4種濕地植物混合群落凈化污染水體的試驗

李 琴，李海翔，董 堃，王武斌，凃 月，王敦球

(桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林 541000)

廣西會仙濕地系統(tǒng)是以湖泊、沼澤、水生植物為主要組成部分的多類型綜合自然濕地[1]，在凈化水質(zhì)、涵養(yǎng)水源、環(huán)境改善、漓江蓄洪補水生物多樣性保護等方面發(fā)揮重要的生態(tài)作用[2]，對桂林漓江流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定意義重大。會仙濕地是我國最大的巖溶濕地，具有生態(tài)環(huán)境脆弱、敏感等特點，受到破壞后不易恢復(fù)[3]。但是在社會經(jīng)濟高速發(fā)展、人類生活質(zhì)量逐步提升的時期，會仙濕地卻受到來自各個方面因素的影響，濕地面積及瀕危動植物資源日漸減少，水體富營養(yǎng)化進程不斷加快，會仙濕地實際上已經(jīng)成為周邊農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)污染物排放的匯集地[4]。研究表明，會仙濕地已處于較差的生態(tài)狀況，地表水污染嚴(yán)重，水質(zhì)水體均屬于氮、磷富營養(yǎng)化，人為污染因素占極大比重[5-6]。

在眾多對受污染水體的修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)技術(shù)是一種低成本、無污染的原位生態(tài)治理技術(shù)，具有一定的景觀價值，其植物根系可為微生物提供適宜的生長環(huán)境，且對懸浮污染物起到截濾作用[7-8]，能夠在湖泊、河流等地表水污染治理工程中廣泛應(yīng)用。目前，對巖溶濕地利用植物原位修復(fù)技術(shù)凈化水質(zhì)的研究不多[9-11]。通過前期調(diào)查，在會仙濕地區(qū)域的七星碼頭至古桂柳運河河段有生活污水排放源，大量未處理的含氮磷污水直接排入水體，屬于污染嚴(yán)重的水域，在該區(qū)域生長的植物主要為鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、菹草(Potamogetoncrispus)、黑藻(Hydrillaverticillata)、蘆葦(Phragmitesaustralis)等，而會仙濕地水域廣泛生長的單優(yōu)勢植物群落有苦草(Vallisnerianatans)、蘆葦、華克拉莎(Cladiumchinense)等[12]。為此，將優(yōu)勢植物移植到污染嚴(yán)重水域(七星碼頭)進行水體原位強化修復(fù)，這一探究是否可行是需要非常關(guān)注的問題。許多研究表明，不同植物組合形式對凈化污染水體效果優(yōu)于單一植物群落，且挺水、漂浮、沉水植物能夠在同一植物群落中出現(xiàn)[13-15]。因此，在前人研究基礎(chǔ)上[16]，本研究選用會仙濕地4種廣泛生長的優(yōu)勢植物[苦草、蘆葦、華克拉莎、美人蕉(Cannaindica)]和七星碼頭4種主要植物(鳳眼蓮、菹草、黑藻、蘆葦)組成混合群落構(gòu)建模擬濕地系統(tǒng)分別對污染水體進行凈化，對比探究該植物組合群落是否具有良好的原位水體修復(fù)潛力，以期能夠為降低會仙濕地流域污染的生態(tài)修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

構(gòu)建模擬濕地系統(tǒng)所用的植物、底泥等均采自會仙濕地河段，苦草、蘆葦、華克拉莎和美人蕉這4種植物在水質(zhì)較好流域、具有良好生長優(yōu)勢且種群單一、覆蓋度高的位置進行采集；菹草、鳳眼蓮、黑藻、蘆葦于水質(zhì)較差的七星碼頭采集，同種植物選取長勢相似的進行采集；底泥采用活塞式柱狀采泥器在會仙河段進行采集；進水水樣從會仙濕地水域生活污水排放較密集的七星碼頭采集。植物、底泥和水樣的采樣點如圖1所示。

