濕地植物對農村生活污水中氮磷的凈化作用

張靖雨， 汪邦穩， 龍昶宇， 張 衛， 張世杰， 朱昊宇

(1.安徽省·水利部淮河水利委員會 水利科學研究院，安徽 合肥 230088； 2.水利水資源安徽省重點實驗室， 安徽 蚌埠 233000)

農業面源污染是水體富營養化的主要原因，其貢獻率大大超過城市、工業的點源污染。農村生活污水排放量較少且時間集中，日變化系數大[1]。水生植物修復技術因其環境友好、成本低、凈化能力突出等特點，逐漸成為一種重要的生態治理方法[2-3]。水生植物除本身能吸收同化氮磷等污染物外，還能通過根系沁氧[4]、細胞釋放無機離子、糖類和有機酸等方式，為微生物提供生長代謝所需碳源。

據調查統計，中國水生植物共有61科，168屬，741種[5]，用于濕地、河道修復等生態處理的研究多數集中在蘆葦、菖蒲以及苦草、金魚藻等常見的單一生態型[6-7]，這一類存在易受季節影響以及抗逆性差等問題，合理的植物群落組合的凈化效果更穩定[8]。李歡等[9]認為混合群落中植被相對生長速率和累積生物量顯著高于單獨種植時期，Rodriguez等[10]發現蘆葦與虉草的組合可以維持高效去污和低硝酸鹽濃度之間的穩定關系。另一方面，不同的植物組合和種植條件構建的濕地系統其脫氮除磷特征也存在差異。周玥等[11]發現高濃度污水中單種挺水植物對TP的凈化效果較好而多種植物組合對TN的凈化效果更好。一般來說，濕地系統對污水中氮、磷的去除率平均能達到60%～90%[12]，但植物吸收對氮、磷去除貢獻率平均只在6%～20%之間[13]，氮、磷物質的吸收同化是植物修復的主要去除方式[14]。相當部分的氮磷養分以沉積的方式被底泥截留，沉積物蓄積是氮、磷最主要的支出途徑，占總支出氮、磷的比例為28.6%和42.3%[15]。關于適宜區域環境和不同生態型濕地植物組合的凈化效果仍有待深入研究，同時有關濕地系統內氮磷養分去向特征的研究少有報道。因此，深入探討氮磷高效吸收的最優植物組合模式對提高鄉村生態綜合治理效益具有重要的現實意義和工程價值。

本文選取不同生態型的6種濕地植物，在室內靜水條件下通過植物生物量、污水氮、磷去除率、植物和底泥吸附量等多方面研究其鑲嵌組合對污水的凈化效果，分析污染物去除特征和途徑，旨在優化水生植物配置，為構建濕地植物和鄉村生態綜合治理模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 試驗設計

將所選取的各類植株，按照生長習性和景觀效益進行組合配置，依次為：單一挺水種植組的再力花(Z)、美人蕉(M)、菖蒲(C)、梭魚草(S)、鳶尾(Y)，單一沉水種植組的苦草(K)，組合種植組的苦草+再力花(K+Z)、苦草+美人蕉(K+M)、苦草+菖蒲(K+C)、苦草+梭魚草(K+S)、苦草+鳶尾(K+Y)。各組試驗水箱內種植密度保持一致，同時以無植物種植的水箱作為空白試驗組。試驗共12組處理，每組3個重復。

試驗于2020年7月2日至9月2日開展，共計63 d，在自然通風條件下進行，場地設有擋雨棚，雨天時打開避雨。先采集底泥，待攪拌、混合均勻后覆于箱底，每桶底泥厚度為200 mm。再挑選溝塘內預培養的各類長勢良好，大小一致的植株沖洗干凈后移至箱內，加入同位置水樣直至高出底泥基質200 mm處，再培育6～7 d左右。待植物長勢穩定后排凈培養水，最后每桶加入40 L試驗站內化糞池中的生活污水。期間定期(5～7 d)補加少量蒸餾水至初始高度，以維持水位。

