观赏挺水植物在河涌污水中的生长及净化效果研究

聂 磊，贺漫媚

(1.广州城市职业学院 生物与环境工程系，广东 广州 510405;2.广州市园林科学研究所，广东 广州 510405)

城市水体富营养化是当前城市污染的主要问题。随着社会经济的迅猛发展和人口的剧增，大量未经处理的工业废水和生活污水肆意排入城市河涌，严重加速了水体富营养化的进程，危及市民身体健康，阻滞社会经济发展，甚至威胁人类生存。植物修复与自然净化法是当前国内外水体生态修复研究开发的重点，利用水生植物净化污水作为一种成本低廉，低碳环保、效益明显的简便易行方法，已成为各地改善水质的关注热点。目前，国内外有关部门正大力提倡应用植物处理措施净化污水［2］。本文以对河涌自然景观营造起关键作用的挺水植物为研究对象，开展人工湿地环境下，不同污染类型的河涌污水对海芋、花叶美人蕉、翠芦莉、风车草、菖蒲等挺水植物生长、生理特性和净污能力的影响，为修复美化城市河涌水体生态环境提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2009年8月至10月在广州市园林科研所苗圃(E 113°16'27″，N 23°09'44″)的大棚内进行。植物材料如下。

表1 挺水植物种类Tab.1 Schedule of wetland emerged plants in research

1.2 人工湿地处理方法

1.2.1 人工湿地系统构建 采用塑料桶(设定水位可容纳河涌污水量为8.5 L)构建微型人工湿地，湿地基质为碎石(粒径1～2 cm)。植物苗龄均1年左右，每种栽种植物选大小、生长状况一致，每种植物做20个重复，5个对照，共45株，每桶种1株。实验从8月—10月进行。其中8月5日开始，植物开始适应性培养，8月20日开始实施试验［3－4］。第1次取样及测定在9月4日，第2次在9月19日，第3次在10月4日。后续的一些测量统计均在10月完成。桶内水在每次取样后，均补充污水，达到设定水位。每次补充的水量在1 L左右，以弥补蒸发、蒸腾及取样造成的污水损失。

1.2.2 水样采集方法 污水采集于沙河涌的体育学院段(污水处理1)和海珠涌的庄头公园段(污水处理2)。沙河涌水质污染类型以石油类有机污染为主，同时含有少量重金属无机污染物。海珠涌水质污染类型以重金属无机污染为主，同时含有少量石油类有机污染物。以Hoagland’s水培标准营养液培养的挺水植物为对照。各项测定采样时间为每15 d 1次，共采样3次，每次采集约1 L水样，计算平均值［5］。

1.3 测定方法

1.3.1 水样测定 水样采集后在1天内完成测定，测定方法［6］如下:

(1)COD:重铬酸钾法。(2)TN:取样50mL，碱性过硫酸钾分解一紫外分光光度法。(3)TP:取样50mL，过硫酸钾氧化－铝蓝比色法。(4)NH3－N:钠氏试剂光度法。(5)BOD5:稀释接种法。

表2 研究用污水水质指标分析Tab.2 Water quality index of wastewater samples in research

1.3.2 植物生长指标测定方法 从污水处理后的第15天开始，详细记录各湿地桶内植物的生长情况，每隔15 d，测量1次植物的株高、叶面积、总叶数，共测定3次，计算平均值，比较不同植物种的长势差异。栽种前，用电子天平测定每株植物的鲜重。污水处理结束，植物最后收割后，用托盘天平测定每株植物的鲜重，根据根的直径(d)大小，将根分为d＜1mm，1mm＜d＜3mm，d＞3mm 3部分，并分别测出每株植物茎、叶、根的鲜重。所选择植物在8—10月均为正常生长周期。采用浙江托普仪器公司生产的便携式叶面积仪测定试验植物平均叶面积。计算植物样品在试验前后各生长指标的相对百分数。数据统计分析采用DPS数据处理系统进行Duncan’s多重比较检验。

