關(guān)于景觀水體生態(tài)修復(fù)沉水植物生物量配置探討

馮承婷

趙強民*

甘美娜

1 研究背景

隨著社會發(fā)展，城市景觀水體污染問題日益嚴重，河流湖泊等水體富營養(yǎng)化問題成為城市亟待解決的問題之一。據(jù)統(tǒng)計調(diào)查顯示，截至2016年，我國七大流域、浙閩片河流、西北諸河中的1 617個國考斷面中主要污染指標為化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)和五日生化需氧量(BOD5)，斷面超標率分別為17.6%、15.1%、14.2%；112個重要湖泊(水庫)中，主要污染指標為總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)和高錳酸鉀指數(shù)(KMnO4指數(shù))，輕度富營養(yǎng)湖泊20個，中度富營養(yǎng)湖泊5個[1]。

水體富營養(yǎng)化主要是由過量氮、磷等有機營養(yǎng)鹽引起的水質(zhì)惡化現(xiàn)象。造成景觀水體富營養(yǎng)化的主要原因是含有大量有機營養(yǎng)物質(zhì)的生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)漁業(yè)廢水直排入河流湖泊中。局部水域水生態(tài)系統(tǒng)平衡被打破，大量外來氮、磷有機營養(yǎng)物質(zhì)被微生物降解-吸收，消耗大量水體溶解氧，使水體缺氧，進而使水生生物死亡，增加水體有機營養(yǎng)物。水生生態(tài)系統(tǒng)陷入惡性循環(huán)，景觀水體變黑臭、水質(zhì)渾濁、伴有濃烈腥臭味，大量增加的浮游生物引起“水華”“赤潮”等現(xiàn)象[2]。這些現(xiàn)象嚴重影響人類居住環(huán)境及城市精神文化面貌。說明河流湖泊景觀水富營養(yǎng)化問題預(yù)防和治理勢在必行，是社會生態(tài)環(huán)境中的長期話題。

1.1 水體富營養(yǎng)化問題治理手段

景觀水富營養(yǎng)化治理主要通過物理、化學(xué)、生物修復(fù)3個途徑。利用物理修復(fù)水體污染存在勞動力成本高、修復(fù)不徹底、容易復(fù)發(fā)等問題；利用化學(xué)修復(fù)景觀水，治理成本高，耗費物資材料多，存在治標不治本，并且容易造成二次污染；相比之下，利用生物修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，植物凈化景觀水具有降低工程成本、景觀效果好、后期維護成本低、凈化效果好、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)勢[3]。

1.2 水體生態(tài)修復(fù)研究現(xiàn)狀

有研究表明，選取傘草(Gyperus alternifolius)、水竹(Phyllostachys congesta)、鑣草(Scirpus triqueter)、鳳眼蓮(Eichhor niacrassip-es)、睡蓮(Nymphaea tetragona)、水浮蓮(Pistia stratiotes)和浮萍(Lemna minor)共7種植物在3種不同濃度污水中，浮萍、鳳眼蓮、水浮蓮和睡蓮始終具有較好的總氮(TN)、總磷(TP)凈化效果，去除效果均達到60%以上[4]。聶磊等發(fā)現(xiàn)，在污水脅迫下，翠蘆莉、海芋(Alocasia Macrorrhiza)、水生美人蕉(Cann ageneralis)、風(fēng)車草(Clinopodium urticifolium)等挺水植物對污水凈化效果明顯，適宜作為污水凈化和景觀美化植物材料[5]。另一研究表明，長苞香蒲(Typha domingensis)、水蔥(Scirpus validus)和蘆葦(Phragmites communis)、千屈菜(Lythrum salicaria)、扁稈藨草(Scirpus planiculmis)對污水中總磷、總氮、氨氮去除效果明顯，可作為人工濕地凈化污水的選擇[6]。盡管已有大量關(guān)于利用植物修復(fù)水體富營養(yǎng)化的研究，但經(jīng)常應(yīng)用的水質(zhì)凈化植物種類仍不到50種。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

