不同類型人工濕地對洞庭湖水質(zhì)凈化效果研究

潘 瓊，潘 峰

（1.長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙410004；2.中南林業(yè)科技大學(xué)南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，長沙410004；3.長沙縣水務(wù)局，長沙410007）

人工濕地是土壤和基質(zhì)（爐渣和粉煤灰等）按一定比例選擇性地植入植被自適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)［1－3］，通過一系列理化、生物途徑能夠?qū)μ囟ㄎ廴疚铮ㄋ|(zhì)）高效的去除［4－6］。人工濕地不僅具有同化吸收污染物的功能，還有攔截、過濾污染物的作用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類不同水體的水質(zhì)凈化和水環(huán)境富營養(yǎng)化的防治［1，7－8］，而不同類型人工濕地具有較大差別，對污染物質(zhì)的去除能力有較大的差異，按結(jié)構(gòu)可將其分為表面流、潛流、垂直流和溝渠型人工濕地，其優(yōu)缺點(diǎn)各不相同［9－10］。近幾十年來，關(guān)于人工濕地凈化水質(zhì)的研究大多局限于單一濕地類型，將不同類型人工濕地對富營養(yǎng)化水體處理效果的比較研究鮮見報(bào)道［1－3］。

隨著城鎮(zhèn)化水平的加快，我國湖泊水質(zhì)污染和水資源浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重［11－13］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國年排廢水量越400億t以上，生活水質(zhì)排放量日益增多，大部分未經(jīng)任何處理直接排入生態(tài)系統(tǒng)，加重了水資源的短缺，合理開發(fā)利用水資源及凈化水質(zhì)具有現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)意義［11－13］。洞庭湖位于長江中游荊江河段南岸、湖南省北部，是我國第二大淡水湖和五大淡水湖之一，也是長江流域重要的調(diào)蓄湖泊和水源地［14－16］，屬于過水性湖泊，換水周期短，具有較強(qiáng)的自凈能力［14－16］。20世紀(jì)80年代前洞庭湖一直處于中低營養(yǎng)階段，20世紀(jì)80年代中期，大量工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染物的排放，尤其是1988年達(dá)到嚴(yán)重污染狀態(tài)［14－16］；此后，洞庭湖水質(zhì)經(jīng)歷了改善—污染加劇等過程，水質(zhì)污染也日益嚴(yán)重，洞庭湖自凈能力大為降低，嚴(yán)重威脅到了湖區(qū)人民的生產(chǎn)生活和生態(tài)環(huán)境［17－19］。本研究以洞庭湖國家級自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)小西湖為研究對象，通過連續(xù)3a定期研究不同類型人工濕地對洞庭湖水質(zhì)的作用，探索不同濕地類型應(yīng)用于洞庭湖水質(zhì)處理效率之間的差異，以期為認(rèn)識洞庭湖水質(zhì)水生態(tài)的發(fā)展趨勢，控制水體污染和富營養(yǎng)化提供理論依據(jù)和實(shí)踐措施。

1 材料與方法

1.1 人工濕地設(shè)計(jì)與流程

研究區(qū)位于湖南省南洞庭湖濕地國家級自然保護(hù)區(qū)，地處長江南岸（東徑112°18′15″—112°56′15″，北緯28°113′30″—29°3′45″），是長江中下游洞庭平原堆積而成的沼澤地貌，境內(nèi)河岔縱橫，湖泊星羅棋布，全區(qū)由118個(gè)湖洲和18個(gè)湖泊組成，主要為潮土、沼澤土和沼澤化草甸土，該區(qū)屬亞熱帶濕潤性氣候，陽光充足，雨量充沛，年降雨量1 200～1 400mm，集中在5—9月，年平均溫度15.2～18.3℃，1月份平均氣溫4.0～4.5℃，7月份平均氣溫29～29.5℃，無霜期275～280d。廣闊的水體是巨大的能量庫，使得區(qū)內(nèi)晝夜溫差較小，同時(shí)，受太陽輻射的影響，晝夜間盛行交替的湖、陸風(fēng)，類似海濱氣候，日照和無霜期都較長，生物多樣性極其豐富。