2 结果与分析

2.1 污水处理对挺水植物生长状况的影响

株高是植物生长的主要性状，反映了植物获取外界营养的能力及生存状况。图1结果显示，11种植物中，海芋、再力花、翠芦莉、风车草、花叶芦竹、菖蒲、花叶美人蕉、细叶纸莎草等8种植物纵向生长较好。其中在沙河涌污水处理下，增长率最高的是花叶芦竹，达到123.23%;其次是海芋，达到118.45%。海珠涌污水处理下，增长率最高的是再力花，达到127.03%;再次是风车草，达到118.91%。梭鱼草、黄花鸢尾、水葱等植物的株高增长率表现负值，试验过程中出现了植物顶端叶片衰败及大量凋落的现象，其中下降幅度最高的是黄花鸢尾，沙河涌污水处理下株高下降了43.57%，海珠涌污水处理下株高下降了58.22%。叶片是植物完成光合和蒸腾作用的重要场所，因而叶面积大小是衡量植物长势优劣的重要形态指标［8］。11种植物中，来自海珠涌的污水处理对供试植物叶面积的影响较沙河涌有更明显的效果。其中叶面积平均增长率最高的植物是海珠涌处理下的再力花(22.36%)，其次是花叶芦竹(17.57%)。沙河涌污水处理下叶面积增长最明显的植物是花叶美人蕉(16.38%)。污水处理对于海芋的叶面积也有较明显的促进效应，而对黄花鸢尾、水葱和梭鱼草则表现出不同程度的抑制作用［9］。

研究表明，水生植物对水体环境中污染物的富集量和净化效率与植物生物量密切相关，因而提高水生植物净化效率的一个重要途径就是提高其生物产量。由于水体环境主要通过植物根系的吸收作用达到净化水体的目的，而植物生长环境中需不断大量吸收营养元素用以生长繁殖，其吸收营养物质的能力随着生物量的增加而加大。更高的生物量即意味着植物更高的N、P积累量，也即对污水中的N，P有更高的去除率［10］。供试的11种植物在最后收割时，生物量增长量最高的是海芋，增长率分别高达44.15%(沙河涌)、32.67%(海珠涌);其次是花叶芦竹，增长率分别达到了 33.62%(沙河涌)、39.08%(海珠涌)。生物量下降最明显的是水葱，平均增长率仅相当于对照的61.27%(沙河涌)和63.00%(海珠涌)，其次是黄花鸢尾，平均增长率仅相当于对照的56.33%(沙河涌)和45.14%(海珠涌)。地上部分生物量的趋势与总生物量的变化基本一致。

在根系生物量方面，试验结束后，对人工湿地中的11种植物进行收割，将收割后的每种植物根按直径d＜1mm、1mm＜d＜3mm、d＞3mm进行分类测定。根系生物量最大的是花叶芦竹，平均值为81.129mm，最小的是细叶纸莎草，为5.205mm;花叶美人蕉、再力花、海芋和梭鱼草也具有明显较大的根系生物量，分别为74.869mm、41.754mm、40.061mm和35.205mm。从植物根系的直径大小来看，如表2所示，大部分植物的根系生物量在d＞3mm所占的比例最高，污水处理对于植物d＞3mm的根系生物量影响也远大于直径在d＜1mm和1mm＜d＜3mm区间的根系生物量，其中污水处理下，花叶芦竹、花叶美人蕉、再力花和海芋在d＞3mm区间的根系生物量分别平均增加了62.33%、58.45%、50.06%和48.28%，而黄花鸢尾、水葱和菖蒲在这一区间内的根系生物量则平均下降了40.54%、34.96%和32.17%。

表3 河涌污水处理下植物的不同直径根系生物量Tab.3 The root biomass in different diameters of plant species

图1 河涌污水处理下植物生长差异比较Fig.1 Growth of different wetland emerged plants under polluted water treatment

