利用極淺型潛流人工濕地修復沙漠化土地的可行性研究

曹亞鋒, 任勇翔, 王新偉, 陳燦燦, 肖海南, 劉龍龍, 肖松麗

(1.陜西省環境工程重點實驗室 西北水資源與環境生態教育部重點實驗室

西安建筑科技大學， 陜西 西安 710055； 2.陜西省建筑設計研究院有限責任公司， 陜西 西安 710018)

利用極淺型潛流人工濕地修復沙漠化土地的可行性研究

曹亞鋒1,2, 任勇翔1, 王新偉1, 陳燦燦1, 肖海南1, 劉龍龍1, 肖松麗1

(1.陜西省環境工程重點實驗室 西北水資源與環境生態教育部重點實驗室

西安建筑科技大學， 陜西 西安 710055； 2.陜西省建筑設計研究院有限責任公司， 陜西 西安 710018)

摘要：[目的] 探討以城市污水作為植物生長的水源和肥源，以期同步實現沙漠化土地的快速修復和污水凈化的可行性。 [方法] 利用極淺型潛流人工濕地，濕地填料為細沙，栽培植物為高羊茅、黑麥草、狗牙根、蘆葦和香蒲進行試驗設置。 [結果] 試驗僅4個月，細沙容重減小了20%～23%，有機質至少增加了3.9倍，有效磷、pH值、電導率和孔隙率分別增加了16%～103%，3%～5%，1.7～2.6倍和16%～25%，與原細沙差異性顯著(p<0.05)，而堿解氮、全磷和各濕地細沙理化性質無顯著性差異(p>0.05)。 [結論] 極淺型潛流人工濕地能夠迅速增加細沙養分含量，改善細沙理化性質，以極淺型潛流人工濕地修復沙漠化土地可行。高羊茅和黑麥草可作為修復沙漠化土地的優選植物。

關鍵詞：沙漠化土地; 人工濕地; 細沙; 理化性質

土地沙漠化已經影響中國，特別是西部地區的可持續發展[1]。目前，沙漠化的治理主要采取工程治沙、化學治沙和植物治沙等措施，對遏制沙漠化取得了一定成效，但前兩種措施雖能快速固定流沙，卻達不到沙漠化土地修復的目的[2]。植物治沙是其中最有效的治沙措施，但需耗費大量的人力、物力，修復周期長，尤其是為保證穩定的水源和肥源供給需花費大量資金。隨著我國城鎮化進程的不斷加快，位于沙漠化區域或周邊城鎮的生活污水發生量也不斷增加，若不加處理，則會使脆弱的生態環境更加惡化。傳統的Ⅱ級生物處理主要是通過微生物作用礦化水中的污染物，導致資源(植物生長的營養物，如有機質、氮和磷等)浪費，且投資、運行費用高，對經濟欠發達的地區難以承受。人工濕地投資和運行維護費用低，易于管理，已廣泛應用于污水處理領域。由于沙漠化地區一般處于干旱、半干旱地區，夏季蒸發量大、冬季寒冷使表面流人工濕地在該地區的應用受到限制；垂直流濕地相對于潛流濕地投資高，運行復雜，且在夏季存在衛生問題[3]；潛流濕地中污水從填料表面下通過，衛生條件和保溫性好，對污水中污染物凈化效率高，但為防止填料空隙堵塞、保證其運行穩定性，一般選取礫石、粗砂等大粒徑材料作為濕地填料[4]。沙漠化土地的沙粒多屬細沙等級，其過小的粒徑不能滿足傳統潛流人工濕地穩定運行的要求。近年的研究成果[5-7]表明，極淺型潛流人工濕地因其成功誘導了植物根系的超常生長，在濕地中形成了大量穩定的過水通路(包括豐富的植物根系和根系對其周邊填料的強力疏松作用)，成功克服了因填料粒徑過小而導致的填料孔隙易堵塞、濕地運行穩定性差的難題。這就使得以沙漠化土壤為濕地填料，以城鎮污水為水源和肥源修復沙漠化土壤成為可能。本研究以極淺型潛流人工濕地為技術支撐，以細沙為其填料，探討將污水中的污染物(即植物所需營養物)部分富集到細沙中，進而同步實現沙漠化土地的快速修復和污水凈化。

