浮床栽种木本植物对人工湿地污水的净化效果

蒋丽娟，佟金权，易心钰

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

浮床栽种木本植物对人工湿地污水的净化效果

蒋丽娟，佟金权，易心钰

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

用木本植物萼距花、杨树和旱柳作为泡沫板浮床栽培材料, 研究其生长状况及对人工湿地污水的净化效果。结果表明，3种植物在N、P含量较高的污染水体中都可以正常生长。在生长旺盛季节内3种植物对污染水体中的 COD的月平均去除率分别为45.02%、46.41%和62.44%， 对TN的月平均去除率分别为40.27%、48.27%、63.29%，对TP月平均去除率分别27.76%、39.8%9和40.06%。其中对TN、TP的去除率显著高于对照植物凤眼莲。同时3种植物对重金属Hg、Cd、Cr、Cu具有较强的富集力，而对Mn、Zn和Pb具有超富集潜力。

萼距花；杨树；旱柳；污染水体；去除率；重金属富集

利用生物浮床治理富营养化水体逐步成为受损水生生态系统恢复的关键技术，在我国的研究和应用日益增多。浮床栽种植物类型有经济植物如水稻、 黑麦草和水芹，观赏植物如香根草、 美人蕉、以及蔬菜和饲料植物如空心菜等多种水生或陆生植物[1-2]。到目前为止，大多浮床栽种系统以草本植物为主，涉及到的木本植物极少。草本植短期内生物量增长快，N、P除去力强，但生长周期短、收获较困难，收获的植物利用率低。木本具有生长周期长，利用价值高，将木本植物引种湿地可在一定程度上缓解草本湿地植物换季难[3-4]，笔者利用萼距花、旱柳和杨树为浮床栽培材料,测定其生长情况及其对污染水体营养的吸收及去除效果，研究结果为利用富营养化水体繁殖培育木本观赏植物和能源植物、人工湿地植物的选择与配置提供支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

植物选择：选择具有较高观赏价值和能源价值、可进行规模繁殖的耐水湿植物萼距花Cuphea hyssopifolia、旱柳Salix matsudana和杨树Poplus deltoides Bartr.X P. euramericana为浮床植物。

植物种植：以中南林业科技大学株洲校区组合人工湿地系统中的表流湿地为试验基地，以盆栽作为辅助试验。将表流湿地分隔成3～5个小区，每一小区内的浮床栽种1种植物，每1个小区为一试验重复，每种植物共计3个重复，以浮水植物凤眼莲为对照植物，同时，设置空白对照 (即不栽植任何植物的浮床)。 萼距花、杨树和旱柳插条插入泡膜浮床上，然后将浮床放入表流湿地中，定期观测插条的生根、存活及生长情况，观测植物生长势、不同植物在相同季节和相同植物在不同季节对污水的净化能力。

湿地水源：试验培养水源为生活污水和试验楼污水混合，混合比为3∶1， 24 h连续动态供水，量变化较大，约为600～1050 t/d。生活污水中COD、BOD、TN和TP浓度变幅较大，试验废水中Pb、Cd、Cr等多项指标超过了国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）规定的排放标准。废水的化学性质见表1。

表1 浮床栽培废水源理化特性Table 1 Physical and chemical properties of wastewater for floating stuff (mg/L)

1.2 试验方法

1.2.1 COD、TN、TP去除率测定

按《水和废水监测分析方法》[5]，测定这些指标在处理前后水中的变化，根据去除率% = 100(污水值-出水值)/污水值，计算出不同植物对每类污染物的去除率。

1.2.2 植物体重金属含量测定

采用随机取样法，将每株样品风干、粉碎，用H2SO4消煮制备成溶液。金属离子含量采用原子吸收分光光度法[6]。

1.2.3 植物根系活力测定

TTC（氯化三苯基四氮唑）法[7]，以TTC还原量表示脱氢酶活性并作为根系活力的指标。四氮唑还原强度（mg/g(根鲜重)/h）＝四氮唑还原量（mg）/[根重（g）×时间(h)]