圖1 采樣點位置Fig.1 Location of Sampling Points

1.2 試驗處理

模擬濕地系統(tǒng)裝置以會仙濕地七星碼頭水域為基礎(chǔ)，以其長、寬縮小100倍的規(guī)模進行構(gòu)建，長×寬×高為310 cm×120 cm×70 cm，采用表面流式進水(圖2)。構(gòu)建苦草組(苦草+蘆葦+華克拉莎+美人蕉)、菹草組(菹草+鳳眼蓮+黑藻+蘆葦)這2組不同空間配置的植物群落，每組中的4種植物隨機分布種植，種植密度為30株/m2，保持每種植物種植密度一致，并設(shè)置無植物種植空白對照組，對照組中偶有生長出綠色藻類及植物均及時清理，確保對照組中無植物生長。待模擬系統(tǒng)裝置內(nèi)無發(fā)黃衰敗、爛根等明顯無法存活植株，每組植物均生長穩(wěn)定后，則開始正式運行系統(tǒng)。鳳眼蓮在系統(tǒng)穩(wěn)定后繁殖較快，夏秋季節(jié)生長迅速，易大面積覆蓋成為組內(nèi)優(yōu)勢植物；苦草、菹草2種沉水植物在冬春季節(jié)繁殖能力強，形成較高的覆蓋度會阻礙其他植物生長。在夏秋季節(jié)，鳳眼蓮密度較高會使根莖透光性、通氣性較差，出現(xiàn)爛根現(xiàn)象，受到水體浮力作用使整株漂浮，對水質(zhì)會產(chǎn)生影響。因此，試驗期間除了對模擬系統(tǒng)裝置中的枯枝落葉進行人工清理，以保證水質(zhì)不受影響外，在苦草、菹草、鳳眼蓮生長茂盛季節(jié)對模擬系統(tǒng)裝置內(nèi)的每組植物進行每日觀察，及時對生長過于迅速、導(dǎo)致數(shù)量增多的植株通過人工拔除，以保證每組內(nèi)植物種植密度一致。若有枯死、衰敗等無法存活的植株，則及時取出再進行補種，控制系統(tǒng)內(nèi)各組植物群落組成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。會仙濕地實際流速緩慢，因此，設(shè)置水力停留時間為6 d，表面水力負(fù)荷為0.05 m3/(m2·d)，每月進水3次，每次進水量為2 000 L，采樣頻率3次/月，各月數(shù)據(jù)取均值。

圖2 模擬濕地系統(tǒng)裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Constructed Wetland

1.3 試驗方法

CODMn、TN和TP是七星碼頭附近水體中主要的污染指標(biāo)。因此，選擇CODMn、TN和TP作為試驗測定的水質(zhì)指標(biāo)。試驗水樣水質(zhì)測定方法如表1所示。采集水樣時先潤洗采樣瓶，再與瓶蓋一同放在水面10 cm以下，打開瓶蓋避免水中懸浮物進入瓶中，采集時使水樣充滿采樣瓶至溢流，確保瓶中無氣泡后擰緊瓶蓋。試驗時間為2017年11月—2018年10月，試驗期間每月進水水質(zhì)如表2所示。TP進水質(zhì)量濃度為0.20～0.44 mg/L，超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)III類標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg/L)；TN進水質(zhì)量濃度為1.80～3.35 mg/L，超出IV類標(biāo)準(zhǔn)(1.5 mg/L)；CODMn進水質(zhì)量濃度為15.01～28.64 mg/L，超出V類標(biāo)準(zhǔn)(15 mg/L)。

表1 水質(zhì)指標(biāo)及測定方法Tab.1 Water Quality Indices and Analysis Methods

表2 每月進水水質(zhì)Tab.2 Monthly Influent Water Quality

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 TP

由圖3可知，苦草組(苦草+蘆葦+華克拉莎+美人蕉)和菹草組(菹草+黑藻+鳳眼蓮+蘆葦)對水體中TP均有去除效果。苦草組的TP平均出水質(zhì)量濃度為0.07 mg/L，可達《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)II類標(biāo)準(zhǔn)(0.1 mg/L)；菹草組的TP平均出水質(zhì)量濃度為0.12 mg/L，略高于II類標(biāo)準(zhǔn)(0.1 mg/L)。苦草組和菹草組在8月時TP出水質(zhì)量濃度均達到最低，分別為0.04、0.09 mg/L。苦草組和菹草組對TP的去除率分別為54.26%～85.25%和49.14%～63.81%，均顯著高于空白組(28.86%～33.04%)，相同月份的去除率表現(xiàn)為苦草組>菹草組>空白組。3組TP的去除率均表現(xiàn)為夏、秋季高于冬、春季，在夏季時去除率達到最高。

圖3 水體TP質(zhì)量濃度及去除率變化Fig.3 Changes of TP Mass Concentration and Removal Rate in Water Body

