模擬人工濕地不同植物配植對富營養化水體修復能力研究

靳陽陽，霍張麗，郭曉宏

(1.臨汾市水利局，山西 臨汾 041000；2.山西師范大學 生命科學學院，山西 臨汾 041000)

模擬人工濕地不同植物配植對富營養化水體修復能力研究

靳陽陽1，霍張麗2，郭曉宏2

(1.臨汾市水利局，山西 臨汾 041000；2.山西師范大學 生命科學學院，山西 臨汾 041000)

人工濕地；富營養化；濕生植物；去除率

隨著我國現代工業的快速發展，受經濟利益驅使，部分企業環保設施落后，工業廢水未經處理就直接排入河流、湖泊等，嚴重污染了水體。大量排放的生活污水也是導致我國水體富營養化的主要因素，其中旅游業的發展更是加快了水體富營養化的進程。同時，農業生產中大量使用農藥、化肥，其中的氮、磷通過農田徑流流入湖泊中，也加劇了水體的富營養化。

植物修復技術是利用水生植物(主要是沉水植物和挺水植物)生長過程對氮、磷等營養物質的吸收而減少水體中這類污染物質，同時分解、凈化水體中的其他有毒有害物質的環境污染治理技術。這種方法低投資、高產出、環境效益好，尤其是治理費用要比傳統技術低，已被證明是一項非常有應用前景的水污染處理新技術。但植物修復技術作為一門新興的技術，還需進一步尋找或培育出具有良好遺傳性狀的植物新品種，來適應不同污染濃度、滿足不同季節和地域需求、快速高效地同時修復多種污染[1]。

人工濕地生態技術是20世紀70年代發展起來的一種污水處理工程方法[2]，通過模擬自然濕地環境，人為設計與建造由基質、植物、微生物和水體組成的復合體，利用生態系統中水生植物、基質、微生物的物理、化學和生物的直接和協同作用來實現對污水的凈化[3]。

本試驗選用臨汾本土的蘆葦(Phragmitesaustralis)、藨草(Scirpustriqueter)、薄荷(Menthahaplocalyx)3種濕生植物，通過構建不同植物組合的小型人工濕地，定期進行水質監測和分析，研究不同濕地植被對富營養化水體的修復能力，以篩選出凈化效果好、適宜于山西臨汾地區人工濕地生境的植物組合，充分發揮人工濕地在生態清潔型小流域建設中的重要作用，為水環境保護提供重要試驗依據[4]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗裝置

小型模擬人工濕地系統構建于紅色塑料桶內(桶的規格：上口直徑33 cm、內徑28.5 cm，下口直徑24.5 cm、內徑21 cm，高28 cm)[5]，在桶底設一個出水龍頭用來排水。在距桶底15 cm的桶體上設一個出水龍頭，并連接集水管用于采集水樣。集水管均勻打孔，用100目的濾布包裹，防止細砂進入管中造成堵塞。在桶內分層鋪設不同粒徑的河砂作為基質，下層為10 cm厚的粗砂(粒徑1～3 mm)，上層為15 cm厚的細砂(粒徑0.3～1 mm)，之間用100目的濾布隔開[6]。試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置

1.1.2 富營養化水體設置

試驗前加入KNO3、NH4NO3、NaH2PO4和葡萄糖來人工模擬富營養化水體[7]，總氮、總磷濃度參照GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中地表Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ類水標準擴大10倍進行配置，所配置的富營養化水初始濃度配比見表1。

表1 試驗水體營養成分初始濃度配比

1.2 試驗方法

1.2.1 水樣測試指標和測試方法

1.2.2 試驗植物采集和處理

2013年6月，從臨汾市汾河流域采集了蘆葦、藨草、薄荷3種濕生植物。采集過程中，注意不要損傷到植物根系，采集后用報紙或牛皮紙包裹植物莖段，避免植物倒伏、彎折，然后放入盛有水的桶內[6]。

植物采回后，用自來水、蒸餾水沖洗根部泥土，洗凈后放入10%的Hoagland營養液中進行培養，一周換水一次。兩周后挑選大小一致、長勢良好的植株，將其植入試驗桶中，每桶種植8株。向桶中澆灌蒸餾水2次，每次將水排空后再進行第二次注水。最后，一次性向每個試驗桶中注入5 L預先配好的富營養化水，并在桶外對液面劃線標記。考慮到試驗期間水分的蒸發和植物的蒸騰作用，適時向桶內添加蒸餾水以保持水位不變[6]。

