人工濕地不同植被凈化水質效果與生理特性

解純芬

摘要：通過模擬垂直流人工濕地污水系統，研究濕地植被鳶尾（Iris tectorum Maxim.）、菖蒲（Acorus calamus L.）、茭白（Zizania latifolia）和蘆葦（Phragmites communis Trin.）對生活污水總氮（total N，簡稱TN）、總磷（total P，簡稱TP）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、生物耗氧量（biochemical oxygen demand，簡稱BOD5）和化學耗氧量（chemical oxygen demand，簡稱CODCr）的去除效果。結果發現，人工濕地4種植被對各種污染物的凈化效果存在一定的差異，凈化效果基本表現為鳶尾和蘆葦高于菖蒲和茭白；人工濕地4種植被對氮素的去除效果較好，對TP的去除效果較差，說明4種濕地植被對生活污水中氮素的吸收效果較好；人工濕地4種植被地上部和地下部生物量、根系活力和基質酶活性均表現為鳶尾和蘆葦高于茭白和菖蒲；4種植被地上部生物量均大于地下部生物量，就植株體內的N、P含量而言，地上部分N和P積累量高于地下部分；回歸分析結果表明，人工濕地不同植被N、P積累量分別與生物量N、P含量呈顯著的線性關系（P<0.05），由此推測，通過生物量和植被N、P含量來評價濕地植被對N、P去除的作用；相關性分析結果表明，人工濕地植被對生活污水各指標的去除率與植被自身生理特性密切相關，從相關系數來看，人工濕地植被對生活污水各指標的去除率與其根系活力和基質酶活性密切相關；除此之外，人工濕地植被對TN的去除與自身體內氮素密切相關，對TP的去除與自身體內磷素密切相關。

關鍵詞：人工濕地；植被；凈化水質；生理特性

中圖分類號：X17；X703文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2017）06-0299-06

人工濕地是由土壤、礫石、爐渣等按一定比例構成的選擇性植入植被的污水處理生態系統，該系統基質、水生植被和微生物等通過一系列物理、化學、生物途徑高效去除特定的污染物[1-2]。人工濕地是近年來發展較為迅速的污水處理技術，具有投資低、去除和凈化效果好、易維護、耗能低、美觀等特點，被廣泛應用于污水處理和水環境富營養化的防治中，已有不少地區取得了良好的環境效果和經濟效益[3]。植被是人工濕地的核心之一，在凈化水質等方面起著重要作用，濕地植被不僅具有同化吸收污染物的功能，還有攔截、過濾污染物的作用，促進污水中營養物質的循環和再利用，從而提高整個濕地生態系統微生物數量，促進濕地生態系統的硝化和反硝化作用，進而強化其凈化能力[4]。隨著城鎮化水平的加快，我國水質污染和水資源浪費現象十分嚴重，據不完全統計，全國年排廢水量400億t以上，生活污水排放量日益增多，大部分未經任何處理直接排入生態系統，加重了水資源短缺，合理開發利用水資源及凈化水質具有現實和長遠意義[5]。近幾十年來，關于人工濕地凈化水質的研究大多局限于單一植被，人工濕地不同植被對富營養化水體處理效果的比較研究鮮見報道，并且尚未發現采用與植被生理變化相關的過氧化氫酶、過氧化物酶、元素的積累量和基質酶活性作為濕地植被篩選的報道[6-7]。針對以上不足，本試驗在前人研究的基礎上，選取4種常見濕地植被，構建潛流型人工濕地，通過對比研究不同植被對生活污水中生物耗氧量（biochemical oxygen demand，簡稱BOD5）、化學耗氧量（chemical oxygen demand，簡稱CODCr）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、污水總氮（total N，簡稱TN）、總磷（total P，簡稱TP）的去除能力，并探討人工濕地植被生理特性變化及其與凈化水質相關性，旨在篩選適合生長且凈化能力較強的濕地植被，用于濕地水質凈化和水環境修復，為人工濕地的推廣應用提供植被材料和理論基礎。

1材料與方法

1.1試驗材料

人工廢水配制：TN，9.15 mg/L；TP，0.24 mg/L；CODCr，365.9 mg/L；BOD5，112.3 mg/L；NH4+-N，8.56 mg/L；NO3--N，5.18 mg/L；pH值為7.09。

