浮床植物多樣性及組合影響生活污水的凈化效果

廖建雄 曾丹娟 姚月鋒 蒲高忠 莫凌 張德楠

摘 要： ??生態浮床系統是目前水環境綜合治理領域的研究和應用熱點，為了研究其植物多樣性及組合對生活污水凈化的影響，該研究以蘆竹為建群種和優勢種構建了5個多樣性水平和2種組合模式，并比較分析了它們的植株生長、系統生產力和N、P、COD去除率。結果表明：隨著多樣性的增加，蘆竹等濕地植物的單株生物量及相對生長速率（RGR）呈下降趨勢，但中生植物的生存與生長受到促進。系統生產力隨多樣性的增加呈下降趨勢，而N、P、COD去除率隨多樣性增加而顯著增加。在同一多樣性水平下，中生植物種占多數的組合雖然系統生產力低于濕地植物種占多數的組合，但前者的N、P、COD去除率高于后者。同一多樣性及組合條件下，P去除率最高，N去除率次之，COD去除率最低。隨著生態浮床系統建立時間的增加，N、P、COD去除率呈現先快速增加后緩慢降低的趨勢。以上結果說明生態浮床系統中植物多樣性及組合影響生活污水的凈化效果，除了植物直接吸收與吸附外，微生物的去除作用可能更為重要。

關鍵詞： ?生態浮床， 蘆竹， 氮， 磷， COD

中圖分類號： ??X52，X173

文獻標識碼： ???A

文章編號： ??1000-3142（2019）01-0117-09

Plant diversity and composition of ecological floating bed affect domestic sewage purification

LIAO Jianxiong* ， ZENG Danjuan， YAO Yuefeng， PU Gaozhong， MO Ling， ZHANG Denan

（ Guangxi Key Laboratory of Plant Conservation and Restoration Ecology in Karst Terrain， Guangxi Institute of Botany， Guangxi Zhuang Autonomous Region and Chinese Academy of Sciences， Guilin 541006， Guangxi， China ）

Abstract： ???Ecological floating bed system has been the hotspot of research and application in the comprehensive management of polluted water environment. In order to analyze the effects of its plant diversity and composition on purification of domestic sewage， we established five species diversity levels and two composition arrangements by using Arundo donax as dominant and constructive species， and measured the plant growth， system productivity and N， P， COD removal rates. The results showed that the individual biomass and relative growth rate （RGR） of wetland plants （such as A. donax） decreased with increasing species diversity， while the survival and growth of mesophytes were promoted. Higher species diversity decreased the productivity of the system， but increased significantly the removal rates of N， P and COD. At the same level of species diversity， the combination with more mesophytes had lower system productivity than that with more wetland plant species， but the former had higher N， P and COD removal rates. Under the same species diversity and combination， P removal rate was the highest， N removal rate was followed， and COD removal rate was the lowest. Moreover， their removal rates showed a trend of slow decline after rapid increase with time. These results indicate that the species richness and combination of ecological floating bed system can affect domestic sewage purification. In the process， pollutants can be removed by direct absorption and adsorption of plants， but the role of microorganisms may be more important.

Key words： ?ecological floating bed， Arundo donax， N， P， COD

隨著城鎮規模的擴大及經濟的高速發展，逐年增加的生活污水不但加劇了江河湖泊的水質惡化和地下水污染，而且已嚴重威脅城鄉居民的生存環境和經濟社會的可持續發展。因此，如何有效凈化生活污水已成為人們普遍關心的科學問題（Schindler，2012;Finlay et al.，2013）。與傳統理化方法及人工濕地相比，生態浮床技術不僅投資小、操作易，而且可以營造水上景觀且帶來一定的經濟效益，目前已成為水環境綜合治理領域的研究和應用熱點（張志勇等，2007）。生態浮床的關鍵因素是植物，它們具有不同的生物學特性及凈化機理與偏好，因此植物的選擇與組合是生態浮床技術的重中之重。已有許多研究發現，多種植物組合一般比單種植物更能有效地凈化水體（李莎莎等，2010;胡智鋒等，2016）。植物多樣性越高，凈化效應越強（Zhu et al.，2010;Liang et al.，2011;Zhang et al.，2011;Chang et al.，2014）。然而，這些研究主要限于人工濕地且主要去除對象為氮（N）。大多數情況下，磷（P）是水體富營養化的最主要因素（Xie，2003;Finlay et al.，2013;Yan et al.，2016），而有機污染物易引發水體黑臭（于玉彬和黃勇，2010）。在研究植物多樣性及組合對水體的凈化效應時，生態浮床不僅比人工濕地更容易操作，而且可適用于各種深度的水體（廖建雄等，2018）。因此，利用生態浮床研究植物多樣性及組合對生活污水N、P及有機污染物的去除效應，將更具理論與實用意義。

