10種濕地植物對不同程度模擬污染水體的凈化效果研究

遲韻陽，付宇新，何素琳，李 田，張繼紅，季 巍，樓浙輝

（江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌330013）

隨著我國城市和工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)耕化肥的濫用及含磷洗滌劑的大規(guī)模使用，以及未經(jīng)處理的城市生活污水和工農(nóng)業(yè)污水等大面積流入湖泊和江河中，造成水環(huán)境污染，致使?jié)竦厣鷳B(tài)環(huán)境遭到破壞[1]。如何修復(fù)富營養(yǎng)化的污染水體，恢復(fù)水體的綜合功能是當(dāng)今社會亟待解決的問題[2]。據(jù)報道，針對水體凈化的處理方法有物理法、化學(xué)法和植被生態(tài)修復(fù)法[3]。但物理法和化學(xué)法存在成本高、耗時長、易造成二次污染等缺陷，相較于植被修復(fù)生態(tài)法具有投資小、見效快、沒有二次污染、管理維護方便等優(yōu)勢，成為當(dāng)今水體凈化的最優(yōu)選擇[4-7]。

不同植被對水質(zhì)凈化的效果不同，楊賢鑫等人利用10種水生植物對水質(zhì)凈化效果進行研究，結(jié)果表明水芹、紙莎草和蓼對總磷（TP）和總氮（TN）的吸收效果最佳，去除率達到65%以上[8]；焦學(xué)園對6種挺水植物和4種沉水植物的氮磷去除量進行比較，發(fā)現(xiàn)蘆竹、蘆葦、千屈菜、黑藻、苦草的綜合去除能力較好，且適應(yīng)性也較好[9]；鄧鴻楊等人對浮萍、金魚藻、睡蓮、茭白、黃花鳶尾5種水生植物混合組合進行去除氮磷效果實驗，發(fā)現(xiàn)浮萍+茭白組合對去除氮磷的效果最佳[10]。大多數(shù)文章報道均是對TP和TN進行檢測，而pH值可以衡量水體環(huán)境的穩(wěn)定性、化學(xué)需氧量（COD）可以衡量水體受有機物的污染程度、氨氮（NH4+-N）可以衡量水體受污染程度，這3個指標(biāo)也是評價地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基本項目，是反映水體狀況的重要指標(biāo)。

本研究選用有代表性的濕地植物美人蕉（Canna indica）、紫芋（Colocasia antiquorum）、黃菖蒲（Iris pseudacorus）、千屈菜（Lythrum salicaria）、再力花（Thalia dealbata）、花葉蘆竹（Arundo donax）、石菖蒲（Acorus calamus）和水芹（Oenanthe javanica）、苦草（Vallisneria natans）、萍蓬草（Nuphar pumila），進行室內(nèi)靜態(tài)模擬水體污染試驗，通過檢測水體的pH值、COD和NH4+-N這3個指標(biāo)，從而評估各濕地植物改善水環(huán)境的能力，以期為受污染水體的濕地植物治理提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與模擬污水

試驗全程在江西省林業(yè)科學(xué)院溫室大棚內(nèi)進行，供試材料為美人蕉、紫芋、黃菖蒲、千屈菜、再力花、苦草、花葉蘆竹、石菖蒲、萍蓬草和水芹10種濕地植物（表1），2019年種植前用自來水對植物進行整體清洗，清洗過程中避免植物根須和莖稈受損[11-12]，然后種植在溫室大棚培養(yǎng)，一年后即2020年7月進行人工模擬污水試驗。人工模擬污水在調(diào)查取樣的基礎(chǔ)上進行配制，以無水乙酸鈉為碳源，硫酸銨為氮源，磷酸二氫鉀為磷源，每升水中加入1 mL微量元素配制營養(yǎng)液。模擬污水[13]分別制定高濃度（無水乙酸鈉300 mg·L-1，磷酸二氫鉀4 mg·L-1，硫酸銨20 mg·L-1）、中濃度（無水乙酸鈉150 mg·L-1，磷酸二氫鉀2 mg·L-1，硫酸銨10 mg·L-1）、低濃度（無水乙酸鈉75 mg·L-1，磷酸二氫鉀1 mg·L-1，硫酸銨5 mg·L-1）3個梯度。

