不同类型人工湿地对洞庭湖水质净化效果研究

潘 琼，潘 峰

（1.长沙环境保护职业技术学院，长沙410004；2.中南林业科技大学南方林业生态应用技术国家工程实验室，长沙410004；3.长沙县水务局，长沙410007）

人工湿地是土壤和基质（炉渣和粉煤灰等）按一定比例选择性地植入植被自适应生态系统［1－3］，通过一系列理化、生物途径能够对特定污染物（水质）高效的去除［4－6］。人工湿地不仅具有同化吸收污染物的功能，还有拦截、过滤污染物的作用，现已广泛应用于各类不同水体的水质净化和水环境富营养化的防治［1，7－8］，而不同类型人工湿地具有较大差别，对污染物质的去除能力有较大的差异，按结构可将其分为表面流、潜流、垂直流和沟渠型人工湿地，其优缺点各不相同［9－10］。近几十年来，关于人工湿地净化水质的研究大多局限于单一湿地类型，将不同类型人工湿地对富营养化水体处理效果的比较研究鲜见报道［1－3］。

随着城镇化水平的加快，我国湖泊水质污染和水资源浪费现象十分严重［11－13］。据统计，全国年排废水量越400亿t以上，生活水质排放量日益增多，大部分未经任何处理直接排入生态系统，加重了水资源的短缺，合理开发利用水资源及净化水质具有现实和长远意义［11－13］。洞庭湖位于长江中游荆江河段南岸、湖南省北部，是我国第二大淡水湖和五大淡水湖之一，也是长江流域重要的调蓄湖泊和水源地［14－16］，属于过水性湖泊，换水周期短，具有较强的自净能力［14－16］。20世纪80年代前洞庭湖一直处于中低营养阶段，20世纪80年代中期，大量工业废水、城镇生活污水和农业面源污染物的排放，尤其是1988年达到严重污染状态［14－16］；此后，洞庭湖水质经历了改善—污染加剧等过程，水质污染也日益严重，洞庭湖自净能力大为降低，严重威胁到了湖区人民的生产生活和生态环境［17－19］。本研究以洞庭湖国家级自然保护区核心区小西湖为研究对象，通过连续3a定期研究不同类型人工湿地对洞庭湖水质的作用，探索不同湿地类型应用于洞庭湖水质处理效率之间的差异，以期为认识洞庭湖水质水生态的发展趋势，控制水体污染和富营养化提供理论依据和实践措施。

1 材料与方法

1.1 人工湿地设计与流程

研究区位于湖南省南洞庭湖湿地国家级自然保护区，地处长江南岸（东径112°18′15″—112°56′15″，北纬28°113′30″—29°3′45″），是长江中下游洞庭平原堆积而成的沼泽地貌，境内河岔纵横，湖泊星罗棋布，全区由118个湖洲和18个湖泊组成，主要为潮土、沼泽土和沼泽化草甸土，该区属亚热带湿润性气候，阳光充足，雨量充沛，年降雨量1 200～1 400mm，集中在5—9月，年平均温度15.2～18.3℃，1月份平均气温4.0～4.5℃，7月份平均气温29～29.5℃，无霜期275～280d。广阔的水体是巨大的能量库，使得区内昼夜温差较小，同时，受太阳辐射的影响，昼夜间盛行交替的湖、陆风，类似海滨气候，日照和无霜期都较长，生物多样性极其丰富。

2011年于该保护区内设置3种不同类型人工湿地，人工湿地结构：底部为集水区，其上铺放尼龙网，垂直流单元均设置为60m2（长×宽＝30m×2.0m），分3层依次填充基质，底层大粒径砾石（粒径15～35 mm）作为排水层，厚度约为15cm，中层选用当地中号炉渣（粒径10～25mm），厚度约为15cm，上层选用当地小号炉渣和泥沙（粒径5～10mm），厚度约为20cm；潜流和表面流单元为60m2（长×宽＝30m×2.0m），基质为土壤（黏土）；各单元之间用1m宽的土埂隔开，底部为集水区，其上铺放尼龙网，防止填料下漏，每个单元沿对角线埋入直径为12mm的PVC管，使人工湿地中的循环水能够流入PVC管，以便于试验样品水质的采集。

人工湿地植被：选取株型大小、生物量基本一致的美人蕉（Cannaindica）作为人工湿地植被，2012年2月均匀在3种不同类型人工湿地中进行培植，密度为10株/m2，单元都铺防水布防止渗漏，控制每个单元具有相似的生长环境。

