基于净化城市河道功能的水培花卉的筛选研究

王艳英 王晓磊 王成 董建华 刘晓双 郜爱玲

摘 要 選取观赏性强、可用于水培的绿萝、孔雀竹芋、红掌、白掌、粉掌、春羽、袖珍椰子、竹柏、花叶万年青、合果芋10种花卉为研究对象，在室内静水条件下对其净化富营养化水质能力及其生长适应性进行筛选研究。结果表明：春羽、绿萝、花叶万年青、合果芋、白掌5种花卉对河道污水适应性相对较强，净增生物量大；从净化水体效果来看，10种花卉对试验水体COD的去除均表现出良好净化效果，其中对试验水体总氮（TN）去除能力比较强的花卉依次为白掌、绿萝、合果芋和春羽，对水体氨氮（NH4+-N）净化效果较好的花卉依次为绿萝、白掌、春羽和合果芋，对水体总磷（TP）净化效果最佳的花卉为绿萝、春羽、白掌和合果芋。试验结束后原水各项指标由《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）劣Ⅴ类标准提升达到Ⅴ类标准或更高。综合各类因素比较分析，白掌、绿萝、合果芋和春羽4种花卉从其适应性和净化效果来看，可以作为优选的用于净化城市河道的水培景观花卉。

关键词 水培花卉；城市河道；水质净化；筛选研究

中图分类号 X52 文献标识码 A

Screening on Hydroponics Flowers Based on

Purifing Urban River

WANG Yanying1， WANG Xiaolei2， WANG Cheng3， DONG Jianhua4，

LIU Xiaoshuang5， GAO Ailing1 *

1 Wenzhou Vocational College of Science and Technology， Wenzhou， Zhejiang 325006， China

2 Dongying Municipal Bureau of City Administrstion， Dongying， Shandong 257091， China

3 Research Institute of Forestry， Chinese Academy of Forestry / Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation， State

Forestry Administration / Research Centre of Urban Forestry， State Forestry Administration， Beijing 100091， China

4 Research Institute of Forestry， Hangzhou Academy of Forestry， Hangzhou， Zhejiang 310016， China

5 Northwest Institute of Forest Inventory， SFA， Xi'an， Shanxi 710048， China

Abstract The adaptability and purification of eutrophic water quality of ten kinds of hydroponic flowers， including Epipremnum aureum， Calathea makoyana， Anthurium andraeanum Dakota， Spathiphyllum kochii， Anthurium andraeanum Pink， Philodenron selloum， Chamaedorea elegans， Podocarpus nagi， Dieffenbachia picta， Syngonium podophyllum were investigated in indoor hydrostatic condition. Results showed that： P. selloum， E. aureum， D. picta， S. podophyllum， S. kochii had strong adaptability to river sewage and the net increase of biomass was large；On the effect of purifying the water， the 10 kinds of plants showed good purification effect on the removal of COD. S. kochii， E. aureum， S. dophyllum， P. selloum had strong ability respectively to remove total nitrogen（TN）， and E. aureum， S. kochii， P. selloum， S. podophyllum had strong ability respectively to remove ammonia nitrogen（NH4+-N）； The plants with the best purifying effect of total phosphorus（TP）were E. aureum， P. selloum， S. kochii， S.podophyllum. All indices after the test could meet the standard of Ⅴ class or higher for Land Surface Water Quality Standard（GB 3838-2002）. Based on comprehensive comparative analysis of various factors， four plants S. kochii， E. aureum， S. podophyllum and P. selloum could be used as the preferred landscape plant hydroponics for the purification of the city river.

