尋烏廢棄稀土礦區(qū)人工濕地4種植物凈化水體氮的效果

徐冰石，袁小蘭，張綠水*，劉 俏，吳高洋，劉 仁，劉苑秋，陳伏生

（1.江西農(nóng)業(yè)大學林學院∕鄱陽湖流域森林生態(tài)系統(tǒng)保護與修復國家林業(yè)和草原局重點實驗室，江西南昌 330045；2.江西農(nóng)業(yè)大學南昌商學院，江西南昌 332020）

【研究意義】20世紀80年代至21世紀初，由于稀土礦的多年非法開采，植被遭到破壞，稀土廢棄礦區(qū)水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境惡化[1]，青蔥翠山轉(zhuǎn)瞬成為“南方沙漠”。近10余年來，在國家水土保持重點建設項目等項目支持下，地方政府和相關企業(yè)開展了生物措施和工程措施相結(jié)合的綜合治理，礦區(qū)植被覆蓋得到基本恢復，水土流失得到有效治理[2]。但由于過去原位浸礦開采大量使用浸礦劑等化學品，如硫酸銨、氯化銨、碳銨、草酸等，開采結(jié)束后，這些浸礦劑仍長期殘存于土壤中，并隨雨水而持續(xù)不斷進入河流，造成流域內(nèi)及下游水質(zhì)的長期無法達標[3]，急需加以治理。由于單純依靠恢復后生態(tài)系統(tǒng)的自我凈化和修復需要漫長的時間，在小流域末端建設人工濕地系統(tǒng)進行土壤外輔助凈化成為行之有效的生態(tài)技術措施。植物作為人工濕地系統(tǒng)的重要組成部分[4]，對于人工濕地生態(tài)系統(tǒng)化學元素的吸收、積累、分配及歸還的循環(huán)至關重要[5]。贛南離子型稀土礦區(qū)水體具有氨氮極高而其他養(yǎng)分如磷等不足的特點，如何篩選出適生于此環(huán)境且可凈化氨氮的濕地植物顯得尤為重要。【前人研究進展】已有的研究表明，生長速率即生物量積量是篩選濕地植物的首要因子[6]，植物吸收污染元素的能力是篩選濕地植物的重要標準[7]，而水體中污染物濃度下降是衡量濕地植物凈化效果的直接指標[8]?？梢?，濕地植物篩選是多方面的、綜合的。在濕地植物的選擇上，應以多年生的挺水植物為主，其根系常年具有活性且無須每年栽植，地上部分可以連年生長，通過每年收割的方法去除污染物[9-10]，達到凈化水質(zhì)的效果?！颈狙芯壳腥朦c】贛南地區(qū)多以山地為主，地勢高低起伏，人工濕地常設計為多階級式。相較于傳統(tǒng)表面流濕地系統(tǒng)具有易堵塞的弊端而言，階梯式人工濕地由于水位較深，可充分利用水源自身動力，延長水力停留時間，提高濕地的凈化能力。而其階級式設計是否有利于增強植物凈化功能目前尚不清楚，值得深入探究。植物對水體中氮等污染元素的吸收量可直接反映水質(zhì)的凈化率，而植物吸收污染元素的能力與其生長狀況密切相關[11]，因生長不良而生物量低會造成植物凈化水質(zhì)能力顯著下降。濕地植物在稀土廢棄礦區(qū)是否因氨氮含量較高而磷等其他元素含量不足帶來元素供應失衡而影響其生長，以及不同階級凈化池之間濕地植物凈化水體的差異目前少有報道?！緮M解決的關鍵問題】為研究不同物種植物在人工濕地三級凈化池中的生物量、氮含量及貯量變化，比較不同階級凈化池水體水質(zhì)的異同，本文選用水蔥（Scirpus validus）、再力花（Thalia dealbata）、蘆葦（Phragmites communis）、美人蕉（Canna indica）4種濕地植物，重點檢驗:不同物種植物凈化水體氮污染的效果主要取決于在磷限制條件下植物生物量的積累能力；濕地植物對不同階級凈化池水體氮凈化率主要取決于氮磷供應及化學計量比對植物氮貯量的調(diào)控。本研究將有助于篩選出適應能力強、凈化水質(zhì)效果優(yōu)的濕地植物，以期為贛南稀土礦原位浸礦區(qū)人工輔助處理污水的濕地工程提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省贛州市尋烏縣，是稀土礦分布最為廣泛的地區(qū)之一，也是我國重要的稀土資源基地之一，礦區(qū)總面積為16.27 km2[12]。贛南稀土礦屬于離子吸附型稀土礦，早期開采方式為池浸法和堆浸法，后由于環(huán)保意識逐漸增強，2006年后基本采用原位浸礦法。此方法雖然對地表植被直接破壞較輕，但化學藥劑的灌注使得植被根系萎縮，水土保持能力嚴重下降，且化學藥劑滯留于土體成為長期的污染源[13]。尋烏縣屬中亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均降水量約為1 600 mm，年平均氣溫18.9 ℃，四季分明，氣候溫和，光照充足，雨量豐沛，為濕地植物的生長提供了良好條件。

