汾河流域湿地植物对农业污染的净化效果研究

牛 永 华

(山西省水利水电科学研究院, 太原 030002)

1 材料与方法

1.1 试验设计

根据“十二五”期间对山西汾河流域非点源污染状况的调查结果，农业污染主要包括3种污水来源类型：农村生活污水、农田回水和村田混合水。因此本试验以农村生活污水、农田回水和村田混合水作为3个供试污水组，各污水组分别设挺水植物美人蕉(Canna indica)、香蒲(Typha orientalis) 和茭白(Zizania latifolia) 3 个不同处理。试验于2016年5-7月在山西省水利水电科学研究院温室内进行。试验分两部分进行：第一部分为挺水植物在污水中的适应性和生长状况研究；第二部分为挺水植物对污水氮污染的去除效率研究。

1.2 试验材料

1.2.1 供试污水采集

本研究采集汾河流域中下游段的土堂村、西草寨村和文水西社村的污水，分别通过添加磷酸二氢钾、硝酸钾、硫酸铵模拟农村生活污水(A)、农田灌溉回水(B)、村田混合水(C)的污染水体水质，设定试验初始水质TN浓度分别为27.37、4.0、10.0 mg/L，TP浓度为1.29、0.38、0.7 mg/L，其他营养物质以稀释10倍的Hoagland营养液进行补充，模拟污水的初始水体主要成分见表1。

表1 3种类型模拟污水的初始水体成分 mg/L

注：数据表示为平均值±标准误(Mean±SE)。

1.2.2 供试植物

供试湿地植物购自山西省太原市小店区西文庄花卉市场。3种植物重量基本一致、长势良好。将植物根部用去离子水洗净，于稀释8倍的Hoagland 营养液中静置培养7 d 后用于污水净化试验。

1.3 研究方法

水生植物培养采用长40 cm、宽50 cm、高30 cm的水箱，水箱上安装水表(宁波聚升水表阀门有限公司)用于保持每个水箱中水量在50 L。每箱水面用有定值孔的塑料泡沫板作栽培定植板，在定植孔中用海绵固定植物，植物根系浸没入液面下保持厌氧状态以减少硝化作用。每箱种植1种湿地挺水植物，每箱定植6株作为1个重复，实验期间水温为23 ℃。

各污水处理组的每种植物处理设3次重复，并设1个覆有定植泡沫板无植物的空白对照。实验持续30 d，每 10 d 更换1次污水。试验期间通过加Hoagland 营养液来补充蒸发、蒸腾和采用引起的水分损耗，以保持水箱中水位不变。

1.4 样品采集与测试方法

1.5 数据分析

试验数据统计分析采用 SPSS 18.0软件进行，连续变量以平均值±标准误(Mean±SE)的形式表示，用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行均数间的多重比较，以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 各污水环境条件对植物生物状态及生物量的变化

2.1.1 植物生长状况

湿地植物中存在一些耐污能力较弱的挺水植物，这些植物在高氮浓度环境中表现出生长缓慢，甚至出现氮中毒导致死亡的现象[9]。挺水植物对各污水环境的适应性(30 d)研究结果见表2。

表2 供试植物对不同来源污水的适应性比较(n/18)

注：A为农村生活污水；B为农田回水；C为村田混合水。试验周期为30 d，但茭白在农村生活污水条件下培养3 d后死亡，在观察7 d后拔除。n/18：植物的观测样本量为18，n为在污水环境下植物萎蔫程度a或茎叶生长状况b的数量分布频度。

在农田回水中，美人蕉、香蒲和茭白全部健康生长，茎叶未见萎蔫，说明3种供试植物对该污水环境下的适应性较好。

在村田混合水中，所有美人蕉和香蒲植株生长正常，茎叶未见萎蔫，而相同污水条件下培养的茭白中，有16.67%的植株出现萎蔫，轻度萎蔫和重度萎蔫植株分别占到11.11% 、5.56%，对植株茎叶生长状况观察显示，27.78%的植株出现了新叶萎蔫，16.67%甚至出现整株叶片黄化。说明美人蕉和香蒲未遭受污水环境的明显伤害，而茭白遭受到一定程度损伤。