TP在濕地中的去除途徑主要有基質(zhì)的吸附、沉淀作用、植物吸收和絡(luò)合等，影響因子有pH、溫度、植物群落的種類等[17]。濕地中植物吸收是磷元素轉(zhuǎn)化的主要途徑之一，其生長活動能夠增強微生物對磷的去除，因此，植物群落的生物量越大，對TP的去除效果就越明顯，且由挺水植物和沉水植物組成的混合群落去除水體TP的能力比沉(挺)水植物群落高[18-19]。將多種植物(如風(fēng)車草、美人蕉、千屈菜等)組成混合群落處理村鎮(zhèn)生活污水，能有效提高TP的去除效率[20]。在本試驗中采用的蘆葦、美人蕉、華克拉莎均屬于挺水植物，具有龐大的根系系統(tǒng)，可為微生物提供良好的生存環(huán)境，還能夠直接從污水和底泥中吸收過剩的營養(yǎng)物質(zhì)，在本試驗中苦草組對TP的去除率可高達85.25%。而菹草、黑藻屬于沉水草本植物，其根系不發(fā)達，吸收能力不強，鳳眼蓮雖然須根較多，但漂浮在水面無法對下層水體進行有效凈化，對TP的去除效果不佳，在本試驗中菹草組對TP去除率最高僅達到63.81%。

季節(jié)變化對植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力也有重要影響。劉文杰等[21]研究表明植物在夏季處于生長茂盛時期，水溫的升高會增強微生物代謝活動程度，能夠增強植物群落對TP的去除能力；冬季溫度的降低會使微生物活動減少，加上植物自然凋落萎蔫，死亡植物進入水體中腐爛分解，磷元素又會從植物體內(nèi)被分解釋放，因此，TP的去除效果會降低，與本試驗結(jié)論一致。本研究中，在冬季氣溫較低、微生物活性減少條件下，苦草組保持對磷的強吸收能力，維持較低出水濃度水平。因此，在低溫、進水TP污染負(fù)荷較大時，苦草組仍具有較好的磷去除能力。

2.2 TN

苦草組(苦草+蘆葦+華克拉莎+美人蕉)和菹草組(菹草+黑藻+鳳眼蓮+蘆葦)對水體TN的去除效果如圖4所示。苦草組的TN平均出水質(zhì)量濃度為0.76 mg/L，略高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)II類標(biāo)準(zhǔn)(0.5 mg/L)；而菹草組的TN平均出水質(zhì)量濃度為1.16 mg/L，略高于III類標(biāo)準(zhǔn)(1.0 mg/L)。苦草組和菹草組在8月時的TN出水質(zhì)量濃度均達到最低，分別是0.37、0.73 mg/L。在相同月份，TN出水濃度表現(xiàn)為空白組>菹草組>苦草組。苦草組對TN的去除率為53.80%～83.64%，菹草組對TN的去除率為45.77%～60.81%，顯著高于空白組(28.40%～31.52%)。在相同月份的去除率表現(xiàn)為苦草組>菹草組>空白組。3組TN的去除率均表現(xiàn)為夏、秋季高于春、冬季，在夏季的去除率達到最高。

圖4 水體TN質(zhì)量濃度及去除率變化Fig.4 Changes of TN Mass Concentration and Removal Rate in Water Body

在濕地系統(tǒng)中氮的去除機理有氨化、硝化、反硝化脫氮以及植物的同化吸收等，而硝化和反硝化作用則起到主要影響作用[22]。研究表明，具有多樣性高、根系發(fā)達等特點的植物群落能夠強化微生物的硝化作用，且苦草組合群落對TN的去除效果遠(yuǎn)高于沉水植物組合群落[23-24]，除植物本身吸收轉(zhuǎn)化作用外，主要原因是植物根系的釋氧能力能夠使根際環(huán)境形成好氧、缺氧、厭氧3種區(qū)域，可促進微生物的硝化-反硝化作用，苦草組中植物根系肥大、須根發(fā)達，有利于對污水中氮的吸收。微生物群落與不同植物根系的結(jié)合可能對濕地提高凈化效果較有利，且根系發(fā)達的植物其根系分泌物中經(jīng)礦化作用會產(chǎn)生氨氮，硝銨比適中的水環(huán)境更適合植物生長，也會促進植物對氮的吸收利用[25-26]。而菹草、黑藻、鳳眼蓮的根系都不足以為微生物提供一個良好的根系環(huán)境，特別是鳳眼蓮繁殖能力較快，在生長期葉片覆蓋水面會影響水中DO濃度，影響去除效果。因此，苦草組對TN的去除率遠(yuǎn)高于菹草組。在本試驗中，TN的去除率在夏季和秋季較高，是因為溫度是影響微生物活動的條件之一。對比冬、春季分析，夏、秋季溫度上升會使微生物數(shù)量增多，微生物活性增強，因此，能夠促進植物群落對TN的去除效果。