Key words Hydroponics Flowers；urban river； water purification； screening study

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.09.003

由于受城市生活污水和工农业生产废水的影响，全球水环境受到了严重的污染，给城市景观和人们健康造成了极大的威胁，特别是与人们生活环境息息相关的城市河道。水生植物不仅能提高水域景观度，而且还能对水体产生有效的净化作用[1-3]。近年来，国内外学者应用水生植物对湖泊生态治理的研究比较多[4-7]，对于水生植物的研究种类选择也相对集中，主要集中在凤眼莲[8-12]、香蒲[13-14]、黄菖蒲[15-16]、美人蕉[15，17-19]等植物，植物选择相对比较单调并且有些植物还会产生二次污染的危害。选择水培花卉用于城市河道污水净化的研究相对较少，虽然有些学者选用一些水培花卉作为净化水质的研究对象[3，20]，但仅限于净化水质效果的简单比较，用于净化城市河道污水的多种水培花卉的筛选研究还未见报道。因此筛选出合适的既能提高城市河道的景观价值又能起到净化污水效果的多年生可用于水培的植物成为河道治理、美化的焦点问题，同时也具有比较大的发展潜力和应用价值。本研究选取适合水培、观赏性强的10种植物为研究对象，在室内静水环境下通过植物的生长状态、水质的净化效果进行比较分析，筛选出成活率高、净化能力强的植物用于净化水质、美化河道，来扩大目前城市河道绿化的植物选择的范围，为后期水体生态工程的应用提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验选择温州市观赏性强、可用于水培的10种植物：绿萝（Epipremnum aureum）、孔雀竹芋（Calathea makoyana）、红掌（Anthurium andraeanum）、白掌（Spathiphyllum kochii）、粉掌（Anthurium andraeanum）、春羽（Philodenron selloum）、袖珍椰子（Chamaedorea elegans）、竹柏（Podocarpus nagi）、花叶万年青（Dieffenbachia picta）、合果芋（Syngonium podophyllum）。所用植物均来自温州市景山花卉市场，植株大小均匀。

1.2 方法

1.2.1 供试植物的处理 将从花卉市场买来的盆栽植株从盆中脱出，其根系用水冲洗干净，并将腐烂根系修剪掉，然后把植株定植在玻璃温室中的水箱内。

1.2.2 水质净化试验 本试验所采用的水箱为50 cm（长）×37.5 cm（宽）×28 cm（高）的塑料箱，可容纳25 L的水體，每个水箱中培养3株植物，水面采用厚度约4 cm的聚乙烯塑料板为固定植物载体，将剔除烂根后的植物用海绵裹住放入空盆，然后将装有植物的花盆嵌入到聚乙烯塑料板上。整个实验在玻璃温室内进行。每个处理3个重复，另外3个无植物放置空白对照，共计33个试验水箱放置温室大棚中，试验用水取自温州科技职业学院西侧会昌河，河道水质见表1，根据国家环保总局规定的《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中对水质的分类，该水样属于劣Ⅴ类水质，富营养化程度较高。

试验在2016年10月～12月进行，10月8号～10月28月份主要进行一个周期的水质监测，在水培试验的第1、3、5、7、10、15、20天分别取水样测定，每次取样时间为上午10 ： 00～10 ： 30。通过测定不同处理时间后供试水样中指标的浓度变化来判断水生植物对污水的净化能力，以此来初步筛选对缓解水体富氧化程度的植物种类。试验结束后，供试植物继续在水中培养，对植物的生长状况和耐寒性进行持续的观察。

1.2.3 分析方法 整个试验期间定期观测选用植物的根系生长、株高、叶片萎蔫及生长状况，每次取水样200 mL进行水质指标的检测，检测的项目主要包括pH值、COD（化学需氧量）、TN（总氮）、TP（总磷）、NH4+-N（氨氮）。pH值测定采用玻璃电极法（GB/T 6920-1986），COD采用重铬酸盐法（GB/T 11914-1989），TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636-2012），TP的测定是钼酸铵分光光度计法（GB/T 11893-1989），NH4+-N的测定采用纳氏试剂分光光度计法（HJ 535-2009），各指标的检测均采用国家环保总局规定的《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）的相关项目方法进行测定[21]。