2011年于該保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)置3種不同類型人工濕地，人工濕地結(jié)構(gòu)：底部為集水區(qū)，其上鋪放尼龍網(wǎng)，垂直流單元均設(shè)置為60m2（長×寬＝30m×2.0m），分3層依次填充基質(zhì)，底層大粒徑礫石（粒徑15～35 mm）作為排水層，厚度約為15cm，中層選用當(dāng)?shù)刂刑枲t渣（粒徑10～25mm），厚度約為15cm，上層選用當(dāng)?shù)匦√枲t渣和泥沙（粒徑5～10mm），厚度約為20cm；潛流和表面流單元為60m2（長×寬＝30m×2.0m），基質(zhì)為土壤（黏土）；各單元之間用1m寬的土埂隔開，底部為集水區(qū)，其上鋪放尼龍網(wǎng)，防止填料下漏，每個(gè)單元沿對角線埋入直徑為12mm的PVC管，使人工濕地中的循環(huán)水能夠流入PVC管，以便于試驗(yàn)樣品水質(zhì)的采集。

人工濕地植被：選取株型大小、生物量基本一致的美人蕉（Cannaindica）作為人工濕地植被，2012年2月均勻在3種不同類型人工濕地中進(jìn)行培植，密度為10株/m2，單元都鋪防水布防止?jié)B漏，控制每個(gè)單元具有相似的生長環(huán)境。

進(jìn)水為洞庭湖水質(zhì)，水力負(fù)荷為0.7m3/（m2·d），試驗(yàn)時(shí)間從2012年2月到2014年11月，運(yùn)行期間2月（冬）、5月（春）、8月（夏）和11月（秋）進(jìn)水的平均水溫分別為15.2℃，28.3℃，16.7℃和4.1℃，進(jìn)水pH值為7.12～7.68，進(jìn)水經(jīng)過人工濕地處理后從底部PVC管排出，不同月份取出水口水質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)分析，具體公式如下［19］：

不同取出水口水質(zhì)實(shí)驗(yàn)室測定分析，各指標(biāo)的去除率＝（進(jìn)水口值—出水口值）/出水口值×100%

1.2 樣品的測定

指標(biāo)測定指標(biāo)：人工濕地運(yùn)行一年后，于2013年和2014年8月（生物量最大時(shí)期）進(jìn)行人工濕地植被的測量和采集，統(tǒng)計(jì)每種人工濕地1m2樣方中植株數(shù)目、株高等生長性狀，并將其收割分為地上和地下部分烘干測定其生物量，分別對地上和地下植被樣品粉碎后用H2SO4—H2O2消煮制備成溶液，植被TN用過硫酸鉀氧化吸光光度法測定，TP用釩鉬藍(lán)法測定。

植被N，P積累量（PA）＝植被體內(nèi)N，P濃度（PC）×植被生物量（PB）［20－22］。水質(zhì)測定項(xiàng)目包括TN，TP，NH4＋－N，BOD5，CODCr和高錳酸鉀指數(shù)；BOD5采用稀釋接種法；CODCr采用重鉻酸鉀氧化法；NH4＋－N采用納氏試劑分光光度法；TN采用過硫酸鉀—紫外分光光度法；TP采用鉬銻抗分光光度法；高錳酸鹽指數(shù)采用酸性 KMnO4法［1－3］。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2003統(tǒng)計(jì)，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示（mean±SE），采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件分別對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One－way ANOVA），多重比較采用LSD，Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型人工濕地NH4＋－N進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

由圖1可知，NH4＋－N的進(jìn)水和出水濃度波動(dòng)比較大，并且進(jìn)水濃度與出水濃度的季節(jié)變化規(guī)律保持一致，冬季明顯高于夏季，NH4＋－N進(jìn)水濃度均高于3種不同類型人工濕地出水濃度；進(jìn)水濃度NH4＋－N變化范圍為1.87～5.09mg/L，垂直流出水濃度為1.03～2.45 mg/L，潛流出水濃度為1.03～3.54mg/L，表面流出水濃度為0.83～3.87mg/L；相同時(shí)期，NH4＋－N出水濃度基本表現(xiàn)為：表面流＞潛流＞垂直流。