2.2 湿地挺水植物对河涌污水的净污效应分析

11种植物在人工湿地系统中，对河涌污水的TN、NH3-N、TP、COD、BOD5和SS的平均去除率分别达到56%、67%、63%、58%、73%和52%，总体而言，各挺水植物对海珠涌污水的净化效果要好于沙河涌污水(图1、图2)。其中，针对沙河涌污水，TN去除率最高的是花叶美人蕉为62%，其次是海芋(78%)、翠芦莉(74%)和菖蒲(74%)，最低的是黄花鸢尾(24%)和水葱(30%);NH3-N去除率最高的是海芋为91%，其次是花叶美人蕉(90%)和花叶芦竹(85%)，同样黄花鸢尾(24%)和水葱(30%)最差;TP去除率较高的有海芋(87%)、花叶芦竹(82%)和花叶美人蕉(81%);COD去除率最高的是花叶芦竹(77%)，其次是再力花(71%)和翠芦莉(70%);BOD5去除率最高的是花叶美人蕉(88%)，风车草(83%)、菖蒲(82%)和花叶芦竹(82%)的去除率也比较明显。在SS方面，花叶芦竹(75%)、花叶美人蕉(72%)、风车草(70%)和海芋(68%)清除能力较明显。总体来看，黄花鸢尾和水葱对沙河涌污水的净污效应最不理想，而海芋、花叶美人蕉、花叶芦竹的净化效果较全面而高效，再力花、翠芦莉、风车草表现出来的净污能力也较强。在这6个污水指标中，NO3-N和COD去除率种间差异非常显著(P ＜0.01)，TN、TP去除率种间差异显著(P＜0.05)。海珠涌污水的净化效果试验基本上与沙河涌结果相似，海芋、花叶美人蕉、花叶芦竹、翠芦莉等净化效果明显，而黄花鸢尾和水葱表现不理想。与沙河涌污水试验有所区别的是:再力花和风车草表现出更好的净污效率。再力花在去除NH3－N和BOD5方面表现优异，去除率达到85%和87%，而风车草在去除COD(82%)和SS(80%)方面效果最明显。

图2 不同湿地挺水植物对沙河涌污水净化效果的差异比较Fig.2 Purification efficiency of different wetland emerged plants under water pollution of Shahechong

图3 不同湿地挺水植物对海珠涌污水净化效果的差异比较Fig.3 Purification efficiency of different wetland emerged plants under water pollution of Haizhuchong

3 讨论与结论

研究数据表明，我国当前被用做净化污水处理的水生植物中，经常被应用的种类不到50种，且多从污染治理角度加以研究，往往忽视了水生植物的景观功能［11］。本文希望在前人研究的基础上，为污染严重的河涌湿地以及景观水体的生态设计提供丰富的水生植物资源，探索一条在治理环境与美化环境兼顾的可持续发展之路［12－13］。广州市河涌底泥主要污染物是有机质、营养盐、石油类和重金属，研究显示，广州市河涌底泥受有机物、植物营养盐、石油类和重金属污染比较严重，其它污染物，如硫化物、氰化物、氟化物、挥发酚等以及难降解有毒有机物等污染并不严重，污染总体呈由老城区向外围逐步降低的态势。因此可主要从有机污染和无机污染两方面来划分污染类型。本试验采用的河涌污水材料分别来自海珠涌和沙河涌，海珠涌属于典型的重金属污染类型，重金属综合污染指数值达到5.53;沙河涌属于较典型石油类有机污染类型，有机质污染指数值达到2.04［7］。这两条河涌水质都为4级以下，水质污染严重，适宜进行河涌湿地植物材料的筛选。

在本试验中，通过构建微型潜流人工湿地，发现挺水植物和湿地基质的协同净污效应显著，其中海芋、翠芦莉、花叶美人蕉、花叶芦竹、风车草、香根草等挺水植物对高污染的河涌TN、NH3-N、TP、COD、BOD5和SS等污染物有良好的去除率，表现出很高的净污能力。而黄花鸢尾、水葱和梭鱼草等在河涌污水作用下则生长不良，净污能力差。从生长情况、净化效果、景观等方面综合评价，推荐再力花、海芋、花叶美人蕉、翠芦莉、风车草、花叶芦竹等挺水植物为适宜的广州河涌景观美化和水体净化植物材料。

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