2.3 CODMn

苦草組(苦草+蘆葦+華克拉莎+美人蕉)和菹草組(菹草+黑藻+鳳眼蓮+蘆葦)對水體中CODMn的去除效果如圖5所示。苦草組的CODMn出水質(zhì)量濃度在8月達到最低(7.12 mg/L)，而菹草組在7月達到最低(9.21 mg/L)。苦草組的CODMn平均出水質(zhì)量濃度為9.41 mg/L，菹草組平均出水質(zhì)量濃度為12.03 mg/L，處于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中III類(6 mg/L)～V類(15 mg/L)。在相同月份，CODMn出水濃度均表現(xiàn)為空白組>菹草組>苦草組。苦草組對CODMn的去除率為36.27%～73.62%，菹草組為30.25%～52.26%，均高于空白組(18.50%～20.11%)。3組CODMn的去除率均表現(xiàn)為夏、秋季高于冬、春季，在夏季時去除率達到最高。

圖5 水體CODMn質(zhì)量濃度及去除率變化Fig.5 Changes of CODMn Mass Concentration and Removal Rate in Water Body

植物是影響CODMn去除的重要因素[27]，其根系對不溶性有機物可起到攔截和過濾的作用，又可作為微生物的附著載體，還可通過根系供養(yǎng)作用、根系分泌物等改變根系微環(huán)境，促進有機污染物的氧化分解過程[28]。許多研究表明，根系發(fā)達的植物對有機污染物具有非常好的去除效果[29-32]。在本試驗中，苦草組的蘆葦、美人蕉、華克拉莎均屬于具有龐大根系系統(tǒng)和較大生物量的植物，其構(gòu)成植物群落對有機污染物有較好的凈化效果，苦草組對CODMn的去除率可高達73.62%。而菹草組對CODMn的去除率最高僅為52.26%，該結(jié)果主要與組內(nèi)植物根系特點有關(guān)。菹草組中除蘆葦外，菹草、黑藻屬于沉水植物，根系入土深度淺，根系生物量不高，鳳眼蓮屬浮水草本植物，根芽不發(fā)達，因此，對CODMn的去除率遠(yuǎn)低于菹草組。此外，這也表明不同植物組合對有機污染物的去除效果有一定的差異。由圖5可知，夏、秋季節(jié)的CODMn去除率雖然高于冬、春季，但差異不大，與Gorra等[33]研究結(jié)果相符，植物在秋冬季雖然會有枝葉枯萎、掉落的現(xiàn)象，但挺水植物根系受到的影響不大，且土壤中的微生物即使在低溫下也具備分解有機污染物的能力，所以在低溫環(huán)境下濕地系統(tǒng)也能夠維持較高的去除效果。

3 結(jié)論

(1)會仙濕地2組植物混合群落在表面水力負(fù)荷為0.05 m3/(m2·d)條件下對污水中的TP、TN、CODMn都具有較好的凈化效果。苦草組(苦草+蘆葦+華克拉莎+美人蕉)構(gòu)建的混合群落系統(tǒng)中TP、TN和CODMn的平均出水質(zhì)量濃度為0.07、0.76 mg/L和9.41 mg/L。其中，出水TP、TN可以達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)III類標(biāo)準(zhǔn)以上。

(2)苦草組對TP、TN和CODMn的去除率分別為54.26%～85.25%、53.80%～83.64%和36.27%～73.62%，均顯著高于菹草組(菹草+黑藻+鳳眼蓮+蘆葦)的污染物去除率。混合植物群落總體對TP的去除效果最好，其次為TN、CODMn。

(3)各指標(biāo)的去除率均表現(xiàn)為夏、秋季高于冬、春季，植物修復(fù)水體效果受溫度影響較明顯。苦草、蘆葦、華克拉莎、美人蕉組成的植物混合群落是會仙濕地原位修復(fù)技術(shù)理想的濕地植物群落，可對污染嚴(yán)重水域進行強化水體修復(fù)。