典型湿地植物的生长特征及其水质净化效果分析

安喜志，高宏锦，邢胜男

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

人工湿地净化污染物的机理比较复杂，其中水生植被系统起着重要的作用，它能吸收同化污水中N、P等污染物[1]。挺水植物是构建人工湿地植被系统的主要类型植物，具有同化吸收污染物和拦截、过滤污染物的作用。不少学者认为[2-5]，选择乡土优势挺水植物，突出生物多样性特色，因地制宜地研究和发展人工湿地，是提高人工湿地净化能力的关键措施，也是解决我国城镇生活污水治理和农村面源污染的主要途径。本研究选取了7种在天然湿地中生长良好且具有一定景观效果和经济价值的挺水植物，研究了它们对生活污水氮、磷降解特性及其氮、磷积累分布规律，为退化天然湿地植物的生态修复及人工湿地的构建提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试湿地植物

本试验选择的供试湿地植物有7种，为天然湿地生态系统中的常见植物，主要有水葱（Scirpus validus）、香根草（Vetiveria zizanoides）、菖蒲（Acorus calamus）、美人蕉（Canna indi-ca）、茭白（Zizania latifolia）、芦苇（Phragmites australis）、黄菖蒲（Iris pseudacorus）等。

1.2 试验方法

选取以上7种植物在天然表面流湿地中进行水培试验，每种植物9株，截去它们长出的新根和茎叶，称其鲜质量，用泡沫板固定。试验分3次进水，每次进水50 L，时间间隔为10 d，每2 d取1次水样，测定总氮（TN）、总磷（TP）含量。每天用蒸馏水补充因蒸发而减少的水分。每种植物设2个平行和一个空白对照，试验数据取其平均数。

1.3 植株氮、磷测定方法

供试植株在经过对3次低浓度生活污水降解后，将每株样品按地上部分和地下部分分开称鲜质量，然后在80℃条件下烘干至恒重后称干质量。粉碎后，用H2SO4—H2O2消煮，全氮以奈氏试剂比色法，全磷以钼锑抗比色法测定[4]。

1.4 数据处理方法

植物的氮磷积累量（PA）的计算公式为：

式中：PB——植物增加的生物量，PC——植物的氮磷含量。

氮磷总去除率（R）的计算公式为：

式中:ICi和OCi——第i次进水和出水的氮磷浓度；Qi——第i次进水量。

数据处理采用SPSS 20.0统计软件进行。

2 结果与分析

2.1 水培期间不同湿地植物的生长状况

水培试验开始后，对各湿地植物生长状况进行连续观察，在第1次进水后（0～10 d），各植物生长较缓慢，尤其是茭白和芦苇，其他植物均有少量根长出。第2次进水后（10～20 d），香根草和黄菖蒲表现出较强长势，水葱和菖蒲长势一般，芦苇生长缓慢，而茭白已感染病虫害。第3次进水后（20～30 d），香根草、黄菖蒲、美人蕉、水葱迅速生长，根、茎、叶生物量迅速增加，菖蒲和芦苇的生物量变化较小，而茭白几乎死亡。整个水培期间，各植物长势总体评价见表1。

表1 各植物生长情况评价Tab.1 The evaluation on growth of plants

2.2 湿地植物水培前后生物量的变化

水培试验前后各植物的生物量均有不同程度的增加（见表2），增加量在23.4～437.1 g（鲜质量），其中美人蕉增加量最多为437.1 g，茭白最少为23.4 g，各种植物差异显著（P＜0.05）。水培试验后各湿地植物平均每株的地上部分生物量和地下部分生物量分别在2.38～24.55 g和0.87～14.42 g。地上部分以香根草的生物量最大，黄菖蒲次之，地下部分以黄菖蒲最大，香根草次之。各植物地下部分生物量占总生物量比例，黄菖蒲最高为56.02%，芦苇最低为19.47%，其他在30%～43%。