1.2人工濕地設計與流程

試驗區位于重慶大學校區人工濕地系統。人工濕地結構底部為集水區，其上鋪放尼龍網，共設4個人工濕地結構單元，每個單元長×寬×深=20 m×5.0 m×1.0 m。單元之間用寬0.5 m的土埂隔開，分3層依次填充基質，底層大粒徑礫石（粒徑20～30 mm）作為排水層，厚度約為25 cm，中層選用當地中號爐渣（粒徑15～25 mm），厚度約為25 cm，上層選用當地小號爐渣和泥沙（粒徑10～15 mm），厚度約為25 cm。濕地單元內分別種植常見的濕地植被鳶尾（Iris tectorum Maxim）、菖蒲（Acorus calamus L.）、茭白（Zizania latifolia）和蘆葦（Phragmites communis Trin.），種植密度保持一致，為3～7株/m2。人工濕地單元底部為集水區，其上鋪放尼龍網，防止填料下漏，每個單元沿對角線埋入直徑為10 mm的PVC管，使人工濕地中的循環水能夠流入PVC管，以便于試驗樣品采集。

2014年5月20日先用微污染水對4種植被馴化1個月再進行凈化試驗，選擇株型大小、生物量基本一致的4種濕地植被，栽于人工濕地沙子基質上，植被栽上后，加自來水至沙子基質飽和，地下水培養1個月，保持其上2～3 cm薄水層，穩定20 d，其間換水3～5次。2014年7月20日將污水經配水池緩慢放入人工濕地（水深78～83 cm），由于水流通過水管均勻流入人工濕地，污水通過布設在人工濕地的布水管流入，緩慢向下滲濾，放水12 h后，停止注水，水力負荷控制在0.81 m3/（m2·d）。進水為上述配置的人工污水，經過人工濕地處理后的水從底部PVC管排出，生活污水在濕地系統中的停留時間為48～60 h，經過1年以后，測定各項指標。

1.3測定方法

人工濕地運行1年后，于2015年9月取出水口的，在實驗室進行化驗分析。各水質指標的去除率=（進水口值-出水口值）/出水口值×100%[5]。

統計每個單元人工濕地1 m2樣方中植株數目、株高等生長性狀，并將其收割分為地上和地下部分烘干測定其生物量。分別將地上部和地下部植被樣品粉碎，用H2SO4-H2O2消煮制備成溶液，植被TN用過硫酸鉀氧化吸光光度法測定，TP用釩鉬藍法測定[8]。

植被N、P積累量（g/m2）=植被體內N、P含量（mg/g）×植被生物量（g/m2）。

生理特性指標測定：植被根系數量、長度與活力、葉片過氧化物酶是反映植被適應能力與生理特性的主要指標；根系數量采用3株植被的平均根系數計算，根系長度采用3株植被的最長根平均數計算，根系活力、葉片過氧化物酶測定方法參照文獻[5]。

根系附近基質脲酶與基質磷酸酶活性的測定：根系附近基質脲酶與基質磷酸酶活性可反映植被根系與微生物的互作強度，直接反映濕地生態系統中的微生物數量，間接反映植被對N、P吸收能力的強弱，測定方法參照文獻[7-8]，土壤基質脲酶活性以24 h后100 g土壤中NH4+-N的mg數表示，土壤基質磷酸酶活性以24 h后100 g土壤中酚的mg數表示[9]。

水質測定項目包括TN、TP、NH4+-N、BOD5和CODCr：BOD5采用稀釋接種法；CODCr采用重鉻酸鉀氧化法；NH4+-N采用納氏試劑分光光度法；TN采用過硫酸鉀-紫外分光光度法；TP采用鉬銻抗分光光度法；NO3--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法[10]。

采用SPSS 21.0統計分析軟件分別對數據進行單因素方差分析（One-way ANOVA），多重比較采用LSD法，利用植被N、P積累量與植被生物量、N、P含量建立線性回歸，由原始數據擬合線性回歸關系經統計學檢驗得到擬合度參數r2，并檢驗相關系數的顯著性（P<0.05）。

