5種景觀植物對城市河道景觀水體的凈化作用

蔡強 孫玲 楊瑞卿 金秋紅

摘 要：以綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅5種景觀植物為試材，研究其對城市河道水體中氮、磷、化學需氧量（CODMn）及懸浮物（SS）的去除效果。結果表明，5種景觀植物對徐州市大龍湖景觀水體中的氮、磷、CODMn和SS均有一定的去除效果。綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅對總氮的去除率分別為76.69%、78.57%、71.42%、69.64%、67.86%，對總磷的去除率分別為78.70%、81.48%、73.15%、72.22%、68.52%，對CODMn的去除率分別為52.5%、55.35%、46.02%、45.42%、44.19%，對SS的去除率分別為81.4%、86%、79.1%、76.7%、74.42%。5種景觀植物對水體的凈化效果依次為：水葫蘆>綠蘿>雞冠花>金盞菊>一串紅。

關鍵詞：景觀植物;河道景觀水體;氮;磷;CODMn;SS;凈化

中圖分類號 TU984.18 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）24-0102-04

水體富營養化是水體中氮、磷營養物質過剩而造成的一種水體污染。氮、磷的去除方法有很多，但效果都不太理想。研究表明：挺水植物、浮水植物、沉水植物對氮、磷都有一定的去除效果[1?3]。不同的水生植物對水體的修復效果不同，而水生植物對氮、磷的去除方式并不單一，在自然狀態下，主要依靠氨揮發去除氮，而磷僅是依靠微生物的吸收及顆粒的沉降作用去除。不同植物對水體中的各類污染物的凈化效果和吸收能力不同，因此要重視植物選擇的，不僅要了解植物的生理特性，還要對其凈化機理有一定的了解。

水生景觀植物種類繁多，且植物作為水體生態系統必不可少的一部分，在水體修復和環境美觀方面具有其他植物無法替代的功效。利用植物凈化受污水體，不僅對原生態環境的破壞少，而且會增加該地區的物種多樣性，且有一定的美觀效果。該項技術的運用有利于加大水資源重復利用比重，減緩水體受污現狀，改善我國水體受污比例，同時還可促進水生態系統的恢復。

1 材料和方法

1.1 供試材料 選取綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅5種小植株景觀植物作為試驗材料。

1.2 試驗設計 試驗容器為圓形塑料桶，高30cm，上、下部直徑分別為30cm、20cm。自制25cm×10cm×3cm底部帶孔的長方體塑料泡沫板，按間距3厘米，孔徑4毫米打孔，打2排，共5個孔。把綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅實驗試材在塑料泡沫板的中心依次插好，一排2株，另一排3株，每桶5株，將塑料泡沫板置于圓桶內固定好。設置5組試驗組，1組空白對照組，共6組，5種植物分別栽培于5個不同的圓桶內，空白對照組桶內不放任何植物。每隔3d測1次每個塑料圓桶中水樣的溶解氧含量、水溫和pH值;每7d測1次試樣的總磷、正磷酸鹽、總氮、氨氮、化學需氧量及懸浮物含量，共測5次。記錄試驗數據，每一待測指標值重復測定3次，取其平均值。

1.3 測定方法 總氮：過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法;總磷：鉬酸銨分光光度法;正磷酸鹽：鉬酸鹽分光光度法;化學需氧量（CODMn）：高錳酸鉀法;固體懸浮物（SS）：重量法。

2 結果與分析

2.1 對氮的去除效果

2.1.1 對總氮的去除效果 5種景觀植物對水體中總氮（TN）的去除效果較明顯（圖1）。水葫蘆水體總氮的含量由原來的1.12mg/L下降到1.01mg/L，去除率達78.57%，綠蘿、雞冠花、金盞菊、一串紅對水體中總氮的去除率分別為76.69%、71.42%、69.64%、67.86%。而對照組對總氮的去除率僅為8.93%，明顯低于5組植物組（P<0.05）。表明水葫蘆和綠蘿對徐州市大龍湖水體總氮的去除效果較好。另外，開始階段各培養水體總氮含量下降較快，后期下降較慢，試驗結束時，水體中總氮的含量達到最低。分析認為：在試驗開始階段由于水的沉降作用較強，水中的總氮可以通過植物根系被吸附、截留;隨著時間的推移，沉降作用逐漸減弱，而植物根系達到吸附飽和的狀態后吸附效果也甚微，所以后期植物對總氮的去除效果欠佳。因此，試驗后期主要是依靠植物的吸收和微生物的降解、吸附作用來去除氮[4]。

2.1.2 對氨氮的去除效果 5組景觀植物對氨氮的去除效果見圖2。在試驗的21d內，綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊和一串紅水體中氨氮的質量濃度由原來的0.622mg/L分別降至0.23mg/L、0.20mg/L、0.26mg/L、0.30mg/L、0.32mg/L，去除率分別為63.02%、67.85%、58.20%、51.77%、48.55%，而對照組對氨氮的去除率為3.5%;至試驗結束時，綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅和對照組的氨氮去除率分別為71.06%、74.28%、67.85%、63.02%、59.81%、6.8%。由此可知，5組試驗組相較對照組對氨氮的去除效果較顯著（p<0.05）。

