不同湿地植物对三江平原农田退水重金属的去除效果

2020-01-06 03:47赵丹慧王清波李琦蔡体久邸雪颖孙晓新
湿地科学与管理 2019年4期
关键词:香蒲芦苇农田

赵丹慧 王清波 李琦 蔡体久 邸雪颖 孙晓新*

(1 东北林业大学林学院,黑龙江 哈尔滨 150040; 2 黑龙江三江平原湿地生态系统国家定位观测研究站,黑龙江

抚远 156500;3 黑龙江三江国家级自然保护区管理局,黑龙江 抚远 156500)

重金属是污染水体的主要污染物种类之一,湿地系统对重金属有很好的去除效果(张荣社等, 2005),湿地植物对污染水体中的重金属有极强的富集能力(周建军等, 2014)。三江平原作为中国最大的沼泽湿地分布区之一,长期以来的农业活动在该区造成了农业非点源污染,大量营养物质和重金属进入水体导致湿地环境发生明显的变化(刘加海, 2012)。近些年,湿地污水处理技术被广泛应用于处理生活污水、工业废水等(Dan et al, 2017),但很少用于处理农田退水,关于三江平原沼泽湿地植物对农田退水去除效果的研究更少。在已有的报道中,大部分研究是单一湿地植物对营养元素N、P 的去除作用(刘树元等,2011);三江平原稻田磷以及农田排水中铁在各级排水系统中的净化效果(王莉霞等,2011),而鲜有研究探讨不同湿地植物配置对农田退水中重金属的净化作用。

本研究利用三江平原4 种常见湿地植物臌囊苔草、芦苇、水葱和香蒲,构建15 种不同植物配置的人工湿地,研究不同湿地植物对三江平原农田退水中4 种重金属Cr、Pb、Cu、Zn 的去除效果,以期为湿地保护管理提供依据,并筛选出对重金属去除效果较好的湿地植物,为以污水净化为目的的人工湿地构建提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 材料来源

本研究在黑龙江三江自然保护区抓吉管理站(47°44′40″~48°8′20″N,134°36′12″~134°4′38″E)进行,该区属于温带季风气候,但由于离鄂霍次克海域较近,具有海洋性气候的特点,年平均气温2.2 ℃,年平均降水量603.8mm。该保护区属冲积平原沼泽,广泛分布着小叶章Deyeuxia angustifolia、芦苇、臌囊苔草等湿地植物。

在抓吉管理站附近的天然湿地移植臌囊苔草、芦苇、水葱和香蒲4 种湿地植物的成熟幼苗。选择典型、常见且面积最大的臌囊苔草沼泽和小叶章沼泽的土壤作为实验用土,随机设置采样点,采集去掉土壤表层草根层且深度为0~50cm 的土壤。实验用土中Cr、Pb、Cu 和Zn 的含量分别为18.9mg/kg、86.2mg/kg、23.4mg/kg 和4.3mg/kg。 农 田退水为抓吉管理站附近稻田里的退水,退水中Cr、Pb、Cu、Zn 的 初 始 浓 度 为1.840 2mg/L、0.255 9mg/L、0.103 6mg/L、0.523 1mg/L。

1.2 实验方法

2017年6 月18 日-7 月30 日为缓苗期。在6 月18 日,构建模拟人工湿地。将采集的土壤样品风干,过筛去除石头和枯落物等杂质,将土壤混合均匀装在容器中,容器为高57cm、上口径48cm、下口径36cm 的聚乙烯桶,每个容器中的土壤高度为低于容器口12cm,实际高度为45cm。设置15 种不同的植物配置(表1),各进行4 次重复,共60 个聚乙烯桶。在聚乙烯桶中,按照植物配置移植长势良好、高度和生物量相近的臌囊苔草、芦苇、水葱和香蒲,密度为15 株/桶。将模拟人工湿地放置在抓吉管理站野外实验场,实验场避雨且自然光照充足。在此期间,在每个聚乙烯桶中注入去离子水,保证水位都高于土壤表面10cm。每两天补充一次去离子水,保证每个容器中水位不变。

表1 人工湿地内植物配置方式Table 1 Plant species arrangement of artificial wetlands

2017年7 月31 日-8 月28 日为处理期。在7 月31 日,将聚乙烯桶中的去离子水抽出,注入农田退水,定期补充去离子水,保持容器中的水位始终高于10cm。在此期间,每隔7 d利用聚乙烯瓶采集1次水样,即分别于8 月7 日、8 月14 日、8 月21 日、8 月28 日,采集水样100mL。将采集的水样冷藏保存并带回试验室,采用火焰原子吸收法测定水样中Cr、Pb、Cu、Zn 的含量。

1.3 数据分析和处理

采用方差分析方法,利用SPSS 18.0和Excel 2007 软件,进行数据分析和绘图。

图1 人工湿地水体中重金属含量随取样时间的变化Fig. 1 Weekly records of heavymetals in water column of artificial wetlands

2 结果与讨论

2.1 人工湿地中重金属含量随取样时间的变化

随着实验时间的延长,所有人工湿地中Cr、Pb、Cu、Zn 的含量都在逐渐降低,即W0>W1>W2>W3>W4。从实验开始至结束的4 周时间里,15 种人工湿地中Cr 和Zn 的含量均逐渐降低,Cr 和Zn含量在不同取样时间之间大多数存在显著差异(n=4,P <0.05),说明在实验期内,植物一直稳定吸收农田退水中的Cr 和Zn。但在15 种不同植物配置的微系统中,有14 种微系统水体中的Pb 含量在第1周和初始含量之间没有显著差异,但有11 种微系统的Pb 含量在第4 周较第2 周显著降低(n=4,P<0.05),说明植物对Pb 的吸收在与污水接触之初并不明显,只有在达到至少2 周之后,这种吸收作用才明显表现出来。而Cu 的含量仅在第1 周取样时与初始含量之间有显著差异(n=4,P <0.05),之后的取样与第1 周取样之间有近一半没有显著差异,仅有2 类人工湿地水体中Cu 的含量在第4 周较第3 周显著降低(n=4,p<0.05),说明植物对Cu的吸收在试验第1 周较为明显(图1)。