2結果與分析

2.1人工濕地不同植被對污水各指標平均去除率

由圖1可知，人工濕地不同植被對TN、TP、NO3--N、NH4+-N、BOD5和CODCr的平均去除效果存在一定的差異，4種濕地植被對TN、TP、NO3--N、BOD5、CODCr和NH4+-N的去除率分別在63.4%～85.2%、21.6%～31.5%、53.1%～72.3%、58.7%～79.3%、31.7%～56.3%、43.7%～61.5%。人工濕地不同植被對TN的去除率基本表現為鳶尾>蘆葦>茭白>菖蒲，鳶尾和蘆葦對TN的去除率差異不顯著（P>0.05），二者均顯著高于菖蒲和茭白（P<0.05）；人工濕地不同植被對TP的去除率基本表現為鳶尾>蘆葦>菖蒲>茭白，鳶尾和蘆葦對TP的去除率差異不顯著（P>0.05），二者均顯著高于菖蒲和茭白（P<0.05），菖蒲和茭白對TP的去除率差異不顯著（P>0.05）；人工濕地不同植被對NO3--N的去除率基本表現為鳶尾>蘆葦>菖蒲>茭白，鳶尾和蘆葦對NO3--N的去除率均顯著高于菖蒲和茭白（P<0.05），菖蒲和茭白對NO3--N的去除率差異不顯著（P>0.05）；人工濕地不同植被對NH4+-N的去除率基本表現為鳶尾>蘆葦>菖蒲>茭白，鳶尾和蘆葦對NH4+-N的去除率差異不顯著（P>0.05），二者均顯著高于菖蒲和茭白（P<0.05），菖蒲和茭白對NH4+-N的去除率差異不顯著（P>0.05）；人工濕地不同植被對BOD5的去除率基本表現為鳶尾>蘆葦>菖蒲>茭白，鳶尾和蘆葦對BOD5的去除率均顯著高于菖蒲和茭白（P<0.05），菖蒲和茭白對BOD5的去除率差異不顯著（P>0.05）；人工濕地不同植被對CODCr的去除率基本表現為鳶尾>蘆葦>茭白>菖蒲，鳶尾和蘆葦對CODCr的去除率差異不顯著（P>0.05），二者顯著均高于菖蒲和茭白（P<0.05）。綜合來看，4種濕地植被對氮素的去除率最高，對BOD5和CODCr的去除率次之，對磷素的去除率較低。

2.2人工濕地不同植被適應能力與生理特性

從濕地植被適應能力與生理特性來看，4種植被種植在生活污水中生長90 d后，在根系數量、長度、活力以及葉片過氧化氫酶活性方面都表現出差異。由圖2可知，人工濕地不同植被地上生物量變化范圍為423.5～752.3 g/m2，基本表現為鳶尾>蘆葦>茭白>菖蒲，鳶尾和蘆葦地上生物量差異不顯著（P<0.05），二者均顯著高于菖蒲和茭白（P<0.05）；人工濕地不同植被地下部生物量變化范圍為321.3～703.2 g/m2，基本表現為鳶尾>蘆葦>茭白>菖蒲，鳶尾和蘆葦地下部生物量差異不顯著（P>0.05），二者均顯著高于菖蒲和茭白（P<0.05）；人工濕地不同植被根系長度變化范圍為16.5～43.2 cm，基本表現為蘆葦>鳶尾>茭白>菖蒲，鳶尾和蘆葦根系長度差異顯著（P<0.05），菖蒲和茭白根系長度差異不顯著（P>0.05）；人工濕地不同植被根系條數變化范圍為135～23.4，基本表現為鳶尾>茭白>蘆葦>菖蒲，鳶尾和茭白根系條數差異不顯著（P>0.05），二者均顯著高于菖蒲和蘆葦（P<0.05）；人工濕地不同植被根系活力變化范圍為265～75.6 μg/（g·h），基本表現為鳶尾>蘆葦>茭白>菖蒲，不同植被間根系活力差異均顯著（P<005）；人工濕地不同植被根系過氧化氫酶活性變化范圍為23.7～125.9 U/（g·min），基本表現為鳶尾>蘆葦>菖蒲>茭白，不同植被間過氧化氫酶活性差異均顯著（P<005）。

2.3人工濕地植被N、P含量、積累量及其相關性

2.3.1人工濕地植被N、P含量及積累量植被氮磷積累量表示植被從濕地系統中帶走的氮磷量，是直接反映植被凈化潛力的重要指標之一，其大小由生長量和植被內氮磷平均含量決定[11-12]。由圖3可知，人工濕地不同植被葉片N含量變化范圍在16.3～25.7 mg/g之間，基本表現為蘆葦>鳶尾>菖蒲>茭白，不同植被葉片N含量差異均顯著（P<0.05）；人工濕地不同植被葉片N積累量變化范圍在451.6～1 123.6 g/m2 之間，基本表現為鳶尾>蘆葦>菖蒲>茭白，菖蒲和茭白葉片N積累量差異不顯著（P>0.05），且二者均顯著低于蘆葦和鳶尾（P<0.05）；人工濕地不同植被葉片P含量變化范圍在1.6～4.7 mg/g之間，基本表現為蘆葦>鳶尾>茭白>菖蒲，不同植被葉片P含量差異均顯著（P<005）；人工濕地不同植被葉片P積累量變化范圍在71.6～236.5 g/m2，基本表現為鳶尾>蘆葦>菖蒲>茭白，菖蒲和茭白葉片P積累量差異不顯著（P>0.05），且二者均顯著低于蘆葦和鳶尾（P<0.05）。