氮是不同植物生長所必須的營養物質，植物體內氮的積累與其自身生理特性有較強的相關性。一般來說，植物會根據自身生理活動所需吸收一定的氮素來合成自身生物能，因此通過植物本身的生長變化趨勢可較直觀的反應出植物從水體中吸取的養分。本研究發現，至試驗結束時5種植物的株高及根長都有所增加，由此可知，它們對水體中的氮素有一定的吸收作用，其中綠蘿和水葫蘆的生長速度和生物量較大，所以對氮的吸附較強，去除率也較大。5種植物對水體中的總氮有明顯的去除效果，但去除效果卻有一定的差異，這是由于不同植物生理、機理存在一定的差異性，因而對氮的去除機理也有一定的差異性[4]。

總氮由無機氮和有機氮組成，無機氮主要包括硝態氮、亞硝態氮和氨氮。一般來說，正常水體中的亞硝態氮很容易被氧化為硝態氮，含量很少，所以對氮去除效果的研究主要從氨氮和硝態氮入手。對于存在水生植物的水體而言，主要分以下2步來完成對氮的清除：一是通過硝化和反硝化作用將一部分氨氮轉化為硝態氮和亞硝態氮，還有一小部分的氨氮、硝態氮和亞硝態氮可以直接被水生植物吸收合成自身生命活動所需的有機氮化合物;二是通過反硝化作用去除部分硝態氮[5]。去除水體中氨氮主要通過3種途徑[6]：（1）氨揮發。水體pH的數值對氨揮發有一定的影響，當pH在8.0～9.3時，氨揮發效果最為顯著;當pH在7.5～8.0時，氨揮發不是特別明顯;而當水體pH7.5時，氨揮發可直接忽略不計。（2）硝化作用。水體中溶解氧的濃度對硝化反應有一定的影響，同時溫度和pH也是硝化反應的影響要素之一。硝化反應的最佳pH在7.0～8.6，DO（溶解氧）的濃度一般要高于2mg/L，硝化反應在溫度低于15℃的時候，硝化抑制作用明顯。（3）植物吸收。植物通過吸收水中的游離的硝態氮與氨態氮來達到去除氮素的效果。本試驗水體的pH值均在6.5～8.0，對于氨揮發作用可以忽略。因此，本試驗主要通過硝化作用和水生植物的吸收作用去除氨氮。試驗水體的DO濃度均高于2mg/L，溫度在14.5～20.3℃，pH在6.5～8.0，表明試驗水體的環境適合硝化菌的生長，所以氨氮的去除與硝化反應有著直接聯系。

2.2 對總磷的去除效果 由圖3可知，5種景觀植物對大龍湖景觀水體中總磷的去除效果較明顯，其中，總磷含量下降最快的是培養水葫蘆的水體，而雞冠花、金盞菊、一串紅對水體中總磷的去除率相差不是特別大。試驗結束時，水葫蘆、綠蘿、雞冠花、金盞菊、一串紅和對照組水體中總磷的質量濃度由原來的0.108mg/L分別降至0.020mg/L、0.023mg/L、0.029mg/L、0.030mg/L、0.034mg/L、0.100mg/L，去除率分為81.48%、78.70%、73.15%、72.22%、68.52%、7.4%，試驗組對總磷的去除率遠高于對照組對總磷的去除率（P<0.05）。

水體中的部分磷可直接被水生植物吸收，經同化作用，合成植物自身的結構組成物質，這種儲存方式可以使磷穩固的儲存在植物體內，把固定在植物體內的磷進行人工收割，可輕易的將磷帶出水體，達到除磷效果，這樣既經濟又高效。同時，植物根系存在一定數量的聚磷菌，通過吸收磷元素降低磷含量，而在無植物栽培的對照組實驗桶內總磷的含量也呈下降走勢。表明水體通過沉降作用對磷也有一定的去除效果。由此表明，水體中總磷除通過植物吸收同化作用外，植物根系微生物的分解及重力沉降作用也是降低磷的重要方式之一。

2.3 對化學需氧量（CODMn）的去除效果 由圖4可知，5組景觀植物對水體中CODMn的去除有顯著的效果。其中，水葫蘆對CODMn的去除效果最為顯著，由初始的32.25mg/L降低至14.4mg/L;其次為綠蘿，培養綠蘿水體的CODMn下降到15.32mg/L;其他3種植物對水體中CODMn的最終去除率差異不是很明顯。試驗結束時，綠蘿、水葫蘆、雞冠花、金盞菊、一串紅對水體中化學需氧量的最終去除率為52.5%、55.35%、46.02%、45.42%、44.19%。對照組CODMn的濃度也有一定程度的降低，去除率為12.25%，與5組試驗組有顯著差異（P<0.05）。