1.2 試驗設計

試驗地點設置于尋烏縣廢棄稀土礦區(qū)一處人工濕地，該人工濕地包含氧化塘和3個階梯凈化池，每個凈化池面積為60 m2，各階梯高差約80 cm；每個凈化池各設置4塊種植區(qū)，每個種植區(qū)面積為15 m2，隨機種植水蔥、再力花、蘆葦和美人蕉，每種植物設置1個重復，2年生苗源均購置于當?shù)鼗ɑ苊缒竟?。水蔥屬莎草科，為多年生挺水植物，匍匐根狀莖粗壯，較耐寒，喜溫暖潮濕的生長環(huán)境；再力花屬竹芋科，為多年生挺水草本植物，地下莖粗壯，根系發(fā)達，地下根和根莖的空間體量巨大。蘆葦屬禾本科，為多年水生或濕生禾草，根狀莖十分發(fā)達，適應性強，具有深水耐寒、抗旱、抗高溫等優(yōu)點；美人蕉屬美人蕉科，為多年生草本植物，生長周期較短，栽種后可穩(wěn)定生長。

1.3 樣品采集

試驗于濕地植物種植第2年即2019年9月，對凈化池中的水體和濕地植物分別采樣。每個凈化池的水體采用隨機多點混合采樣法，水樣裝入100 mL離心管，低溫儲藏，帶回實驗室測定水質(zhì)，每個凈化池3次重復。植物取樣則在每塊種植區(qū)分別隨機布設1 m×1 m的小樣方，采取全挖法，同時調(diào)查小樣方內(nèi)植株數(shù)，換算成植株密度，并根據(jù)植株烘干后的干質(zhì)量，計算出單位面積植株地下、地上和全株生物量，并帶回實驗室測定養(yǎng)分含量。

1.4 測定方法

植物全氮和全磷含量分別采用H2SO4-H2O2消煮后凱氏定氮法[14]和鉬銻抗比色法測定[15]。水體氨氮用靛酚藍比色法測定，總氮采用凱氏定氮法測定，全磷采用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗比色法測定[16]。

1.5 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

式（1）中:PS為植物組織氮貯存量（g∕m2）；PC為植物組織氮濃度（mg∕g）；PB為生物量（g∕m2）。

所有數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗后，用雙因素方差分析物種和階級對主要變量的影響及交互作用，用單因素方差分析及多重比較不同物種或不同階級之間各變量的異同，用Origin 2018軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地植物的生長情況

雙因素方差分析結(jié)果表明，濕地植物地上和地下生物量在不同物種之間和不同階級凈化池之間均有顯著差異，且物種和階級存在顯著交互作用（表1）。一級凈化池植物地下生物量由大到小依次為美人蕉、水蔥、再力花和蘆葦，而地上和全株生物量為蘆葦高于其他3物種2倍以上（圖1a）。二級凈化池植物地下生物量為再力花最高，美人蕉和蘆葦次之，水蔥最低，地上和全株生物量為再力花最高，蘆葦和水蔥次之，美人蕉最低（圖1b）。三級凈化池植物地下生物量為水蔥最高，再力花次之，蘆葦和美人蕉最低，地上和全株生物量均基本表現(xiàn)為水蔥最高，再力花和美人蕉次之，蘆葦最低（圖1c）。3個階級植物地下生物量平均值為美人蕉最高，水蔥和再力花次之，蘆葦最低，而地上和全株生物量為蘆葦最高，水蔥次之，再力花和美人蕉最低（圖1d）。在不同階級凈化池中植株生物量在地下和地上的分配比例各異，但均表現(xiàn)為地上生物量高于地下生物量。