进水为洞庭湖水质，水力负荷为0.7m3/（m2·d），试验时间从2012年2月到2014年11月，运行期间2月（冬）、5月（春）、8月（夏）和11月（秋）进水的平均水温分别为15.2℃，28.3℃，16.7℃和4.1℃，进水pH值为7.12～7.68，进水经过人工湿地处理后从底部PVC管排出，不同月份取出水口水质实验室进行化验分析，具体公式如下［19］：

不同取出水口水质实验室测定分析，各指标的去除率＝（进水口值—出水口值）/出水口值×100%

1.2 样品的测定

指标测定指标：人工湿地运行一年后，于2013年和2014年8月（生物量最大时期）进行人工湿地植被的测量和采集，统计每种人工湿地1m2样方中植株数目、株高等生长性状，并将其收割分为地上和地下部分烘干测定其生物量，分别对地上和地下植被样品粉碎后用H2SO4—H2O2消煮制备成溶液，植被TN用过硫酸钾氧化吸光光度法测定，TP用钒钼蓝法测定。

植被N，P积累量（PA）＝植被体内N，P浓度（PC）×植被生物量（PB）［20－22］。水质测定项目包括TN，TP，NH4＋－N，BOD5，CODCr和高锰酸钾指数；BOD5采用稀释接种法；CODCr采用重铬酸钾氧化法；NH4＋－N采用纳氏试剂分光光度法；TN采用过硫酸钾—紫外分光光度法；TP采用钼锑抗分光光度法；高锰酸盐指数采用酸性 KMnO4法［1－3］。

1.3 数据处理与分析

所有数据采用Excel 2003统计，以平均值±标准误差表示（mean±SE），采用SPSS 18.0统计分析软件分别对数据进行单因素方差分析（One－way ANOVA），多重比较采用LSD，Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同类型人工湿地NH4＋－N进出水浓度季节变化

由图1可知，NH4＋－N的进水和出水浓度波动比较大，并且进水浓度与出水浓度的季节变化规律保持一致，冬季明显高于夏季，NH4＋－N进水浓度均高于3种不同类型人工湿地出水浓度；进水浓度NH4＋－N变化范围为1.87～5.09mg/L，垂直流出水浓度为1.03～2.45 mg/L，潜流出水浓度为1.03～3.54mg/L，表面流出水浓度为0.83～3.87mg/L；相同时期，NH4＋－N出水浓度基本表现为：表面流＞潜流＞垂直流。

图1 不同类型人工湿地NH4＋－N进出水浓度季节变化

2.2 不同类型人工湿地TN进出水浓度季节变化

由图2可知，TN的进水和出水浓度波动比较大，并且进水浓度与出水浓度的季节变化规律保持一致，冬季明显高于夏季，TN进水浓度均高于3种不同类型人工湿地出水浓度；进水浓度TN变化范围为4.1～8.9mg/L，垂直流出水浓度为1.3～3.4mg/L，潜流出水浓度为1.7～4.5mg/L，表面流出水浓度为1.5～5.2mg/L；相同时期，TN出水浓度基本表现为：表面流＞潜流＞垂直流。

图2 不同类型人工湿地TN进出水浓度季节变化

2.3 不同类型人工湿地TP进出水浓度季节变化

由图3可知，TP的进水和出水浓度波动比较大，并且进水浓度与出水浓度的季节变化规律保持一致，冬季明显高于夏季，TP进水浓度均高于3种不同类型人工湿地出水浓度；进水浓度TP变化范围在0.14～0.25mg/L，垂直流出水浓度为0.03～0.09 mg/L，潜流出水浓度为0.07～0.13mg/L，表面流出水浓度为0.06～0.14mg/L；相同时期，TP出水浓度基本表现为：表面流＞潜流＞垂直流。

图3 不同类型人工湿地TP进出水浓度季节变化

2.4 不同类型人工湿地高锰酸钾指数进出水浓度季节变化

由图4可知，高锰酸钾指数的进水和出水浓度波动比较大，并且进水浓度与出水浓度的季节变化规律保持一致，冬季明显高于夏季，高锰酸钾指数进水浓度均高于3种不同类型人工湿地出水浓度；进水浓度高锰酸钾指数变化范围为6.2～12.7mg/L，垂直流出水浓度为2.8～5.3mg/L，潜流出水浓度为4.1～7.2mg/L，表面流出水浓度为4.7～7.1mg/L；相同时期，高锰酸钾指数出水浓度基本表现为：表面流＞潜流＞垂直流。