在植物多樣性與生態系統功能的關系研究中，很多研究者混淆了物種組合效應與物種豐富度效應（Huston，1997）。因此，在控制植物多樣性的同時，同一多樣性水平設置不同的物種組合是比較合理的方式。另外，我們前期的研究發現，蘆竹（Arundo donax）不僅適生于各種污染水體，而且其N、P去除率很高（Liao et al.，2017）。然而，鄰體植物對蘆竹的影響鮮有文獻報道（Curt et al.，2017）。因此，本研究設計了以蘆竹為生態浮床建群種的5個多樣性水平，其中3個多樣性水平設置了2種組合。目的是分析植物多樣性及組合對植株生長、系統生產力及生活污水N、P和COD去除率的影響，并依此為綜合處理生活污水的生態浮床技術的改進提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料及設計

實驗在廣西植物研究所的遮雨大棚中進行。實驗期間（2014年9月10日至10月29日，共49 d），棚內平均晝/夜氣溫30.0 ℃/21.2 ℃，相對濕度77.3%。實驗開始前，選取5種濕地植物[蘆竹、黃花鳶尾（Iris wilsonii）、翠蘆莉（Ruellia brittoniana）、海芋（Alocasia macrorrhiza）、水毛花（Scirpus triangulatus）]與4種中生植物[苧麻（Boehmeria nivea）、鳳尾蕨（Pteris cretica var. nervosa）、商陸（Phytolacca acinosa）、向日葵（Helianthus annuus）]為實驗物種，其中蘆竹為組培苗，翠蘆莉為扦插苗，向日葵為播種苗，其他為野生苗或通過分株產生。 待大部分植物的苗高約20 cm時，將它們的根洗凈，然后置于自來水中預培養1周。

購買300 L塑料水箱（口部長寬86 cm × 65 cm，底部長寬70 cm × 50 cm，深62 cm）18個，埋入土中約50 cm以減小水溫受氣溫的影響。取來自桂林市雁山區生活污水渠的生活污水（N、P、COD濃度分別為39.89、4.24、413.37 mg·L-1 ），加入水箱中至與地表平齊（約270 L），并每隔1 d加自來水以補充蒸發的水分（通過一個下垂的浮標衡量）。生態浮床模擬在廖建雄等（2018）的基礎上進行改進。首先選取大小相對一致的預培養植株，用100 cm × 7 cm × 2 cm高密度PU海綿條繞纏莖基處后固定于17 cm × 15.3 cm（口徑×高）雙色PP花盆中，然后移至浮于水箱的PS擠塑板的栽植孔中。擠塑板為正方形，邊長60 cm，厚3 cm，上面均勻打有9個直徑16 cm的栽植孔。因此，每水箱可放置9株植物。除對照水箱放置擠塑板及帶海綿條的花盆但不種任何植物外，其余水箱以蘆竹為建群種分別放置1、3、5、7、9種植物（表1）。其中，物種數為3、5、7時又設置兩種組合，即濕地植物種占多數組合和中生植物種占多數組合。多種植物栽植時，蘆竹外其他物種每種只栽植1株植物，且盡量將多株蘆竹間隔開來。每個多樣性及組合重復2次，且重復的2個水箱彼此不相鄰。

