5種景觀植物對(duì)城市河道景觀水體的凈化作用

蔡強(qiáng) 孫玲 楊瑞卿 金秋紅

摘 要：以綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅5種景觀植物為試材，研究其對(duì)城市河道水體中氮、磷、化學(xué)需氧量（CODMn）及懸浮物（SS）的去除效果。結(jié)果表明，5種景觀植物對(duì)徐州市大龍湖景觀水體中的氮、磷、CODMn和SS均有一定的去除效果。綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅對(duì)總氮的去除率分別為76.69%、78.57%、71.42%、69.64%、67.86%，對(duì)總磷的去除率分別為78.70%、81.48%、73.15%、72.22%、68.52%，對(duì)CODMn的去除率分別為52.5%、55.35%、46.02%、45.42%、44.19%，對(duì)SS的去除率分別為81.4%、86%、79.1%、76.7%、74.42%。5種景觀植物對(duì)水體的凈化效果依次為：水葫蘆>綠蘿>雞冠花>金盞菊>一串紅。

關(guān)鍵詞：景觀植物;河道景觀水體;氮;磷;CODMn;SS;凈化

中圖分類號(hào) TU984.18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2020）24-0102-04

水體富營(yíng)養(yǎng)化是水體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)剩而造成的一種水體污染。氮、磷的去除方法有很多，但效果都不太理想。研究表明：挺水植物、浮水植物、沉水植物對(duì)氮、磷都有一定的去除效果[1?3]。不同的水生植物對(duì)水體的修復(fù)效果不同，而水生植物對(duì)氮、磷的去除方式并不單一，在自然狀態(tài)下，主要依靠氨揮發(fā)去除氮，而磷僅是依靠微生物的吸收及顆粒的沉降作用去除。不同植物對(duì)水體中的各類污染物的凈化效果和吸收能力不同，因此要重視植物選擇的，不僅要了解植物的生理特性，還要對(duì)其凈化機(jī)理有一定的了解。

水生景觀植物種類繁多，且植物作為水體生態(tài)系統(tǒng)必不可少的一部分，在水體修復(fù)和環(huán)境美觀方面具有其他植物無(wú)法替代的功效。利用植物凈化受污水體，不僅對(duì)原生態(tài)環(huán)境的破壞少，而且會(huì)增加該地區(qū)的物種多樣性，且有一定的美觀效果。該項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用有利于加大水資源重復(fù)利用比重，減緩水體受污現(xiàn)狀，改善我國(guó)水體受污比例，同時(shí)還可促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料 選取綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅5種小植株景觀植物作為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)容器為圓形塑料桶，高30cm，上、下部直徑分別為30cm、20cm。自制25cm×10cm×3cm底部帶孔的長(zhǎng)方體塑料泡沫板，按間距3厘米，孔徑4毫米打孔，打2排，共5個(gè)孔。把綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅實(shí)驗(yàn)試材在塑料泡沫板的中心依次插好，一排2株，另一排3株，每桶5株，將塑料泡沫板置于圓桶內(nèi)固定好。設(shè)置5組試驗(yàn)組，1組空白對(duì)照組，共6組，5種植物分別栽培于5個(gè)不同的圓桶內(nèi)，空白對(duì)照組桶內(nèi)不放任何植物。每隔3d測(cè)1次每個(gè)塑料圓桶中水樣的溶解氧含量、水溫和pH值;每7d測(cè)1次試樣的總磷、正磷酸鹽、總氮、氨氮、化學(xué)需氧量及懸浮物含量，共測(cè)5次。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每一待測(cè)指標(biāo)值重復(fù)測(cè)定3次，取其平均值。

1.3 測(cè)定方法 總氮：過(guò)硫酸鉀氧化—紫外分光光度法;總磷：鉬酸銨分光光度法;正磷酸鹽：鉬酸鹽分光光度法;化學(xué)需氧量（CODMn）：高錳酸鉀法;固體懸浮物（SS）：重量法。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)氮的去除效果

