水生植物對(duì)廣州濕地水體污泥的凈化作用研究

姚 睿

曾小平*

張瀟瀟

蔡錫安

1 研究背景

1.1 研究意義

濕地是一種特殊的水環(huán)境系統(tǒng)，由特殊的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成，即集水文、濕地植物、土壤、景觀及與之相應(yīng)的生物地球化學(xué)過程為一體的生態(tài)系統(tǒng)。人工濕地是目前水環(huán)境生態(tài)修復(fù)的常用方法，水生植物則是人工濕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵因子，是濕地重要組成部分，人工濕地植物的生理特性以及群落之間的相互作用對(duì)濕地生態(tài)功能具有深刻的影響，水生植物對(duì)污水、污泥凈化具有投資低、易管理、凈化效果好、生態(tài)效益好等優(yōu)點(diǎn)。在人工濕地凈化污水污泥過程中，濕地植物在3個(gè)方面起作用[2-5]：1)直接吸收污水、污泥中可利用的營養(yǎng)物質(zhì)、吸附和富集重金屬和一些有毒有害物質(zhì)；2)為根區(qū)好氧微生物輸送氧氣；3)增強(qiáng)和維持介質(zhì)的水力傳輸。除此之外，植物根系能分泌多種有機(jī)復(fù)合物，為微生物提供碳源。因此，研究濕地水生植物對(duì)受污染底泥的凈化效能具有重要意義和價(jià)值。

1.2 研究地概況

本研究在廣州海珠國家濕地公園(簡稱“海珠濕地”)進(jìn)行，海珠濕地地處廣州中央城區(qū)海珠區(qū)東南隅，北面琶洲會(huì)展，南望大學(xué)城，東臨國際生物島，西跨城市新中軸，總面積1 100hm2，由海珠湖及39條河涌組成，是典型的江心洲與河流、涌溝果林鑲嵌而成的復(fù)合濕地生態(tài)類型，是全國特大城市中心區(qū)最大、最美的國家濕地公園，被譽(yù)為“廣州綠心”。海珠濕地公園規(guī)劃與建設(shè)分為一期和二期，其中一期是海珠濕地核心區(qū)和生態(tài)濕地示范區(qū)，將嶺南水鄉(xiāng)的本土文化與濕地景觀集合起來，以恢宏大氣的嶺南式牌坊和歷史悠久的鑊耳屋作為濕地的標(biāo)志性建筑。海珠濕地一期自2013年正式開放后，已經(jīng)成為廣州市民在周末和節(jié)假日必不可少的休閑勝地，濕地植物的生長狀態(tài)和景觀效果對(duì)園區(qū)品質(zhì)影響較大。由于不少城市河涌支流匯入濕地，為進(jìn)一步提升濕地景觀及其水體環(huán)境，加強(qiáng)對(duì)河涌水質(zhì)及其底泥的凈化治理是必不可少的環(huán)節(jié)。目前，植物對(duì)水質(zhì)的凈化功能研究已有一些報(bào)道，而植物對(duì)底泥的凈化方面少有報(bào)道。為此，本項(xiàng)目以海珠濕地為研究對(duì)象，開展《海珠濕地水生植物凈化技術(shù)研究》課題的試驗(yàn)研究工作，目的是從海珠濕地現(xiàn)有水生植物中篩選出若干具有污水、淤泥凈化能力的優(yōu)良水生植物，構(gòu)建凈化效能好且景觀價(jià)值高的水生植物配置模式，達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化景觀、凈化水體的目的。

1.3 研究技術(shù)路線

本項(xiàng)研究以海珠濕地挺水植物作為主要研究對(duì)象，利用人工種植塑料箱，收集廣州河涌受污染較嚴(yán)重的沉積底泥，存放于人工種植塑料箱中，將供試植物種植其中，定期注水模擬成植物生長的水體環(huán)境，對(duì)濕地植物的生長、光合生理生態(tài)特性以及底泥成分進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通過對(duì)濕地植物的試驗(yàn)研究，揭示植物的生理生態(tài)特性及其對(duì)污泥的凈化機(jī)理，從中篩選出優(yōu)良的濕地植物，構(gòu)建一套受污染底泥條件下人工濕地植物篩選方法，篩選出更多適應(yīng)性強(qiáng)、去污效果好、景觀價(jià)值高的濕地植物，為人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的合理構(gòu)建創(chuàng)造有利條件，同時(shí)為今后人工濕地污水、污泥處理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、濱水景觀植物配置等提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

