3種人工植物群落對污水凈化模擬試驗

郝桂枝 張銀龍 祝浩翔

摘要 [目的]研究不同植物群落對氮磷的去除能力以及腐爛植物對水體的二次污染影響。[方法]通過構(gòu)建模擬試驗，選取6種重慶市常見的濕地植物進行組合配置，形成了3個人工濕地植物群落，比較分析人工濕地植物群落對生活污水凈化的差異。[結(jié)果]在生物量方面，3個人工濕地植物群落的總生物量存在顯著差異（P<0.05），同種植物在不同人工群落的生物量也存在顯著差異;在凈化效果方面，各人工濕地植物群落的TN和NH4+-N月平均去除率表現(xiàn)為群落3（再力花+菖蒲+鳶尾+狐尾藻）>群落2（再力花+菖蒲+水蔥+狐尾藻）>群落1（美人蕉+菖蒲+水蔥+狐尾藻），TP月平均去除率排序依次為群落1>群落3>群落2;對比2種腐爛植物對水體的二次污染影響發(fā)現(xiàn)，相同時間內(nèi)狐尾藻水體中的TN、NH4+-N、TP濃度升高比菖蒲快，沉水植物相對于挺水植物更容易分解。[結(jié)論]該研究為重慶地區(qū)構(gòu)建健康穩(wěn)定的植物群落和提高濕地系統(tǒng)的凈化能力提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 濕地植物;植物群落;生長狀態(tài);生活污水;凈化效果

中圖分類號 X52文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）11-0081-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.023

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Abstract [Objective] The research aimed to study the ability of different plant communities to remove nitrogen and phosphorus and the secondary pollution of decaying plants to water bodies.[Method]By constructing a simulation experiment， six common wetland plants in Chongqing were selected for combined configuration and three plant wetland plant communities were formed. The differences in the purification of domestic sewage by constructed wetland plant communities were compared.[Result]There were significant differences in total biomass of the three wetland plant communities （P<0.05）. There were also significant differences in biomass of same plants in different communities. In terms of purification effect， the average removal rate of TN and NH4+N in each constructed wetland plant community was as follows： community 3 （reflower + calamus + iris + foxtail algae） > community 2 （reflower + calamus + water onion + Myriophyllum sp. > Community 1 （canna + calamus + water onion + Myriophyllum verticillatum），the average removal rate of TP was community 1>community 3>community 2. Comparing the effect of two rotted plants on secondary pollution， it was found that the concentration of TN，NH4+N and P in water of Myriophyllum verticillatum increased faster than Acorus calamus during the same time. Submerged plants decomposed more easily than emergent plant.[Conclusion]This study can provide a scientific basis for the construction of healthy and stable plant communities in Chongqing and the improvement of the purification capacity of wetland systems.

Key words Wetland plants;Plant community;Growth state;Domestic sewage;Purification effect

基金項目 重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用示范項目（cstc2018jscx-msybX0218）。

作者簡介 郝桂枝（1993—），女，四川達州人，碩士研究生，研究方向：風(fēng)景園林生態(tài)。*通信作者，實驗師，碩士，從事園林生態(tài)研究。

收稿日期 2018-11-29

濕地植物不僅可以直接吸收污水中的污染物，還可以使污水中的營養(yǎng)物質(zhì)得到再循環(huán)和利用，同時在為微生物提供根際環(huán)境、改善小氣候和美化環(huán)境等方面都有著積極作用。近年來，學(xué)者們對濕地植物的去污機制、作用及篩選原則進行了大量研究[1]。目前在植物組合配置研究方面，由于不同植物在營養(yǎng)吸收能力、根系分布深度、生長季節(jié)、生物量和抗逆性等方面存在差異，所以濕地植物之間的搭配組合成為當前的研究熱點，但現(xiàn)有報道研究多集中在植物種類等比例組合上[2-5]，較少見到對濕地植物群落構(gòu)建的研究，且不同濕地群落的凈化效果差異、植物物種之間是否存在相互作用和影響目前尚缺乏深入研究。該研究依托西南大學(xué)后山實驗基地，選取6種重慶市常見的濕地植物進行組合配置，形成了3個人工濕地植物群落，對比分析不同人工濕地植物群落生物量變化差異以及對生活污水凈化的效果，探討造成相關(guān)現(xiàn)象的內(nèi)在原因，以期為重慶地區(qū)構(gòu)建健康穩(wěn)定的植物群落和提高濕地系統(tǒng)的凈化能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物群落配置及試驗場地構(gòu)建