2.5 不同类型人工湿地BOD5进出水浓度季节变化

由图5可知，BOD5的进水和出水浓度波动比较大，并且进水浓度与出水浓度的季节变化规律保持一致，冬季明显高于夏季，BOD5进水浓度均高于3种不同类型人工湿地出水浓度；进水浓BOD5变化范围为62.3～95.3mg/L，垂直流出水浓度在15.2～28.4 mg/L之间，潜流出水浓度为21.2～41.3mg/L，表面流出水浓度在25.4～44.6mg/L之间；相同时期，BOD5出水浓度基本表现为：表面流＞潜流＞垂直流。

图4 不同类型人工湿地高锰酸钾指数进出水浓度季节变化

图5 不同类型人工湿地BOD5进出水浓度季节变化

2.6 不同类型人工湿地CODCr进出水浓度季节变化

由图6可知，CODCr的进水和出水浓度波动比较大，并且进水浓度与出水浓度的季节变化规律保持一致，冬季明显高于夏季，CODCr进水浓度均高于3种不同类型人工湿地出水浓度；进水浓CODCr变化范围为103.5～225.6mg/L，垂直流出水浓度为44.3～95.3 mg/L，潜流出水浓度为44.3～154.2mg/L，表面流出水浓度为47.8～162.3mg/L；相同时期，CODCr出水浓度基本表现为：表面流＞潜流＞垂直流。

2.7 不同类型人工湿地对水质各指标的去除率

由图7可知，3种不同类型人工湿地对NH4＋－N去除率变化范围为36%～64%，对TN去除率变化范围为50%～62%，对TP去除率变化范围为53%～75%，对高锰酸钾指数去除率变化范围为37%～55%，对BOD5去除率变化范围为60%～72%，对CODCr去除率变化范围为41%～60%；3种不同类型人工湿地对TN，TP、高锰酸钾指数、BOD5和CODCr的去除率依次表现为：垂直流＞潜流＞表面流，而对NH4＋－N的去除率依次表现为：垂直流＞表面流＞潜流，其中NH4＋－N，TP、高锰酸钾指数和CODCr的去除率垂直流显著高于表面流和潜流（p＜0.05），而表面流和潜流差异不显著（p＞0.05），3种不同类型人工湿地对BOD5的去除率差异均不显著（p＞0.05）；表面流和潜流人工湿地对TN的去除率差异不显著（p＞0.05），潜流和表面流差异不显著（p＞0.05）。

图6 不同类型人工湿地CODCr进出水浓度季节变化

2.8 不同类型人工湿地植被生理特性

由表1可知，垂直流、潜流和表面流3种不同类型人工湿地植物地上生物量变化范围为201.6～259.5g/m2，地下生物量变化范围为105.8～156.8 g/m2，A/U变化范围为1.62～1.91，N 含量变化范围为15.2～24.6g/mg，P含量变化范围为1.9～3.5 g/mg，N积累量变化范围为4.67～10.24g/m2，P积累量变化范围为0.66～1.46g/m2；其中地上和地下生物量均表现为垂直流＞潜流＞表面流，并且3种类型人工湿地地上和地下生物量差异均显著（p＜0.05），垂直流人工湿地植被N含量、P含量、N积累量和P积累量均显著高于潜流和表面流（p＜0.05），潜流和表面流差异不显著（p＞0.05）。

2.9 人工湿地植被N，P积累量与生物量和N，P含量之间的关系

由原始数据拟合得到的回归关系经统计学检验得到拟合度参数R2，并在p＜0.05和p＜0.01水平检验相关系数的显著性，F检验结果表明，表中的线性回归关系均达到极显著水平。由表2可知，3种不同类型人工湿地植物的N，P积累量分别与生物量、N含量、P含量均呈显著的线性关系（p＜0.01），其中生物量与N，P积累量的相关系数高于N含量和P含量，由此我们可以推测通过生物量来评价植物对N，P去除的作用。

