScience,ShanxiNormalUniversity,Linfen,Shanxi041004,China; 2.DepartmentofWaterConservancyofShanxiProvince,Taiyuan030000,China)

constructed wetlands; eutrophication; hygrophyte; uptake efficiency

2013-12-01

：2014-01-13

國家自然科學基金“酸棗對極端干旱氣候響應機理研究”(30972396)

霍張麗(1986—),女,山西運城人,在讀碩士研究生,主要從事植物學研究。E-mail:huozhangli@163.com

魏學智(1956—),男,山西臨汾人,教授,碩士生導師,主要從事植物學研究。E-mail:wxz3288@163.com

X52

：A

：1005-3409(2014)05-0267-05