1材料與方法

1.1　試驗設計與系統運行

極淺型潛流濕地設置為長2.70 m，寬2.00 m，其中配水區、處理區和集水區分別為0.35 m，2.00 m和0.35 m。原細沙(MS)取自陜西省榆林市榆陽區金雞灘鎮，以細沙(0.05～0.25 mm)為主(占90%以上)，粉沙(0.002～0.05 mm)含量極少，不含粗砂(0.25～1 mm)。濕地共6塊，依種植植物不同分為：高羊茅濕(CW1)、黑麥草濕地(CW2)、狗牙根濕地(CW3)、蘆葦濕地(CW4)、香蒲濕地(CW5)和未種植物濕地(CW6)，填料厚度均為0.1 m，運行水位為0.08 m。系統進水為西安市某污水處理廠初沉池出水，水力負荷為0.015 m3/(m2·d)。為了觀察同種植物在濕地與陸地的生長差異，同時設置了陸地對照組。

1.2　土壤取樣與分析方法

每塊濕地距池壁、配水區和集水區各0.2 m均勻布設9個取樣點，將9個樣品混合后作為一個試樣，取樣間隔約15 d。試樣風干后依據分析要求過篩，pH值及電導率(EC)均采用1︰5土水(蒸餾水)比浸提后，分別采用上海圖新電子科技有限公司生產的雷磁PHS-3CpH計和鄭州南北儀器設備有限公司生產的SX751型便攜式電導率儀測定；容重采用量筒計量體積，然后烘干稱重，孔隙率通過計算獲得[8]；有機質采用重鉻酸鉀外加熱法[9]；速效氮采用堿解擴散法[8]；全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定[10]；有效磷采用0.5 mol/L的碳酸氫鈉鉬銻抗比色法[11]、采用上海始恒儀器設備有限公司生產的UV-752型紫外—可見分光光度儀測定。數據處理與顯著性分析采用SPSS Statistics 17.0(顯著水平取0.05)。

2結果與分析

2.1　系統進出水質情況

移栽初期為使植物能夠適應污水環境，采用階梯式稀釋的污水作為系統進水3周。正常運行后用標準分析法測定進出水水質指標[11]，結果詳見表1。由表1可以看出，試驗期間，CW1—CW5出水水質穩定，其出水COD，TN及TP均達到城鎮污水一級A排放標準(GB18918—2002)，而CW6多次出現堵塞，需人工清通，出水水質較差，不能穩定達到沙漠化土地修復和污水凈化的目的。

表1　濕地進、出水水質情況

注：表中數據為平均數±標準差(n=36)，時間自2013年8月至12月中旬。

2.2　植物生長狀況

試驗選取均為多年生窄葉植物作為栽培植物。濕地中植物在植株高度、葉片寬度、葉片數量方面，均優于同期陸地對照組。濕地中黑麥草、高羊茅在冬季依舊生長旺盛，多次分蘗，并且能夠在細沙表層形成須根根系網，而濕地中狗牙根、蘆葦和香蒲于11月下旬枯萎，與陸地對照組的同類植物常綠期相同。

2.3　細沙pH和電導率的變化

圖1　不同濕地中細沙pH值和電導率的變化(n=6)

2.4　細沙容重和孔隙率的變化

土壤孔隙率和容重是反映土壤固體顆粒的基本參數，土壤容重小，表明土壤比較疏松，孔隙多；反之，表明土體比較緊實，結構性差，孔隙少[13]。由圖2可知，各濕地細沙容重減小了20%～23%，與MS差異性顯著(p<0.05)；細沙孔隙率增大了16%～25%(圖2)，與MS差異性顯著(p<0.05)，而CW1—CW6之間無顯著性差異(p>0.05)。細沙容重減小、孔隙率增大,說明極淺型潛流濕地能夠增加細沙的通透性，改善細沙團粒結構。