图7 不同类型人工湿地对水质各指标的去除率

表1 不同类型人工湿地植被生理特性

表2 人工湿地植被N，P积累量与生物量和N，P含量之间的关系

3 讨论与结论

不同人工湿地基质和地上植株的不同生长状况会导致其净化水质机理较为复杂［4－6］。本研究中不同类型人工湿地净化水质效果存在一定差异，综合3种人工湿地净化水质效果（图7），以垂直流人工湿地对水质中各项指标去除率最大，潜流人工湿地次之，表面流人工湿地去除效果最差，充分体现在对BOD5的去除，说明不同类型人工湿地对污染物的去除效果和机理不同。基质的吸附、植被的截流、过滤以及微生物的新陈代谢等活动是人工湿地净化水质的主要过程［8，23］，N 循环较为复杂，主要通过氨的挥发、硝化、反硝化过程、介质的吸附、微生物固氮和以及氮的迁移转化得以去除；对NH4＋－N的去除主要是通过好氧微生物的降解［24－25］；P的去除主要以吸附为主，随泥沙颗粒在介质中被截留，通过植物吸收、物理化学作用及微生物降解三方面作用去除，通过微生物的作用和植被的输氧作用形成了氧化态的根区，为好氧、兼性和厌氧微生物提供了各自适宜的生境，有利于微生物在人工湿地纵深的扩展，从而促进了深层基质中微生物的生长和繁殖［24，26－27］；潜流和表面流人工湿地基质相同，因此它们对TP的去除能力没有显著差异（p＜0.05）；由于表面流人工湿地土壤基质孔隙度低，水在基质表面流动，复氧能力差，为微生物生长提供载体的基质仅为表层部分，部分污染物随水流从基质表面漫流而过，吸附作用仅仅停留在基质表层［28－29］；而垂直流基质均为孔隙度较高的砾石，不仅复氧能力优于土壤基质，而且为微生物提供了大量的挂膜空间，因此复氧能力强的垂直流人工湿地是最佳选择。

综合人工湿地植被净化水质效果来看，3种人工湿地对水质去除率均表现为夏季和秋季＞春季和冬季，在很大程度上依赖于植被生长的季节动态变化［30－31］。湿地植被在春季处于萌芽阶段，生长较为缓慢，未与基质、土壤等形成完整的去污生态系统，此时的人工湿地对水质的去除效果偏低，吸收作用还没有明显地表现出来，夏季和秋季植被迅速生长和繁殖，去除效果也更加明显，有助于其根区微生物等的繁殖，这个时期对洞庭湖水质的去除效果最为明显，冬季人工湿地植被开始枯黄、根系也逐渐溃烂，净化水质效果缓慢下降等，导致秋季以后其去除效果呈现下降趋势。此外，在去除各类污染物的过程中微生物是主要承担者，冬、春季节较低的温度影响了微生物酶活性，从而导致人工湿地对水质各指标的去除效果降低［32－33］。此外，人工湿地中美人蕉新生须根较多，有利于根区微生物的着生，优选根系发达、生物量较大、富集污染元素较强的植被构建各种植被组合的人工湿地是净化水质的关键措施。

通过对3种人工湿地地上植被调查发现（表1），人工湿地植被地上部生物量和地下部生物量所占的比例各不相同，地上部生物量均大于地下部生物量，就植株体内的N，P含量而言，地上部分N和P积累量高于地下部分，这种生物量的分配模式体现了N，P元素生长部位的分配特点，属于植物对N和P内在生长特性的平衡调节［30－31］。N，P积累量能够反映植被对N，P的直接去除能力，而营养物质的分配特点会涉及到采取的收割方式［34－36］。本研究中人工湿地植被可以通过地上部分的收割去除大部分的N，P积累量，使其移出生态系统。同时，本研究中植物体N，P积累量主要与植物的生物量存在极显著线性相关（表2），生物量对N，P积累量的影响大于植物体内N，P含量的影响，所以选择适宜人工湿地物种，通过增加植物的地上生物量达到定期去除N，P的效果。

人工湿地整合和协调了土壤基质—微生物—植被的净化机理，但基质的吸附净化容量达到饱和时，其净化作用随着植被的生长可能发生变化，因此人工湿地长期的净化效果仍有待进一步研究。此外，人工湿地植被的净化效果还与植被的生长速度、生长阶段、植被的生物量、植被根区微生物作用等有关［30－31］。在未来研究过程中，需结合水质状况及当地气候特点有针对性地选择合适的湿地植被，最大限度地发挥湿地植被的净化作用。

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