用于人工景觀水體污染治理的凈水植物篩選

王 浩，李 菁，郭成圓，李苗清，張逸博，薛 楊

(西安文理學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

人工景觀水體是城市景觀生態(tài)不可缺少的組成部分，良好的水環(huán)境可為我們提供優(yōu)美的生活環(huán)境，還可增加局部區(qū)域的水汽循環(huán)，起到調(diào)節(jié)城市小氣候的作用。然而隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的激增，大量外源氮素進(jìn)入景觀水體中造成了嚴(yán)重的水體富營養(yǎng)化，控制和治理水體污染已經(jīng)迫在眉睫。由于人工景觀水體水域面積一般較小，具有較強(qiáng)的區(qū)域封閉性，水體本身自凈能力薄弱，極易形成富營養(yǎng)化，水體透明度變差、顏色變暗并產(chǎn)生異味，嚴(yán)重影響了水體的景觀效果，甚至喪失了景觀水體的功能。目前國內(nèi)對人工景觀水體的治理主要采用引水換水、循環(huán)過濾、生態(tài)凈水等方法。其中植物凈水是模擬自然水體自凈功能的一種處理方法，該方法所需的技術(shù)支持少、易維持，且水生植物發(fā)達(dá)的根系為微生物提供了良好的生存環(huán)境，改變了基質(zhì)的通透性，增加了對污染物質(zhì)的吸收和沉淀[1～2]。植物修復(fù)技術(shù)因具有這些明顯優(yōu)勢而成為污染水體修復(fù)的研究熱點[3～4]。

水生植物在生長過程中，具有過量吸收氮、磷營養(yǎng)元素的能力。研究表明，水生植物體內(nèi)的氮磷含量都達(dá)到甚至超過其生長所需的最低值，氮、磷在水生植物體內(nèi)的存儲比在藻類體內(nèi)更加穩(wěn)定，收割水生植物時，被其吸收的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)也隨之離開了水體，進(jìn)而達(dá)到凈化水體的效果，保持水體的生態(tài)平衡和觀賞價值[5]。然而當(dāng)前人工景觀水體中應(yīng)用的凈水植物種類較少，且許多植物的凈水效果尚無科學(xué)評價。不同水生植物對不同污染物的作用效果不同[6]，因此對不同程度富營養(yǎng)化水體的修復(fù)能力也存在差異。筆者實驗將栽種植物后水質(zhì)指標(biāo)及植物生理指標(biāo)的周期性監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，篩選出適合本地區(qū)人工景觀水體栽培的凈化效果好、觀賞價值高的凈水植物，為人工景觀水體的治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為白掌(天南星科)SpathiphyllumkochiiEngl.& K.Krause、吊蘭(天門冬科)Chlorophytumcomosum(Thunb.) Baker、銅錢草(傘形科)Hydrocotylechinensis(Dunn) Craib和鴨掌木(五加科)Scheffleraoctophylla(Lour.) Harms四種植物，均采購于西安市朱雀花卉市場。

供試水體：校園人工湖水。每個水樣均用五點法采集，采集體積不少于73L。經(jīng)過對供試水樣多項指。

標(biāo)的測定，確定其屬于劣Ⅳ類水。

采用62 cm×42 cm×36 cm塑料水箱、PVC管及固植籃構(gòu)建“植物—水體”凈化系統(tǒng)。實驗水位控制在30±2 cm范圍內(nèi)，以滿足本實驗用水量和植物生長的需要。

圖1 水體—植物水培系統(tǒng)

圖2 供試植物

1.2 實驗方法

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2010 和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用修復(fù)極差法(Duncan)進(jìn)行平均數(shù)差異顯著性檢驗，取 P =0. 05。水樣污染物去除率 = (水樣污染物初始值-水樣污染物終值)/水樣污染物初始值×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)指標(biāo)

(1)水中總氮總磷的變化。水體的富營養(yǎng)化程度與氮磷含量關(guān)系密切[7]。當(dāng)水體中總磷濃度超過0.1 mg·L-1(磷是限制因素)或總氮超過0.3 mg·L-1(氮是限制因素)時，則認(rèn)為水體處于富營養(yǎng)狀態(tài)。水生植物能夠吸收大量營養(yǎng)元素，去除水體中多余的氮和磷，因此可用于富營養(yǎng)化水體的修復(fù)[8～10]。由實驗結(jié)果可以看出(圖3)，四種植物對水中總氮的去除效果在0～10 d不顯著，10～40 d下降趨勢最明顯，40～70 d下降趨勢明顯緩慢。最終，TN去除率表現(xiàn)為鴨掌木(79.34%)>白掌(76.61%)>吊蘭(74.00%)>銅錢草(71.65%)，但四種植物對水中TN的去除效果差異不顯著。