1.2.3 植物配植方式

將蘆葦、藨草、薄荷3種植物進行組合搭配，共設4個組合，分別是: 蘆葦+藨草、蘆葦+薄荷、藨草+薄荷、蘆葦+藨草+薄荷。3種富營養化處理濃度下每個組合均設3個重復樣，共計36桶。試驗從8月10日開始至9月14日結束，共計35 d。試驗開始后每隔7d檢測一次水樣[6]。

1.2.4 去除率計算

污染物去除率計算公式為

式中：C0為測定初始時的污染物濃度，mg/L；Ci為測定第i天的污染物濃度，mg/L。

1.2.5 數據處理

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2007對數據進行處理和繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同植物組合對輕度富營養化水體的凈化效果

表2 不同植物組合對輕度富營養化水體中污染物的去除率比較

注：表中的數值為平均值±標準誤差；同一行不同小寫字母表示差異顯著 (P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P≥0.05)，下同。

2.2 不同植物組合對中度富營養化水體的凈化效果

表3 不同植物組合對中度富營養化水體中污染物的去除率比較

2.3 不同植物組合對重度富營養化水體的凈化效果

表4 不同植物組合對重度富營養化水體中污染物的去除率比較

3 結論與討論

以上結果表明，蘆葦和藨草在每組配植方式中都有重要的作用。蘆葦對TN、TP的去除可能與其特有的通氣組織有關，研究表明植物可通過根系輸氧和根系微生物來影響污水中磷素的凈化[9]。蘆葦和藨草都具有根狀莖，其發達的根系表面覆蓋著一層生物膜，膜上含有很多的細菌和原生動物等，分泌了大量的酶，加速了水體中大分子物質的降解，使水質得到有效凈化[10]。藨草的根狀莖在試驗期間不斷分化出新的芽體，發育成完整的植株，使得試驗種植密度增大，其突出的COD去除能力不排除這個原因。

表3、4表明，隨著水體富營養化程度的增加，4種植物組合的凈化效率均趨下降，但蘆葦+藨草+薄荷組合凈化效率下降最顯著，這可能是植物種間競爭相互抑制所導致的。

不同植物在不同濃度的富營養化水體中有不同的凈化效果，并且外部環境也對植物生長發育和凈化效果有著不可忽視的影響[11]。在人工濕地的應用中，可以根據實地環境條件做出相應的植物配植方式，以求達到最好的凈化效果，既能凈化水體，又能美化環境[12]。

[1] 夏曉方,鐘成華,劉潔,等.水生植物修復污染水體的研究進展[J].重慶工商大學學報:自然科學版,2011,28(4):398-400.

[2] 王文明,危建新,聶世輝,等.人工濕地生態技術及其應用[J].四川環境,2013,32(3):106-110.

[3] 段素明,黃先飛,胡繼偉,等.人工濕地研究進展[J].貴州農業科學,2012,40(3):211-216.

[4] 楊俊鵬,王鐵良,范昊明,等.河流生態修復研究進展[J].水土保持研究,2012,19(6):299-304.

[5] 郜瑩.哈爾濱市人工濕地植物凈污能力研究[D].哈爾濱：黑龍江大學,2012.

[6] 霍張麗.模擬人工濕地植物對富營養化水體的修復研究[D].臨汾：山西師范大學,2014.

[7] 常會慶,王世華,徐曉峰,等.兩種水生植物對重富營養化水體修復效果研究[J].水土保持研究,2012,19(5):262-265.

[8] 國家環境保護總局,水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法[M].第4版.北京:中國環境科學出版社,2002:104-280.

[9] 李曉東,孫鐵珩,李海波,等.人工濕地除磷研究進展[J].生態學報,2007,27(3):1226-1231.

[10] 劉盼,宋超,朱華,等.3種水生植物對富營養化水體的凈化作用研究[J].水生態學雜志,2011,32(3):69-73.

[11] 劉佳,劉永立.水生植物對水體中氮、磷的吸收與抑藻效應的研究[J].核農學報,2007,21(4):393-396.

[12] 蔣躍平,葛瀅,岳春雷,等.人工濕地植物對觀賞水中氮磷去除的貢獻[J].生態學報,2008,24(8):1720-1725.

(責任編輯 徐素霞)

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1000-0941(2015)01-0044-03

靳陽陽(1981—)，男，山西臨汾市人，工程師，主要從事水利科學研究工作。

2014-09-15