在农村生活污水中，美人蕉和香蒲生长良好，未出现明显不适应，但所有茭白在培养3 d后即全部死亡。说明美人蕉和香蒲适应性较强，但茭白对该污水环境耐受性较差。

2.1.2 生物量的变化

各污水组中的植物生物量比较分析(图1)表明，3种供试植物在研究开始时生物量基本一致。试验结束时，除农业生活污水组的茭白外，各污水环境中的植物生物量均明显增长。美人蕉生物量增长表现为：农村生活污水处理(78.33 g/株)>村田混合水处理(55.77 g/株)>农田回水(9.48 g/株)；香蒲生物量在各污水环境条件下的增长规律与美人蕉一致，分别增长44.58、39.76、4.66 g/株；茭白在村田混合水和农田回水中分别增长了48.02 g/株和25.99 g/株，但在农村生活污水条件下中因不耐受而死亡。

在农村生活污水条件下培养30 d后，3种植物的生物量存在显著差异(P=0.028)，表现为：美人蕉>香蒲>茭白；在其他两种污水条件下培养时，3种植物生物量的差异不显著(P>0.05)。

图1 不同来源污水中的植物生物量的比较 注：BM0为研究开始时植物生物量；BM1为研究结束时植物生物量。死亡植株的生物量记为0；茭白茎叶生长状况评价为b3的植株因干枯脱水严重，数据未纳入统计，以缺省值处理。差异显著性统计为相同污水条件下不同供试植物处理间的比较(P=0.05)。

2.2 供试植物对氮的积累及去除

2.2.1 污水来源对供试植物氮累积量的影响

植物氮累积量在各污水处理组表现不同。农村生活污水条件下，美人蕉氮源累积量为香蒲的1.39倍，茭白因死亡无法进行氮源累积；农田回水条件下，3种供试植物的氮累积量差异不大，为8.05～10.58 g/m2；在村田混合水条件下，3种供试植物的整株氮累积量为：茭白>美人蕉>香蒲。

将植物划分为地上和地下两部分，比较各污水组中植物吸收氮源后在不同部位的分配特征(见表3)。结果表明，在农村生活污水环境中美人蕉的氮累积以地上茎叶部分为主，而香蒲地下根系部分的氮累积量略大于地上部分。农田回水和村田混合水条件下，美人蕉和茭白地上部分对氮源累积优势明显，明显大于地下部分，香蒲地上部分的氮累积量与地下部分差异较小，氮累积能力在地上与地下的比值基本为1。

表3 供试植物在污水中培养的氮累积量比较 g/m2

2.2.2 供试植物对不同来源污水的总氮去除率

根据污水处理前后的TN浓度变化计算TN去除率，并绘制不同污水条件下供试植物TN去除率变化曲线(图2)。可以看出，3种挺水植物对污水中TN都有去除作用，但不同来源的去除效率不同。在农村生活污水环境中，3种供试植物对TN的去除率差异较大，最高为美人蕉(57.09%)，其次为香蒲(46.38%)，茭白因不适应该污水环境，移种后很快死亡，对TN的去除率最低(19.11%)，与无植物种植的空白对照(15.66%)差别不大，基本无净化作用[图2(a)]。当污水来源为农田回水，3种植物对TN的去除率都很高，约达85%，无植物的空白对照对TN去除率仅18.09%[图2(b)]；当供试水源为村田混合水，美人蕉、香蒲和茭白3种植物对TN的去除率下降，分别为73.41%、75.82%和73.15%，空白对照去除率为17.73%[图2(c)]。

图2 植物对农村生活污水、农田回水和村田混合水的总氮去除率 注：农村生活污水中的茭白培养3 d后全部死亡，在7 d后即拔出所有死亡植株，以避免死亡植株腐烂导致氮源重新进入水中干扰研究的准确性。图3同。