所有的试验数据均采用平均值。采用SPSS软件对微生物数量、脲酶、磷酸酶活性参数与人工湿地的净化效果进行二维或多维P≤0.05的相关显著性分析。

2 结 果

2.1 萼距花、旱柳和杨树在富营养化水体中的生长状况

对表流湿地浮床栽种的3种木本植物及对照植物凤眼莲进行定期观察，记录植物存活、水面上部分及水下根系生长发育状况（表2）。结果显示，以相同栽培方式（所有植物栽种前均没进行预处理），栽种在相同污染水体中的4种植物在新根发育时间、新根数量、植株存活率、生长势等方面存在差异，但3种木本植物在污染水体中扦插存活率都较高，萼距花和杨树的扦插成活率高达100%，旱柳成活率85%以上。与旱土栽种的杨树、旱柳和萼距花比较，水生环境中生长的植株根系形态及其分布发生改变， 根系分布较浅，主根向下伸入水下15 cm左右。主侧根分化不明显，侧根分枝增多，形成近须根状簇生的根系，成近水平展开。

表2 不同植物引种表流湿地后存活状况Table 2 Survival rate and growth vigor of different plants growing in waste water

上述结果表明，通过扦插方法、利用富营养水体可进行木本植物繁殖培育，建立湿地乔灌木植物群落。

2.2 不同植物对污水COD的去除效果

植物扦插成活后的第二个月（即5月份）开始对污染水体中的COD具有较高去除率，图1显示4种植物在生长旺盛期内的不同月份对水中COD的去除效果。

木本植物旱柳、杨树和萼距花都具有较高的COD去除能力，6、7、8、9月份植株对COD的月平均去除率最高可达85%以上。3种木本植物中，旱柳对COD的去除效果最好，6月份高达90.75%，且显著高出对照植物凤眼莲。10月底，木本植物生长速度降低或接近停止，开始落叶，塘内有少量的枯落物， COD去除率逐渐降低； 生长期的7个月内COD平均月去除率从强到弱顺序如下：凤眼莲＞旱柳＞杨树＞萼距花。

图1 不同植物对COD的去除效果Fig.1 Removal rate of COD with different plants

2.3 不同植物对污水TN的去除效果

测定不同植物不同生长期对总氮的去除效果（如图2）显示：在植物生长的早期（5，6月份）和生长晚期（10、11月份），木本植物对TN的去率高于对照的草本植物凤眼莲，在生长期（7个月）内旱柳对 TN的去除力最强，其中7、8两个月的TN去除率高达85%以上。4种植物对TN的去除能力高低顺序为：旱柳＞杨树＞凤眼莲＞萼距花，木本植物旱柳和杨树对TN的去除率均高于凤眼莲。

图2 不同植物对TN的去除效果Fig.2 Removal rate of TN with different plants

2.4 不同植物对污水TP的去除效果

图3 显示不同植物不同生长时期对TP的去除效果。旱柳在6、7、8三个月内均具有较高的去除率，分别达81.45%、77.48%、81.06%。10底月草本植物进入枯黄季节，3种木本植物仍具有较高的TP去除率，尤其是萼距花和旱柳。4种植物在生长期内对TP的平均去除率依次是：旱柳＞杨树＞凤眼莲＞萼距花，旱柳和杨树的TP去除率显著高于凤眼莲。

图3 不同植物对TP的去除率Fig. 3 Removal rate of TP with different plants

2.5 不同植物对污染水体中重金属的富集

湿地植物收获后，将其干燥，硝化，测定不同植物地上部分对不同重金属元素的富集量（见表3）， 从表中可知，在所观测的4种植物中，杨树植株体内所含的重金属元素As浓度低于污水中As 的含量外，其它重金属离子在植株体中的浓度均大大地超过污水中重金属离子的浓度，植物体内金属离子的最低含量也达到污水中金属离子浓度的1.5倍，表明植物对金属离子具有较强的吸收富集潜力。

表3 不同植物体内重金属离子浓度（ug/g 干物质）Table 3 Concentration of heavy metal ion in different plant tissues

图4 不同植物体内金属离子浓度Fig 4 Concentration of heavy metal ion in different plant tissue

上图4显示，不同植物对不同重金属富集力差异极显著（F＜0.01），每种植物都对一种或其中的几种重金属离子具有较强的吸收能力。3种木本植物对Zn、Cu、Pb和Mn都有较强的富集力，其中以旱柳对Mn富集力最强，是污水浓度的400多倍，其次是凤眼莲和萼距花对Mn富集力。旱柳对Cr亦具有极强的富集力（是污水中重金属浓度的75倍）。以上结果分析表明，试验的3种木本植物对污染水体的多种重属都具有较强的富集力，且旱柳对Mn、Cr、Pb的富集力显著高于对照植物凤眼莲。

