不同濕地植物對三江平原農(nóng)田退水重金屬的去除效果

趙丹慧 王清波 李琦 蔡體久 邸雪穎 孫曉新*

（1 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2 黑龍江三江平原濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，黑龍江

撫遠 156500；3 黑龍江三江國家級自然保護區(qū)管理局，黑龍江 撫遠 156500）

重金屬是污染水體的主要污染物種類之一，濕地系統(tǒng)對重金屬有很好的去除效果（張榮社等, 2005），濕地植物對污染水體中的重金屬有極強的富集能力（周建軍等, 2014）。三江平原作為中國最大的沼澤濕地分布區(qū)之一，長期以來的農(nóng)業(yè)活動在該區(qū)造成了農(nóng)業(yè)非點源污染，大量營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬進入水體導(dǎo)致濕地環(huán)境發(fā)生明顯的變化（劉加海, 2012）。近些年，濕地污水處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于處理生活污水、工業(yè)廢水等（Dan et al, 2017），但很少用于處理農(nóng)田退水，關(guān)于三江平原沼澤濕地植物對農(nóng)田退水去除效果的研究更少。在已有的報道中，大部分研究是單一濕地植物對營養(yǎng)元素N、P 的去除作用（劉樹元等,2011）；三江平原稻田磷以及農(nóng)田排水中鐵在各級排水系統(tǒng)中的凈化效果（王莉霞等,2011）,而鮮有研究探討不同濕地植物配置對農(nóng)田退水中重金屬的凈化作用。

本研究利用三江平原4 種常見濕地植物臌囊苔草、蘆葦、水蔥和香蒲，構(gòu)建15 種不同植物配置的人工濕地，研究不同濕地植物對三江平原農(nóng)田退水中4 種重金屬Cr、Pb、Cu、Zn 的去除效果，以期為濕地保護管理提供依據(jù)，并篩選出對重金屬去除效果較好的濕地植物，為以污水凈化為目的的人工濕地構(gòu)建提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材料來源

本研究在黑龍江三江自然保護區(qū)抓吉管理站(47°44′40″～48°8′20″N，134°36′12″～134°4′38″E)進行，該區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，但由于離鄂霍次克海域較近，具有海洋性氣候的特點，年平均氣溫2.2 ℃，年平均降水量603.8mm。該保護區(qū)屬沖積平原沼澤，廣泛分布著小葉章Deyeuxia angustifolia、蘆葦、臌囊苔草等濕地植物。

在抓吉管理站附近的天然濕地移植臌囊苔草、蘆葦、水蔥和香蒲4 種濕地植物的成熟幼苗。選擇典型、常見且面積最大的臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤的土壤作為實驗用土，隨機設(shè)置采樣點，采集去掉土壤表層草根層且深度為0～50cm 的土壤。實驗用土中Cr、Pb、Cu 和Zn 的含量分別為18.9mg/kg、86.2mg/kg、23.4mg/kg 和4.3mg/kg。 農(nóng) 田退水為抓吉管理站附近稻田里的退水，退水中Cr、Pb、Cu、Zn 的 初 始 濃 度 為1.840 2mg/L、0.255 9mg/L、0.103 6mg/L、0.523 1mg/L。

1.2 實驗方法

2017年6 月18 日-7 月30 日為緩苗期。在6 月18 日，構(gòu)建模擬人工濕地。將采集的土壤樣品風(fēng)干，過篩去除石頭和枯落物等雜質(zhì)，將土壤混合均勻裝在容器中，容器為高57cm、上口徑48cm、下口徑36cm 的聚乙烯桶，每個容器中的土壤高度為低于容器口12cm，實際高度為45cm。設(shè)置15 種不同的植物配置（表1），各進行4 次重復(fù)，共60 個聚乙烯桶。在聚乙烯桶中，按照植物配置移植長勢良好、高度和生物量相近的臌囊苔草、蘆葦、水蔥和香蒲，密度為15 株/桶。將模擬人工濕地放置在抓吉管理站野外實驗場，實驗場避雨且自然光照充足。在此期間，在每個聚乙烯桶中注入去離子水，保證水位都高于土壤表面10cm。每兩天補充一次去離子水，保證每個容器中水位不變。

