濕地植物對農(nóng)村生活污水中氮磷的凈化作用

張靖雨， 汪邦穩(wěn)， 龍昶宇， 張 衛(wèi)， 張世杰， 朱昊宇

(1.安徽省·水利部淮河水利委員會 水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088； 2.水利水資源安徽省重點(diǎn)實驗室， 安徽 蚌埠 233000)

農(nóng)業(yè)面源污染是水體富營養(yǎng)化的主要原因，其貢獻(xiàn)率大大超過城市、工業(yè)的點(diǎn)源污染。農(nóng)村生活污水排放量較少且時間集中，日變化系數(shù)大[1]。水生植物修復(fù)技術(shù)因其環(huán)境友好、成本低、凈化能力突出等特點(diǎn)，逐漸成為一種重要的生態(tài)治理方法[2-3]。水生植物除本身能吸收同化氮磷等污染物外，還能通過根系沁氧[4]、細(xì)胞釋放無機(jī)離子、糖類和有機(jī)酸等方式，為微生物提供生長代謝所需碳源。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，中國水生植物共有61科，168屬，741種[5]，用于濕地、河道修復(fù)等生態(tài)處理的研究多數(shù)集中在蘆葦、菖蒲以及苦草、金魚藻等常見的單一生態(tài)型[6-7]，這一類存在易受季節(jié)影響以及抗逆性差等問題，合理的植物群落組合的凈化效果更穩(wěn)定[8]。李歡等[9]認(rèn)為混合群落中植被相對生長速率和累積生物量顯著高于單獨(dú)種植時期，Rodriguez等[10]發(fā)現(xiàn)蘆葦與虉草的組合可以維持高效去污和低硝酸鹽濃度之間的穩(wěn)定關(guān)系。另一方面，不同的植物組合和種植條件構(gòu)建的濕地系統(tǒng)其脫氮除磷特征也存在差異。周玥等[11]發(fā)現(xiàn)高濃度污水中單種挺水植物對TP的凈化效果較好而多種植物組合對TN的凈化效果更好。一般來說，濕地系統(tǒng)對污水中氮、磷的去除率平均能達(dá)到60%～90%[12]，但植物吸收對氮、磷去除貢獻(xiàn)率平均只在6%～20%之間[13]，氮、磷物質(zhì)的吸收同化是植物修復(fù)的主要去除方式[14]。相當(dāng)部分的氮磷養(yǎng)分以沉積的方式被底泥截留，沉積物蓄積是氮、磷最主要的支出途徑，占總支出氮、磷的比例為28.6%和42.3%[15]。關(guān)于適宜區(qū)域環(huán)境和不同生態(tài)型濕地植物組合的凈化效果仍有待深入研究，同時有關(guān)濕地系統(tǒng)內(nèi)氮磷養(yǎng)分去向特征的研究少有報道。因此，深入探討氮磷高效吸收的最優(yōu)植物組合模式對提高鄉(xiāng)村生態(tài)綜合治理效益具有重要的現(xiàn)實意義和工程價值。

本文選取不同生態(tài)型的6種濕地植物，在室內(nèi)靜水條件下通過植物生物量、污水氮、磷去除率、植物和底泥吸附量等多方面研究其鑲嵌組合對污水的凈化效果，分析污染物去除特征和途徑，旨在優(yōu)化水生植物配置，為構(gòu)建濕地植物和鄉(xiāng)村生態(tài)綜合治理模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 試驗設(shè)計

將所選取的各類植株，按照生長習(xí)性和景觀效益進(jìn)行組合配置，依次為：單一挺水種植組的再力花(Z)、美人蕉(M)、菖蒲(C)、梭魚草(S)、鳶尾(Y)，單一沉水種植組的苦草(K)，組合種植組的苦草+再力花(K+Z)、苦草+美人蕉(K+M)、苦草+菖蒲(K+C)、苦草+梭魚草(K+S)、苦草+鳶尾(K+Y)。各組試驗水箱內(nèi)種植密度保持一致，同時以無植物種植的水箱作為空白試驗組。試驗共12組處理，每組3個重復(fù)。

試驗于2020年7月2日至9月2日開展，共計63 d，在自然通風(fēng)條件下進(jìn)行，場地設(shè)有擋雨棚，雨天時打開避雨。先采集底泥，待攪拌、混合均勻后覆于箱底，每桶底泥厚度為200 mm。再挑選溝塘內(nèi)預(yù)培養(yǎng)的各類長勢良好，大小一致的植株沖洗干凈后移至箱內(nèi)，加入同位置水樣直至高出底泥基質(zhì)200 mm處，再培育6～7 d左右。待植物長勢穩(wěn)定后排凈培養(yǎng)水，最后每桶加入40 L試驗站內(nèi)化糞池中的生活污水。期間定期(5～7 d)補(bǔ)加少量蒸餾水至初始高度，以維持水位。