圖2　不同濕地中細沙容重和孔隙率的變化(n=6)

2.5　細沙中有機質和堿解氮的變化

土壤肥力是反映土壤質量的一個重要指標之一，而土壤有機質的含量是衡量土壤肥力的重要指標，有機質對土壤的理化性質有重要作用[14]。從圖3可以看出，濕地細沙中有機質含量在2.12～2.94 g/kg，增加了3.9～5.8倍，與MS差異性顯著(p<0.05)，而CW1—CW6之間無顯著性差異(p>0.05)，表明在濕地運行過程中，細沙中有機質顯著增加，但種植植物與否及植物類別對細沙有機質累積無顯著性影響。

氮是土壤中最為活躍的大量營養元素之一，也是植物需要量較大的營養元素，其含量反映了植物生長期間利用氮素的高低和土壤的供氮水平[15]。試驗期間，各濕地細沙中堿解氮含量增加了29%～78%(圖3)，與MS無顯著性差異(p>0.05)，CW1—CW6之間無顯著性差異(p>0.05) ，表明濕地運行有助于細沙中堿解氮的累積，但增加不顯著。

圖3　不同濕地中細沙有機質和堿解氮的變化(n=6)

2.6　細沙中全磷和有效磷的變化

土壤中的全磷包括有機態和無機態兩種形式，有機態磷主要來源于成土過程中生物作用，而無機磷除使用化肥外主要來源于成土母質，對于表層土壤來說，其全磷含量受母質和植被的共同作用[15]。試驗期間，CW1—CW6中細沙與MS相比，全磷含量有減小的趨勢(圖4)，且無顯著性差異(p>0.05)，表明在濕地運行期間細沙中全磷含量變化不明顯，這與李中陽等[16]人的研究一致。

磷是植物生長必須的營養元素，而有效磷是為作物生長提供直接的磷養分資源[17]。試驗期間，各濕地細沙中有效磷含量增加了16%～103%(圖4)，與MS差異性顯著(p<0.05)，CW1—CW6之間無顯著性差異(p>0.05)，表明濕地運行有助于細沙中有效磷的累積，但種植植物與否及植物類別對細沙中有效磷累積無顯著性影響。

圖4　不同濕地中細沙全磷和有效磷的變化(n=6)

2.7　營養物累積量與污染物去除量的相關性

人工濕地通過截留、吸附等途徑將污水中部分污染物滯留在濕地填料中，導致填料中的養分增加[18-19]。通過統計分析，以細沙中有機質、堿解氮和有效磷與濕地進出水中COD，TN和TP中值作為計算依據，得出各濕地細沙中營養物累積量與濕地對污染物的去除量的相關性(如表2所示)。從表2可以看出，細沙中有機質累積百分比最高，為79.64%～118.01%，有效磷次之，為3.60%～22.16%，堿解氮最低，為0.73%～2.20%。細沙中有機質(CW3—CW6)的累積量大于污水中的去除量，其原因是微生物的大量繁殖形成顆粒狀有機質、植物根系分泌物及植物腐爛等引起的。

極淺型濕地中植物須根根系的發達程度顯著優于其他類型濕地[5]。周心澄等[20]指出，豐富的根系能提高土壤的有機質含量，陳署晃等[21]認為土壤有機質是各類營養元素特別是氮磷的重要來源，其含量增加對于保持肥力和提高作物產量有積極的作用。試驗4個月期間，細沙中有機質從0.43 g/kg增加到2.00 g/kg以上，明顯優于封育恢復5 a沙漠化逆轉土地中有機質從約1.40 g/kg增加到約2.20 g/kg的效果[22]，說明極淺型潛流人工濕地修復沙漠化土地能使細沙中有機質快速累積，對提高細沙養分含量具有明顯的優勢；另外，結合2.1～2.6和表2的結果可知，在保證處理水穩定達標的前提下，各濕地細沙理化性質都得到了有效改善，但不存在顯著性差異，即不同植物對細沙的理化性質短期無顯著影響。高羊茅和黑麥草在濕地中四季常綠，分蘗能力強，且相較于其他冬季枯萎植物，栽培高羊茅和黑麥草的濕地在冬季依然保持較好的污染物處理效果[7]和景觀效應，因此，高羊茅和黑麥草可作為修復沙漠化土地的優選植物。

