5种景观植物对城市河道景观水体的净化作用

蔡强 孙玲 杨瑞卿 金秋红

摘 要：以绿萝、水葫芦、鸡冠花、金盏菊、一串红5种景观植物为试材，研究其对城市河道水体中氮、磷、化学需氧量（CODMn）及悬浮物（SS）的去除效果。结果表明，5种景观植物对徐州市大龙湖景观水体中的氮、磷、CODMn和SS均有一定的去除效果。绿萝、水葫芦、鸡冠花、金盏菊、一串红对总氮的去除率分别为76.69%、78.57%、71.42%、69.64%、67.86%，对总磷的去除率分别为78.70%、81.48%、73.15%、72.22%、68.52%，对CODMn的去除率分别为52.5%、55.35%、46.02%、45.42%、44.19%，对SS的去除率分别为81.4%、86%、79.1%、76.7%、74.42%。5种景观植物对水体的净化效果依次为：水葫芦>绿萝>鸡冠花>金盏菊>一串红。

关键词：景观植物;河道景观水体;氮;磷;CODMn;SS;净化

中图分类号 TU984.18 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）24-0102-04

水体富营养化是水体中氮、磷营养物质过剩而造成的一种水体污染。氮、磷的去除方法有很多，但效果都不太理想。研究表明：挺水植物、浮水植物、沉水植物对氮、磷都有一定的去除效果[1⁃3]。不同的水生植物对水体的修复效果不同，而水生植物对氮、磷的去除方式并不单一，在自然状态下，主要依靠氨挥发去除氮，而磷仅是依靠微生物的吸收及颗粒的沉降作用去除。不同植物对水体中的各类污染物的净化效果和吸收能力不同，因此要重视植物选择的，不仅要了解植物的生理特性，还要对其净化机理有一定的了解。

水生景观植物种类繁多，且植物作为水体生态系统必不可少的一部分，在水体修复和环境美观方面具有其他植物无法替代的功效。利用植物净化受污水体，不仅对原生态环境的破坏少，而且会增加该地区的物种多样性，且有一定的美观效果。该项技术的运用有利于加大水资源重复利用比重，减缓水体受污现状，改善我国水体受污比例，同时还可促进水生态系统的恢复。

1 材料和方法

1.1 供试材料 选取绿萝、水葫芦、鸡冠花、金盏菊、一串红5种小植株景观植物作为试验材料。

1.2 试验设计 试验容器为圆形塑料桶，高30cm，上、下部直径分别为30cm、20cm。自制25cm×10cm×3cm底部带孔的长方体塑料泡沫板，按间距3厘米，孔径4毫米打孔，打2排，共5个孔。把绿萝、水葫芦、鸡冠花、金盏菊、一串红实验试材在塑料泡沫板的中心依次插好，一排2株，另一排3株，每桶5株，将塑料泡沫板置于圆桶内固定好。设置5组试验组，1组空白对照组，共6组，5种植物分别栽培于5个不同的圆桶内，空白对照组桶内不放任何植物。每隔3d测1次每个塑料圆桶中水样的溶解氧含量、水温和pH值;每7d测1次试样的总磷、正磷酸盐、总氮、氨氮、化学需氧量及悬浮物含量，共测5次。记录试验数据，每一待测指标值重复测定3次，取其平均值。

1.3 测定方法 总氮：过硫酸钾氧化—紫外分光光度法;总磷：钼酸铵分光光度法;正磷酸盐：钼酸盐分光光度法;化学需氧量（CODMn）：高锰酸钾法;固体悬浮物（SS）：重量法。

2 结果与分析

2.1 对氮的去除效果

2.1.1 对总氮的去除效果 5种景观植物对水体中总氮（TN）的去除效果较明显（图1）。水葫芦水体总氮的含量由原来的1.12mg/L下降到1.01mg/L，去除率达78.57%，绿萝、鸡冠花、金盏菊、一串红对水体中总氮的去除率分别为76.69%、71.42%、69.64%、67.86%。而对照组对总氮的去除率仅为8.93%，明显低于5组植物组（P<0.05）。表明水葫芦和绿萝对徐州市大龙湖水体总氮的去除效果较好。另外，开始阶段各培养水体总氮含量下降较快，后期下降较慢，试验结束时，水体中总氮的含量达到最低。分析认为：在试验开始阶段由于水的沉降作用较强，水中的总氮可以通过植物根系被吸附、截留;随着时间的推移，沉降作用逐渐减弱，而植物根系达到吸附饱和的状态后吸附效果也甚微，所以后期植物对总氮的去除效果欠佳。因此，试验后期主要是依靠植物的吸收和微生物的降解、吸附作用来去除氮[4]。