水體中化學需氧量的降解主要受到溫度、溶解氧濃度、水體中附著在植物根系上微生物的種類與數量等幾個因素的限制。一般而言，通常以水體中溶解氧的濃度為控制條件。當溶解氧濃度小于0.20mg/L時，發生厭氧降解反應;當溶解氧濃度在0.20～1.0mg/L時，發生缺氧降解反應;而當溶解氧濃度大于1.0mg/L時，發生好氧降解反應[7]。本研究5個試驗組的溶解氧質量濃度始終大于1.0mg/L，因此分析認為主要通過好氧降解過程來降解CODMn。水葫蘆對CODMn的去除率最高，主要是由于它的根系發達，為微生物提供了很好的生長繁殖場所，促進了根系對CODMn的吸附、截留及過濾作用，當然，微生物的降解作用也不可忽視[8]。

2.4 對懸浮物（SS）的去除效果 由圖5可知，5種景觀植物對水體中懸浮物均有一定的去除效果。試驗結束時，各實驗組對SS的去除率分為為水葫蘆86%、綠蘿81.4%、金盞菊76.7%、雞冠花79.1%、一串紅74.42%。雖高于對照組的44.2%的去除率，但去除效率不是很理想。水體中懸浮物質的去除效果因水生植物種類的不同而存在一定的差異。水葫蘆及綠蘿的去除效果較為顯著，金盞菊、一串紅、雞冠花對水體中懸浮固體的去除效果次之。由于試驗是在固定容積的圓桶內進行，相比較于河流湖泊的水生環境有很大的差距，因而有一定的局限性。圓桶內的懸浮固體主要以泥沙為主，藻類、細菌等很少。因此，本試驗水體中的懸浮物主要依靠自然沉降作用去除，還有部分無法靠沉降作用去除的懸浮物，通過植物根系的吸附、截留作用去除。

受污水體中懸浮物的去除方法，大都采用傳統方法去除，最為人熟知的就是投加藥劑法，在水中加入各種混凝劑使水體中的細小懸浮物及膠體物質轉變為大的沉淀物后，通過沉降作用去除。水中懸浮物除通過自然沉降法去除外，還可以通過其他方法可以去除，如離心分離、氣浮、過濾、反滲透、膜分離、蒸發濃縮等。相較于本試驗的植物去除效果而言，這些方法不僅去除效率高，而且經濟快速。因此，針對懸浮物的去除效果而言，不大適合用單一的植物去除水體中的懸浮物。使用植物去除懸浮物雖然具有一定的生態優勢，但是相比傳統治理方法存在耗時長、治理強度低、耗費大的缺點。雖然高等水生植物群落對水體中懸浮固體的去除具有良好的效果，但是其對植物種類的搭配、栽種密度與范圍要求較高，不易實施。另外，由本次研究表明，懸浮物的去除效果與不同種類的植物組合有關，要根據水質的具體情況量體裁衣。

3 結論與討論

（1）水葫蘆、綠蘿、雞冠花、金盞菊、一串紅在實驗室水培35d后，對徐州市大龍湖水體總氮的最終去除率分別為78.57%、76.69%、71.42%、69.64%、67.86%;對氨氮的最終去除率分別為74.28%、71.06%、67.85%、63.02%、59.81%;對總磷的去除率分別為81.48%、78.70%、73.15%、72.22%、68.52%;對化學需氧量的最終去除率為52.5%、55.35%、46.02%、45.42%、44.19%，而對SS的去除效果不是特別理想。而對總氮的去除主要依靠植物的吸收同化、微生物的降解及植物根須的吸附截留，而氨氮主要通過吸收同化作用去除，對照組中氨氮的去除主要依靠物理作用，即氨揮發。

（2）不同景觀植物對水質凈化能力存在一定的差異，水葫蘆及綠蘿對徐州市大龍湖景觀水體的氮、磷及化學需氧量有著顯著的去除效果。

參考文獻

[1]李晶，崔麗娟，張曼胤，等.植物對不同類型濕地污染物的去除機制[J].水生態學雜志，2018，39（3）：1-7.

[2]高海龍，程寒飛，詹茂華，等.太湖水生植物研究進展[J].生態環境學報，2019，17（1）：9-15.

[3]苗金，原海燕，黃蘇珍.10種水生觀賞植物對不同富營養化水體的凈化效果研究[J].水土保持學報，2015，2（1）：60-64.

[4]吳雨涵，余俊，王銳涵不同配置人工濕地植物群落對生活污水凈化效果[J].水土保持研究，2019，12（6）：364-371.

[5]郭雅倩，薛建輝，吳永波，等.沉水植物對富營養化水體的凈化作用及修復技術研究進展[J].植物資源與環境學報，2020，29（3）：58-68.

[6]LIANG Y X，ZHU H，BA?UELOS G，et al.Constructedwetlands for saline wastewater treatment：a review[J].EcologicalEngineering，2017，98：275-285.

[7]崔香.城市景觀植物耗水規律及其生態修復的試驗研究[D].青島：中國海洋大學，2011：19-21.

[8]裘湛.人工濕地植物根際效應對根部微生物影響的研究進展[J].凈水技術，2018，37（7）：26-30.

（責編：張宏民）