1.3 采樣與測試

(3) 植物樣品。試驗開始時，取大小、長勢較為接近的樣品，測定初始生物量及各項指標(biāo)；試驗結(jié)束時每組收獲大小、長勢較為平均的整株植物，測定其生長量及各項指標(biāo)。采集后的植株樣品依次用自來水、去離子水沖洗干凈，濾紙吸干水分，分根、莖葉稱鮮重，之后放置在85 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，測量植株干重。經(jīng)粉碎研細(xì)后用過0.15 mm篩，采用半微量開氏方法，用凱氏定氮儀測定植株TN含量；采用硫酸—高氯酸消煮—鉬銻抗比色法，用全自動化學(xué)分析儀測定植株TP含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

植物相對生長速率的計算公式[16]如下：

RGR=〔ln(Bt/B0)〕/t

(1)

式中：RGR為植物的相對生長速率(%/d)；B0和Bt分別為實驗開始和結(jié)束時植物的總生物量(g)；t為實驗周期(d)，本研究中t為60 d。

單位面積植物平均氮(磷)吸收量計算公式為：

Qp=PCi×PBi

(2)

式中：Qp為單位面積植物平均氮(磷)吸收量〔mg/(m2·d)〕；PBi為試驗開始時、結(jié)束時單位面積植物干重(g/m2)；PCi為試驗開始時、結(jié)束時植株內(nèi)氮(磷)含量(mg/g)。

單位面積底泥平均氮(磷)吸收量計算公式為：

Qs=1 000×ρb×V×(CSt-CS0)/S

(3)

式中：Qs為單位面積底泥平均氮(磷)吸收量〔mg/(m2·d)〕；ρb為底泥容重(g/cm3);V為水箱內(nèi)底泥體積(m3)；CSt為第t天時底泥氮(磷)含量(mg/g)；CS0為試驗開始時底泥氮(磷)背景含量(mg/g)；S為有效面積(m2)。

采用Microsoft Excel計算數(shù)據(jù)、繪圖，采用統(tǒng)計分析軟件SPSS22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物去除效果

2.2 植物生長情況及氮磷積累量變化

如表1所示，苦草的莖干、根系在培養(yǎng)前后的變化均不顯著。在單種或混種培養(yǎng)方式下，再力花、菖蒲和梭魚草培養(yǎng)后的莖干長度均顯著高于培養(yǎng)前。長勢最好的是單一種植的再力花，根、莖長度的相對生長速率為最大，且顯著高于苦草和菖蒲，混合種植培養(yǎng)的再力花的干重相對生長速率最大?；旌戏N植培養(yǎng)的美人蕉以及單一種植培養(yǎng)的梭魚草最低，與其他各類植株的干重均存在顯著差異。鳶尾地上和地下部分生物量的比值最大，從植物收獲的可操作性方面來看，地上部分生物量的占比越大，越有利于污水凈化系統(tǒng)通過收割地上莖葉去除氮、磷物質(zhì)。因此單從植物生長狀況這一層面來說，再力花、鳶尾在淮北平原區(qū)是適宜種植的濕地植物，種植梭魚草、美人蕉對污水凈化的功效相對較差。

注：Z，M，C，S，Y分別為單一挺水種植組的再力花、美人蕉、菖蒲、梭魚草、鳶尾，K為單一沉水種植組的苦草，(K+Z)，(K+M)，(K+C)，(K+S)，(K+Y)分別為組合種植組的苦草+再力花、苦草+美人蕉、苦草+菖蒲、苦草+梭魚草、苦草+鳶尾。下同。

培養(yǎng)前再力花處理組中植物TN，TP積累量最高，分別為449.9，130.7 mg/m2，苦草最低。不同處理組中植物體內(nèi)氮積累量均隨時間推移呈現(xiàn)上升趨勢(圖2)，培養(yǎng)前后各組植物體內(nèi)TN積累量均有顯著差異；而磷積累量隨時間變化不顯著。培養(yǎng)后，苦草組的TN,TP積累量增幅最高，分別較初期增加了12.4,1.3倍，顯著高于其他挺水植物，說明沉水植物比挺水植物對污水中TP 的吸收效果更好?？嗖?再力花組中TN積累量、再力花組中TP積累量最大，分別為1 683.2,173.2 mg/m2。除梭魚草外，組合處理組與單一處理組的TN,TP積累量之間無顯著差異。水生植物對污水中氮素有更好的吸附作用，對磷素的吸收效果一般；挺水植物生物量越大，對氮的吸收同化作用越好，這與周玥等[11]、Catalina等[17]的研究結(jié)果較為接近。