在28 d 的实验周期内,4 种植物及其组合一直稳定吸收农田废水中的Cr,人工湿地对低浓度的Cr有较好的去除效果,且低浓度的Cr 对湿地植物生长有促进作用(李志刚等, 2011),进而增强人工湿地对污染水体中Cr 的去除能力。在实验初期,15类人工湿地对农田退水中Pb 的去除效果均不明显,至少在实验进行两周后人工湿地对Pb 的去除效果才明显,适当延长污染水体在系统中的停留时间可提高人工湿地对Pb 的去除率(曹婷婷等,2017)。

2.2 人工湿地对重金属的累积去除率

15 种 人 工 湿 地Cr、Pb、Cu、Zn 的 累 积 去 除率 分 别 为81.59%~9.12%、41.08%~68.39%、9.07%~16.14%、59.06%~81.63%。人工湿地对Cr、Pb 和Zn 都有较高的去除率,在40%以上。其中,臌囊苔草+芦苇+水葱组合的人工湿地对Cr 的去除效果最佳,达到97.12%;对Pb 的去除效果最好的为臌囊苔草+芦苇+香蒲组合的人工湿地,累积去除率为68.39%;臌囊苔草+香蒲组合的人工湿地对Zn 的累积去除率最高,为81.63%(表2)。

在本研究中,15 类人工湿地对Cu 的累积去除率都较低,董小霞等(2017)研究组合式水生植物对Cu 的去除效果中,Cu 的去除率高达93.45%,比本研究中的去除率高很多。一方面是两者所用植物不同,不同植物对不同性质污染水体的抗性和适应性存在较大差异(Mishra et al, 2008)。另一方面,两者构建人工湿地的方法、所用基质、系统运行时间、重金属的初始浓度都不一样。在董小霞(2017)的研究中,Cu 的初始浓度为0.5mg/L,本研究中Cu的初始浓度较之低了一半。在用人工湿地去除重金属时,重金属的浓度越高,植物根部的浓度较低,植物根部吸收的重金属越多,则重金属吸收率也越高(Soda et al, 2012)。在一定的范围内适当提高重金属的初始浓度,可以增加植物对重金属的去除率。除此之外,Galletti 等(2010)在用人工湿地处理生活污水的研究中Cu 的去除率也较低,最高只有9%,当系统运行时间过长时,水环境会变成偏酸性,溶解氧较低使得Cu 释放得到水中,从而降低Cu 的去除率。

表2 人工湿地对农田退水中Cr、Pb、Cu 和Zn 的累积去除率 %Table 2 Cumulative removal rates of heavymetals from agricultural discharge in artificial wetlands %

图2 人工湿地中植物配置数量与重金属累积去除率关系Fig.2 Relationship between cumulative removal rates of heavymetals and number of plant arrangements in artificial wetlands

香蒲对重金属Zn 有很强的去除作用,含有香蒲的8 类人工湿地对农田废水中Zn 的累积去除率在70%以上。香蒲是用于净化污染水体的主要挺水植物,香蒲对环境胁迫耐性很强,且含有与重金属螯合的物质,对重金属有很好的净化效果(Kissoon et al, 2011)。

2.3 人工湿地中植物配置对累积去除率的影响

当人工湿地中植物配置数量为1~4 种时,随着植物数量的增加,Cr 和Cu 的平均累积去除率也增高,Cr 的平均累积去除率从89.56%增加到96.52%,Cu 的平均累积去除率则从12.57%增加到22.22%。Cr 和Cu 的去除率与植物组成种类数量之间有显著正相关关系(n=4,P <0.05),但Pb 和Zn 的去除率与植物组成数量之间则没有显著正相关关系(n=4,P <0.05)(图2)。

胡啸等(2012)在研究黄菖蒲Iris pseudacorus、黑藻Hydrilla verticillata、大薸Pistia stratiotes 及其组合对污染水体中Cr 的净化效果时,得出结论:对于Cr 的去除,3 种植物的组合系统更优于单一植物系统。董小霞等(2014)提出不同类型植物组合在一起的串联系统能高效去除污染水体中的Cu。本研究中Cr 和Cu 的去除率与植物配置数量存在线性关系,与上述研究所得结论基本一致,说明对于农田退水中Cr 和Cu 这两种重金属,通过增加湿地植物种类,可以有效提高重金属的去除率,达到更好的水质净化效果。

3 结论

臌囊苔草、芦苇、水葱、香蒲及其组合都适用于去除农田退水中Cr、Pb、Zn,对3 种重金属的累积去除率都达到了40%以上。但对Cu 的累积去除率则在23%以下,去除效果较差。对Cr、Pb、Cu、Zn的累积去除率最高的人工湿地分别为臌囊苔草+芦苇+水葱组合我(95.45%)、臌囊苔草+芦苇+香蒲组合(68.39%)、臌囊苔草+芦苇+水葱+香蒲组合(22.22%)、臌囊苔草+香蒲组合(81.63%)。

适当延长农田退水在人工湿地中的停留时间,能提高对Cr、Pb、Cu、Zn 的累积去除率。就Cr、Cu 的去除效果而言,多种植物搭配比单一植物的去除率高。

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