圖1 不同類型人工濕地NH4＋－N進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

2.2 不同類型人工濕地TN進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

由圖2可知，TN的進(jìn)水和出水濃度波動(dòng)比較大，并且進(jìn)水濃度與出水濃度的季節(jié)變化規(guī)律保持一致，冬季明顯高于夏季，TN進(jìn)水濃度均高于3種不同類型人工濕地出水濃度；進(jìn)水濃度TN變化范圍為4.1～8.9mg/L，垂直流出水濃度為1.3～3.4mg/L，潛流出水濃度為1.7～4.5mg/L，表面流出水濃度為1.5～5.2mg/L；相同時(shí)期，TN出水濃度基本表現(xiàn)為：表面流＞潛流＞垂直流。

圖2 不同類型人工濕地TN進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

2.3 不同類型人工濕地TP進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

由圖3可知，TP的進(jìn)水和出水濃度波動(dòng)比較大，并且進(jìn)水濃度與出水濃度的季節(jié)變化規(guī)律保持一致，冬季明顯高于夏季，TP進(jìn)水濃度均高于3種不同類型人工濕地出水濃度；進(jìn)水濃度TP變化范圍在0.14～0.25mg/L，垂直流出水濃度為0.03～0.09 mg/L，潛流出水濃度為0.07～0.13mg/L，表面流出水濃度為0.06～0.14mg/L；相同時(shí)期，TP出水濃度基本表現(xiàn)為：表面流＞潛流＞垂直流。

圖3 不同類型人工濕地TP進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

2.4 不同類型人工濕地高錳酸鉀指數(shù)進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

由圖4可知，高錳酸鉀指數(shù)的進(jìn)水和出水濃度波動(dòng)比較大，并且進(jìn)水濃度與出水濃度的季節(jié)變化規(guī)律保持一致，冬季明顯高于夏季，高錳酸鉀指數(shù)進(jìn)水濃度均高于3種不同類型人工濕地出水濃度；進(jìn)水濃度高錳酸鉀指數(shù)變化范圍為6.2～12.7mg/L，垂直流出水濃度為2.8～5.3mg/L，潛流出水濃度為4.1～7.2mg/L，表面流出水濃度為4.7～7.1mg/L；相同時(shí)期，高錳酸鉀指數(shù)出水濃度基本表現(xiàn)為：表面流＞潛流＞垂直流。

2.5 不同類型人工濕地BOD5進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

由圖5可知，BOD5的進(jìn)水和出水濃度波動(dòng)比較大，并且進(jìn)水濃度與出水濃度的季節(jié)變化規(guī)律保持一致，冬季明顯高于夏季，BOD5進(jìn)水濃度均高于3種不同類型人工濕地出水濃度；進(jìn)水濃BOD5變化范圍為62.3～95.3mg/L，垂直流出水濃度在15.2～28.4 mg/L之間，潛流出水濃度為21.2～41.3mg/L，表面流出水濃度在25.4～44.6mg/L之間；相同時(shí)期，BOD5出水濃度基本表現(xiàn)為：表面流＞潛流＞垂直流。

圖4 不同類型人工濕地高錳酸鉀指數(shù)進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

圖5 不同類型人工濕地BOD5進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

2.6 不同類型人工濕地CODCr進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

由圖6可知，CODCr的進(jìn)水和出水濃度波動(dòng)比較大，并且進(jìn)水濃度與出水濃度的季節(jié)變化規(guī)律保持一致，冬季明顯高于夏季，CODCr進(jìn)水濃度均高于3種不同類型人工濕地出水濃度；進(jìn)水濃CODCr變化范圍為103.5～225.6mg/L，垂直流出水濃度為44.3～95.3 mg/L，潛流出水濃度為44.3～154.2mg/L，表面流出水濃度為47.8～162.3mg/L；相同時(shí)期，CODCr出水濃度基本表現(xiàn)為：表面流＞潛流＞垂直流。