不同處理組中氮磷在植株體內(nèi)的分配情況見圖3。如圖3所示，培養(yǎng)前，再力花、梭魚草根部的TN，TP 含量顯著大于莖部，含量占全部的比例分別為81.4%，74.3%和80.6%，71.0%，培養(yǎng)后該比例分別下降至35.7%，53.4%和27.5%，50.1%，氮、磷等養(yǎng)分呈現(xiàn)出由根部向莖葉轉(zhuǎn)移的趨勢。試驗?zāi)┢诿廊私?、苦草中氮、磷的分配比例較試驗開始時變化較小，養(yǎng)分轉(zhuǎn)移變化規(guī)律并不顯著，與培養(yǎng)期間植物的生長狀態(tài)較差有關(guān)。

表1 不同水生植物試驗前后生長狀況

注：不同大寫字母表示同一處理組在不同采樣時間植株TN，TP積累量差異顯著(p<0.05)；不同小寫字母表示同一采樣時間不同處理組植株TN，TP積累量差異顯著(p<0.05)。

圖3 氮、磷在植株體內(nèi)的分配特征

2.3 底泥氮、磷吸收量變化

注：不同大寫字母表示同一處理組在不同采樣時間底泥及TP吸收量差異顯著(p<0.05)；不同小寫字母表示同一采樣時間不同處理組底泥及TP吸收量差異顯著(p<0. 05)。

2.4 質(zhì)量平衡

如表2所示，整個水生植物處理系統(tǒng)中，各處理組中 TN，TP的平均總攔截量分別為862.0，46.1 mg，單位面積平均去除負(fù)荷分別為85.6，4.6 mg/(m2·d)。其中，苦草組、苦草+菖蒲組TN，TP攔截量最高，鳶尾組的TN去除量最低，苦草+美人蕉組的TP去除量最低。植物吸收總氮占系統(tǒng)總?cè)コ康谋壤?.9%～18.3%之間，植物吸收總磷占系統(tǒng)總?cè)コ康谋壤?.1%～13.6%之間，與衛(wèi)小松等[18]、Gaballah等[6]的結(jié)果一致，植物吸收對氮、磷去除的貢獻(xiàn)存在一定差異，美人蕉、梭魚草及其組合種植處理組中植物吸附量所占比例均與再力花、鳶尾等種植組差異明顯。

表2 污染物質(zhì)量平衡

底泥吸附氮、磷占去除總量的比例范圍在14.0%～31.5%和26.3%～68.4%之間，底泥吸附對 TP 去除的貢獻(xiàn)明顯高于對 TN 去除的貢獻(xiàn)。此外，空白對照組中底泥吸附氮、磷比例基本高于其他水生植物種植組，通過污染物平衡計算的其他途徑對氮、磷去除量占消納總量的比例平均達(dá)到65.9%和53.3%，除去營養(yǎng)自然流失等客觀因素的考慮之外，一定程度說明存在于底泥、水體等濕地系統(tǒng)中的微生物菌群及酶的直接、間接作用對氮磷的去除發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[19]，植物對濕地N，P去除的影響不僅直接體現(xiàn)在N，P吸收，更在于根系泌氧作用為微生物生長、活動提供了碳源。

3 討 論

各組水生植物在生活污水中大多長勢良好，經(jīng)過2個多月的生長，株高增長0.4～1.5倍，根長前后變化不顯著，鮮重增加0.2～1.8倍。其中再力花生物量最大，鳶尾地上和地下部分生物量的比值最大。濕地植物對N，P的吸收量與其生物量呈顯著正相關(guān)[20]，是降解低濃度生活污水中氮磷的主要力量。植物根系長度對凈化水體的程度起著至關(guān)重要的作用[21]，并且地上部分生物量的占比越大，越有利于污水凈化系統(tǒng)通過收割地上莖葉去除氮、磷物質(zhì)。因此從株高、根莖長度、鮮重等植物生物量指標(biāo)以及植物收獲的可操作性方面來看，再力花和鳶尾具備較強(qiáng)的氮、磷吸收能力，是濕地植物較為理想的選擇。美人蕉在整個試驗階段株高和根長增長率最低，且后期出現(xiàn)枯黃現(xiàn)象，種植美人蕉、苦草效果相對較差，原因與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、試驗種植采用的底泥厚度、受試水深等多方面因素有關(guān)。

4 結(jié) 論

(2) 相比對磷素的吸收，水生植物對污水中氮素的有著更好的吸附效果。大型挺水植物如再力花、菖蒲等對氮的吸收同化作用更好，沉水植物比挺水植物對污水中TP 的吸收效果更好。培養(yǎng)前后，大多挺水植物如再力花、梭魚草等根部的TN，TP 含量占比明顯下降，氮、磷等養(yǎng)分表現(xiàn)出由根向莖葉轉(zhuǎn)移的趨勢，但美人蕉、苦草的養(yǎng)分遷移規(guī)律不顯著?？傮w上，再力花、鳶尾及苦草的鑲嵌組合在淮北平原區(qū)是濕地植物較為理想的選擇。