1.3 采樣與測試

(3) 植物樣品。試驗開始時，取大小、長勢較為接近的樣品，測定初始生物量及各項指標；試驗結束時每組收獲大小、長勢較為平均的整株植物，測定其生長量及各項指標。采集后的植株樣品依次用自來水、去離子水沖洗干凈，濾紙吸干水分，分根、莖葉稱鮮重，之后放置在85 ℃烘箱內烘干至恒重，測量植株干重。經粉碎研細后用過0.15 mm篩，采用半微量開氏方法，用凱氏定氮儀測定植株TN含量；采用硫酸—高氯酸消煮—鉬銻抗比色法，用全自動化學分析儀測定植株TP含量。

1.4 數據分析

植物相對生長速率的計算公式[16]如下：

RGR=〔ln(Bt/B0)〕/t

(1)

式中：RGR為植物的相對生長速率(%/d)；B0和Bt分別為實驗開始和結束時植物的總生物量(g)；t為實驗周期(d)，本研究中t為60 d。

單位面積植物平均氮(磷)吸收量計算公式為：

Qp=PCi×PBi

(2)

式中：Qp為單位面積植物平均氮(磷)吸收量〔mg/(m2·d)〕；PBi為試驗開始時、結束時單位面積植物干重(g/m2)；PCi為試驗開始時、結束時植株內氮(磷)含量(mg/g)。

單位面積底泥平均氮(磷)吸收量計算公式為：

Qs=1 000×ρb×V×(CSt-CS0)/S

(3)

式中：Qs為單位面積底泥平均氮(磷)吸收量〔mg/(m2·d)〕；ρb為底泥容重(g/cm3);V為水箱內底泥體積(m3)；CSt為第t天時底泥氮(磷)含量(mg/g)；CS0為試驗開始時底泥氮(磷)背景含量(mg/g)；S為有效面積(m2)。

采用Microsoft Excel計算數據、繪圖，采用統計分析軟件SPSS22.0進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 污染物去除效果

2.2 植物生長情況及氮磷積累量變化

如表1所示，苦草的莖干、根系在培養前后的變化均不顯著。在單種或混種培養方式下，再力花、菖蒲和梭魚草培養后的莖干長度均顯著高于培養前。長勢最好的是單一種植的再力花，根、莖長度的相對生長速率為最大，且顯著高于苦草和菖蒲，混合種植培養的再力花的干重相對生長速率最大。混合種植培養的美人蕉以及單一種植培養的梭魚草最低，與其他各類植株的干重均存在顯著差異。鳶尾地上和地下部分生物量的比值最大，從植物收獲的可操作性方面來看，地上部分生物量的占比越大，越有利于污水凈化系統通過收割地上莖葉去除氮、磷物質。因此單從植物生長狀況這一層面來說，再力花、鳶尾在淮北平原區是適宜種植的濕地植物，種植梭魚草、美人蕉對污水凈化的功效相對較差。

注：Z，M，C，S，Y分別為單一挺水種植組的再力花、美人蕉、菖蒲、梭魚草、鳶尾，K為單一沉水種植組的苦草，(K+Z)，(K+M)，(K+C)，(K+S)，(K+Y)分別為組合種植組的苦草+再力花、苦草+美人蕉、苦草+菖蒲、苦草+梭魚草、苦草+鳶尾。下同。

培養前再力花處理組中植物TN，TP積累量最高，分別為449.9，130.7 mg/m2，苦草最低。不同處理組中植物體內氮積累量均隨時間推移呈現上升趨勢(圖2)，培養前后各組植物體內TN積累量均有顯著差異；而磷積累量隨時間變化不顯著。培養后，苦草組的TN,TP積累量增幅最高，分別較初期增加了12.4,1.3倍，顯著高于其他挺水植物，說明沉水植物比挺水植物對污水中TP 的吸收效果更好。苦草+再力花組中TN積累量、再力花組中TP積累量最大，分別為1 683.2,173.2 mg/m2。除梭魚草外，組合處理組與單一處理組的TN,TP積累量之間無顯著差異。水生植物對污水中氮素有更好的吸附作用，對磷素的吸收效果一般；挺水植物生物量越大，對氮的吸收同化作用越好，這與周玥等[11]、Catalina等[17]的研究結果較為接近。