將重慶市地區(qū)常見的美人蕉、菖蒲、水蔥、再力花、鳶尾和狐尾藻6種濕地植物，根據(jù)植物生態(tài)學(xué)形態(tài)特點，組合配置成3個群落類型：群落1（美人蕉+菖蒲+水蔥+狐尾藻）、群落2（再力花+菖蒲+水蔥+狐尾藻）和群落3（再力花+菖蒲+鳶尾+狐尾藻），植物之間的數(shù)量配置比例為1∶1。2015年4月依次種植到人工濕地的3個處理單元（詳見圖1）。

試驗場地位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)后山實驗基地厚藝園內(nèi)，利用園中原有污水排水渠，于2017年12月—2018年4月將其改建為人工濕地污水處理系統(tǒng)，模擬人工濕地長30 m、寬3 m，平均深度達0.6 m。濕地兩岸構(gòu)造為黏土磚和水泥砌成，底部覆以三合土壓實并抹水泥防滲。試驗設(shè)置3個處理單元（10 m×3 m），即3個種植池，每個處理單元底部設(shè)20 cm厚度直徑5～10 cm的鵝卵石，上層鋪30 cm土壤。人工濕地的主要污水來自實驗基地排放的生活污水和山體農(nóng)田滲水，以滿足補充濕地水源的作用。

1.2 研究指標及測定方法

1.2.1 植物株高、生物量測定。

試驗于2018年6、8和10月分別測定3個群落中每種植物株高和生物量。

對人工濕地中3種植物群落的種植單元選擇1個3 m×1 m的樣方，測量每個樣方中各種濕地植物的株高等生長狀況，對各個樣方中每種濕地植物進行地上部分收獲?，F(xiàn)場用自來水沖洗掉泥土等大部分雜質(zhì)后，帶回實驗室再進行蒸餾水沖洗，先放入105 ℃的烘箱內(nèi)烘干2 h，再調(diào)節(jié)溫度到80 ℃烘干至恒量，計算單位面積植株其地上部分生物量[6]。

1.2.2 水樣收集及水質(zhì)指標測定。

水樣采集：在每個種植單元的進水口和出水口用聚乙烯塑料瓶各采集水樣3瓶，每瓶容量為500 mL，盡快帶回實驗室進行分析。

水質(zhì)指標測定：TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP采用鉬酸銨分光光度法[7]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel和SPSS 19.0對獲得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并用Origin 7.5繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同人工植物群落單位面積地上部分生物量比較

2.1.1 總生物量變化。

由圖2可知，3個人工濕地植物群落的總生物量存在顯著差異（P<0.05），總生物量是285.85～617.89 g/m2，最小值是6月的群落2，最大值是10月份的群落1?？傮w上看，3個濕地植物群落的總生物量隨著月份的變化也都呈現(xiàn)遞增趨勢，在3個測定時間點中，都是10月的生物量達到最大值。從增長率上來看，3個群落在6—8月平均增長率為29.48%，增長率按大小依次排序為群落2（3320%）>群落3（32.05%）>群落1（23.19%）;總生物量8—10月的平均增長率為5.24%，增長率大小依次排序為群落2（7.25%）>群落1（6.79%）>群落3（1.69%），6—8月的增長率顯著高于8—10月增長率。

2.1.2 3個人工群落中各植物生物量變化。

從3種濕地植物群落的各種植物單位面積生物量變化（表1）可看出，不同群落中相同植物的生物量變化存在顯著差異（P<0.05），在同一群落中不同濕地植物在生物量上也存在顯著差異（P<0.05），在同一群落中相同植物的生物量隨著月份的變化顯著（P<0.05），通過運用Two-way ANOVA分析表明，群落組合對植物生物量的影響大于月份改變帶來的影響。

在3個群落中都配置的植物是菖蒲和狐尾藻，菖蒲在3個群落中的生物量平均值依次為群落3（193.58 g/m2）>群落1（115.65 g/m2）>群落2（81.9 g/m2），群落3與群落1、群落2都存在顯著性差異（P<0.05）;狐尾藻在3個群落中的平均值依次為群落1（732.03 g/m2）>群落2（184.94 g/m2）>群落3（53.33 g/m2），其在群落1、群落2和群落3中的生物量相互之間都存在極顯著差異（P<0.01）。

