摘要:為探討在河涌污水培養條件下濕地植物對污水的凈化效果及其生理機制,以海芋(Alocasia macrorrhizos)、風車草(Cyperus alternifolius)、水蔥(Scirpus tabernaemontani)等10種挺水植物為試驗材料,研究了不同污染類型河涌污水生長條件下濕地挺水植物的抗逆、光合等生理指標及凈化污水的能力。結果表明,濕地挺水植物具備一定凈化河涌污水的能力,其中以海芋、花葉美人蕉(Canna generalis)、花葉蘆竹(Arundo donax)效果最明顯;污水脅迫條件下,黃花鳶尾(Iris pseudacorus)、水蔥等植物葉片細胞質膜透性和膜脂過氧化水平加劇,葉綠素含量下降,從而降低植物葉片抗逆性;光合參數方面,黃花鳶尾、水蔥等凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)均明顯降低,而細胞間隙CO2濃度(Ci)增大,表現出生長不良甚至枯死,而相同條件下,海芋、花葉美人蕉、香根草(Vetiveria zizanioides)和翠蘆莉(Ruellia brittoniana)的生理活性卻明顯增強。海芋、花葉美人蕉、翠蘆莉、風車草、花葉蘆竹等挺水植物為適宜的廣州河涌水體凈化和景觀美化植物材料。
關鍵詞:挺水植物;河涌;污水凈化;生理效應
中圖分類號:Q948;X173 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2011)09-1776-05
Eco-physiological Characteristics and Environmental Effects of Ten Wetland Emerged Plant Species on Purifying the Rivulet Sewage in Guangzhou
NIE Lei1,2,HE Man-mei2,DAI Se-ping2
(1. Department of Biology and Environmental Engineering, Guangzhou City College,Guangzhou 510405, China;
2. Guangzhou Research Institute of Landscape Gardening, Guangzhou 510405, China)
Abstract: The sewage purification capacity and physiological parameters of 10 wetland emerged plant species were studied. The results showed that the wetland emerged plants, especially Alocasia macrorrhizos, Canna generalis and Arundo donax could purify the rivulet sewage to some extent. In sewage treatment, the leaf chlorophyll contents, daily mean net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance(Gs) and transpiration rate (Tr) of Iris pseudacorus and Scirpus tabernaemontani decreased; while the cytoplasm membrane permeabilities and the lipid peroxidations of membranes of them increased, and the intercellular CO2 concentrations (Ci) increased. However, Pn, Gs and Tr of Alocasia macrorrhizos, Canna generalis, Vetiveria zizanioides and Ruellia brittoniana increased; while Ci of them decreased. These results showed that Alocasia macrorrhizos, Canna generalis, Ruellia brittoniana, Cyperus alternifolius and Acorus calamus could be used for rivulet sewage purification and landscaping in Guangzhou.