2.1.2 对氨氮的去除效果 5组景观植物对氨氮的去除效果见图2。在试验的21d内，绿萝、水葫芦、鸡冠花、金盏菊和一串红水体中氨氮的质量浓度由原来的0.622mg/L分别降至0.23mg/L、0.20mg/L、0.26mg/L、0.30mg/L、0.32mg/L，去除率分别为63.02%、67.85%、58.20%、51.77%、48.55%，而对照组对氨氮的去除率为3.5%;至试验结束时，绿萝、水葫芦、鸡冠花、金盏菊、一串红和对照组的氨氮去除率分别为71.06%、74.28%、67.85%、63.02%、59.81%、6.8%。由此可知，5组试验组相较对照组对氨氮的去除效果較显著（p<0.05）。

氮是不同植物生长所必须的营养物质，植物体内氮的积累与其自身生理特性有较强的相关性。一般来说，植物会根据自身生理活动所需吸收一定的氮素来合成自身生物能，因此通过植物本身的生长变化趋势可较直观的反应出植物从水体中吸取的养分。本研究发现，至试验结束时5种植物的株高及根长都有所增加，由此可知，它们对水体中的氮素有一定的吸收作用，其中绿萝和水葫芦的生长速度和生物量较大，所以对氮的吸附较强，去除率也较大。5种植物对水体中的总氮有明显的去除效果，但去除效果却有一定的差异，这是由于不同植物生理、机理存在一定的差异性，因而对氮的去除机理也有一定的差异性[4]。

总氮由无机氮和有机氮组成，无机氮主要包括硝态氮、亚硝态氮和氨氮。一般来说，正常水体中的亚硝态氮很容易被氧化为硝态氮，含量很少，所以对氮去除效果的研究主要从氨氮和硝态氮入手。对于存在水生植物的水体而言，主要分以下2步来完成对氮的清除：一是通过硝化和反硝化作用将一部分氨氮转化为硝态氮和亚硝态氮，还有一小部分的氨氮、硝态氮和亚硝态氮可以直接被水生植物吸收合成自身生命活动所需的有机氮化合物;二是通过反硝化作用去除部分硝态氮[5]。去除水体中氨氮主要通过3种途径[6]：（1）氨挥发。水体pH的数值对氨挥发有一定的影响，当pH在8.0～9.3时，氨挥发效果最为显著;当pH在7.5～8.0时，氨挥发不是特别明显;而当水体pH7.5时，氨挥发可直接忽略不计。（2）硝化作用。水体中溶解氧的浓度对硝化反应有一定的影响，同时温度和pH也是硝化反应的影响要素之一。硝化反应的最佳pH在7.0～8.6，DO（溶解氧）的浓度一般要高于2mg/L，硝化反应在温度低于15℃的时候，硝化抑制作用明显。（3）植物吸收。植物通过吸收水中的游离的硝态氮与氨态氮来达到去除氮素的效果。本试验水体的pH值均在6.5～8.0，对于氨挥发作用可以忽略。因此，本试验主要通过硝化作用和水生植物的吸收作用去除氨氮。试验水体的DO浓度均高于2mg/L，温度在14.5～20.3℃，pH在6.5～8.0，表明试验水体的环境适合硝化菌的生长，所以氨氮的去除与硝化反应有着直接联系。

2.2 对总磷的去除效果 由图3可知，5种景观植物对大龙湖景观水体中总磷的去除效果较明显，其中，总磷含量下降最快的是培养水葫芦的水体，而鸡冠花、金盏菊、一串红对水体中总磷的去除率相差不是特别大。试验结束时，水葫芦、绿萝、鸡冠花、金盏菊、一串红和对照组水体中总磷的质量浓度由原来的0.108mg/L分别降至0.020mg/L、0.023mg/L、0.029mg/L、0.030mg/L、0.034mg/L、0.100mg/L，去除率分为81.48%、78.70%、73.15%、72.22%、68.52%、7.4%，试验组对总磷的去除率远高于对照组对总磷的去除率（P<0.05）。

水体中的部分磷可直接被水生植物吸收，经同化作用，合成植物自身的结构组成物质，这种储存方式可以使磷稳固的储存在植物体内，把固定在植物体内的磷进行人工收割，可轻易的将磷带出水体，达到除磷效果，这样既经济又高效。同时，植物根系存在一定数量的聚磷菌，通过吸收磷元素降低磷含量，而在无植物栽培的对照组实验桶内总磷的含量也呈下降走势。表明水体通过沉降作用对磷也有一定的去除效果。由此表明，水体中总磷除通过植物吸收同化作用外，植物根系微生物的分解及重力沉降作用也是降低磷的重要方式之一。

2.3 对化学需氧量（CODMn）的去除效果 由图4可知，5组景观植物对水体中CODMn的去除有显著的效果。其中，水葫芦对CODMn的去除效果最为显著，由初始的32.25mg/L降低至14.4mg/L;其次为绿萝，培养绿萝水体的CODMn下降到15.32mg/L;其他3种植物对水体中CODMn的最终去除率差异不是很明显。试验结束时，绿萝、水葫芦、鸡冠花、金盏菊、一串红对水体中化学需氧量的最终去除率为52.5%、55.35%、46.02%、45.42%、44.19%。对照组CODMn的浓度也有一定程度的降低，去除率为12.25%，与5组试验组有显著差异（P<0.05）。