表1 物種和階級對濕地植物生物量和氮貯量影響的方差分析Tab.1 ANOVA of effects of species and pond on plant biomass and nitrogen storages in a constructed wetland

2.2 濕地植物氮含量及貯量

濕地植物氮含量在不同物種之間和不同階級凈化池之間差異顯著（圖2a和b）。植物地上器官氮含量在第一階級凈化池中表現(xiàn)為美人蕉最高，再力花次之，水蔥和蘆葦最低，在第二和第三階級中則均表現(xiàn)為美人蕉最高，再力花和蘆葦次之，水蔥最低（圖2a）。地下器官氮含量在第一階級凈化池中由大到小依次為美人蕉、蘆葦、再力花和水蔥，第二級為美人蕉最高，水蔥次之，蘆葦和再力花最低，第三級為再力花、蘆葦和美人蕉顯著高于水蔥（圖2b）。同時，植物地上器官氮含量顯著高于地下器官，且植物氮含量總體由小到大依次為第一階級、第二階級和第三階級（圖2a和b）。

圖1 人工濕地4種植物在第一級（a）、二級（b）、三級凈化池（c）及平均（d）的地上、地下和全株生物量（平均值±標準誤差）Fig.1 Aboveground，belowground and the whole biomass of four plants in the first（a），second（b），third（c）purification ponds and their average values（d）in the constructed wetland（Mean±SD）

雙因素方差分析結(jié)果表明，濕地植物地上、地下器官和全株氮貯量在不同物種之間和不同階級凈化池之間均有顯著差異，且物種和階級存在顯著交互作用（表1）。地上器官氮貯量在第一階級凈化池中由大到小依次為蘆葦、美人蕉、再力花和水蔥，第二階級為蘆葦和美人蕉最高，再力花次之，水蔥最低，第三階級為蘆葦較高，水蔥和再力花居中，美人蕉較低（圖2c）。地下器官氮貯量在在第一階級凈化池中表現(xiàn)為美人蕉是其他3物種的10倍以上，第二階級為蘆葦和美人蕉是水蔥和再力花的2倍以上，而第三階級為水蔥和再力花為蘆葦和美人蕉的2倍以上（圖2d）?？傮w來看，植物地上器官氮貯量遠遠高于地下器官，全株氮貯量為蘆葦最高，美人蕉次之，水蔥和再力花最低（圖2c和d）。

2.3 凈化池水質(zhì)的變化

氧化塘、一級凈化池的氨氮含量均高于三級凈化池，但是二級凈化池中的氨氮含量與其它3個無顯著差異；總氮為氧化塘高于一級、二級和三級凈化池，而不同凈化池均無顯著差異；總磷為氧化塘、一級和二級凈化池無顯著差異，但均高于三級凈化池（表2）。第一級、二級、三級凈化池氨氮削減率依次為5.40%、8.57%、9.38%，總氮削減率依次為19.30%、1.07%、4.15%，均隨凈化池階級增加而呈增強的趨勢。

2.4 濕地植物磷含量和氮/磷比

植物地上器官磷含量在第一、二和三級凈化池中均總體表現(xiàn)為再力花和美人蕉高于水蔥和蘆葦（圖3a），而地下器官磷含量在第一級凈化池中由大到小依次為再力花、美人蕉、蘆葦和水蔥，第二級和第三級均表現(xiàn)為美人蕉顯著高于其他3物種（圖3b）。水蔥、蘆葦和美人蕉地上和地下器官均總體表現(xiàn)為隨階級增加而增加，而再力花地上器官為第二階級高于第一和第三階級，地下器官為第一階級高于第二和第三階級（圖3a和b）。此外，與氮含量相異，植物磷含量總體表現(xiàn)為地上器官低于地下器官（圖3a和b）。

圖2 人工濕地第一、二、三級凈化池中4種濕地植物地上器官和地下器官氮含量（a和b）和氮貯量（c和d）（平均值±標準誤差）Fig.2 Nitrogen concentrations and storages in aboveground（a and b）and belowground tissues（c and d）of four plants in the first，second，third purification ponds of constructed wetland（Mean±SD）