銅錢草和鴨掌木處理的水體中TP的含量0～10 d有所上升，隨后持續(xù)下降。鴨掌木處理水中TP下降較緩，其他三種植物處理水中TP在0～50 d下降較快，之后趨于平緩或略有回升。(圖4)最終，TP去除率表現(xiàn)為白掌(87.29%)>吊蘭(84.23%)>銅錢草(81.66%)>鴨掌木(64.81%)，從對水中TP的去除效果來看，白掌、吊蘭和銅錢草這三中植物之間差異不顯著，而白掌和鴨掌木之間存在顯著差異。

(3)水質(zhì)指標(biāo)濁度、色度的變化。四種植物對水體濁度的去除大致分為三個階段，0～30 d下降較快，30～50 d處于平緩趨勢，50～70 d下降趨緩或有所回升。(圖6)四種植物對水質(zhì)濁度的去除效果表現(xiàn)為：鴨掌木(90.75%)>吊蘭(88.44%)>銅錢草(83.39%)>白掌(79.86%)；四種植物對水質(zhì)色度的去除效果表現(xiàn)為：鴨掌木(94.09%)>銅錢草(93.06%)>吊蘭(92.14%)>白掌(89.94%)。(圖7)從總體來看，四種植物對水質(zhì)濁度、色度的去除效果均無顯著差異。

圖3 四種植物對水中總氮去除效果

圖4 四種植物對水中總磷去除效果

圖5 四種植物對水中氨氮去除效果

2.2 植物生理指標(biāo)

生物監(jiān)測旨在根據(jù)生物所處環(huán)境污染時發(fā)生的變化來確定環(huán)境污染的嚴(yán)重程度，生物監(jiān)測具有獨特的優(yōu)勢，在水環(huán)境污染檢測中發(fā)揮著重要的作用[12]。在利用水生植物治理人工景觀水體時，要特別注意植物的生長情況，以保證植物對水體凈化作用的持續(xù)性。

圖6 四種植物對水中濁度去除效果

圖7 四種植物對水中色度去除效果

2.2.1 葉綠素相對含量和葉片含氮量的變化 吊蘭的葉綠素含量(圖8)在0～50 d期間連續(xù)上升，50～70 d處于下降趨勢，白掌、銅錢草和鴨掌木的葉綠素含量在0～60 d連續(xù)上升，60～70 d處于下降趨勢。四種植物葉綠素增長率表現(xiàn)：鴨掌木(71.94%)>銅錢草(57.58%)>白掌(35.87%)>吊蘭(24.79%)，其中，鴨掌木與銅錢草的葉綠素增長率無顯著差異，而鴨掌木與白掌、吊蘭兩種植物之間均存在顯著差異；四種植物的葉片含氮量均呈持續(xù)上升趨勢(圖9)，葉片含氮量增長率總體表現(xiàn)為：銅錢草(83.59%)>鴨掌木(81.25%)>吊蘭(65.44%)>白掌(56.06%)，四種植物之間差異不顯著。

圖8 四種植物葉綠素相對含量變化趨勢

圖9 四種植物葉片含氮量變化趨勢

2.2.2 植物生物量的變化 濕地植物對氮、磷的吸收量與其自身生物量有關(guān)，生物量可作為選擇人工濕地植物的指標(biāo)[13～14]，因此在同等條件下，植物生物量的增長也可從側(cè)面反映出植物對水中氮、磷的去除效果。四種植物生物量總體表現(xiàn)為持續(xù)上升趨勢(圖10)，生物量增長率表現(xiàn)為：鴨掌木(105.93%)>白掌(80.95%)>銅錢草(59.98%)>吊蘭(54.51%)，其中鴨掌木與白掌生物量增長率無顯著差異，而鴨掌木與銅錢草、吊蘭之間有顯著差異。

圖10 四種植物生物量變化趨勢

表1 四種植物對5個水質(zhì)因子的去除率

表2 供試植物生理指標(biāo)增長率

3 結(jié)論

通過對四種供試植物去除水體富營養(yǎng)化能力的綜合比較，四種供試植物的凈化水體能力依次為：吊蘭>銅錢草>白掌>鴨掌木。從四種植物的生長狀況來看，在實驗周期內(nèi)，均能夠較好的適應(yīng)水生環(huán)境，其中鴨掌木和白掌的長勢更好?？傮w來看，筆者研究中的四種供試植物對富營養(yǎng)化水體均具有較好的凈化能力和適應(yīng)能力，均可作為本地區(qū)景觀水體污染修復(fù)的備選凈水植物。

4 展望

綜上所述,利用水生植物對不同季節(jié)不同污染程度水體的凈化修復(fù)的研究已有很大的成果，已經(jīng)被證實是一項非常有應(yīng)用前景的水污染處理技術(shù)，并且在污水處理中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了較好的效果。目前很多植物還有待進(jìn)一步研究確定。特別是選擇當(dāng)?shù)乜刮哿?qiáng)、凈化效果好、經(jīng)濟(jì)效益高且便于收割的植物應(yīng)是優(yōu)先考慮的一項研究內(nèi)容。

總之，運用水生植物修復(fù)污染水體為我國日益惡化的水環(huán)境提供了一個行之有效的解決途徑，具有良好的研究和應(yīng)用前景。