水体中化学需氧量的降解主要受到温度、溶解氧浓度、水体中附着在植物根系上微生物的种类与数量等几个因素的限制。一般而言，通常以水体中溶解氧的浓度为控制条件。当溶解氧浓度小于0.20mg/L时，发生厌氧降解反应;当溶解氧浓度在0.20～1.0mg/L时，发生缺氧降解反应;而当溶解氧浓度大于1.0mg/L時，发生好氧降解反应[7]。本研究5个试验组的溶解氧质量浓度始终大于1.0mg/L，因此分析认为主要通过好氧降解过程来降解CODMn。水葫芦对CODMn的去除率最高，主要是由于它的根系发达，为微生物提供了很好的生长繁殖场所，促进了根系对CODMn的吸附、截留及过滤作用，当然，微生物的降解作用也不可忽视[8]。

2.4 对悬浮物（SS）的去除效果 由图5可知，5种景观植物对水体中悬浮物均有一定的去除效果。试验结束时，各实验组对SS的去除率分为为水葫芦86%、绿萝81.4%、金盏菊76.7%、鸡冠花79.1%、一串红74.42%。虽高于对照组的44.2%的去除率，但去除效率不是很理想。水体中悬浮物质的去除效果因水生植物种类的不同而存在一定的差异。水葫芦及绿萝的去除效果较为显著，金盏菊、一串红、鸡冠花对水体中悬浮固体的去除效果次之。由于试验是在固定容积的圆桶内进行，相比较于河流湖泊的水生环境有很大的差距，因而有一定的局限性。圆桶内的悬浮固体主要以泥沙为主，藻类、细菌等很少。因此，本试验水体中的悬浮物主要依靠自然沉降作用去除，还有部分无法靠沉降作用去除的悬浮物，通过植物根系的吸附、截留作用去除。

受污水体中悬浮物的去除方法，大都采用传统方法去除，最为人熟知的就是投加药剂法，在水中加入各种混凝剂使水体中的细小悬浮物及胶体物质转变为大的沉淀物后，通过沉降作用去除。水中悬浮物除通过自然沉降法去除外，还可以通过其他方法可以去除，如离心分离、气浮、过滤、反渗透、膜分离、蒸发浓缩等。相较于本试验的植物去除效果而言，这些方法不仅去除效率高，而且经济快速。因此，针对悬浮物的去除效果而言，不大适合用单一的植物去除水体中的悬浮物。使用植物去除悬浮物虽然具有一定的生态优势，但是相比传统治理方法存在耗时长、治理强度低、耗费大的缺点。虽然高等水生植物群落对水体中悬浮固体的去除具有良好的效果，但是其对植物种类的搭配、栽种密度与范围要求较高，不易实施。另外，由本次研究表明，悬浮物的去除效果与不同种类的植物组合有关，要根据水质的具体情况量体裁衣。

3 结论与讨论

（1）水葫芦、绿萝、鸡冠花、金盏菊、一串红在实验室水培35d后，对徐州市大龙湖水体总氮的最终去除率分别为78.57%、76.69%、71.42%、69.64%、67.86%;对氨氮的最终去除率分别为74.28%、71.06%、67.85%、63.02%、59.81%;对总磷的去除率分别为81.48%、78.70%、73.15%、72.22%、68.52%;对化学需氧量的最终去除率为52.5%、55.35%、46.02%、45.42%、44.19%，而对SS的去除效果不是特别理想。而对总氮的去除主要依靠植物的吸收同化、微生物的降解及植物根须的吸附截留，而氨氮主要通过吸收同化作用去除，对照组中氨氮的去除主要依靠物理作用，即氨挥发。

（2）不同景观植物对水质净化能力存在一定的差异，水葫芦及绿萝对徐州市大龙湖景观水体的氮、磷及化学需氧量有着显著的去除效果。

参考文献

[1]李晶，崔丽娟，张曼胤，等.植物对不同类型湿地污染物的去除机制[J].水生态学杂志，2018，39（3）：1-7.

[2]高海龙，程寒飞，詹茂华，等.太湖水生植物研究进展[J].生态环境学报，2019，17（1）：9-15.

[3]苗金，原海燕，黄苏珍.10种水生观赏植物对不同富营养化水体的净化效果研究[J].水土保持学报，2015，2（1）：60-64.

[4]吴雨涵，余俊，王锐涵不同配置人工湿地植物群落对生活污水净化效果[J].水土保持研究，2019，12（6）：364-371.

[5]郭雅倩，薛建辉，吴永波，等.沉水植物对富营养化水体的净化作用及修复技术研究进展[J].植物资源与环境学报，2020，29（3）：58-68.

[6]LIANG Y X，ZHU H，BAÑUELOS G，et al.Constructedwetlands for saline wastewater treatment：a review[J].EcologicalEngineering，2017，98：275-285.

[7]崔香.城市景观植物耗水规律及其生态修复的试验研究[D].青岛：中国海洋大学，2011：19-21.

[8]裘湛.人工湿地植物根际效应对根部微生物影响的研究进展[J].净水技术，2018，37（7）：26-30.

（责编：张宏民）