Key words: emerged plant; urban rivulet; sewage purification; physiological characteristics
廣州市河涌密布,水系發達,原有自然形態的河塘水網系統,是城市環境生態的重要組成部分。然而隨著經濟和城市建設的急速發展,河涌污染已成為不僅是廣州,更是全國城市河網的一個普遍現象。大部分河涌主要污染物的非離子氨、生化需氧量(BOD)、化學耗氧量(COD)、揮發酚100%超標,河涌水質污染日趨惡化。市區現有的231條(段)河涌,相當數量的水質為劣五類水。眾多河涌的黑水臭水,如同城市的條條傷疤,嚴重影響了城市發展與市民生活[1]。利用水生植物凈化污水作為一種成本低廉、節約能源、效益明顯的簡便易行方法,已成為各地改善水質的關注熱點。目前,國內外有關部門正大力提倡應用植物處理措施凈化污水[2]。本文以對河涌自然景觀營造起關鍵作用的挺水植物為研究對象,開展人工濕地環境下,不同污染類型的河涌污染物質對海芋(Alocasia macrorrhizos)、花葉美人蕉(Canna generalis)、翠蘆莉(Ruellia brittoniana)、風車草(Cyperus alternifolius)、菖蒲(Acorus calamus)等10種挺水植物光合生理特性和凈污能力的影響,以期為修復美化城市河涌生態環境提供技術依據。
1材料與方法
1.1材料
試驗于2009年8~10月在廣州市園林科學研究所苗圃進行。供試材料主要有10種(表1)。
1.2人工濕地處理方法
1.2.1人工模擬河涌濕地采用塑料桶(上口直徑26.5 cm,桶底直徑20.0 cm,桶高34.5 cm,裝水深度31.5 cm)構建微型潛流人工濕地,濕地基質為碎石(碎石直徑平均在1~2 cm)。在裝入碎石時,在每個濕地桶內放入長短不一的兩根塑料管(內徑3 cm),其中一管長度與濕地桶高度相近,另一管長只為桶高的一半。將兩管埋入濕地桶中,使之上端與碎石表面相平,下端分別達濕地桶底部和中部,便于直接抽取桶內底部和中部的水樣。每一桶內栽一株植物,每種植物做5次重復,2個對照。每種栽種植物選大小、生長狀況一致的45株,每桶種1株。栽種前,先用自來水清洗植株根部,并對其進行修剪,只保留少量的葉片和根,種于桶中央。灌污水前對所有植物進行水培處理,使其適應濕地生境,15d后灌入污水開始凈污試驗。
1.2.2水樣采集方法污水來源于沙河涌的體育學院段(污水處理1)和海珠涌的莊頭公園段(污水處理2)。沙河涌水質污染類型以石油類有機污染為主,同時含有重金屬、營養鹽等污染物。水質指標為:pH值7.26、總氮(TN)30.90 mg/L、氨氮(NH3-N) 27.40 mg/L、總磷(TP)3.56 mg/L、五日生化需氧量(BOD5)221.50 mg/L、化學需氧量-重鉻酸鉀法(CODcr)223.20 mg/L、固體懸浮物濃度(SS) 117.43 mg/L。海珠涌水質污染類型以重金屬無機污染為主,同時含有石油類、有機質等污染物。水質指標為:pH值6.78、TN 23.60 mg/L、NH3-N 19.80 mg/L、TP 2.51 mg/L、BOD5 162.80 mg/L、CODcr443.20 mg/L、SS 190.26 mg/L。以霍格蘭氏水培標準營養液培養的挺水植物作為對照。濕地系統的污水灌溉通常為每7d換1次,每次用體積為6 L的小桶計量,每濕地桶灌入污水2小桶(污水量12 L)。污水停留時間與更換時間相同。采樣時間為每15 d采1次,具體方法為:處理后每個濕地桶中分別按表面、中間、底端3點抽取等量水樣進行混合,所取總量約1 000 mL。每組3個平行。
1.3測定方法
1.3.1水樣測定水樣采集后在最短時間內帶回實驗室進行相關污染物指標的測定(測定的指標為TN、NH3-N、TP、SS、BOD5、COD、pH值),首先測定BOD5,因該指標中涉及溶解氧,所取水樣應盡量避免空氣的混入,然后再在1 d內完成TN、TP、SS的測定,對NH3-N的測定需待次日沉淀充分完成后,COD的測定一般亦需在2 d內結束。測定方法參照文獻[3]: COD采用重鉻酸鉀法;TN的測量為取樣50 mL,堿性過硫酸鉀分解—紫外分光光度法;TP的測量為取樣50 mL,過硫酸鉀氧化—鉬藍比色法;NH3-N采用鈉氏試劑光度法;BOD5采用稀釋接種法。