1.2 取樣及測量

生態浮床系統建立后，每隔1周取一次水樣，共7次。取水樣時，統一于早上9：00左右進行，用醫用注射器于水箱四角水面12 cm下各抽取約50 mL水樣后混勻。其中N與P分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）與鉬酸銨分光光度法（GB 11893-89）進行測量，COD采用Hach試劑及DR1010 COD測定儀（美國）進行測量。每次水樣測量后，各水箱的N、P、 COD去除率根據（Cck ?-C1 ）/C0 ×100%進行計算（Liao et al.，2017），其中C0 為生活污水的初始濃度，Cck 與C1 分別為無植物水箱（對照）與有植物水箱的生活污水的濃度。

預培養植物移入水箱前，先測量其初始鮮重，然后根據備用植株的干鮮比估算初始干重（DW0 ）。49 d后，將每株植物洗凈后裝入信封，105 ℃固定殺青20 min且繼續80 ℃烘至少24 h后，稱干重（DW）。每株植物的相對生長速率（RGR，mg·g-1 ·d-1 ）根據（lnDW-lnDW0 ）/49 × 1 000計算，而每水箱的生產力（mg·d-1 ）根據（收獲總生物量-初始總生物量）/49 × 1 000計算（Garnier et al.，2004）。

1.3 統計方法

所有數據處理與分析均利用SPSS 20.0軟件（SPSS Inc.， Chicago， USA）完成。由于植物收獲時單株生物量、RGR與DW0 有關，系統生產力與N、P、COD去除率與系始初始總生物量有關，因此，盡管同一物種植株初始大小類似，但為了抵消植株大小效應的影響，分析植物多樣性及組合對單株生物量、RGR及系統生產力的影響采用單因素協方差分析（one-way ANCOVA），植物多樣性及組合與取樣時間對系統N、P、COD去除率的影響采用雙因素協方差分析（two-way ANCOVA），其中植物單株生物量與RGR以DW0 為協變量，系統生產力及N、P、COD去除率以系統初始總生物量為協變量。當主效應差異顯著時，隨后的多重比較用LSD法進行檢驗;當交互作用顯著時，同一多樣性水平不同取樣時間的差異顯著性比較采用one-way ANCOVA。同一多樣性及組合條件下， N、P、COD去除率之間的比較采用配對樣本T檢驗。

2 結果與分析

2.1 植物單株生物量與相對生長速率

4種中生植物的單株生物量與RGR均隨植物多樣性的增加而增加，其中商陸、向日葵的單株生物量與RGR，苧麻的RGR增加顯著（表2）。5種濕地植物的單株生物量與RGR對植物多樣性的響應不同，其中蘆竹與海芋隨多樣性的增加而下降，而黃花鳶尾隨多樣性的增加而增加，但統計上均不顯著（表2，圖1）。

根據實驗設計，植物多樣性為3、5、7時各有兩種組合（濕地種占多數與中生種占多數），其中蘆竹在這3種多樣性及組合中都有設計，而海芋、水毛花、苧麻、鳳尾蕨在多樣性為7及組合中都有設計（表1）。然而，同一多樣性水平下，不同組合對這5種植物的單株生物量與RGR均無顯著的影響。但總體而言，濕地種占多數的組合增加了這些植物的單株生物量與RGR（表2，圖1）。

2.2 系統生產力

隨著植物多樣性的增加，系統生產力呈顯著降低的趨勢（圖2）。同一多樣性水平下，盡管不同組合間系統生產力差異不顯著，但總體上濕地植物種占多數的組合高于中生植物占多數的組合。

2.3 N、P、COD去除率

植物多樣性及組合對生活污水N、P、COD去除率均有顯著的影響（表3）。隨著植物多樣性的增加， N、P、COD去除率顯著增加。在同一多樣性水平下，中生植物種占多數組合的N去除率顯著高于濕地植物種占多數組合。COD與P去除率雖然同一多樣性不同組合之間差異不顯著，但總體而言，中生植物種占多數的組合高于濕地植物種占多數的組合。