表1 供試植物種類一覽表

表2 試驗(yàn)前河涌底泥的養(yǎng)分含量

表3 底泥有機(jī)指數(shù)和有機(jī)氮評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)＊

2 試驗(yàn)設(shè)置

2.1 供試植物篩選

研究表明，全球濕地高等植物達(dá)6700多種，但用于處理污水、污泥且產(chǎn)生效益的不到100種[6]，為緩解日益惡化的人類生存環(huán)境，人工濕地的構(gòu)建是主要的解決途徑之一，加強(qiáng)對(duì)人工濕地植物篩選的試驗(yàn)研究是人工濕地規(guī)劃建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。

對(duì)人工濕地植物的篩選主要根據(jù)4個(gè)原則[5，7-8]。1)植物的適應(yīng)性原則：綜合考慮抗逆性強(qiáng)、凈化能力強(qiáng)、生物量較大、生長周期長的植物種類。2)景觀性原則：從群落配置、合理布局與景觀美學(xué)等方面對(duì)植物進(jìn)行調(diào)控和配置，以使其與周圍景觀融合成一體。3)多樣性原則：每種植物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的去除存在差異。設(shè)計(jì)多種植物加以組合去污，提高系統(tǒng)的處理性能，一般系統(tǒng)越復(fù)雜，處理效果越穩(wěn)定，最好做到喬灌草結(jié)合。4)多用途原則：地植物的多用途可以減少植物收獲的二次污染。

根據(jù)海珠濕地植物調(diào)查結(jié)果，海珠濕地水生植物共有87種、39科，包含紅樹類植物4種、濕生植物28種和水生植物55種。根據(jù)以上濕地植物篩選原則，從中篩選出13種挺水型水生植物作為研究對(duì)象，即水罌粟、藍(lán)花草、大葉皇冠草、春芋、菖蒲、海芋、再力花、風(fēng)車草、鳶尾草、香蒲、天使花、美人蕉、蘆竹，均屬草本植物(表1)。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)地位于華南植物園內(nèi)，在空曠的平地上，平整有序地放置種植箱(550mm×365mm×330mm)，在每個(gè)種植箱里填入采自河涌沉積底泥，約占箱體2/3，定期注滿水(水源來自華南植物園水庫)。自2015年9月，將13種生水生植物(表1)幼苗，按統(tǒng)一的規(guī)格分別定植于種植箱中，完成試驗(yàn)地的各項(xiàng)設(shè)置后，采集種植植物的底泥及植物樣品，測定其主要元素成分含量，并定期觀測植物的生長、形態(tài)及生理特征參數(shù)。所有種植箱的植物保持一致的管護(hù)。

在探索性研究(exploratory research)中，研究人員探索問題的方式應(yīng)該是開放的、包羅性的(inclusive)、排除預(yù)設(shè)的(unpredetermined)，然而，即使是出于驗(yàn)證理論(hypothesis-testing)、數(shù)據(jù)互證(triangulation)的目的，研究人員也都更傾向于選擇一種更能接近被調(diào)查者的、更能獲得全方位信息的方法。研究性訪談(research interview)正是這樣一種方法。

3 數(shù)據(jù)測定與分析

從2015年9月—2017年5月，定期進(jìn)行相關(guān)樣品的采集以及各項(xiàng)指標(biāo)的室內(nèi)外測定，得出底泥TN、TP和TOC、植物光合作用等參數(shù)。用SPSS 18.0 (SPSS Inc, Chicago, IL, USA) 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，數(shù)據(jù)以平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

3.1 試驗(yàn)底泥的養(yǎng)分狀態(tài)