2.1.1 對(duì)總氮的去除效果 5種景觀植物對(duì)水體中總氮（TN）的去除效果較明顯（圖1）。水葫蘆水體總氮的含量由原來(lái)的1.12mg/L下降到1.01mg/L，去除率達(dá)78.57%，綠蘿、雞冠花、金盞菊、一串紅對(duì)水體中總氮的去除率分別為76.69%、71.42%、69.64%、67.86%。而對(duì)照組對(duì)總氮的去除率僅為8.93%，明顯低于5組植物組（P<0.05）。表明水葫蘆和綠蘿對(duì)徐州市大龍湖水體總氮的去除效果較好。另外，開(kāi)始階段各培養(yǎng)水體總氮含量下降較快，后期下降較慢，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水體中總氮的含量達(dá)到最低。分析認(rèn)為：在試驗(yàn)開(kāi)始階段由于水的沉降作用較強(qiáng)，水中的總氮可以通過(guò)植物根系被吸附、截留;隨著時(shí)間的推移，沉降作用逐漸減弱，而植物根系達(dá)到吸附飽和的狀態(tài)后吸附效果也甚微，所以后期植物對(duì)總氮的去除效果欠佳。因此，試驗(yàn)后期主要是依靠植物的吸收和微生物的降解、吸附作用來(lái)去除氮[4]。

2.1.2 對(duì)氨氮的去除效果 5組景觀植物對(duì)氨氮的去除效果見(jiàn)圖2。在試驗(yàn)的21d內(nèi)，綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊和一串紅水體中氨氮的質(zhì)量濃度由原來(lái)的0.622mg/L分別降至0.23mg/L、0.20mg/L、0.26mg/L、0.30mg/L、0.32mg/L，去除率分別為63.02%、67.85%、58.20%、51.77%、48.55%，而對(duì)照組對(duì)氨氮的去除率為3.5%;至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅和對(duì)照組的氨氮去除率分別為71.06%、74.28%、67.85%、63.02%、59.81%、6.8%。由此可知，5組試驗(yàn)組相較對(duì)照組對(duì)氨氮的去除效果較顯著（p<0.05）。

氮是不同植物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，植物體內(nèi)氮的積累與其自身生理特性有較強(qiáng)的相關(guān)性。一般來(lái)說(shuō)，植物會(huì)根據(jù)自身生理活動(dòng)所需吸收一定的氮素來(lái)合成自身生物能，因此通過(guò)植物本身的生長(zhǎng)變化趨勢(shì)可較直觀的反應(yīng)出植物從水體中吸取的養(yǎng)分。本研究發(fā)現(xiàn)，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)5種植物的株高及根長(zhǎng)都有所增加，由此可知，它們對(duì)水體中的氮素有一定的吸收作用，其中綠蘿和水葫蘆的生長(zhǎng)速度和生物量較大，所以對(duì)氮的吸附較強(qiáng)，去除率也較大。5種植物對(duì)水體中的總氮有明顯的去除效果，但去除效果卻有一定的差異，這是由于不同植物生理、機(jī)理存在一定的差異性，因而對(duì)氮的去除機(jī)理也有一定的差異性[4]。

總氮由無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮組成，無(wú)機(jī)氮主要包括硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和氨氮。一般來(lái)說(shuō)，正常水體中的亞硝態(tài)氮很容易被氧化為硝態(tài)氮，含量很少，所以對(duì)氮去除效果的研究主要從氨氮和硝態(tài)氮入手。對(duì)于存在水生植物的水體而言，主要分以下2步來(lái)完成對(duì)氮的清除：一是通過(guò)硝化和反硝化作用將一部分氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，還有一小部分的氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮可以直接被水生植物吸收合成自身生命活動(dòng)所需的有機(jī)氮化合物;二是通過(guò)反硝化作用去除部分硝態(tài)氮[5]。去除水體中氨氮主要通過(guò)3種途徑[6]：（1）氨揮發(fā)。水體pH的數(shù)值對(duì)氨揮發(fā)有一定的影響，當(dāng)pH在8.0～9.3時(shí)，氨揮發(fā)效果最為顯著;當(dāng)pH在7.5～8.0時(shí)，氨揮發(fā)不是特別明顯;而當(dāng)水體pH7.5時(shí)，氨揮發(fā)可直接忽略不計(jì)。（2）硝化作用。水體中溶解氧的濃度對(duì)硝化反應(yīng)有一定的影響，同時(shí)溫度和pH也是硝化反應(yīng)的影響要素之一。硝化反應(yīng)的最佳pH在7.0～8.6，DO（溶解氧）的濃度一般要高于2mg/L，硝化反應(yīng)在溫度低于15℃的時(shí)候，硝化抑制作用明顯。（3）植物吸收。植物通過(guò)吸收水中的游離的硝態(tài)氮與氨態(tài)氮來(lái)達(dá)到去除氮素的效果。本試驗(yàn)水體的pH值均在6.5～8.0，對(duì)于氨揮發(fā)作用可以忽略。因此，本試驗(yàn)主要通過(guò)硝化作用和水生植物的吸收作用去除氨氮。試驗(yàn)水體的DO濃度均高于2mg/L，溫度在14.5～20.3℃，pH在6.5～8.0，表明試驗(yàn)水體的環(huán)境適合硝化菌的生長(zhǎng)，所以氨氮的去除與硝化反應(yīng)有著直接聯(lián)系。