表1 10種供試濕地植物名錄Tab.1 The list of 10 tested wetland plants

1.2 試驗設(shè)計

選擇大小均勻、長勢良好的10種濕地植物作為供試植物。在450個實驗水箱中倒入各自所需的水體材料，每箱水體的體積為50 L，并用記號筆對水位線進行標(biāo)記。將濕地植物根據(jù)實驗要求放入450個實驗水箱中，每種濕地植物分別按照15箱高濃度污水、15箱中濃度污水、10箱低濃度污水和5箱清水對照進行處理，每個水箱中分別放置6株大小均勻、長勢良好的植株。水培模擬試驗周期為30 d。在試驗期間，定期補充自來水，用以補充因蒸發(fā)以及采樣等所消耗的水分，確保實驗水箱中水位保持穩(wěn)定。分別于第5 d、10 d、15 d、30 d進行水樣采集，每次采集水樣500 mL（混合樣），采集時間均在8:00－9:00（采樣后把樣品送至江西省林業(yè)科學(xué)院國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心（南昌）進行檢測），為避免試驗誤差，當(dāng)天測定pH、NH4+-N和COD。

1.3 檢測方法

COD采用快速消解分光光度法測定[14]，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定[15]；pH采用離子電極法測定。實驗中所用的試劑藥品均為分析純。

各水體指標(biāo)的去除率（L）[16]按以下公式計算：

式中，C0為初始濃度，Ci為處理后濃度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)整理與熱圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濕地植物對模擬污水的COD去除率

如圖1所示，不同濕地植物對污染水體COD的去除率均隨著處理時間的增加由紅色、黃色逐漸變成綠色，說明COD的去除率隨著處理時間的延長呈遞增趨勢，直至30 d實驗結(jié)束時，各濕地植物的去除率達到最大值，范圍在72.64~96.08%（表2）。不同植物COD單位的去除能力存在較大差異，水芹、美人蕉、花葉蘆竹和再力花，在低濃度處理5 d時，較其它6種濕地植物去除效果明顯，說明美人蕉等4種植物凈化水質(zhì)見效較快；這是由于美人蕉等植物葉較大，更利于植物本身進行光合作用，可以將大量氧氣運輸至水環(huán)境中，使水體溶解氧含量上升，分解大量有機物，使COD去除效果增加[1]。在處理30 d時，石菖蒲、萍蓬草、黃菖蒲、水芹和花葉蘆竹的去除率與對照相比效果明顯，而再力花、美人蕉和紫芋僅次于上述5種濕地植物，去除效果最差的是千屈菜和苦草，據(jù)周雪等人[17]報道沉水植物更有利于COD的去除，本實驗得到的結(jié)果有所不同，苦草為沉水植物，而其去除率卻最差，據(jù)丁海濤等人報道，這可能是由于植物在不同生長期對有機物的分解能力不同[1]。綜上所述，水芹和花葉蘆竹對污染水體的凈化效果最優(yōu)。

圖1 10種濕地植物對模擬污染水體CO D的去除率熱圖分析Fig.1 Heat map of removal rates of COD in stimulated polluter waters treated by 10 wetland plants

表2 10種濕地植物對模擬污染水體CO D的去除率/%Tab.2 The effects of 10 wetland plants on removal rates of COD in stimulated polluted waters/%

2.2 不同濕地植物模擬污水的pH值

如圖2所示，不同濕地植物的pH值隨著試驗時間的延長呈上升趨勢，整體范圍在5.58~8.71（表3）。模擬污染水體初始pH值呈現(xiàn)弱酸性，隨著時間的延長，實驗后期水體呈現(xiàn)弱堿性。高濃度污染水體中，苦草、水芹、花葉蘆竹和石菖蒲在0~30 d時分別從6.65、6.77、6.72、6.75上升至7.63、7.71、7.71、7.68，其他試驗組水體pH值均無明顯變化，表明水體環(huán)境趨于穩(wěn)定。中濃度污染水體中，紫芋和千屈菜在0~30 d時分別從6.63、6.5上升至7.69、7.22，其他試驗組水體pH值趨于穩(wěn)定。低濃度污染水體中，水芹和再力花在0~30 d時分別從6.74、6.71上升至7.66、7.57，其他試驗水體pH值變化幅度較小，趨于穩(wěn)定。