表1 人工濕地內(nèi)植物配置方式Table 1 Plant species arrangement of artificial wetlands

2017年7 月31 日-8 月28 日為處理期。在7 月31 日，將聚乙烯桶中的去離子水抽出，注入農(nóng)田退水，定期補充去離子水，保持容器中的水位始終高于10cm。在此期間，每隔7 d利用聚乙烯瓶采集1次水樣，即分別于8 月7 日、8 月14 日、8 月21 日、8 月28 日，采集水樣100mL。將采集的水樣冷藏保存并帶回試驗室，采用火焰原子吸收法測定水樣中Cr、Pb、Cu、Zn 的含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析和處理

采用方差分析方法，利用SPSS 18.0和Excel 2007 軟件，進行數(shù)據(jù)分析和繪圖。

圖1 人工濕地水體中重金屬含量隨取樣時間的變化Fig. 1 Weekly records of heavymetals in water column of artificial wetlands

2 結(jié)果與討論

2.1 人工濕地中重金屬含量隨取樣時間的變化

隨著實驗時間的延長，所有人工濕地中Cr、Pb、Cu、Zn 的含量都在逐漸降低，即W0＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)3＞W(wǎng)4。從實驗開始至結(jié)束的4 周時間里，15 種人工濕地中Cr 和Zn 的含量均逐漸降低，Cr 和Zn含量在不同取樣時間之間大多數(shù)存在顯著差異（n=4，P ＜0.05），說明在實驗期內(nèi)，植物一直穩(wěn)定吸收農(nóng)田退水中的Cr 和Zn。但在15 種不同植物配置的微系統(tǒng)中，有14 種微系統(tǒng)水體中的Pb 含量在第1周和初始含量之間沒有顯著差異，但有11 種微系統(tǒng)的Pb 含量在第4 周較第2 周顯著降低（n=4，P＜0.05），說明植物對Pb 的吸收在與污水接觸之初并不明顯，只有在達到至少2 周之后，這種吸收作用才明顯表現(xiàn)出來。而Cu 的含量僅在第1 周取樣時與初始含量之間有顯著差異（n=4，P ＜0.05），之后的取樣與第1 周取樣之間有近一半沒有顯著差異，僅有2 類人工濕地水體中Cu 的含量在第4 周較第3 周顯著降低（n=4，p＜0.05），說明植物對Cu的吸收在試驗第1 周較為明顯（圖1）。

在28 d 的實驗周期內(nèi)，4 種植物及其組合一直穩(wěn)定吸收農(nóng)田廢水中的Cr，人工濕地對低濃度的Cr有較好的去除效果，且低濃度的Cr 對濕地植物生長有促進作用（李志剛等, 2011），進而增強人工濕地對污染水體中Cr 的去除能力。在實驗初期，15類人工濕地對農(nóng)田退水中Pb 的去除效果均不明顯，至少在實驗進行兩周后人工濕地對Pb 的去除效果才明顯，適當(dāng)延長污染水體在系統(tǒng)中的停留時間可提高人工濕地對Pb 的去除率（曹婷婷等，2017）。

2.2 人工濕地對重金屬的累積去除率

15 種 人 工 濕 地Cr、Pb、Cu、Zn 的 累 積 去 除率 分 別 為81.59%～9.12%、41.08%～68.39%、9.07%～16.14%、59.06%～81.63%。人工濕地對Cr、Pb 和Zn 都有較高的去除率，在40%以上。其中，臌囊苔草+蘆葦+水蔥組合的人工濕地對Cr 的去除效果最佳，達到97.12%；對Pb 的去除效果最好的為臌囊苔草+蘆葦+香蒲組合的人工濕地，累積去除率為68.39%；臌囊苔草+香蒲組合的人工濕地對Zn 的累積去除率最高，為81.63%（表2）。