2.6 植物生长特性与植物净化力分析

2.6.1 植物根系特性与植物净化的相关性

表4 为单位面积根数、根长与植物对COD、TN、TP去除效果的相关性。表中数据及其相关分析表明：单位面积根的数量与植物对COD、TN和TP的去除率没有显著的相关性；根的平均长度与植物TN、TP去除率呈极显著正相关（F分别为0.01和0.04＜F0.01），与COD的去除呈不显著正相关，但根系活力与COD呈极显著正相关（F=0.732＜F0.01），而与TN、TP的去除率呈不显著正相关。

2.6.2 植物生物量与植物净化的相关性

表中数据及其相关分析表明：单位面积生物量与植物对TN、TP的去除率成极显著正相关（r分别为0.789, 0.691，r≤0.01），但单位面积生物量与COD的去除呈正不显著正相关。

表4 植物根系与植物净化效果Table 4 Root system and contamination removing rate

表5 植物生物量与植物净化效果Table 5 Biomass and removal rate of COD/TN/TP with different plants

上述结果表明，根系活力有利于植物对有机物的分解，促进COD的去除，而植物根的生长和生物量的增加加速植物对N、P的需求，有利于污染水体中TN和TP的去除。

3 结论与讨论

木本植物在人工湿地中应用的制约因子之一是植物对水生生境的适应。前人对木本植物池杉、水翁、两栖榕及红树林的研究报道表明，只要植物能适应湿地环境，对营养盐和藻类就具有显著的净化效应均能取得较好的净[8-13]。本试验木本能源植物旱柳、杨树及木本观赏植物萼距花在含有多种重金属的富营养化污染水体中均能够正常生长, 并能有效地去除水体中的氮、 磷等营养物质。与草本植物凤眼莲相比，杨树和旱柳对TN、TP的去除效果更好。此外，3种木本植物对重金属Cd、Cr、Cu、Hg有较强的富集力，而对Mn、Zn和Pb具超富集潜力，以旱柳对Mn的富集力最强，其植物体内Mn的浓度是污水中浓度的400倍。

试验的3种木本植物的根系活力与植物COD去除率呈极显著正相关，植物根系平均长度和生物量与植物TN、TP的去除率呈极显著正相关，表明，采取生物或非生物方法促进植物根系发育、增加根性活力、促进植物生长，可克服木本植物因生长慢、根系发育不良，导致净化效果不占优势，人工湿地构建以草本植物为主的缺陷。

尽管目前在木本植物人工湿地污水净化与湖泊富营养化修复方面尚未有较系统的研究，但前人与本试验的研究结果表明，木本植物在构建污水处理人工湿地、湖滨带原位污染水体修复、面源污染控制及景观格局优化都具有较好的应用前景。

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Purif i cation effect of cultivating woody plants on fl oating beds on waste water of constructed wetland

JIANG Li-juan, TONG Jin-quan, YI Xin-yu
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

With cuphea, poplar and salix as the planting stuffs on fl oating beds, the studies on their growth status and the purif i cation effect on the waste water in constructed wetland indicate that the three woody plants could grow in the waste water normally. During their growing season, their removal rates of COD per month were 45.02%, 46.41% and 62.44%, removal rates of TN were 40.27%,48.27%, 63.29%, and removal rates of TP 40.27%, 48.27% and 63.29% respectively. Particularly, the removal rates of TN, TP with plants of poplar and Salix were much higher than that of water hyacinth plant. Meanwhile, the three plants have great enrichment capacity of heavy metal Mn, Zn and Pb.

Cuphea hyssopifolia; poplar; Salix matsudana; waste water; removal rate; heavy metal enrichment

S719

A

1673-923X(2012)12-0017-04

2012-06-13

湖南省环境科学与工程重点学科基金项目“生物质液体燃料资源植物光皮树品种选育和丰产栽培技术示范”(2011BAD22B08)

蒋丽娟（1965-），女，湖南道县人，博士，教授，研究方向：资源植物培育与利用；E-mail:znljiang2542@yahoo.cn

[本文编校：吴 彬]