5种姜科植物对污水的净化作用研究

黄威龙，宋凤鸣，何新杰，彭昭良，董 雷，吴 志

（深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040）

随着工业化的快速发展，我国的水体污染越来越严重［1］。水生植物由于具有良好的净化能力、丰富多样的景观效果、独特的经济效益和能耗较低等优点［2］，正越来越多地被运用于污染水体的修复工程。尤其是在人工湿地的构建中，水生植物更是必不可少的要素，具有巨大的应用价值。

一直以来，净化污水的水生植物研究多局限在一些喜阳的挺水植物［3］，相对耐阴的湿地植物仅有菖蒲（Acorus calamus）、海芋（Alocasia macrorrhiza）和鸢尾（Iris tectorum）。姜科（Zingiberaceae）植物广泛分布于热带和亚热带地区，该科观赏植物大部分湿生或水生［4-6］，由于其特有的耐阴性和芳香性，在特色专类植物园中开发前景独具一格，如白姜花（Hedychium coronarium）和花叶艳山姜（A.zerumbertcv. Variegata）已被广泛应用于华南地区园林绿化。近几年有较多关于白姜花、花叶艳山姜的富营养化水体修复研究［7-8］，而关于红丰收（Alpinia‘ Red harvest’）、墨尔本姜花（H.sp.）、青城姜花（H. qingchengense）和峨眉姜花（H. flavescens）的园林应用以及相关水体净化作用的研究尚未见报道。因此，探讨更多姜科植物在污水处理过程中对污染物质的去除能力具有一定实践意义和参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年10～11月在深圳市铁汉生态环境股份有限公司东莞桥头研发基地的温室大棚内进行，供试姜科植物红丰收、白姜花、墨尔本姜花、峨眉姜花和青城姜花均来源于东莞桥头研发基地生产苗圃。选择苗龄一致、规格一致、生长状态良好的植物盆苗。植物盆苗中使用的基质为统一配比（有机肥、珍珠岩、园土为1∶1∶1），种植缓苗2周后待用。

1.2 试验设计

在温室大棚内设置多个人工培养箱，分别种植相等数量的5种姜科植物。培养箱采用蓝色聚乙烯整理箱，规格为61.5 cm×42 cm×31 cm。试验设5个处理，分别种植红丰收、白姜花、墨尔本姜花、峨眉姜花、青城姜花，每个品种3个重复，每个人工培养箱放置3盆植物，空白对照放置3盆基质。每个试验箱加污水30 L，试验用污水为配制生活污水，配方如下：C6H5COONa 80.33 mg/L，CH3COONa 153.68 mg/L，NH4NO316 mg/L，NH4Cl 106.1 mg/L，K2HPO4·3H2O 36.7 mg/L，NaCl 7 mg/L，MgCl2·6H2O 3.4 mg/L，CaCl2·2H2O 4 mg/L［9］。

1.3 水质指标测定及分析方法

待箱内水体稳定后，采集水样测得本底值，其中总磷12 mg/L、总氮32 mg/L、氨氮28 mg/L、化学需氧量（COD）240 mg/L、溶氧量（DO）6.5 mg/L。试验组水箱放入植物盆苗后每隔7 d采集水样1次，用于测定水体理化指标，包括总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH4+-N）、COD和DO浓度等，同时测定实时水体温度、pH等指标。其中，总氮浓度的测定参照国家标准方法HJ 636-2012碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷浓度的测定参照国家标准方法GB 11893-1989钼酸铵分光光度法，氨氮的测定参照国家标准方法HJ535-2009纳氏试剂比色法，COD浓度的测定参照国家标准方法HJ 828-2017重铬酸盐法，DO浓度的测定采用溶解氧测定仪。计算总磷、总氮和氨氮的去除率：

试验历时1个月，结束时测定植物株高、冠幅生长量变化、叶片叶绿素含量和同等光照强度下（约100 μmol/m2·s）的净光合速率Pn。

试验数据采用SPSS 22.0统计软件进行处理，采用Excel 2007软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 5种姜科植物在污水环境中的生长和生理指标变化

参试5种姜科植物移栽入富营养化的水体后，均能良好生长。结果（表1）显示，5种植物在试验期均有新芽、新叶萌出，株高、冠幅和生物量也明显增加，其中增幅较大的是白姜花，株高增长8.96%，冠幅增长25.00%；增幅较小的是红丰收，株高、冠幅分别增长4.81%、9.78%；墨尔本姜花、峨眉姜花、青城姜花的株高和冠幅增长率分别为7.14%和16.67%、6.89%和17.91%、7.34%和18.87%；叶绿素含量SPAD值与净光合速率（Pn）均以白姜花最高且显著大于其他试验植物。

2.2 5种姜科植物对水质指标的影响

2.2.1 总磷吸收量 各处理水体总磷含量随时间变化的情况如图1所示。在试验周期内，5种姜科植物培养30 d对水体总磷的去除率依次为白姜花（87.08%）＞墨尔本姜花（85.33%）＞峨眉姜花（65.83%）＞青城姜花（57.5%）＞红丰收（53.33%），而对照的总磷整体呈逐渐下降趋势，试验结束时去除率为30%。

表1 5种姜科植物的生长和生理指标状况

图1 5种姜科植物对水体总磷含量的影响

2.2.2 总氮吸收量 各处理水体总氮含量随时间变化的情况如图2所示。5种姜科植物培养30 d对水体总氮的去除率依次为白姜花（85.44%）＞墨尔本姜花（80.31%）＞青城姜花（79.63%）＞峨眉姜花76.41%）＞红丰收（74.47%），而对照的水体总氮含量从7～14 d大幅度降低后便逐渐趋于稳定，整个过程中对照始终高于其他处理。