實驗植物苦草、黑藻和翠蘆莉均來自廣州市花地灣花鳥蟲魚市場。試驗地點位于棕櫚股份小欖基地(N 22°38' 19'' ，E 113°14' 30'')。

實驗污水參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB 18918—2002)》一級A標準配制，即污染指標化學(xué)需氧量(CODcr)為50mg·L-1、氨氮(NH4-N)為5mg·L-1、總磷(TP)為0.5mg·L-1、總氮(TN)為15mg·L-1。

2.2 試驗方法

參考楊小紅《不同生物量情況下3種沉水植物對水體中總氮的去除研究》[7]中的實驗方法，分別設(shè)苦草、黑藻初始生物量密度①500g·m-2、1 000g·m-2、1 500g·m-2、2 000g·m-2，每組3個重復(fù)，翠蘆莉生物量密度為600g·m-2，設(shè)無植物對照組。分別將2種沉水植物利用自來水沖洗干凈后，分開插入已鋪好厚度約為5cm干凈細沙的塑料箱(70cm×50cm×60cm)中，以確保沉水植物位置固定。翠蘆莉洗凈后，摘除多余葉片只保留頂端4～5片葉子，插入干凈細沙中固定翠蘆莉位置。實驗開始前，放入一半自來水一半污水適應(yīng)性培養(yǎng)一周。待植物生長情況穩(wěn)定后，將箱內(nèi)培養(yǎng)水換成120L一級A類水。

實驗周期為37d，實驗第26d第二次加入污染物(120L一級A污水所含污染量)，每隔3d采集水樣，即在實驗開始后第1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36天進行采樣并檢測水質(zhì)，共檢測13次。檢測指標包括總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4-N)和總氮(TN)。水質(zhì)檢測后及時補充因蒸發(fā)、實驗損耗的水分，如發(fā)現(xiàn)有幼螺及時清除，避免實驗結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。

2.3 測定方法

水質(zhì)檢測方法按照國家保護局的方法[8]，即總磷(TP)為過硫酸鉀氧化—鉬藍比色法；氨氮(NH4-N)為納氏試劑光度法；化學(xué)需氧量(COD)為重鉻酸鉀法；總氮(TN)為堿性過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定。分光光度計型號為上海佑科UV1810。

3 結(jié)果分析

使用Microsoft Excel2013處理數(shù)據(jù)，origin17.0制圖，并利用SPSS20.0對數(shù)據(jù)進行雙因素方差分析以及Pearson相關(guān)性分析，實驗前配制污水基本情況如表1所示。

3.1 對污水處理效果

3.1.1 化學(xué)需氧量(COD)去除效果

化學(xué)需氧量(COD)的凈化效果如表2、圖1所示。可知A、B組對化學(xué)需氧量影響較大，其下降程度較大；C、D組中化學(xué)需氧量濃度下降幅度小。在第一階段中，A組與B組的COD均在30mg·L-1以下，達到地表水IV類水。在第二階段中，A、B組在12d內(nèi)將城市排放標準一級A類水處理成地表水環(huán)境質(zhì)量標準水質(zhì)IV類水。統(tǒng)計分析得出不同密度沉水植物與翠蘆莉組合對污水中COD的去除效果差異性顯著(F=7.753，P=0.001＜ 0.05)。在2個階段中，A、B組均與C、D組差異顯著；A組對COD處理效果更優(yōu)于B組。

表1 實驗前配制水樣基本情況

表2 5組實驗水樣COD變化

表3 5組實驗水樣NH4-N濃度變化

3.1.2 氨氮(NH4-N)去除效果

氨氮(NH4-N)去除效果如表3、圖2所示。根據(jù)圖2可知，5組水樣中，水質(zhì)中氨氮濃度的變化差別較小。從表3可看出C、D組中氨氮下降幅度較A、B組大。在第二階段中，5組裝置中NH4-N濃度表現(xiàn)出的變化與第一階段相似。說明當生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定時，沉水植物對外界的污染物處理時間不僅會縮短且處理效果也會更好。5組裝置中氨氮濃度均在9d內(nèi)達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準中的IV類水質(zhì)標準。A組在2個階段結(jié)束時，更是達到了II類水質(zhì)標準。對不同密度沉水植物與翠蘆莉組合對污水中NH4-N去除效果進行單因素差異性分析，其差異性并不顯著(F=0.478，P=0.752＞0.05)。