表2 人工濕地不同階級凈化池水質(zhì)（平均值±標準誤差）Tab.2 Water quality in different purification ponds in constructed wetland（Mean±SD）

植物氮∕磷比在不同物種之間的異同取決于凈化池且地上器官與地下器官各異（圖3c和d）。地上器官氮∕磷比在第一階級為美人蕉最高，水蔥次之，再力花和蘆葦最低，第二階級由大到小依次為美人蕉、蘆葦、水蔥和再力花，第三階級為美人蕉和蘆葦高于水蔥和再力花（圖3c）。地下器官氮∕磷比在第一階級由大到小依次為美人蕉、蘆葦、水蔥和再力花，第二階級由大到小依次為美人蕉、水蔥、再力花和蘆葦，第三階級為再力花和蘆葦最高，美人蕉次之，水蔥最低（圖3d）。同時，氮∕磷比表現(xiàn)為地上器官高于地下器官（圖3c和d）。

圖3 人工濕地第一、二、三級凈化池中4種濕地植物地上器官和地下器官磷含量（a和b）和氮磷比（c和d）（平均值±標準誤差）Fig.3 Phosphorus concentrations and nitrogen∕phosphorus ratio in aboveground（a and b）and belowground tissues（c and d）of four plants in the first，second，third purification ponds of constructed wetlands（Mean±SD）

3 討論與結(jié)論

水體污染凈化能力是篩選人工濕地植物的首要標準[17]。濕地植物可將碳水化合物及氧氣等輸送至根部，為微生物提供能量及微環(huán)境轉(zhuǎn)化污染物[18]，并直接吸收從而凈化水體。污水中氮主要以有機氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮等形式存在，濕地脫氮及去除效果最主要的是濕地植物的吸收量。從植物體組織的氮濃度來看，4種濕地植物地上和地下器官氮濃度在不同階級凈化池略有差別，即凈化池養(yǎng)分供應影響濕地植物的養(yǎng)分吸收和分配，但平均來看，美人蕉組織中氮含量最高，蘆葦和再力花次之，水蔥最低，這與以往類似的研究結(jié)果有一定的差異[19]，可能因為本研究中的人工濕地系統(tǒng)是一個氮單一污染而磷等其他養(yǎng)分限制的生態(tài)系統(tǒng)。

已有研究表明，濕地植物凈化氮污染的能力不僅與植物組織中的氮濃度有關，還取決于其生物量及氮貯量[20-21]。從生物積累量來看，單位面積生物量最高的是蘆葦，其次是水蔥和再力花，而美人蕉最低，這表明本研究中的富氮少磷濕地環(huán)境較為適合蘆葦?shù)纳L，而美人蕉可能更易因水體氮多而受毒害或磷少而受限制，不利于其正常生長，結(jié)合美人蕉地上器官N∶P＞20，為4種植物中最高，因此推斷磷可能是美人蕉生長的限制因素[22]。綜合植物組織氮含量和生物量得到的氮貯量來看，發(fā)現(xiàn)全株氮貯量為蘆葦最高，美人蕉次之，水蔥和再力花最低?？梢姡J葦和美人蕉可推薦選為廢棄稀土礦區(qū)人工濕地凈化水體的物種。

進一步的分析可知，4種濕地植物的生物量和氮貯量均表現(xiàn)為地上器官高于地下器官，這與蔣躍平等[23]等的研究結(jié)果一致。這也表明，定期收獲植物地上部分即可有效去除水體的氮污染[24-25]，降低水體的氨態(tài)氮和全氮濃度[26]。本研究中，氨態(tài)氮隨凈化池階級增加而呈下降的趨勢，總氮含量呈現(xiàn)出凈化池顯著低于氧化塘的現(xiàn)象均進一步支撐以上推斷。不過需要指出的是，本人工濕地系統(tǒng)剛剛構建1年，濕地植物種植時間較短，生物量積累還非常有限，導致總體的凈化能力還不足，有待進一步加強后期的跟蹤研究。