2.2 對(duì)總磷的去除效果 由圖3可知，5種景觀植物對(duì)大龍湖景觀水體中總磷的去除效果較明顯，其中，總磷含量下降最快的是培養(yǎng)水葫蘆的水體，而雞冠花、金盞菊、一串紅對(duì)水體中總磷的去除率相差不是特別大。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水葫蘆、綠蘿、雞冠花、金盞菊、一串紅和對(duì)照組水體中總磷的質(zhì)量濃度由原來(lái)的0.108mg/L分別降至0.020mg/L、0.023mg/L、0.029mg/L、0.030mg/L、0.034mg/L、0.100mg/L，去除率分為81.48%、78.70%、73.15%、72.22%、68.52%、7.4%，試驗(yàn)組對(duì)總磷的去除率遠(yuǎn)高于對(duì)照組對(duì)總磷的去除率（P<0.05）。

水體中的部分磷可直接被水生植物吸收，經(jīng)同化作用，合成植物自身的結(jié)構(gòu)組成物質(zhì)，這種儲(chǔ)存方式可以使磷穩(wěn)固的儲(chǔ)存在植物體內(nèi)，把固定在植物體內(nèi)的磷進(jìn)行人工收割，可輕易的將磷帶出水體，達(dá)到除磷效果，這樣既經(jīng)濟(jì)又高效。同時(shí)，植物根系存在一定數(shù)量的聚磷菌，通過(guò)吸收磷元素降低磷含量，而在無(wú)植物栽培的對(duì)照組實(shí)驗(yàn)桶內(nèi)總磷的含量也呈下降走勢(shì)。表明水體通過(guò)沉降作用對(duì)磷也有一定的去除效果。由此表明，水體中總磷除通過(guò)植物吸收同化作用外，植物根系微生物的分解及重力沉降作用也是降低磷的重要方式之一。

2.3 對(duì)化學(xué)需氧量（CODMn）的去除效果 由圖4可知，5組景觀植物對(duì)水體中CODMn的去除有顯著的效果。其中，水葫蘆對(duì)CODMn的去除效果最為顯著，由初始的32.25mg/L降低至14.4mg/L;其次為綠蘿，培養(yǎng)綠蘿水體的CODMn下降到15.32mg/L;其他3種植物對(duì)水體中CODMn的最終去除率差異不是很明顯。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅對(duì)水體中化學(xué)需氧量的最終去除率為52.5%、55.35%、46.02%、45.42%、44.19%。對(duì)照組CODMn的濃度也有一定程度的降低，去除率為12.25%，與5組試驗(yàn)組有顯著差異（P<0.05）。

水體中化學(xué)需氧量的降解主要受到溫度、溶解氧濃度、水體中附著在植物根系上微生物的種類與數(shù)量等幾個(gè)因素的限制。一般而言，通常以水體中溶解氧的濃度為控制條件。當(dāng)溶解氧濃度小于0.20mg/L時(shí)，發(fā)生厭氧降解反應(yīng);當(dāng)溶解氧濃度在0.20～1.0mg/L時(shí)，發(fā)生缺氧降解反應(yīng);而當(dāng)溶解氧濃度大于1.0mg/L時(shí)，發(fā)生好氧降解反應(yīng)[7]。本研究5個(gè)試驗(yàn)組的溶解氧質(zhì)量濃度始終大于1.0mg/L，因此分析認(rèn)為主要通過(guò)好氧降解過(guò)程來(lái)降解CODMn。水葫蘆對(duì)CODMn的去除率最高，主要是由于它的根系發(fā)達(dá)，為微生物提供了很好的生長(zhǎng)繁殖場(chǎng)所，促進(jìn)了根系對(duì)CODMn的吸附、截留及過(guò)濾作用，當(dāng)然，微生物的降解作用也不可忽視[8]。