在2個群落中配置的植物是水蔥和再力花，水蔥所在群落的生物量平均值為群落2（88.29 g/m2）>群落1（72.35 g/m2），2個群落中水蔥的生物量不存在顯著差異（P>0.05）;再力花所在群落的生物量平均值為群落3（599.85 g/m2）>群落2（429 .29 g/m2），2個群落中再力花生物量差異也不顯著。

只在1個群落中配置的植物是美人蕉和鳶尾，其生物量平均值分別為170.75和70.47 g/m2。

2.2 不同人工植物群落中植物株高變化

在群落1中（圖3a），4種濕地植物平均株高排序是水蔥（135.44 cm）>菖蒲（86.11 cm）>美人蕉（80.77 cm）>狐尾藻（33.67 cm）。隨著月份變化，4種濕地植物中在8—10月狐尾藻出現(xiàn)了負增長（-10%），可能是由于狐尾藻受到天氣和自身生長周期的影響，出現(xiàn)了枯萎的現(xiàn)象，而其他植物在整個觀測期間都是正增長的趨勢，但是6—8月的增長率顯著大于8—10月。其中增長率最大的是6—8月的水蔥株高，增長率達165%。美人蕉在整個觀測期間都表現(xiàn)不如在單種或者兩兩組合混種，可能是4種植物配置時，出現(xiàn)了相應(yīng)的抑制情況，具體原因需要進一步試驗考證。

在群落2中（圖3b），4種濕地植物平均株高排序是再力花（151.11 cm）>水蔥（142.33 cm）>菖蒲（98.11 cm）>狐尾藻（27.00 cm）。狐尾藻在8—10月仍然出現(xiàn)負增長趨勢（-5%），而其他濕地植物的株高均呈正增長趨勢，增長率最大值是6—8月的再力花，達175%，4種濕地植物在8—10月的株高增長率較小，僅為1%～4%。

在群落3中（圖3c），4種濕地植物平均株高排序是再力花（161.55 cm）>鳶尾（104.22 cm）>菖蒲（87.78 cm）>狐尾藻（22.89 cm）。隨著月份的變化，在8—10月出現(xiàn)負增長的植物有再力花、菖蒲和狐尾藻，增長率分別是-2%、-1%和-6%。

在3個群落中都配置的植物是菖蒲和狐尾藻，菖蒲在3個群落中的株高平均值依次是群落2（98.11 cm）>群落3（87.77 cm）>群落1（86.11 cm），3個群落中菖蒲株高不存在差異顯著（P>0.05）;狐尾藻在3個群落中的平均值依次是群落1（33.67 cm）>群落2（27.00 cm）>群落3（22.89 cm），其在群落1、群落2和群落3中的生物量相互之間都不存在顯著差異（P>0.05）。

在2個群落中有配置的植物是水蔥和再力花，水蔥所在群落的株高平均值是群落2（142.33 cm）>群落1（135.44 cm），再力花所在群落的生物量平均值是群落3（161.56 cm）>群落2（151.11 cm）。

2.3 不同人工植物群落對污水凈化效果比較

2.3.1 對污水TN凈化效果。

從圖4可看出，3種濕地植物組合群落對生活污水的TN均具有較好的去除，雖然3種群落的去除效率不盡相同，但隨著月份的變化，水體中TN含量都呈現(xiàn)較為一致的變化趨勢。3個濕地植物組合群落的月平均去除率依次是群落3（80.74%）>群落2（76.87%）>群落1（75.67%）。多重比較分析表明，群落3和群落1的TN去除率存在顯著差異（P<0.05），群落2的TN去除率與群落1、3之間不存在顯著性差異（P>0.05）。

在9月底前，各濕地植物群落中的TN濃度均出現(xiàn)下降趨勢，這是因為植物在這段時間處于生長期，特別是像再力花這種葉形較寬大的植物對氮元素的需求量較大，促使到9月測定時水體中TN濃度均達到最低點，其中群落3中的TN濃度僅為0.45 mg/L，相應(yīng)的去除率達87.18%。在10月底測定時，發(fā)現(xiàn)3個植物群落水體中的TN濃度出現(xiàn)回升現(xiàn)象，水體TN濃度回升至0.52～0.70 mg/L，去除率也相應(yīng)減小。