濕地植物水體凈化功能除與植物自身的特性有關外，還與水體的水質(zhì)有密切的關系[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同階級凈化池中氨態(tài)氮、總氮和有效磷及其相應的氮磷比有顯著的變化，第一、第二、第三級凈化池中氨氮削減率和總氮削減率均隨凈化池階級增加而呈增強的趨勢。與此同時，4種濕地植物在不同凈化池中的生長及養(yǎng)分含量也有較大的差異，一級凈化池中，蘆葦?shù)牡厣虾腿晟锪扛哂谄渌?物種2倍以上，生產(chǎn)力最高。盡管植物組織中氮含量蘆葦?shù)陀诿廊私叮A量仍為蘆葦＞美人蕉＞再力花＞水蔥，表明蘆葦和美人蕉具有較強的水體氮凈化能力。二級凈化池地上和全株生物量為再力花最高，蘆葦和水蔥次之，美人蕉最低，氮貯量為蘆葦和美人蕉最高，再力花次之，水蔥最低，這表明二級凈化池較適合再力花的生長，可以將其作為二級凈化池優(yōu)先種植的物種之一。三級凈化池中地上和全株生物量為蘆葦最高，水蔥次之，再力花和美人蕉最低，相應的氮貯量為蘆葦和水蔥較高，再力花居中，美人蕉較低，由此可見，水蔥可優(yōu)先選擇作為三級凈化池中種植的物種之一。

以上分析可知，4種植物在不同階級凈化池的效果各異。氮素是植物生長需求量最大的礦質(zhì)營養(yǎng)元素[28]，植物對氮素的吸收受到生長環(huán)境、氮的形態(tài)等因素影響[29]。在第一階級中，蘆葦根系尤為發(fā)達[30]，生物量最高，階級式的人工濕地使水體形成好氧-厭氧-好氧的區(qū)域[31]，促進濕地植物對氮的吸收，對水體中的氮凈化效果明顯；在第二階級中，再力花地上和地下器官生物量均最高，特別是地下器官表現(xiàn)出非常高的生物量積累，可作為適生于第二階段的濕地植物進行種植。在第三階級中，水蔥與蘆葦均表現(xiàn)出較好的凈化氮的效果，主要源于其適生于此微環(huán)境，其地上和地下器官的生物量較高。

另一方面，氮磷比是評價植物生長養(yǎng)分限制的重要指標[32]。以氮貯量最高的濕地植物美人蕉為例，在三個階級中該植物均表現(xiàn)出地上器官N∶P＞16，表明其生長主要受P限制[33]。對于不同的階級來說，由于氮磷濃度有所差異，植物在各個階梯中的凈化效果也各不相同。因此，今后利用濕地植物凈化水質(zhì)時，既要考慮植物吸收污染元素的能力，也要關注養(yǎng)分限制性的影響。從本研究結(jié)果來看，在尋烏廢棄稀土礦區(qū)人工濕地凈化氮污染時，可以往水體中添加適量的磷，平衡養(yǎng)分元素的化學計量比，有利于植物的正常生長，從而提高濕地系統(tǒng)凈化氮的效果。

4種濕地植物生長狀況及地上和地下器官氮磷含量在不同階級凈化池中表現(xiàn)各異。單位面積生物量平均來看蘆葦最高，水蔥次之，再力花和美人蕉最低；植物組織氮濃度為美人蕉最高，蘆葦和再力花次之，水蔥最低；相應的氮貯量為蘆葦最高，美人蕉次之，水蔥和再力花最低，且地上器官顯著高于地下器官。植物組織磷濃度為再力花和美人蕉高于水蔥和蘆葦，美人蕉和水蔥地上器官氮磷比在不同階級凈化池均＞16。蘆葦和美人蕉為研究區(qū)人工濕地構建的優(yōu)先推薦植物。

第一級、二級、三級凈化池氨氮削減率和總氮削減率均隨凈化池階級增加而呈增強的趨勢。一級凈化池地上和全株生物量蘆葦高于其他3物種，氮貯量為蘆葦和美人蕉高于再力花和水蔥，推薦蘆葦和美人蕉優(yōu)先配置于一級凈化池。二級凈化池植株生物量為再力花最高，蘆葦和水蔥次之，美人蕉最低，表明二級凈化池較適應再力花的生長，可將再力花作為二級凈化池推薦種植的物種之一。三級凈化池植株生物量為蘆葦最高，水蔥次之，再力花和美人蕉最低，可將水蔥作為三級凈化池推薦種植的物種之一。綜上所述，蘆葦和美人蕉更宜配置于第一級凈化池，再力花和水蔥可分別配置于第二和第三級凈化池。