各指标的去除率[22]：去除率=[（C0-Ct）/C0]×100%。式中：C0——试验开始时水质指标浓度； Ct——t天后试验结束时水质指标浓度。

植物生长状况用生长率表示，其计算公式为：生长率=[（试验后所测指标值-试验前所测指标值）/试验前所测指标值]×100%

2 结果与分析

2.1 水培观赏植物的生长状况

将试验植物移入到水培环境中，经过一段时间的观察发现，除红掌、粉掌、袖珍椰子3种植物生长状态不佳，出现了萎蔫、黄叶现象，其中粉掌从第10天开始发现根有腐烂现象，绿萝、春羽、花叶万年青、合果芋、白掌、孔雀竹芋、竹柏7种植物生长情况良好，株高、叶片和植物鲜重都有所增加（表2），平均鲜重增长率大小顺序分别为春羽>绿萝>合果芋>花叶万年青>白掌>竹柏>孔雀竹芋。春羽、绿萝、合果芋、白掌的水生根出现较早，这4种植物生长旺盛，株高、叶数和鲜重都有明显的增加。绿萝生长在第3天有少许土生根腐烂、开始长出白色细长水生根，其叶片的生长率最高，达到83%，合果芋在第5天出现纤弱的白色水生根，白掌在试验7 d后气生根枝杈产生，春羽从第10天后开始长出白色水生根，但其新叶出现比较早，生长速度比较快，整个生长过程表现为叶片增大增多，根系发达。对于孔雀竹芋和竹柏2种植物就属于根系变化不明显，试验期间虽然生长适应性尚可，但生长速率比较缓慢，第20天时鲜重生长率才为11%和14%。试验结束后，继续观察10种植物的生长走势，发现红掌、粉掌2种植物花苞萎蔫，叶片减少，根系出现腐烂，不久之后便会全部萎蔫，竹柏和袖珍椰子生长变化不大，无枯叶出现，但叶色变浅。春羽、绿萝、合果芋和白掌继续生长旺盛。

2.2 富营养化水体净化效果分析

2.2.1 水培景观植物对TN的净化效果分析 在污水中，总氮包括无机态氮和有机态氮2种形式，在环境水质分析中做为判断水污染程度的重要指标之一。本研究供试水样TN的含量超过地表水体V类水质标准的3.08倍，不同水培植物对富营养化水质TN的净化效果见图1，整体来看，随着处理时间的延长，TN浓度呈现不同程度的降低趋势，到水质动态监测试验结束（20 d后），各处理组水样中TN浓度含量从小到大依次为白掌、绿萝、合果芋、春羽、孔雀竹芋、花叶万年青、竹柏、红掌、袖珍椰子、空白对照、粉掌。试验结束后白掌、绿萝、合果芋和春羽对TN的去除率分别为80%、79%、74%和73%，粉掌的去除效果最差，并且从第10天开始粉掌试验水箱的TN浓度有所上升，这可能与其根发生腐烂分解有很大的关系，部分腐烂根系产生的的氮营养盐重新回到水体中，增大了水体的氮含量。其余几种植物与空白对照相差不大。白掌、绿萝、合果芋和春羽对TN去除率高的4种植物与其根系的生长状态和增长的生物量有很大的关系，因为水体中氮的去除植物本身的吸收占很大一部分，生长旺盛的植株为了满足自身需要就需从水体中吸收大量的氮，但以水生植物为主的污水处理系统中，微生物的降解也起着很重的作用[23]，自然状态下水体TN浓度也会受到微生物的作用转化为无机物，所以空白组的总氮浓度也会有所降低，有植物种植后，植物根系附近易形成好氧环境，去除率或多或少会有所提升，按照《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）原水样中的TN均为劣Ⅴ类，20 d后，白掌、绿萝、合果芋和春羽4种植物处理过的水箱水质TN指标达到Ⅴ类标准，接近于Ⅳ类标准。

2.2.2 水培景观植物对NH4+-N的净化效果分析

10种植物对水质的NH4+-N都有净化效果，整体情况为早期表现不明显，第15天NH4+-N浓度急剧下降（图2），20 d后对NH4+-N去除率依次为绿萝（95.17%）>白掌（95.15%）>春羽（89.77）>合果芋（83.19%）>红掌（75.57%）>花叶万年青（72.93%）>袖珍椰子（70.34%）>竹柏（69.77%）>粉掌（68.28%）>孔雀竹芋（56.59%）>空白对照（31.42%），净化能力最强的4种植物为绿萝、白掌、春羽和合果芋。这4种植物发达的根系和快速增长的生物量有很大的关系，不仅能极大的促进植物对N的吸收，而且还能增加根系附近的微生物活动，通过硝化和反硝化的机理将氨氮转化为硝态氮，实现水生植物对NH4+-N的净化功能。按照《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）原水样中的NH4+-N均为劣Ⅴ类，20 d后，春羽、绿萝、白掌3种植物处理过的水箱水质NH4+-N指标达到Ⅲ类标准，合果芋植物处理过的水箱水质NH4+-N指标达到Ⅳ类标准。