處理時間對生活污水N、P、COD去除率也均有顯著的影響（圖3）。隨著處理時間的增加， N、P、COD去除率均呈現先快速增加后緩慢降低的趨勢。其中，植物多樣性為9時它們的最高值出現在第4周，而在其他多樣性水平及組合中，它們的最高值出現在第3周。

同一多樣性及組合條件下，P去除率最高， N去除率次之，COD去除率最低（圖3）。其中，濕地植物種占多數時，P去除率顯著高于N去除率，但N去除率與COD去除率差異不顯著（表3）。相反，中生植物種占多數時，P去除率與N去除率差異不顯著，但N去除率顯著高于COD去除率。

3 討論與結論

3.1 植物多樣性及組合對生態浮床植物生長的影響

在植物群落中，植物多樣性對某個物種來說既具有保育效應，也具有資源競爭效應，它們相對作用大小取決于物種特性，也取決于物種組合。本研究發現，同一植物多樣性水平下不同物種組合對各植物的單株生物量及RGR均無顯著影響，但隨著多樣性的增加，向日葵、商陸、苧麻的RGR顯著增加。這三種植物都屬于中生植物，如單獨將它們應用于生態浮床系統中均難以存活。但通過與濕地植物搭配，它們均生長良好。在此期間，濕地植物根系泌氧（張太平和陳韋麗，2005）及其根系分泌物（Lambers et al.，2015）可能促進了這些中生植物的生存與生長。

在自然條件下，本研究的主要對象蘆竹一般以單優群落的形式出現，說明其種間競爭能力強，種內競爭能力弱。然而，人為增加其群落的物種多樣性水平后，其種間競爭優勢不但沒有顯現，其單株生物量及RGR反而隨多樣性增加呈下降的趨勢。我們認為可能基于以下方面的原因：（1）蘆竹第一年生長以垂直生長為主且相對緩慢，其對鄰體植物的競爭優勢較弱（Curt et al.，2017）;（2）鄰體物種反過來對蘆竹有抑制效應（Curt et al.，2017）。因此，蘆竹在生態修復的初期，應以單植為主。

3.2 植物多樣性及組合對系統生產力及N、P、COD去除率的影響

大多數研究發現，植物多樣性與生產力之間呈顯著正相關（Loreau & Hector，2001）。然而，本研究卻發現了相反的結果。我們認為，除實驗周 期較短外， 物種特異性或取樣效應（sampling effect）是其中重要的原因。本研究以生長較快的蘆竹為建群種和優勢種（即每個物種組合都有蘆竹），隨著多樣性的增加，蘆竹的個體數減少，因而群落生產力呈下降趨勢。在同一植物多樣性水平，濕地植物種占多數的組合的生產力高于中生植物占多數組合的生產力，很明顯，是因為濕地植物對水生環境的適應性強于中生植物的緣故。

隨著植物多樣性的增加，有研究發現濕地的N去除率顯著增加（Ge et al.，2015）。本研究通過增加生態浮床系統的植物多樣性，同樣發現水箱的N去除率及P、COD去除率顯著增加。N、P、COD的去除不但與植物的直接吸收及吸附有關，而且與植物對微環境的改變關系密切（李莎莎等，2010;蔡佩英等，2011;Liao et al.，2017）。后者對N等的去除又可通過兩種方式進行。第一，植物通過根排物（如羧化物、O2 ）影響鄰體植物對N等的吸收，如Novak & Chan（2002）發現鄰體植物可影響P富集植物的富集功能。第二，植物通過根系生長和根排物分泌影響根區微生物的增殖及多樣性，而這些微生物的代謝作用對N等的去除貢獻更大（袁東海等，2004;Ge et al.，2015）。本研究發現隨植物多樣性的增加，N、P、COD去除率與生產力的變化趨勢正好相反，也說明除了植物的直接作用外，微生物的作用更重要。在同一多樣性水平下，中生植物種占多數的組合的N、P、COD去除率高于濕地植物占多數的物種組合，其中N去除率達到顯著水平。蔡佩英等（2011）認為，中生植物與濕地植物組合，有利于根部附近水體形成好氧-缺氧-厭氧的微環境，從而有利于好氧與厭氧微生物共存，促進了水體的凈化。具體到N去除，濕地植物在根區形成好氧環境，易引起硝態氮的大量累積（張志勇等，2007;Finlay et al.，2013）。這時如增加中生植物的配置，其根區局部缺氧有利于反硝化細菌的生存與繁殖，從而顯著促進了硝態氮的反硝化脫氮。