2.4 對(duì)懸浮物（SS）的去除效果 由圖5可知，5種景觀植物對(duì)水體中懸浮物均有一定的去除效果。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各實(shí)驗(yàn)組對(duì)SS的去除率分為為水葫蘆86%、綠蘿81.4%、金盞菊76.7%、雞冠花79.1%、一串紅74.42%。雖高于對(duì)照組的44.2%的去除率，但去除效率不是很理想。水體中懸浮物質(zhì)的去除效果因水生植物種類的不同而存在一定的差異。水葫蘆及綠蘿的去除效果較為顯著，金盞菊、一串紅、雞冠花對(duì)水體中懸浮固體的去除效果次之。由于試驗(yàn)是在固定容積的圓桶內(nèi)進(jìn)行，相比較于河流湖泊的水生環(huán)境有很大的差距，因而有一定的局限性。圓桶內(nèi)的懸浮固體主要以泥沙為主，藻類、細(xì)菌等很少。因此，本試驗(yàn)水體中的懸浮物主要依靠自然沉降作用去除，還有部分無(wú)法靠沉降作用去除的懸浮物，通過(guò)植物根系的吸附、截留作用去除。

受污水體中懸浮物的去除方法，大都采用傳統(tǒng)方法去除，最為人熟知的就是投加藥劑法，在水中加入各種混凝劑使水體中的細(xì)小懸浮物及膠體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟮某恋砦锖?，通過(guò)沉降作用去除。水中懸浮物除通過(guò)自然沉降法去除外，還可以通過(guò)其他方法可以去除，如離心分離、氣浮、過(guò)濾、反滲透、膜分離、蒸發(fā)濃縮等。相較于本試驗(yàn)的植物去除效果而言，這些方法不僅去除效率高，而且經(jīng)濟(jì)快速。因此，針對(duì)懸浮物的去除效果而言，不大適合用單一的植物去除水體中的懸浮物。使用植物去除懸浮物雖然具有一定的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，但是相比傳統(tǒng)治理方法存在耗時(shí)長(zhǎng)、治理強(qiáng)度低、耗費(fèi)大的缺點(diǎn)。雖然高等水生植物群落對(duì)水體中懸浮固體的去除具有良好的效果，但是其對(duì)植物種類的搭配、栽種密度與范圍要求較高，不易實(shí)施。另外，由本次研究表明，懸浮物的去除效果與不同種類的植物組合有關(guān)，要根據(jù)水質(zhì)的具體情況量體裁衣。

3 結(jié)論與討論

（1）水葫蘆、綠蘿、雞冠花、金盞菊、一串紅在實(shí)驗(yàn)室水培35d后，對(duì)徐州市大龍湖水體總氮的最終去除率分別為78.57%、76.69%、71.42%、69.64%、67.86%;對(duì)氨氮的最終去除率分別為74.28%、71.06%、67.85%、63.02%、59.81%;對(duì)總磷的去除率分別為81.48%、78.70%、73.15%、72.22%、68.52%;對(duì)化學(xué)需氧量的最終去除率為52.5%、55.35%、46.02%、45.42%、44.19%，而對(duì)SS的去除效果不是特別理想。而對(duì)總氮的去除主要依靠植物的吸收同化、微生物的降解及植物根須的吸附截留，而氨氮主要通過(guò)吸收同化作用去除，對(duì)照組中氨氮的去除主要依靠物理作用，即氨揮發(fā)。

（2）不同景觀植物對(duì)水質(zhì)凈化能力存在一定的差異，水葫蘆及綠蘿對(duì)徐州市大龍湖景觀水體的氮、磷及化學(xué)需氧量有著顯著的去除效果。

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（責(zé)編：張宏民）