河涌底泥中N、P含量特征可直接反映底泥的污染狀況，并對(duì)水體的富氧化有直接的影響。根據(jù)EPA制定的分類標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)為底泥TN平均值在1.0～2.0mg·g-1之間，屬中度污染，而TP平均值高達(dá)1.37，為污染標(biāo)準(zhǔn)值0.42的3.26倍，已達(dá)到嚴(yán)重P污染程度。根據(jù)底泥有機(jī)氮(總氮×0.95)和有機(jī)指數(shù)(有機(jī)碳×有機(jī)氮)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2)，本試驗(yàn)底泥的有機(jī)氮(%)在0.095～0.222之間，表明底泥屬于有機(jī)氮污染狀態(tài)。測定結(jié)果表明，試驗(yàn)底泥的TN、TP含量均已超標(biāo)，尤其是TP含量已嚴(yán)重超標(biāo)，受到不同程度的氮磷污染(表3)。

3.2 植物光合作用參數(shù)的季節(jié)變化

試驗(yàn)分別于2016年5月、7月和10月，對(duì)13種供試植物葉片進(jìn)行光合作用測定，從光合作用對(duì)光響應(yīng)的曲線(圖1)中得出植物主要的光合作用參數(shù)，包括光飽和光合速率(Psat)、暗呼吸速率(Rd)、光飽和點(diǎn)(LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)等，其中最主要的參數(shù)為Psat。

結(jié)果表明，植物生長狀態(tài)與Psat值呈正相關(guān)，5月植物生長旺盛，每種植物的Psat均顯現(xiàn)較高值，7月進(jìn)入高溫酷熱季節(jié)，植物的Psat總體出現(xiàn)輕度降低趨勢；到10月進(jìn)入秋季，有些植物葉片開始逐漸枯黃，生長變緩，Psat也呈下降狀態(tài)。

根據(jù)各季節(jié)平均結(jié)果，13種植物的Psat由高到低排序分別為：再力花＞水罌粟＞香蒲＞天使花＞風(fēng)車草＞美人蕉＞藍(lán)花草＞蘆竹＞大葉皇冠草＞菖蒲＞鳶尾草＞春芋＞海芋。再力花和水罌粟明顯高于其他種類(P＜0.05)，其他Psat較高的植物為香蒲、天使花、風(fēng)車草、美人蕉、藍(lán)花草、蘆竹、大葉皇冠草和菖蒲；鳶尾草、春芋和海芋則顯著低于前面前種類，屬典型的耐陰植物。呈明顯季節(jié)變化的有蘆竹、鳶尾草、風(fēng)車草和菖蒲等種類；無明顯季節(jié)變化的種類有水罌粟、大葉皇冠草、春芋、再力花、美人蕉等。植物光合作用參數(shù)的聚類分析結(jié)果表明(圖2)，13種類中可粗略分為兩類群，再力花、水罌粟、香蒲、天使花、風(fēng)車草、美人蕉和大葉皇冠草等是較陽生種類，適合在陽光充足的地方生長，或植物不同層次配置時(shí)的上層種類，而海芋、春芋、鳶尾草、菖蒲、藍(lán)花草和蘆竹較耐陰，可種植在較陰暗的地方，或可作為植物配置中的下層種類。

3.3 植物對(duì)底泥的凈化效應(yīng)

將水罌粟、藍(lán)花草、大葉皇冠草、春芋、菖蒲、再力花、風(fēng)車草、海芋、美蕉和蘆竹分別種植于盛有河涌底泥的生長箱中，另外設(shè)置3個(gè)混合種植試驗(yàn)區(qū)，植物配置分別為：天使花、菖蒲和海芋；鳶尾草、香蒲和風(fēng)車草；大葉皇冠草、再力花和水罌粟。

結(jié)果表明(表4)，植物種植1年后，不同處理下底泥的養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)不同程度的下降，底泥總氮去除率在2.65%～30.35%之間，其中，再力花的氮去除率最高(30.35%)，藍(lán)花草最低，僅為2.65%，存在很大差異，不同處理的底泥TN去除率依次為：再力花＞菖蒲＞春芋＞大葉皇冠草＞水罌粟＞美人蕉＞蘆竹＞風(fēng)車草＞大葉皇冠草＋再力花＋水罌粟＞鳶尾草＋香蒲＋風(fēng)車草＞海芋＞天使花＋菖蒲＋海芋＞藍(lán)花草。根據(jù)聚類分析，表明供試植物再力花、菖蒲、春芋、大葉皇冠草、水罌粟、美人蕉和蘆竹7種植物對(duì)底泥的去氮能力較強(qiáng)。