表2　營養物累積量占去除量的比例　%

3結 論

(1) 以細沙為填料的各極淺型潛流濕地可穩定運行，且出水COD，TN及TP均穩定達到城鎮生活污水一級A排放標準；而不栽培植物的潛流土地處理單元時常堵塞，出水水質較差，說明栽培植物為沙漠化土地的穩定持續修復和水中污染物高效去除發揮了關鍵作用。

(2) 以極淺型潛流濕地修復沙漠化土地能夠增強細沙中的肥力，為植物生長創造有利的條件，使細沙理化性質向良性方向發展。各濕地細沙有機質、有效磷、pH值、電導率及孔隙率較原細沙均顯著增加(p<0.05)，容重顯著減小(p<0.05)，堿解氮和全磷無顯著變化(p>0.05)。

(3) 各濕地細沙之間有機質、堿解氮、全磷、有效磷、pH值、電導率、容重及孔隙率無顯著性差異(p>0.05)，表明不同植物短期對細沙物理化學質變化無顯著性影響。高羊茅和黑麥草四季常綠，可作為修復沙漠化土地的優選植物。

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Feasibility of Combating Desertification Using Extremely Shallow Subsurface Flow Constructed Wetland

CAO Yafeng1,2, REN Yongxiang1, WANG Xinwei1,

CHEN Cancan1, XIAO Hainan1, LIU Longlong1, XIAO Songli1

(1.ShaanxiKeyLaboratoryofEnvironmentalEngineering,KeyLaboratoryofNorthwesternWaterResourceandEnvironmentEcology,MinistryofEducation，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an，Shaanxi710055,China； 2.ShaanxiArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.，Xi’an，Shaanxi710018,China)

Abstract：[Objective] This paper aimed to elucidate the feasibility of using municipal wastewater as the sources of water and fertilizer for the growth of cultivated plant, in order to combating desertification and purifying the pollutants in the taste water. [Methods] Extremely shallow subsurface flow constructed wetlands (SSFCWs) were used to cultivate plants. In the wetlands, fine sand was selected as the substrate. Plants had Festuca arundinacea, Lolium perenne, Cynodon dactylon, Phragmites australis and Typha orientalis. [Results] After four months’ cultivation using waste water in the wetlands, some indices differed significantly with that of original sand(p<0.05). For example, fine sand bulk density reduced by 20%～23%; organic matter increased over 3.9 times; available P, pH value, electrical conductivity and porosity increased by 16%～103%, 3%～5%, 1.7～2.6 times and 16%～25%, respectively. No significant differences of available N, total phosphorus among the original fine sand and substrates of different SSFCWs(p>0.05). [Conclusion] As significant improvements in nutrient contents and physi-chemical characteristics of fine sand were observed, the result demonstrated that it is feasible to restore desertification land using the extremely SSFCWs. It indicated that F. arundinacea and L. perenne could be used as the preferential plants for combating desertification.

Keywords:desertification land; constructed wetland; fine sand; physi-chemical characteristics

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)04-0136-05

中圖分類號：S156.5

通信作者：任勇翔(1968—),男(漢族),陜西省銅川市人,博士,教授,主要從事水環境生態的生物修復理論與技術研究。E-mail: ryx@xauat.edu.cn。

收稿日期：2014-06-06修回日期：2014-07-03

資助項目：教育部高等學校博士學科點專項基金“人工濕地修復荒漠化土地可行性及關鍵技術研究”(20126120110017)

第一作者：曹亞鋒(1987—),男(漢族)，陜西省蒲城縣人,碩士研究生,研究方向為水質生態凈化。E-mail:cyaf1987@126.com。