1.3.2植物生理指標測定方法葉片光合色素含量按照文獻[4]的方法測定;葉片丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法[5];細胞膜透性用相對電導率表示,采用電極法測定[4];根系活力采用氯化三苯基四氮唑法測定[6]。
光合參數的測定:污水處理后第3天起對試驗標記的葉片進行測定,利用美國Li-COR 6400便攜式光合測量系統的標準葉室,在自然條件下測定上數第3片葉片的凈光合速率(Pn)、大氣CO2濃度(Ca)、細胞間隙CO2濃度(Ci)、氣孔限制值(Ls為12Ci/Ca計算所得)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)等光合指標。測定時間在2009年9月20日至10月30日進行,每周選取晴朗的2~3 d于早上9∶00~11∶00測定。
數據統計分析采用DPS數據處理系統進行Duncan’s多重比較檢驗,試驗結果為平均值±標準差。
2結果與分析
2.1濕地挺水植物對河涌污水的凈污效應分析
10種植物在人工濕地系統中,對不同河涌污水的TN、NH3-N、TP、COD、BOD5和SS的平均去除率分別是55%、67%、64%、58%、72%和53%,總體而言,各挺水植物對海珠涌污水的凈化效果要好于沙河涌污水。其中,針對沙河涌污水,TN去除率最高的是花葉美人蕉(82%),其次是海芋(78%)、翠蘆莉(74%)和菖蒲(74%),較低的為黃花鳶尾(24%)和再力花(30%);NH3-N去除率最高的是海芋(91%),其次是花葉美人蕉(90%)和花葉蘆竹(85%),同樣黃花鳶尾和再力花表現較差;TP去除率較高的有海芋(87%)、花葉蘆竹(82%)和花葉美人蕉(81%);COD去除率最高的是花葉蘆竹(77%),其次是香根草(71%);BOD5去除率最高的是花葉美人蕉(88%),風車草、菖蒲和花葉蘆竹的去除率也較高。在SS方面,菖蒲、花葉蘆竹、花葉美人蕉、風車草和海芋的清除能力較明顯。總體來看,黃花鳶尾和再力花對沙河涌污水的凈污效應均不理想,而海芋、花葉美人蕉、花葉蘆竹的凈化效果較全面而高效,香根草、翠蘆莉、風車草表現出來的凈污能力也較強。在這6個污水指標中,NH3-N和COD去除率種間差異極顯著,TN、TP去除率種間差異顯著。在海珠涌污水的凈化效果試驗方面,基本上表現出與沙河涌相似的趨勢,海芋、花葉美人蕉、花葉蘆竹、翠蘆莉等凈化效果明顯,而黃花鳶尾和再力花表現不理想。與沙河涌污水試驗有所區別的是:香根草和風車草表現出更好的凈污效率。香根草在去除NH3-N和BOD5方面表現優異,去除率達到85%和87%,而風車草在去除COD(82%)和SS(80%)方面效果較明顯(圖1、圖2)。
2.2河涌污水處理對濕地挺水植物生長生理指標的影響
由圖3可知,與對照相比,沙河涌和海珠涌污水培養下,花葉美人蕉的葉綠素含量分別增加了32.7%和36.3%,海芋的葉綠素含量分別增加了21.2%和27.0%,香根草、翠蘆莉、風車草的葉綠素水平也都有不同程度的升高。黃花鳶尾、水蔥和菖蒲的葉綠素含量在污水培養條件下都有所下降,其中沙河涌和海珠涌污水作用下,黃花鳶尾、水蔥和菖蒲的葉綠素含量分別下降了34.5%、20.6%、7.5%和36.5%、22.5%、10.6%。與此相似,在河涌污水培養下,香根草、海芋、風車草、花葉蘆竹、花葉美人蕉的根系活力均呈上升趨勢,其中海珠涌污水培養條件下,與對照相比,風車草根系活力增加了36.5%;而水蔥、黃花鳶尾根系活力均呈下降趨勢(圖4)。
從圖5可見,河涌污水培養的海芋、香根草、風車草、花葉美人蕉等與對照相比,葉片組織中MDA含量差異不顯著,說明河涌污水并未通過增加活性氧自由基對葉片細胞起到破壞作用,葉片細胞仍然保持較高的穩定性。海珠涌污水培養能顯著增加菖蒲葉片MDA含量,沙河涌污水處理與對照差別不大。試驗結果表明,河涌污水處理能明顯增加水蔥、黃花鳶尾葉片MDA含量,從而加劇植株的污染逆境脅迫。
惡劣的河涌污染條件下黃花鳶尾、水蔥等生長不良,葉片質膜透性值偏高。在沙河涌污水處理下,黃花鳶尾、水蔥葉片質膜透性顯著高于對照,葉片的相對電導率為對照的131.4%和148.5%,說明河涌污水處理可破壞植物葉片細胞膜結構,加劇電解質外滲造成的質膜傷害。河涌污水培養條件對于風車草、香根草、海芋等植物葉片質膜透性影響不顯著;海珠涌污水處理下翠蘆莉葉片較對照下降8.5%,變化趨勢與MDA相似(圖6)。
2.3河涌污水處理對濕地挺水植物光合參數指標的影響