圖1 不同季節(jié)植物的光合光響應(yīng)曲線(曾小平繪)

圖2 植物光合作用參數(shù)的聚類分析(曾小平繪)(植物編號(hào)：1.水罌粟，2.藍(lán)花草，3.大葉皇冠草，4.春芋，5.菖蒲，6.再力花，7.風(fēng)車草，8.天使花，9.鳶尾草，10.香蒲，11.海芋，12.美人蕉，13.蘆竹)

不同處理下底泥的總磷去除率在10.26%～32.95之間，去除率由高到低依次為風(fēng)車草＞水罌粟＞菖蒲＞大葉皇冠草＋再力花＋水罌粟＞鳶尾草＋香蒲＋風(fēng)車草＞天使花＋菖蒲＋海芋＞再力花＞海芋＞大葉皇冠草＞美人蕉＞藍(lán)花草＞蘆竹。根據(jù)聚類分析，種植風(fēng)車草、水罌粟、菖蒲、大葉皇冠草＋再力花＋水罌粟、鳶尾草＋香蒲＋風(fēng)車草、天使花＋菖蒲＋海芋、再力花、海芋等模式對(duì)底泥的去磷效率較高。

綜上所述，風(fēng)車草、菖蒲、水罌粟、再力花和春芋等植物對(duì)底泥的TN和TP去除效率較高；3種植物混合配置模式對(duì)底泥的TN去除效率相對(duì)較低，而對(duì)TP的去除效率則相對(duì)較高。

表4 不同植物對(duì)底泥的凈化效果

4 結(jié)論

1)本次試驗(yàn)所采用的河涌底泥的TN、TP含量均已超標(biāo)，尤其是TP含量已嚴(yán)重超標(biāo)，受到不同程度的氮磷污染，呈高度富營養(yǎng)化狀態(tài)。

2)13種植物在種植一年后，供試植物都能適應(yīng)當(dāng)前TN、TP含量超標(biāo)，尤其是TP含量已嚴(yán)重超標(biāo)和有機(jī)氮污染的污泥，但從部分指標(biāo)來看，在高度富營養(yǎng)化脅迫條件下，13種植物都能較好地生長。即使有部分種類的光合作用能力受到抑制，但植物通過自身的調(diào)節(jié)，適應(yīng)了當(dāng)前的環(huán)境，并能正常生長。

3)以Psat、Rd、LSP等指標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行光合作用的聚類分析表明：13種植物可分為2個(gè)類群：再力花、水罌粟、香蒲、天使花、風(fēng)車草、美人蕉和大葉皇冠草等屬較陽生性種類，適合在陽光充足的地方生長，或作為植物不同層次配置時(shí)的上層種類；而海芋、春芋、鳶尾草、菖蒲、藍(lán)花草和蘆竹較耐陰，可種植在較蔭蔽的地方，或可作為植物配置中的下層種類。

4)不同植物對(duì)底泥TN、TP的去除效率試驗(yàn)結(jié)果表明：不同處理下底泥的TN、TP均呈不同程度的降低，其中風(fēng)車草、菖蒲、水罌粟、再力花和春芋等植物對(duì)底泥的TN和TP去除效率較高；3種植物混合配置模式對(duì)底泥的TN去除效率相對(duì)較低，而對(duì)TP的去除效率則相對(duì)較高。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，不同植物對(duì)受污染底泥總氮、總磷的去除率截然不同，不同組合的植物群對(duì)受污染底泥總氮、總磷的去除率亦存在較大差別，下一階段將根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究基于總氮、總磷去除效能的植物配置模式，梳理凈污效能好、同時(shí)兼具景觀價(jià)值的水生植物配置方案，為廣州水環(huán)境生態(tài)修復(fù)、受污染底泥修復(fù)再利用和濱水植物景觀營造提供扎實(shí)的科學(xué)依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。