2.3.2人工濕地植被N、P含量與生物量之間的關系由原始數據擬合得到回歸關系，經統計學檢驗得到擬合度參數r2，并在P<0.05和P<0.01水平上檢驗相關系數的顯著性，從而顯示了不同類型人工濕地植被N、P積累量與生物量及其N、P含量的相關關系，F檢驗結果表明，線性回歸關系均達到顯著水平，各回歸關系成立。由表1可知，人工濕地不同植被N、P積累量分別與生物量及其N、P含量呈顯著的線性關系（P<0.05），由此推測，通過生物量和植被N、P含量來評價濕地植被對N、P去除的作用。

2.4人工濕地植被基質酶活性

根系附近基質脲酶與基質磷酸酶活性是間接反映植被對N、P吸收能力強弱的主要指標[13]。由圖4可知，人工濕地不同植被基質脲酶活性變化范圍在 （48.3～73.2）×10-2 mg/g

之間，基本表現為鳶尾>蘆葦>茭白>菖蒲，鳶尾和蘆葦基質脲酶活性差異不顯著（P>0.05），二者均顯著高于菖蒲和茭白（P<0.05）；人工濕地不同植被基質磷酸酶活性變化范圍在（21.6～112.3）×10-2 mg/g，基本表現為鳶尾>蘆葦>菖蒲>茭白，鳶尾和蘆葦的基質磷酸酶活性差異不顯著（P>0.05），二者均顯著高于菖蒲和茭白（P<0.05）。

2.5人工濕地植被對污水各指標去除率與生理特性的相關性

人工濕地植被對污水各指標的去除率與植被葉片生理各指標存在一定的相關性。由表2可知，人工濕地植被對TN去除率與根系活力、過氧化氫酶活性、葉片N含量、N累積量和基質脲酶活性呈極顯著相關（P<0.01），與根系長度和基質磷酸酶活性呈顯著相關（P<0.05）；人工濕地植被對TP去除率與根系活力、葉片P累積量、基質脲酶活性和基質磷酸酶活性呈極顯著相關（P<0.01），與根系長度、過氧化氫酶活性和葉片P含量呈顯著相關（P<0.05）；人工濕地植被對 NO3--N 去除率與過氧化氫酶活性、葉片N含量和基質脲酶活性呈極顯著相關（P<0.01），與根系活力、葉片N累積量和基質磷酸酶活性呈顯著相關（P<0.05）；人工濕地植被對NH4+-N去除率與根系活力、過氧化氫酶活性、葉片N含量和基質磷酸酶活性呈極顯著相關（P<0.01），與地下部生物量、根系條數、葉片N累積量和基質脲酶活性呈顯著相關（P<0.05）；人工濕地植被對BOD5去除率與根系活力、過氧化氫酶活性和基質磷酸酶活性呈極顯著相關（P<0.01），與葉片P含量和基質脲酶活性呈顯著相關（P<0.05）；人工濕地植被對CODCr去除率與根系活力和基質磷酸酶活性呈極顯著相關（P<0.01），與根系長度、過氧化氫酶活性和基質脲酶活性呈顯著相關性（P<0.05）。

3.1人工濕地植被對生活污水凈化效果分析

人工濕地植被不僅可以直接攝取和利用污水中的營養物質，還能提高人工濕地的滲透系數，增強根區微生物活性和輸送氧氣等，而不同濕地植被對生活污水的凈化效果和機制不同[13]。基質的吸附、植被的截流、過濾以及微生物的新陳代謝等活動是人工濕地凈化水質的主要過程，N循環較為復雜，主要通過氨的揮發、硝化、反硝化過程、介質的吸附、微生物固氮以及氮的遷移轉化得以去除[14]；對NH+4-N的去除主要是通過好氧微生物的降解[14]；對P的去除主要以吸附為主，隨泥沙顆粒在介質中被截留，通過植被吸收、物理化學作用及微生物降解等3個作用去除[12]。本研究中4種人工濕地植被對氮素的去除效果較好，對TP的去除效果最差，說明4種濕地植被對生活污水中氮素的吸收效果較好，這主要是通過人工濕地植被的截流、過濾以及微生物的新陳代謝過程得以去除，人工濕地植被新生根系的須根較多，有利于根區微生物的著生，通過硝化和反硝化途徑凈化的N數量相對較少，從長期角度出發，微生物硝化和反硝化作用是人工濕地凈化N的主要途徑，優選根系發達的植被是提高該系統N去除率的重要措施之一，這與前人的研究結果[12，15-16]一致；而對TN、NO-3-N和NH+4-N的去除機制基本一致，植被對TP的吸收可能與根際微環境及植被與微生物的耦合作用密切關聯。