2.7 不同類型人工濕地對水質(zhì)各指標(biāo)的去除率

由圖7可知，3種不同類型人工濕地對NH4＋－N去除率變化范圍為36%～64%，對TN去除率變化范圍為50%～62%，對TP去除率變化范圍為53%～75%，對高錳酸鉀指數(shù)去除率變化范圍為37%～55%，對BOD5去除率變化范圍為60%～72%，對CODCr去除率變化范圍為41%～60%；3種不同類型人工濕地對TN，TP、高錳酸鉀指數(shù)、BOD5和CODCr的去除率依次表現(xiàn)為：垂直流＞潛流＞表面流，而對NH4＋－N的去除率依次表現(xiàn)為：垂直流＞表面流＞潛流，其中NH4＋－N，TP、高錳酸鉀指數(shù)和CODCr的去除率垂直流顯著高于表面流和潛流（p＜0.05），而表面流和潛流差異不顯著（p＞0.05），3種不同類型人工濕地對BOD5的去除率差異均不顯著（p＞0.05）；表面流和潛流人工濕地對TN的去除率差異不顯著（p＞0.05），潛流和表面流差異不顯著（p＞0.05）。

圖6 不同類型人工濕地CODCr進(jìn)出水濃度季節(jié)變化

2.8 不同類型人工濕地植被生理特性

由表1可知，垂直流、潛流和表面流3種不同類型人工濕地植物地上生物量變化范圍為201.6～259.5g/m2，地下生物量變化范圍為105.8～156.8 g/m2，A/U變化范圍為1.62～1.91，N 含量變化范圍為15.2～24.6g/mg，P含量變化范圍為1.9～3.5 g/mg，N積累量變化范圍為4.67～10.24g/m2，P積累量變化范圍為0.66～1.46g/m2；其中地上和地下生物量均表現(xiàn)為垂直流＞潛流＞表面流，并且3種類型人工濕地地上和地下生物量差異均顯著（p＜0.05），垂直流人工濕地植被N含量、P含量、N積累量和P積累量均顯著高于潛流和表面流（p＜0.05），潛流和表面流差異不顯著（p＞0.05）。

2.9 人工濕地植被N，P積累量與生物量和N，P含量之間的關(guān)系

由原始數(shù)據(jù)擬合得到的回歸關(guān)系經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)得到擬合度參數(shù)R2，并在p＜0.05和p＜0.01水平檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)的顯著性，F(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明，表中的線性回歸關(guān)系均達(dá)到極顯著水平。由表2可知，3種不同類型人工濕地植物的N，P積累量分別與生物量、N含量、P含量均呈顯著的線性關(guān)系（p＜0.01），其中生物量與N，P積累量的相關(guān)系數(shù)高于N含量和P含量，由此我們可以推測通過生物量來評價(jià)植物對N，P去除的作用。

圖7 不同類型人工濕地對水質(zhì)各指標(biāo)的去除率

表1 不同類型人工濕地植被生理特性

表2 人工濕地植被N，P積累量與生物量和N，P含量之間的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

不同人工濕地基質(zhì)和地上植株的不同生長狀況會導(dǎo)致其凈化水質(zhì)機(jī)理較為復(fù)雜［4－6］。本研究中不同類型人工濕地凈化水質(zhì)效果存在一定差異，綜合3種人工濕地凈化水質(zhì)效果（圖7），以垂直流人工濕地對水質(zhì)中各項(xiàng)指標(biāo)去除率最大，潛流人工濕地次之，表面流人工濕地去除效果最差，充分體現(xiàn)在對BOD5的去除，說明不同類型人工濕地對污染物的去除效果和機(jī)理不同?；|(zhì)的吸附、植被的截流、過濾以及微生物的新陳代謝等活動(dòng)是人工濕地凈化水質(zhì)的主要過程［8，23］，N 循環(huán)較為復(fù)雜，主要通過氨的揮發(fā)、硝化、反硝化過程、介質(zhì)的吸附、微生物固氮和以及氮的遷移轉(zhuǎn)化得以去除；對NH4＋－N的去除主要是通過好氧微生物的降解［24－25］；P的去除主要以吸附為主，隨泥沙顆粒在介質(zhì)中被截留，通過植物吸收、物理化學(xué)作用及微生物降解三方面作用去除，通過微生物的作用和植被的輸氧作用形成了氧化態(tài)的根區(qū)，為好氧、兼性和厭氧微生物提供了各自適宜的生境，有利于微生物在人工濕地縱深的擴(kuò)展，從而促進(jìn)了深層基質(zhì)中微生物的生長和繁殖［24，26－27］；潛流和表面流人工濕地基質(zhì)相同，因此它們對TP的去除能力沒有顯著差異（p＜0.05）；由于表面流人工濕地土壤基質(zhì)孔隙度低，水在基質(zhì)表面流動(dòng)，復(fù)氧能力差，為微生物生長提供載體的基質(zhì)僅為表層部分，部分污染物隨水流從基質(zhì)表面漫流而過，吸附作用僅僅停留在基質(zhì)表層［28－29］；而垂直流基質(zhì)均為孔隙度較高的礫石，不僅復(fù)氧能力優(yōu)于土壤基質(zhì)，而且為微生物提供了大量的掛膜空間，因此復(fù)氧能力強(qiáng)的垂直流人工濕地是最佳選擇。