表3 10種濕地植物對模擬污染水體pH值的影響Tab.3 The effects of 10 wetland plants on pH values of stimulated contaminated waters

圖2 10種濕地植物對模擬污染水體pH值影響的熱圖分析Fig.2 Heat map of pH values of stimulated polluter waters treated by 10 wetland plants

2.3 不同濕地植物對模擬污水的NH4+-N去除率

如圖3所示，不同濕地植物對污染水體NH4+-N的去除率隨著處理時間的增加由粉色、白色逐漸變成藍色，說明NH4+-N的去除率隨著時間的延長呈現(xiàn)遞增的趨勢，直至30 d實驗結(jié)束時，各濕地植物NH4+-N的去除率達到最大值，范圍在83.33~100%（表4）。在處理第5 d時，萍蓬草和紫芋對不同濃度處理組均呈現(xiàn)出較強的去除能力，在高濃度處理時去除率分別高達51.27%和46.36%；黃菖蒲、水芹、花葉蘆竹、再力花和美人蕉在低濃度處理時去除率均達到80%以上，說明上述濕地植物均能對低濃度污染水體起到快速凈化的作用；千屈菜和石菖蒲的去除效果相對較差。據(jù)報道，水體中NH4+-N的去除途徑主要有植物吸收、硝化反應(yīng)和氨揮發(fā)等[1]。pH大于8時對氨揮發(fā)影響很大，而監(jiān)測結(jié)果除了苦草在高濃度處理第15 d時pH超過8，其它試驗水體pH均小于8，因此氨揮發(fā)不是去除NH4+-N的主要途徑。濕地植物對NH4+-N的去除主要通過植物根系將水體中的NH4+-N吸收、吸附以滿足自身的生長發(fā)育與新陳代謝，以及微生物的協(xié)助作用從而降低污染水體中NH4+-N的濃度[1,18-19]。隨著處理時間的增加，直至第30 d，除黃菖蒲、水芹、花葉蘆竹和美人蕉在高濃度處理時，NH4+-N的去除率未達到90%，其余濕地植物的去除率均達90%以上，與對照相差較小，說明上述濕地植物對低濃度和中濃度污染水體均能達到較好的凈化效果。綜上所述，萍蓬草和紫芋的凈化效果最優(yōu)，苦草、石菖蒲、水芹、花葉蘆竹、千屈菜、黃菖蒲、再力花和美人蕉次之。

表4 10種濕地植物對模擬污染水體NH4+-N的去除率/%Tab.4 The effects of 10 wetland plants on removal rates of NH4+-N in stimulated polluted waters/%

3 結(jié)論

由于植物修復(fù)具有投資小、見效快、沒有二次污染、管理維護方便等優(yōu)點，因此非常適用于對污染水體的修復(fù)。本文研究了10種濕地植物對不同程度模擬污染水體中NH4+-N、COD的凈化效果以及pH值的變化，通過30 d的試驗，植物生長狀況均較良好，未見有不適狀況，因此未作生長指標(biāo)評估。10種濕地植物在污水中種植一段時間后，水體pH值均有從弱酸轉(zhuǎn)為弱堿性的趨勢，但此次試驗未設(shè)置pH值對比梯度，因此對水體的酸性處理效果未完全展現(xiàn)，后期可對此進一步進行研究；水芹和花葉蘆竹對COD的去除效果是最好的，在處理30 d后，水芹和花葉蘆竹對高濃度的污染水體的去除率分別高達96.02%和94.22%；萍蓬草和紫芋對NH4+-N的去除效果最好，在處理30 d后，萍蓬草和紫芋對高濃度的污染水體的去除率分別高達100%和96.91%。因此，建議將水芹、花葉蘆竹、萍蓬草和紫芋應(yīng)用于污染水體的修復(fù)治理中，以期為濕地生態(tài)修復(fù)等工程對植物的選擇以及推廣應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)。