2.3.2 對污水NH4+-N凈化效果。

從圖5可看出，3個濕地植物群落水體中的NH4+-N變化總體趨勢與TN變化趨勢（圖4）相近。在不同月份生活污水經(jīng)過植物群落后水體中的NH4+-N濃度都有明顯下降，其濃度為0.30～0.76 mg/L。3個濕地植物組合群落的月平均去除率依次是群落3（8294%）>群落2（76.13%）>群落1（75.67%）。多重比較分析表明，3個濕地植物群落水體中NH4+-N去除率無顯著性差異（P>0.05）。

結(jié)合圖4和圖5可看出，3個濕地植物群落在8—9月對氮的去除效果明顯高于其他季節(jié)，在試驗的生活污水中氮的主要組成部分就是氨氮。氨氮的去除主要依靠的是植物吸收和根際間硝化細菌的作用，所以在該月份，隨著氣溫的變化，濕地植物群落利用植物吸收和微生物作用在這段時間保持了較高的去除率。

2.3.3 對污水TP凈化效果。

從圖6可以看出，各植物群落對生活污水TP的凈化趨勢基本一致，但是各植物群落對TP的吸收效率則不完全一致。在3種植物群落作用下，水體中的TP濃度在每個階段都有較大幅度的降低，在所有測試點中TP濃度基本上都降至0.45 mg/L以下。3種濕地植物群落中的TP平均去除率依次排序是群落1（77.83%）>群落3（76.38%）>群落2（72.32%）。方差分析表明，3個濕地植物群落水體中TP去除率無顯著性差異（P>0.05）。

隨著月份的變化，盡管3個群落的變化趨勢一致，但是對TP去除率出現(xiàn)的峰值不一樣，群落1在8月就達到了去除率的峰值，水體中TP濃度為0.23 mg/L，去除率達8333%，這可能是美人蕉和狐尾藻在8月份陸續(xù)開花，需要大量的P元素供給，造成該月份出現(xiàn)峰值;而群落2和群落3則是9月出現(xiàn)峰值，水體中TP濃度分別為0.31和0.23 mg/L，去除率分別為77.54%和81.88%，這可能是再力花和狐尾藻開花結(jié)果時間主要集中8月份，9月份則是再力花和水蔥產(chǎn)生種子，這段時間需要大量P元素，從而造成9月出現(xiàn)峰值。

在9—10月3種濕地群落TP去除率都出現(xiàn)降低現(xiàn)象，但是群落2下降的趨勢為10%，遠遠高于其他2個群落的下降趨勢，說明群落的組合結(jié)構(gòu)對氣溫變化的抗受能力不一樣，也進一步說明了物種組合對外界環(huán)境抗壓力有一定提升。

2.4 腐爛植物體對水質(zhì)二次污染的影響

2018年10月底，通過對群落1、群落2、群落3枯萎掉落在水中狐尾藻腐爛處水體的NH4+-N和TP濃度的測定，并與正常生長的含量進行對比，發(fā)現(xiàn)腐爛處NH4+-N和TP明顯高于植物正常生長處（表2）。

群落3中狐尾藻的生長密度最小，其植物腐爛處與正常生長處NH4+-N、TP濃度明顯小于生長密度較大的群落1和群落2。結(jié)合取樣現(xiàn)場情況，分析可知，由于群落3的生長密度較小，其植物個體間對于資源的競爭較小，植物腐爛程度低。同時，生長密度較小的情況下狐尾藻根系有較強的通透性有利于水體流動，從而有助于腐爛植物分解出的NH4+-N、TP的擴散，因此在一定程度上亦降低了腐爛處與植物正常生長處NH4+-N、TP濃度的大小。

為比較腐爛的挺水、沉水植物對水體影響的差異，該研究將人工濕地群落中腐爛植物狐尾藻和菖蒲帶回實驗室，將其與正常生長植物葉片放入相同蒸餾水中，并設(shè)置不放植物葉片對照組，定期觀測2組植物葉片對水體中NH4+-N、TP濃度變化的影響，其測定結(jié)果如表3所示。由表3可知，隨著試驗的進行，腐爛植物處理組水體中NH4+-N、TP濃度升高速度明顯快于正常植物處理組和對照組，說明腐爛植物更容易向水體釋放氮磷元素。而在對比腐爛菖蒲和腐爛狐尾藻時發(fā)現(xiàn)，狐尾藻水體中的NH4+-N、TP濃度升高比菖蒲快，2種腐爛植物對水體釋放氮磷的速率是存在差異的。