3.2人工濕地植被生理特性分析

根系數量與長度是濕地植被適應能力強弱的最直接的形態學表現指標；根系活力的變化與葉片過氧化氫酶活性也是植被適應能力強弱的生理表現指標；根系附近基質脲酶與基質磷酸酶活性可反映植被根系與微生物的互作強度；基質磷酸酶能促進有機磷化物的水解；基質脲酶是酰胺酶，能促進有機質分子中肽鍵的水解。研究表明，基質的脲酶活性與基質的微生物數量、有機物質含量、全氮和速效氮含量呈正相關，它們能夠反映植被在凈化水質過程中的生理特性變化[15-16]。從濕地植被適應能力與生理特性來看，地上部和地下部生物量、根系活力、基質酶活性均表現為鳶尾和蘆葦高于茭白和菖蒲。一般來說，在不同的運行條件下，人工濕地對有機物的去除效果比較穩定，但對N、P的去除效果容易受各種因素的影響而不穩定，所報道的數據往往變化范圍較大。本研究人工濕地基質選用沙子（SiO2），對N的吸附能力較弱，容易達到飽和，可以考慮忽略不計，而N的循環條件較為復雜，濕地植被不僅通過植被吸收，還通過基質吸附、硝化和反硝化及氨的揮發等途徑凈化污水中的N[14]。為了探討植被在人工濕地系統的凈化污水中N的機制，本研究監測了濕地植被生物量和植被體內N和P含量的變化，結果表明，植被自身吸收同化污水中N水平與植被根系微生物作用有關[15-16]。鳶尾和蘆葦新生根系的須根較多，根系生物量較大，有利于根際微生物著生，茭白和菖蒲根系生物量相對較小，依賴于根際環境的根際微生物數量相對較少，根際微生物硝化和反硝化作用相對較弱，通過硝化和反硝化途徑凈化的N數量相對較少。從長期角度出發，微生物硝化和反硝化作用是人工濕地凈化N的主要途徑，優選根系發達的植被是提高該系統N去除率的重要措施之一。

3.3人工濕地植被N、P含量、積累量及其相關性

生長條件相同的4種濕地植被生物量及分配變化較大，地上部生物量基本大于地下部生物量（除茭白外），就植株體內的N、P含量而言，地上部分N和P積累量高于地下部分，這種生物量的分配模式體現了N、P元素生長部位的分配特點，屬于植被對N和P內在生長特性的平衡調節[14，17]。N、P積累量能夠反映植被對N、P的直接去除能力，而營養物質的分配特點會涉及到采取的收割方式。本研究中人工濕地植被可以通過地上部分的收割去除大部分的N、P積累量，使其移出生態系統；同時，植被體N、P積累量主要與植被的生物量存在顯著線性相關（表1），所以選擇適宜人工濕地物種，通過增加植被的地上部生物量達到定期去除N、P的效果。

3.4人工濕地植被對污水各指標去除率與生理特性相關性分析

相關性分析表明（表2），人工濕地植被對生活污水各指標的去除率與植被自身生理特性密切相關。從相關系數來看，人工濕地植被對生活污水各指標的去除率與其根系活力和基質酶活性密切相關；除此之外，人工濕地植被對TN的去除與自身體內氮素密切相關，對TP的去除與自身體內磷素密切相關。綜合分析可知，本研究所選取的4種濕地植被，鳶尾和蘆葦是具有高吸收N、P功能、生命力強的植被種類，生物量也表現為較高，可作為構建人工濕地植被的首選，而茭白和菖蒲具有較低的生物量和N、P去除率等，由于人工濕地需要遵循植被多樣性、景觀配置原則，茭白和菖蒲也可在人工濕地中使用。此外，人工濕地植被的凈化效果還與植被的生長速度、生長階段、植被的生物量、植被根區微生物作用等有關，在以后研究過程中，選擇生物量較大、富集污染元素較強的植被構建各種植被組合的人工濕地是凈化水質的關鍵措施。

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