綜合人工濕地植被凈化水質(zhì)效果來看，3種人工濕地對水質(zhì)去除率均表現(xiàn)為夏季和秋季＞春季和冬季，在很大程度上依賴于植被生長的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化［30－31］。濕地植被在春季處于萌芽階段，生長較為緩慢，未與基質(zhì)、土壤等形成完整的去污生態(tài)系統(tǒng)，此時(shí)的人工濕地對水質(zhì)的去除效果偏低，吸收作用還沒有明顯地表現(xiàn)出來，夏季和秋季植被迅速生長和繁殖，去除效果也更加明顯，有助于其根區(qū)微生物等的繁殖，這個(gè)時(shí)期對洞庭湖水質(zhì)的去除效果最為明顯，冬季人工濕地植被開始枯黃、根系也逐漸潰爛，凈化水質(zhì)效果緩慢下降等，導(dǎo)致秋季以后其去除效果呈現(xiàn)下降趨勢。此外，在去除各類污染物的過程中微生物是主要承擔(dān)者，冬、春季節(jié)較低的溫度影響了微生物酶活性，從而導(dǎo)致人工濕地對水質(zhì)各指標(biāo)的去除效果降低［32－33］。此外，人工濕地中美人蕉新生須根較多，有利于根區(qū)微生物的著生，優(yōu)選根系發(fā)達(dá)、生物量較大、富集污染元素較強(qiáng)的植被構(gòu)建各種植被組合的人工濕地是凈化水質(zhì)的關(guān)鍵措施。

通過對3種人工濕地地上植被調(diào)查發(fā)現(xiàn)（表1），人工濕地植被地上部生物量和地下部生物量所占的比例各不相同，地上部生物量均大于地下部生物量，就植株體內(nèi)的N，P含量而言，地上部分N和P積累量高于地下部分，這種生物量的分配模式體現(xiàn)了N，P元素生長部位的分配特點(diǎn)，屬于植物對N和P內(nèi)在生長特性的平衡調(diào)節(jié)［30－31］。N，P積累量能夠反映植被對N，P的直接去除能力，而營養(yǎng)物質(zhì)的分配特點(diǎn)會涉及到采取的收割方式［34－36］。本研究中人工濕地植被可以通過地上部分的收割去除大部分的N，P積累量，使其移出生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)，本研究中植物體N，P積累量主要與植物的生物量存在極顯著線性相關(guān)（表2），生物量對N，P積累量的影響大于植物體內(nèi)N，P含量的影響，所以選擇適宜人工濕地物種，通過增加植物的地上生物量達(dá)到定期去除N，P的效果。

人工濕地整合和協(xié)調(diào)了土壤基質(zhì)—微生物—植被的凈化機(jī)理，但基質(zhì)的吸附凈化容量達(dá)到飽和時(shí)，其凈化作用隨著植被的生長可能發(fā)生變化，因此人工濕地長期的凈化效果仍有待進(jìn)一步研究。此外，人工濕地植被的凈化效果還與植被的生長速度、生長階段、植被的生物量、植被根區(qū)微生物作用等有關(guān)［30－31］。在未來研究過程中，需結(jié)合水質(zhì)狀況及當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)有針對性地選擇合適的濕地植被，最大限度地發(fā)揮濕地植被的凈化作用。

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