2.2.3 供试植物对不同来源污水的氨氮去除率

在培养3种挺水植物后，农村生活污水、农田回水和村田混合水环境中的累积氨氮去除率随着时间变化逐渐上升(见图3)。

图3 植物对农村生活污水、农田回水和村田混合水的氨氮去除率

农村生活污水环境中，美人蕉和香蒲在试验15 d后，可完成对污水中氨氮的去除，其中美人蕉的净化速度略大于香蒲，茭白由于对该污水环境严重不耐受，在植株死亡后，环境中的氨氮去除效率为65.23%[见图3(a)]。挺水植物在试验开始10 d后基本完成对农田回水中氨氮的净化作用，10 d后该污水环境中的氨氮浓度已低于检测限[见图3(b)]。村田混合水培养水植物10 d后，污水中的氨氮去除率达到95%以上[见图3(c)]。

本试验的空白对照组对各污水处理均表现出一定的氨氮去除效果。在试验10 d后，空白对照组对农田回水中的氨氮去除率达到98.07%，对村田混合水中的氨氮去除率达到52.33%，此后氨氮浓度基本保持不变。空白对照对农村生活污水中的氨氮去除率在试验10 d后达到最高值44.05%，此后降幅度明显减缓。分析原因，生活污水中含有大量微生物，微生物对氨氮具有一定的吸收和形态转化作用。

3 结 论

3种供试植物对污水中的氮均具有一定的净化效果，植物对氮的净化效果与植物的生物量、植物自身对污染物的累积能力有关。其中，3种植物在低污染条件下氮净化能力相似，在高污染条件下美人蕉对污水中氮的去除效果最好，其次为香蒲，茭白则无法生存。

植物较强的适应性及抗逆性是维持植物正常生长的重要依据，是植物发挥较强净化能力的基础。从本研究结果来看，除茭白在农村生活污水中全部死亡外，3种湿地挺水植物对各供试污水环境基本均能适应。我们前期对山西省农业非点源污染特征的调查显示，汾河流域农业非点源污染以总氮、氨氮和总磷为主，未出现重金属等有毒有害污染物。污染物浓度依次为：农村生活污水>农田回水>村田混合水，该差异必将引起植物生长对其的适应性差异。本试验中，茭白在农田回水和村田混合水中生长良好，而在农村生活污水条件下死亡，可能是由于该污水所受污染严重，可能已经超出茭白对污染物浓度的耐受极限。

本研究结果显示，在农田回水、村田混合水条件下，美人蕉、香蒲和茭白的生物量无显著差异，但在农村生活污水组中，美人蕉和香蒲虽然对该污水环境适应良好，但试验结束后，香蒲的生物量变化明显，然而显著低于美人蕉。分析原因可能在于美人蕉为喜氮植物，对香蒲来说本实验污水中的氮浓度可能高于其生长的最适范围，高氮胁迫虽然未明显影响到香蒲的生存，却影响到植物长势。

本研究对植物地上部分和地下部分的氮累积量进行了比较研究。研究中均选取生物量基本一直的供试植物，避免了植物所处生长阶段对污水的耐受差异对研究结果的影响，最大程度降低了选择偏倚对统计分析的干扰，研究结果更为可靠。

本研究中挺水植物对总氮和氨氮的净化研究显示，在污染物浓度较低的农田回水环境中，挺水植物对总氮和氨氮的净化效果较好；污染物浓度较高情况下，其净化效果下降。提示不同植物对污水中污染物初始浓度的要求存在差异。对于污染物浓度较高的污水一定要经过前置处理，在污染物浓度达到湿地植物处理污水要求后，才能经湿地植物进行污水净化。

因此，在今后利用人工湿地系统进行污水净化处理时，要根据汾河流域当地的气候特点、植物适应能力和耐污能力、环境污染负荷等实际条件，选择合适的植物，最大限度的发挥植物的作用。

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参考文献：

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