不同處理組中氮磷在植株體內的分配情況見圖3。如圖3所示，培養前，再力花、梭魚草根部的TN，TP 含量顯著大于莖部，含量占全部的比例分別為81.4%，74.3%和80.6%，71.0%，培養后該比例分別下降至35.7%，53.4%和27.5%，50.1%，氮、磷等養分呈現出由根部向莖葉轉移的趨勢。試驗末期美人蕉、苦草中氮、磷的分配比例較試驗開始時變化較小，養分轉移變化規律并不顯著，與培養期間植物的生長狀態較差有關。

表1 不同水生植物試驗前后生長狀況

注：不同大寫字母表示同一處理組在不同采樣時間植株TN，TP積累量差異顯著(p<0.05)；不同小寫字母表示同一采樣時間不同處理組植株TN，TP積累量差異顯著(p<0.05)。

圖3 氮、磷在植株體內的分配特征

2.3 底泥氮、磷吸收量變化

注：不同大寫字母表示同一處理組在不同采樣時間底泥及TP吸收量差異顯著(p<0.05)；不同小寫字母表示同一采樣時間不同處理組底泥及TP吸收量差異顯著(p<0. 05)。

2.4 質量平衡

如表2所示，整個水生植物處理系統中，各處理組中 TN，TP的平均總攔截量分別為862.0，46.1 mg，單位面積平均去除負荷分別為85.6，4.6 mg/(m2·d)。其中，苦草組、苦草+菖蒲組TN，TP攔截量最高，鳶尾組的TN去除量最低，苦草+美人蕉組的TP去除量最低。植物吸收總氮占系統總去除量的比例在6.9%～18.3%之間，植物吸收總磷占系統總去除量的比例在4.1%～13.6%之間，與衛小松等[18]、Gaballah等[6]的結果一致，植物吸收對氮、磷去除的貢獻存在一定差異，美人蕉、梭魚草及其組合種植處理組中植物吸附量所占比例均與再力花、鳶尾等種植組差異明顯。

表2 污染物質量平衡

底泥吸附氮、磷占去除總量的比例范圍在14.0%～31.5%和26.3%～68.4%之間，底泥吸附對 TP 去除的貢獻明顯高于對 TN 去除的貢獻。此外，空白對照組中底泥吸附氮、磷比例基本高于其他水生植物種植組，通過污染物平衡計算的其他途徑對氮、磷去除量占消納總量的比例平均達到65.9%和53.3%，除去營養自然流失等客觀因素的考慮之外，一定程度說明存在于底泥、水體等濕地系統中的微生物菌群及酶的直接、間接作用對氮磷的去除發揮著至關重要的作用[19]，植物對濕地N，P去除的影響不僅直接體現在N，P吸收，更在于根系泌氧作用為微生物生長、活動提供了碳源。

3 討 論

各組水生植物在生活污水中大多長勢良好，經過2個多月的生長，株高增長0.4～1.5倍，根長前后變化不顯著，鮮重增加0.2～1.8倍。其中再力花生物量最大，鳶尾地上和地下部分生物量的比值最大。濕地植物對N，P的吸收量與其生物量呈顯著正相關[20]，是降解低濃度生活污水中氮磷的主要力量。植物根系長度對凈化水體的程度起著至關重要的作用[21]，并且地上部分生物量的占比越大，越有利于污水凈化系統通過收割地上莖葉去除氮、磷物質。因此從株高、根莖長度、鮮重等植物生物量指標以及植物收獲的可操作性方面來看，再力花和鳶尾具備較強的氮、磷吸收能力，是濕地植物較為理想的選擇。美人蕉在整個試驗階段株高和根長增長率最低，且后期出現枯黃現象，種植美人蕉、苦草效果相對較差，原因與當地的氣候條件、試驗種植采用的底泥厚度、受試水深等多方面因素有關。

4 結 論

(2) 相比對磷素的吸收，水生植物對污水中氮素的有著更好的吸附效果。大型挺水植物如再力花、菖蒲等對氮的吸收同化作用更好，沉水植物比挺水植物對污水中TP 的吸收效果更好。培養前后，大多挺水植物如再力花、梭魚草等根部的TN，TP 含量占比明顯下降，氮、磷等養分表現出由根向莖葉轉移的趨勢，但美人蕉、苦草的養分遷移規律不顯著。總體上，再力花、鳶尾及苦草的鑲嵌組合在淮北平原區是濕地植物較為理想的選擇。