图2 5种姜科植物对水体总氮含量的影响

2.2.3 氨氮吸收量 由图3可知，5种姜科植物培养30 d对水体氨氮的去除率依次为峨眉姜花（98.03%）＞红丰收（97.93%）＞白姜花（97.86%）＞青城姜花（97.43%）＞墨尔本姜花（97.36%），而对照的水体氨氮含量在14 d时大幅度下降，逐渐稳定在6 mg/L左右，在整个过程中对照始终高于其他各个处理。试验结束时，对照的氨氮去除率为77.67%，各处理水体的氨氮含量则均低于1 mg/L。

图3 5种姜科植物对水体氨氮含量的影响

图4 5种姜科植物对水体化学需氧量（COD）的影响

2.2.4 化学需氧量（COD） 各处理水体COD含量随时间变化的情况如图4所示。试验周期内，各处理的COD均呈先下降再上升后下降的变化趋势，5种姜科植物培养30 d对水体COD的去除率依次为白姜花（76.67%）＞青城姜花（72.5%）＞红丰收（68.75%）＞峨眉姜花（65.83%）＞墨尔本姜花（62.9%），而对照的水体COD含量在160～200 mg/L间波动，整个过程中对照始终显著高于其他处理。

2.2.5 溶解氧（DO） 各处理的水体DO含量随时间变化的情况如图5所示。对照的水体溶解氧量呈逐渐下降趋势，各处理0～21 d的DO浓度均呈下降趋势，之后逐渐升高。试验结束时，对照的水体DO浓度为5.11 mg/L，较试验前6.31 mg/L下降19.85%，5种姜科植物下水体DO浓度依次为白姜花（7.65 mg/L）＞峨眉姜花（6.52 mg/L）＞青城姜花（6.35 mg/L）＞墨尔本姜花（6.14 mg/L）＞红丰收（5.73 mg/L）。最终对照组的DO浓度均显著低于其他处理

图5 5种姜科植物对水体溶解氧（DO）的影响

3 结论与讨论

本试验结果表明，5种姜科植物处理的水质澄清，而对照的水体透明度较低，说明这5种姜科植物对污水均有一定的净化作用。仅放置基质盆对照的水体污染物含量整体呈逐渐下降趋势，表现出一定的自净现象，这可能是由于污水通过基质之间的颗粒时，污水中的有机物质被吸附于砾石表面形成的生物膜，被水体中的微生物所利用吸收［10］，这也可能是对照在试验结束后水体溶氧量（DO）下降的原因。但对照的自净效果十分有限，试验结束时对照的水体污染物含量显著高于各姜科植物处理。

水体中磷素的去除主要有植物吸收、底质和根系吸附等途径［11-12］，而水体氮的去除不仅可以依靠上述途径，还可以通过氨的挥发、硝化和反硝化等途径去除［13-14］。研究表明，利用植物净化污水，主要的处理过程在植物水下的根部周围进行［15］，水生植物对水质的净化作用与植物的生长状态、根系发达水平、光合效率和根系泌氧等生理生态特性相关密切。

本试验中，各处理水体总氮、总磷的浓度均显著低于对照，说明参试5种姜科植物均能较好地吸收水体中的氮和磷。其中，白姜花和墨尔本姜花的叶绿素、净光合速率高于其他3种姜科植物，说明其生长速度较快，对污水环境适应良好，同时，白姜花和墨尔本姜花也有较高的氮、磷吸收率，可能与其生长速度较快、根系较发达有关，从而有利于对水体氮、磷素的吸收［11］。本试验结果表明，植物发达的根系生物量大、根长较长，能够扩大植物净化污水的空间。根系发达的植物不但对水体的磷素吸收有利，而且利于微生物（特别是好氧细菌）向更广的污水域中扩散分布［16-17］，从而提高其净化污水的能力，同时也利于植物从叶片输送氧气到根际区域，为根系微生物的附着并提供进行硝化与反硝化作用的良好环境，进而提高水体氮素的去除率［18］。

各处理水体的化学需氧量（COD）呈先升高再降低的变化趋势，可能与姜科植物地下根茎的更新有关。随着试验的进行，5种姜科植物先后均有新芽长出，老根茎营养转移至新芽后逐渐腐烂，从而导致COD含量出现波动。另外，由于各种姜花物候存在一定差异，导致各处理水体的COD峰值出现的时间也不同。水体氧来源主要是根系泌氧与大气复氧［19］：根系泌氧是植物通过内部强大的通气组织对缺氧的水体释放氧气［20］；大气复氧是通过砾间接触氧化等途径，水体自由界面传质与大气气泡接触，产生自然曝气现象。

本试验过程中，前期由于各处理植物叶片的遮挡减少了水面与空气的接触面，减少了空气气流对水流动的影响，阻碍了自然曝气过程，导致水体的大气复氧不足，因此，前期各处理的水体溶氧量（DO）低于对照。后期随着植物的生长，根系逐渐发达，导致根系泌氧增多，最终使得水体DO逐渐升高，部分姜科植物（如峨眉姜花）处理的水体COD较高、DO较低，这可能是由于水体的好氧微生物和硝化细菌降解有机物和氮类物质均需要消耗溶解氧，且峨眉姜花的净光合速率偏低。植物的根系复氧量低与试验环境导致大气复氧不足，进而使水体的COD升高［21］。

本试验结果表明，在供试5种姜科植物中，白姜花对污水的净化效果最好，对总氮、总磷、氨氮均有较好的去除效果，与多数研究结论一致；墨尔本姜花是净化效果较好的另外一种姜科植物，与白姜花接近，且其景观价值较高，目前园林应用较少，适合推广应用。

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