自然狀態下生活污水具有一定的自凈功能（張志勇等，2007;Schlesinger，2009;Schindler，2012），因此本研究的COD、N、P去除率采用無植物生活污水作為對照的方法進行計算，以凸顯植物的直接或間接凈化效應。結果發現，隨著生態浮床系統建立時間的增加，N、P、COD去除率均呈現先快速增加后緩慢降低的趨勢。王敏等（2013）與Liao et al. （2017） 通過水培實驗也發現了類似的規律。我們認為，植物經過短暫適應后其生長將加速，同時也促進了微生物的附著與增殖，故初期N等去除率快速增加。但隨著時間的延長，植物生長減緩、微生物也逐漸達到飽和，這時N等去除率也隨之減緩。因此，Liao et al.（2017）認為，為更有效地凈化水體，及時收獲地上部分或整株是必要且必需的。另外，Reich et al.（2012）認為，隨著建群時間的增加，種間互補越充分，因而，多樣性與生態功能之間曲線的飽和點將隨多樣性的增加而延后。本研究發現，植物多樣性最高（9物種）時，其對N等去除的峰值比其他多樣性水平延后1周，也說明互補效應（complementarity effect）是多樣性促進N等去除的原因之一。

3.3 N、P、COD去除率比較

Yan et al.（2016）認為，工業革命以前淡水中P含量很低，因此大多數濕地植物在長期的選擇壓力下對P的吸收能力比N強。也就是說，濕地植物對水體中P的去除一般快于N的去除。本研究發現，P的去除率確實高于N去除率。但我們認為，除了植物吸收的原因外，氧微環境或微生物作用也是P去除率高于N去除率的一個重要原因。相比P而言，N的去除受氧微環境影響更大，因為后者的去除（反硝化作用）必須在厭氧條件下進行。也正因為此，如果水體表層含氧豐富，則容易造成硝態氮污染（張志勇等，2007;Finlay et al.，2013）。我們的研究也發現，中生植物種占多數時（厭氧微環境持續存在），P去除率與N去除率差異不顯著，但濕地植物種占多數時（主要為好氧微環境），P去除率顯著高于N去除率。與N相比，有機物的去除更依賴于微生物的分解（袁東海等，2004;李莎莎等，2010），而且植物的根排物也增加了水體的有機物含量。這些有機物如果沒有通過分解成CO2 或甲烷溢出水體，則COD的去除率一般低于N去除率（Du et al.，2010）。基于此，本研究發現了相同的趨勢，也說明本研究生活污水中以持久難分解有機污染物為主。

綜上，改變以蘆竹為建群種和優勢種的植物多樣性及組合對生態浮床系統的植株生長、系統生產力及N、P、COD的去除均具有顯著影響。隨著多樣性的增加，濕地植物的單株生物量及RGR呈下降趨勢，但中生植物的生存與生長受到促進。生產力隨多樣性的增加呈下降趨勢，原因可能與特種特異性或取樣效應有關。與此同時，N、P、COD去除率卻隨多樣性增加而顯著增加，說明除了植物直接吸收與吸附外，微生物的去除作用更重要。同樣，在同一多樣性水平下，中生植物種占多數的組合雖然系統生產力低于濕地植物種占多數的組合，但前者的N、P、COD去除率高于后者。同一多樣性及組合條件下，P去除率最高， N去除率次之，COD去除率最低。隨著生態浮床系統建立時間的增加，N等去除率呈現先快速增加后緩慢降低的趨勢。

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