表2 水培前后植物生物量的变化情况Tab.2 The changes of plant biomass before and after hydroponics

2.3 湿地植物对生活污水总氮的降解特性

第1次进水期间，各植物处理对总氮（TN）的去除效果均不是很好且不稳定，除香根草外，其他与空白对照的差异均不显著（P＞0.05）；第2次进水期间，水葱、香根草、美人蕉、黄菖蒲均表现出较稳定的降解，与空白对照的差异显著P＜0.05），它们的水培污水中TN浓度随水力停留时间呈负相关（r＞0.94）；第3次进水期间，除茭白外，其他植物处理与空白对照的差异显著（P＜0.05），且对TN的降解均表现出较强且较稳定的降解，尤其是香根草和黄菖蒲，它们的降解率高达90.70%和72.39%，水培污水中TN浓度随水力停留时间呈负相关（r分别为0.971和0.997），除茭白、芦苇外，其他植物处理的相关系数都在0.9以上。

2.4 湿地植物对生活污水总磷的降解特性

第1次进水期间，各植物对总磷（TP）的降解表现出不稳定性，除香根草和黄菖蒲与空白对照差异显著外（P＜0.05），其他均不显著；第2次进水期间，各植物处理对污水中TP均表现出一定的降解，它们的水培污水中TN浓度随水力停留时间呈负相关（相关系数r＞0.9），降解率依次以香根草、美人蕉、黄菖蒲较为明显，分别达到了86.49%、80.99%、79.98%；第3次进水期间，各植物处理与空白对照差异均显著（P＜0.05），它们对TP均有较稳定的降解，水培污水中TN浓度随水力停留时间呈负相关（相关系数r＞0.9），但茭白、芦苇、菖蒲的去除率较低，分别为29.70%、36.65%、44.00%，而香根草、美人蕉、黄菖蒲、水葱仍保持较高的去除率，分别为86.39%、83.99%、79.59%、67.60%。

2.5 水培试验后各湿地植物氮、磷含量及分布

水培试验后，7种湿地植物地下部分全氮和全磷含量分别为95.05～2 636.57 mg和8.79～345.07 mg，地上部分分别在321.04～1 778.81 mg和33.18～225.31 mg（见表3），各种植物间差异显著（P＜0.05）。地上部分和地下部分总含氮量和总含磷量以黄菖蒲最高，芦苇和茭白最低，其他依次是香根草、水葱、美人蕉、菖蒲。除黄菖蒲外，植株的氮、磷含量主要集中在地上部分，它们的地上部分含氮量占总含氮量的60%～85%，含磷量在60%～80%。

表3 植株总含磷量水培前后变化情况Tab.3 The changes in total phosphorus content of plants before and after hydroponics

2.6 各湿地植物氮、磷总去除率与其水培试验中积累的氮、磷关系

水葱、香根草、菖蒲、美人蕉、茭白、芦苇、黄菖蒲等7种湿地植物在水培试验中，对生活污水中总氮的总去除率分别为57.05%、73.87%、37.70%、43.66%、27.20%、24.38%、68.79%；对生活污水中总磷的总去除率分别为57.93%、79.01%、45.37%、63.82%、36.12%、47.39%、75.20%；植株积累的氮分别为979.20 g、1149.92 g、365.38 g、1 344.14 g、51.82 g、208.55 g、1 006.66 g；积累的磷分别为135.91 g、112.92 g、49.28 g、137.07g、7.21 g、16.48 g、130.11 g。湿地植物对污水中总氮的去除率与其积累的氮量呈显著线性相关（r=0.78，P＜0.05），对污水中磷的去除率与其积累的磷量也成显著线性相关（r=0.82，P＜0.05）。

3 结语

湿地植物作为人工湿地的主体，是降解污水中氮、磷的主导力量，因此选择出能高效且稳定的吸收污水氮、磷的植物品种就显得尤为重要。试验结果表明：香根草、黄菖蒲、水葱、美人蕉都表现出较强的氮、磷降解能力，且它们经过对生活污水的适应后对氮、磷的降解与水力停留时间呈线性相关，相关系数均大于0.9，说明它们有着较为稳定的氮、磷吸收能力，且具有较大的氮、磷吸收空间。此外，生活污水中总氮总磷的去除率与湿地植物氮、磷的积累量呈线性相关，说明湿地植物在污水氮磷降解中发挥着重要作用。因此，在人工湿地运行中湿地植物的管理就显得尤为重要。水培后，各植物间以及其自身的地上部分与地下部分的生物量差异显著，这是由于各种湿地植物都有其自身生长特性。植株的氮、磷积累量主要集中在地上部分，因此在湿地植物生长旺盛的季节里定期对其地上部分进行收割，不但可以去除氮、磷，同时可以扩展其氮、磷吸收空间。