3.1.3 總磷(TP)去除效果

TP的去除效果如表4、圖3所示。根據(jù)圖3可知，在第一階段中，A組對TP濃度的去除效果最好，C、D組中TP濃度下降后回升幅度較A、B組的高。而CK組中TP濃度一直高于其他4組。在第二階段中，A組對TP處理效果最好。B組對水體污染物處理效果介于A組與C、D組之間。第二階段結(jié)束時，5組實驗水樣中總磷濃度均能達到地表水IV類水水質(zhì)，A組中總磷濃度達到II類水標準。統(tǒng)計分析得知，不同密度的沉水植物對水體中總磷處理效果是有顯著性差異的(F=2.060，P=0.02＜0.05)。說明A組的生物量密度沉水植物與翠蘆莉組合對水質(zhì)凈化有顯著效果。

3.1.4 總氮(TN)去除效果

TN的去除效果如表5、圖4所示。從圖表可知，水質(zhì)A組對水質(zhì)處理效果優(yōu)于其他3組，且4個實驗組與空白組有明顯差異，對水體中總氮污染物有明顯去除效果。經(jīng)過2個階段處理后，A組均能在短時間內(nèi)將實驗污水凈化至地表水IV類水標準。統(tǒng)計分析得知，不同密度的沉水植物對水體中總氮處理效果是有顯著性差異的(F=4.814，P=0.04＜0.05)。分析可知，不同生物量密度沉水植物組合翠蘆莉?qū)ξ鬯酗@著凈化效果，且A組對污水凈化效果最好，即其生物量配比最佳。

圖1 COD隨時間變化示意圖

圖2 NH4-N隨時間變化示意圖

圖3 TP隨時間變化示意圖

圖4 TN隨時間變化示意圖

3.1.5 對各污染物去除率

由表6可知，在4組實驗組中，A組對污水的處理效果最理想，對COD、氨氮、總磷、總氮的去除率分別為：35.75%、87.17%、64.51%、90.65%。B組對污水凈化效果次之，C、D組處理污水的效果較差。當裝置中沉水植物與翠蘆莉組合的生態(tài)系統(tǒng)達到平衡后，沉水植物與翠蘆莉?qū)ξ鬯奶幚硇拭黠@提高，沉水植物對外界的二次投放污染物處理效率更快。在二階段中，對各污染物質(zhì)的綜合處理凈化效果仍是A組最好，其對COD、氨氮、總磷、總氮的去除率分別為：61.62%、91.84%、83.37%、87.72%。

這與楊的《不同生物量情況下3種沉水植物對水體中總氮的去除研究》中研究結(jié)果一致，成倍增加沉水植物并不能引起水體中污染物質(zhì)的去除效果成倍增加，甚至由于沉水植物生物量密度高而生存空間不足會造成水質(zhì)變差。