2.2.3 水培景观植物对TP的净化效果分析 试验水体TP的变化表现为初期變化平稳（图3），第3天开始TP浓度变化幅度增加，其试验20 d后的最终净化率都高于空白对照，对TP的去除率依次为绿萝（77.77%）>春羽（76.66%）>白掌（75.26%）>合果芋（64.04%）>粉掌（42.85%）>花叶万年青（41.57%）>袖珍椰子（40.21%）>竹柏（39.32%）>孔雀竹芋（30%）>红掌（25.84%）>空白对照（18.08%）其中绿萝、春羽、白掌和合果芋4种植物的净化效果最佳，净化率都在60%以上。水体中的磷主要通过植物吸收、微生物同化和沉淀等方式降低，没有任何植物放置的空白对照主要是通过沉淀作用来去磷，其净化率也在18%左右。其余处理组则通过植物根系吸收和根系微生物的同化作用来降低水体磷浓度。按照《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）原水样中的TP指标均为劣Ⅴ类，20 d后，春羽、绿萝、白掌3种植物处理过的水箱水质TP指标达到Ⅳ类标准。

2.2.4 水培景观植物对COD的净化效果分析

COD作为水中有机污染物的总量，是衡量水污染状况的重要指标，从试验河道的监测来看，水体样本COD指标为Ⅳ类，随处理时间的变化，不同水生植物水体中的COD浓度变化趋势基本一致，第20天都呈现不同程度的下降并均低于对照组（图4），但试验过程中每组水箱水质COD含量有所波动，试验结束后各试验组对COD的去除率依次为白掌（68.96%）>绿萝（61.53%）=合果芋（61.53%）>袖珍椰子（59.25%）>竹柏（58.62%）>孔雀竹芋（57.69%）>红掌（52%）>粉掌（50%）>花叶万年青（47.61%）>春羽（45.83%）>空白对照（0%）。有研究表明，植物对COD的去除主要是依靠附着在基质和根系上的微生物的降解作用[19]，根系的发达程度直接影响植物对污水的净化效果，白掌的根系长而密，为根区微生物的活动创造了条件，促进了有机物的分解，提高水体COD的去除率。按照《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）原水样中的COD指标处于Ⅲ类和Ⅳ类标准之间，20 d后，10种植物处理过的水箱水质COD指标均达到Ⅰ类或Ⅱ标准。

3 讨论

本研究所选用的10种水培景观植物对环境的适应性差异很大，从成活率、生长状况和净增生物量以及试验结束后继续培养阶段的变化来看，春羽、绿萝、花叶万年青、合果芋、白掌5种植物对河道污水适应性强，在富营养化水体环境中成活率高、生长旺盛、水生根系出现早、净增生物量大，这些特征都为水体中TN、TP、NH4+-N和COD的高效吸收去除提供了潜能，可作为水体景观净化首选植物。

通过对水体不同指标的去除效果进行对比和分析，对试验水体总氮（TN）去除能力比较强的植物为白掌、绿萝、合果芋和春羽，其去除率分别为80%、79%、74%和73%，对氨氮（NH4+-N）净化效果较好的植物为绿萝、白掌、春羽和合果芋，去除率都在83%以上，对总磷（TP）净化效果最佳的植物为绿萝、春羽、白掌和合果芋这4种植物，去除率都在60%以上，10种植物对试验水体COD的去除均表现出良好净化效果，去除率为45.83%～68.96%，对不同水质指标去除率强的植物主要集中在绿萝、白掌、春羽和合果芋4种植物。本研究所选用的植物，其净化能力都呈现出试验初期比较平稳，试验中后期随着植物的生长和对水质的适应变化幅度增加直至趋于稳定，这与陈友媛等[3]研究的3种水培观赏植物模拟污水的试验研究中试验初期水质指标降低迅速，试验后期降低很少趋于稳定有所不同，主要原因在于试验过程中植物初期的处理方式不同，陈友媛等[3]的研究从植物的适应期后开始试验，本研究从植物的适应期开始试验，但绿萝和春羽对污水的高净化去除能力结论是一致的。

通过高净化能力水培植物的净化，按照国家环保总局规定的《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002），20 d后试验水箱的TN指标由劣Ⅴ类标准提升接近于Ⅳ类标准，NH4+-N指标达到Ⅲ类标准，TP指标达到Ⅳ类标准，综合各类因素比较分析，白掌、绿萝、合果芋和春羽4种植物从其适应性和净化效果来看，可以作为优选的用于净化城市河道的水培景观植物。虽然所筛选的水生植物对净化水质都起到一定的作用，有些植物净化能力强，有些植物净化能力稍弱，但本研究是在外界环境因素可控的条件下进行的短期静态试验，有研究表明，污水经过生物调控之后要保持长期稳定，总磷浓度应小于0.1 mg/L[24]，所以实际的城市河道富营养化水质的净化，其植物的适应性和运行效果还有待于进一步研究，真正的工程推广应用还需要中试试验及示范工程的论证做深入评价。

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