由圖7、圖8、圖9和圖10可知,人工濕地污水處理使黃花鳶尾、水蔥、菖蒲葉片的Pn、Tr低于對照。與此相反的是,污水處理提高了海芋、花葉美人蕉的Pn和Tr。Gs的變化趨勢與Pn、Tr相似,整體上黃花鳶尾、再力花、水蔥、菖蒲葉片的Gs均低于對照,且差異顯著,而海芋、香根草、花葉美人蕉等則高于對照。黃花鳶尾、再力花和水蔥這3種植物在污水處理下的Ci值高于對照,顯示光合同化速率明顯降低。Ls變化情況與Pn、Gs和Tr基本一致,黃花鳶尾、再力花、菖蒲和水蔥在污水培養下葉片Ls值降低,而海芋、花葉美人蕉、風車草、香根草等葉片Ls值有所上升。
3討論
研究顯示,廣州市河涌底泥受有機物、植物營養鹽、石油類和重金屬污染比較嚴重,其他污染物如硫化物、氰化物、氟化物、揮發酚等以及難降解有毒有機物,包括DDT、六六六、PCBs、PAHs等污染并不嚴重,污染總體呈由老城區向外圍逐步降低的態勢。因此,可以主要從有機污染和無機污染兩方面來劃分底泥污染類型。李明光等[7]通過調查分析廣州市10個行政區、2個縣級市的244條河涌底泥成分,將廣州市分為4個河涌污染區:老城區(荔灣—東山—越秀),“重”有機—“中”無機污染區;老城南區(芳村—海珠區),“中”有機—“重”無機污染區;中心—周邊區(白云—花都—天河—黃埔—番禺—南沙區),“輕”有機—“重”無機污染區;東北外周邊區(從化市—增城市),“無明顯”有機—“輕”無機污染區。本試驗采用的河涌污水材料分別來自海珠涌(“中”有機—“重”無機污染區)和沙河涌(“重”有機—“中”無機污染區),海珠涌屬于典型的重金屬污染類型,重金屬綜合污染指數值達到5.53;沙河涌屬于較典型石油類有機污染類型,有機質污染指數值達到2.04。按照梁偉臻[1]劃分的廣州市河涌的水質標準,這兩條河涌水質都為4級以下,水質差,污染嚴重,適宜進行河涌濕地植物材料的篩選。
人工濕地具有獨特而復雜的凈化機理,利用基質—微生物—植物復合生態系統的物理、化學和生物的三重協調作用,通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對廢水的高效凈化。同時,通過營養物質和水分的循環,促進綠色植物生長并使其增產,實現廢水的資源化和無害化[8,9]。在本試驗中,通過構建微型潛流人工濕地,發揮挺水植物和濕地基質的共同凈污效應,我們發現海芋、翠蘆莉、花葉美人蕉、花葉蘆竹、風車草、香根草等挺水植物對高污染的河涌TN、NH3-N、TP、COD、BOD5和SS等污染物有良好的去除率,表現出較高的凈污能力。
河涌污染濕地對植物而言屬于極其不利的生存環境。光合作用是植物體內重要的代謝過程,其強弱對植物生長發育及抗逆性都有重要的影響[10]。一般認為逆境條件會導致葉片Gs下降,導致光合速率降低。影響Pn下降的原因主要有兩種:一種是氣孔因素,即氣孔的關閉,Ls增大引起CO2供應不足;另一種是非氣孔限制因素,即葉肉細胞光合活性降低引起同化力不足而限制了光合碳同化。根據Farquhar等[11]的觀點和目前國內外學者常用的光合速率降低分析方法,判斷引起葉片Pn降低的原因是氣孔因素還是非氣孔因素的兩個標準是:當Ci減小,Ls增大時,氣孔的部分關閉成為光合下降的主要原因;而當Ci增加,Ls減小時,非氣孔限制成為光合下降的主要原因。本試驗中,人工濕地環境下黃花鳶尾、水蔥、菖蒲等植物葉片的Pn、Gs均降低,而Ci增加,說明Pn降低原因是葉肉細胞同化能力的下降,而不是由Gs降低引起的光合速率的下降,即非氣孔限制成了光合速率降低的主要因素。在河涌污水的污染環境下,黃花鳶尾、水蔥、菖蒲等植物葉片的相對電導率和MDA含量數值明顯偏高,葉綠素含量偏低,說明植株膜脂過氧化程度加劇,細胞膜的相對透性增加,植物根系活力下降,葉色發黃,生長不良甚至枯萎。這也與這幾種植物對TN、NH3-N、TP、COD、BOD5和SS等污染物凈化能力的降低具有直接的相關性[12]。
應重點指出的是,河涌污水對海芋、香根草、風車草、花葉美人蕉、花葉蘆竹等植物來說,卻相當于高營養水平的良好水培基質,生長效果明顯好于對照,植物葉綠素含量和根系活力明顯增加,光合效率大大加強[13]。相應的,植物對河涌污水中TN、
NH3-N、TP、COD、BOD5和SS等污染物的凈化效率也顯著提高[14]。從生長情況、凈化效果、景觀等方面綜合評價,海芋、花葉美人蕉、翠蘆莉、風車草、花葉蘆竹等挺水植物為適宜的廣州河涌水體凈化和景觀美化植物材料[15]。
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