綜上分析，可得出以下3點結(jié)論。1)在4個沉水植物不同密度的配置中，500g·m-2組在去除污水污染物效果最好，且植物生長情況也較其他3組要好，實驗期間內(nèi)水體最為澄清，1 500g·m-2組與2 000g·m-2組由于植物之間化感作用，在后半階段水樣有渾濁以及有藻類增多現(xiàn)象，塑料箱內(nèi)黑藻有葉片泛黃及苦草葉片有腐爛等現(xiàn)象[9]。說明在使用沉水植物凈化污水處理時，不宜采用太密集的生物量密度，適宜在500～1 000g·m-2范圍內(nèi)，這是生態(tài)水質(zhì)修復(fù)組合在兼具修復(fù)功能以及景觀功能的最經(jīng)濟搭配。2)翠蘆莉在4組配置中生長情況良好，且實驗完成后翠蘆莉生物量緩慢增加，翠蘆莉受污水脅迫影響小。在污染物濃度較高的景觀水體區(qū)域可以選擇沉水植物搭配翠蘆莉?qū)ξ廴舅w進行生態(tài)凈化處理，在具有去污效果的同時還可具有景觀效果。3)此生態(tài)修復(fù)技術(shù)可運用在城市富營養(yǎng)化湖泊、生活污水嚴重的城市河流中。沉水植物宜種植在陽光充足、深度小于1m的河流或湖泊中，翠蘆莉可搭配種植在岸坡上作為自然生態(tài)護岸。

4 討論與展望

由于利用植物完善濱水生態(tài)系統(tǒng)治理具有極大的經(jīng)濟優(yōu)勢、人文優(yōu)勢、生態(tài)優(yōu)勢，生態(tài)修復(fù)技術(shù)市場前景明朗。目前，國內(nèi)外大力推廣景觀水生態(tài)修復(fù)技術(shù)[10]。如新加坡碧山宏茂橋公園中采用大量水生植物如再力花(Thalia dealbata)、香根草(Vetiveria zizanioides)、旱傘草(Phyllostachys heteroclada)來保持Kallang河道中水體水質(zhì)。我國西湖在富營養(yǎng)化問題的治理中，在西湖西岸種植大量苦草、金魚藻(Ceratophyllum demersum)來降低水體中營養(yǎng)鹽的濃度[11-12]。太子灣濕地公園中，使用大量黃花鳶尾(Iris wilsonii)、燈芯草等植物搭配狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、苦草來保持園內(nèi)湖泊清澈的水質(zhì)。對于太湖、西湖、滇池等景觀水體富營養(yǎng)化治理，大多數(shù)采用生物量增長快的植物作為修復(fù)工具種，如鳳眼蓮、金魚藻、苦草、浮萍等[13-15]。

表4 5組實驗水樣TP濃度變化

表5 5組實驗水樣TN濃度變化

表6 不同密度沉水植物與翠蘆莉組合對污水污染物的處理效果

我國利用植物修復(fù)河流湖泊等景觀水體的形式多樣，其中包括生物浮床技術(shù)、人工濕地技、沉水植物修復(fù)技術(shù)、無土栽培蔬菜修復(fù)技術(shù)等[16-20]。這些技術(shù)均有運用在實際景觀水維護中，如杭州宦塘河部分支流中浮島應(yīng)用；西湖附近湖泊均種植沉水植物、大量水生植物來處理凈化湖泊中的富營養(yǎng)物質(zhì)；高繡紡等人研究并利用四季水芹菜制成人工浮島來凈化富營養(yǎng)河涌污水[21]。盡管利用植物凈化景觀污水的形式多樣，但在水體修復(fù)過程中偏重于凈化效果，大多選擇生物量增長快的植物，選擇種類少。對多個實踐案例分析，單一使用生物量增長量快的水生植物，在短時間內(nèi)對富營養(yǎng)化水體修復(fù)效果明顯；長時間上看，始終無法滿足河流湖泊中景觀效果要求。

在利用植物修復(fù)富營養(yǎng)化的景觀水體問題中，還需不斷尋找和篩選凈化效果好、具有一定抗逆性、適應(yīng)能力強的植物。針對不同污染程度的水體，如何選擇搭配植物種類，才能得到兼具觀賞價值與凈化效果的最佳配置。未來的景觀水體生態(tài)修復(fù)課題發(fā)展，還需引入更多園林設(shè)計理念，植物搭配要兼顧觀賞與凈化，植物不只是修復(fù)工具還是營造水生景觀本身。

注：文中圖片均由作者繪制。

注釋：

① 生物量密度：單位鮮重生物量(或單位體積)的干重生物量。