在本研究中，15 類人工濕地對Cu 的累積去除率都較低，董小霞等（2017）研究組合式水生植物對Cu 的去除效果中，Cu 的去除率高達93.45%，比本研究中的去除率高很多。一方面是兩者所用植物不同，不同植物對不同性質(zhì)污染水體的抗性和適應(yīng)性存在較大差異（Mishra et al, 2008）。另一方面，兩者構(gòu)建人工濕地的方法、所用基質(zhì)、系統(tǒng)運行時間、重金屬的初始濃度都不一樣。在董小霞（2017）的研究中，Cu 的初始濃度為0.5mg/L，本研究中Cu的初始濃度較之低了一半。在用人工濕地去除重金屬時，重金屬的濃度越高，植物根部的濃度較低，植物根部吸收的重金屬越多，則重金屬吸收率也越高（Soda et al, 2012）。在一定的范圍內(nèi)適當(dāng)提高重金屬的初始濃度，可以增加植物對重金屬的去除率。除此之外，Galletti 等（2010）在用人工濕地處理生活污水的研究中Cu 的去除率也較低，最高只有9%，當(dāng)系統(tǒng)運行時間過長時，水環(huán)境會變成偏酸性，溶解氧較低使得Cu 釋放得到水中，從而降低Cu 的去除率。

表2 人工濕地對農(nóng)田退水中Cr、Pb、Cu 和Zn 的累積去除率 %Table 2 Cumulative removal rates of heavymetals from agricultural discharge in artificial wetlands %

圖2 人工濕地中植物配置數(shù)量與重金屬累積去除率關(guān)系Fig.2 Relationship between cumulative removal rates of heavymetals and number of plant arrangements in artificial wetlands

香蒲對重金屬Zn 有很強的去除作用，含有香蒲的8 類人工濕地對農(nóng)田廢水中Zn 的累積去除率在70%以上。香蒲是用于凈化污染水體的主要挺水植物，香蒲對環(huán)境脅迫耐性很強，且含有與重金屬螯合的物質(zhì)，對重金屬有很好的凈化效果（Kissoon et al, 2011）。

2.3 人工濕地中植物配置對累積去除率的影響

當(dāng)人工濕地中植物配置數(shù)量為1～4 種時，隨著植物數(shù)量的增加，Cr 和Cu 的平均累積去除率也增高，Cr 的平均累積去除率從89.56%增加到96.52%，Cu 的平均累積去除率則從12.57%增加到22.22%。Cr 和Cu 的去除率與植物組成種類數(shù)量之間有顯著正相關(guān)關(guān)系（n=4，P ＜0.05），但Pb 和Zn 的去除率與植物組成數(shù)量之間則沒有顯著正相關(guān)關(guān)系（n=4，P ＜0.05）（圖2）。

胡嘯等（2012）在研究黃菖蒲Iris pseudacorus、黑藻Hydrilla verticillata、大薸Pistia stratiotes 及其組合對污染水體中Cr 的凈化效果時，得出結(jié)論：對于Cr 的去除，3 種植物的組合系統(tǒng)更優(yōu)于單一植物系統(tǒng)。董小霞等（2014）提出不同類型植物組合在一起的串聯(lián)系統(tǒng)能高效去除污染水體中的Cu。本研究中Cr 和Cu 的去除率與植物配置數(shù)量存在線性關(guān)系，與上述研究所得結(jié)論基本一致，說明對于農(nóng)田退水中Cr 和Cu 這兩種重金屬，通過增加濕地植物種類，可以有效提高重金屬的去除率，達到更好的水質(zhì)凈化效果。

3 結(jié)論

臌囊苔草、蘆葦、水蔥、香蒲及其組合都適用于去除農(nóng)田退水中Cr、Pb、Zn，對3 種重金屬的累積去除率都達到了40%以上。但對Cu 的累積去除率則在23%以下，去除效果較差。對Cr、Pb、Cu、Zn的累積去除率最高的人工濕地分別為臌囊苔草+蘆葦+水蔥組合我（95.45%）、臌囊苔草+蘆葦+香蒲組合（68.39%）、臌囊苔草+蘆葦+水蔥+香蒲組合（22.22%）、臌囊苔草+香蒲組合（81.63%）。

適當(dāng)延長農(nóng)田退水在人工濕地中的停留時間，能提高對Cr、Pb、Cu、Zn 的累積去除率。就Cr、Cu 的去除效果而言，多種植物搭配比單一植物的去除率高。