石井凈水廠8種濕地植物的凈化和固碳功能研究

摘要

為掌握不同濕地水生植物在人工濕地中的凈化和固碳能力，對廣州市石井凈水廠人工濕地中8種植物、土壤和水質進行取樣分析。結果顯示，石井凈水廠水質優良，土壤營養元素豐富，重金屬含量低。其植物元素富集能力分析表明，睡蓮Nymphaea tetragona、苦草Vallisneria natans、美人蕉Canna indica、黑藻Hydrilla verticillata、梭魚草Pontederia cordata對氮元素富集能力較強；苦草、睡蓮對磷元素富集能力較強；美人蕉和梭魚草對鉀元素富集能力較強。綜合植物單株尺度與單位面積尺度分析可知，美人蕉、水竹芋Thalia dealbata、睡蓮固碳能力突出，睡蓮可有效凈化富營養化水體和土壤，梭魚草、水竹芋、睡蓮和美人蕉對重金屬銅、鋅、錳、鎳元素積累量較大。優化濕地植物配置可增強濕地碳匯功能，提高濕地對污染的抗性。

關鍵詞

人工濕地；水生植物；生態效益；水質凈化；固碳；生物富集

Abstract

In order to grasp the purification capacity and carbon sequestration capacity of different wetland aquatic plants in artificial wetlands， this study sampled and analysed eight species of plants， soil and water quality in the artificial wetland of Shijing Water Treatment Plant in Guangzhou City. The results show that the water quality of the Shijing Water Treatment Plan is excellent， and the soil is rich in nutrients and low in heavy metals. The analysis of the enrichment capacity of plant elements reveals that Nymphaea tetragona， Vallisneria natans， Canna indica， Hydrilla verticillata and Pontederia cordata possess a strong ability to enrich nitrogen; Vallisneria natans， and Nymphaea tetragona have a strong capacity for accumulating phosphorus; Canna indica and Pontederia cordata have a strong ability of enriching potassium. Combining the analyses of single plant scale and unit area scale， Canna indica， Thalia dealbata and Nymphaea tetragona have outstanding carbon sequestration capacity， Nymphaea tetragona can effectively purify eutrophic water bodies and soil. Pontederia cordata， Thalia dealbata， Nymphaea tetragona and Canna indica have a greater accumulation of heavy metals copper ， zinc， manganese and nickel. Optimising wetland plant configuration can enhance the carbon sink function of wetlands and improve their resistance to pollution.

Keywords

Artificial wetlands; Aquatic plant; Ecological benefit; Water quality purification; Carbon fixation; Biological enrichment

文章亮點

1）開展實際自然條件下人工濕地植物碳匯功能和凈化功能的研究；2）分別從植物單株尺度、單位面積尺度綜合評價濕地植物在生長期內對各元素的累積情況；3）篩選出具有強固碳能力和凈化能力的濕地植物，為人工濕地植物的選擇與應用提供參考。

濕地植物指植株部分或全部可以生活在水體或高含水量基質中的植物，根據其生存習性可以分為挺水植物、浮水植物以及沉水植物[1]。濕地植物作為人工濕地生態系統的重要組成部分，在水質凈化和碳匯吸收方面發揮著不可忽視的重要作用[2]。濕地植物的凈化功能通常表現為3個方面：1）對污水中的營養元素直接吸收、吸附與富集。濕地植物具有生長迅速、吸收能力強的特點，能夠直接吸收與利用污水中的營養元素。通過收割濕地植物，可以達到凈化濕地水質的目的[3]。2）根區放氧。濕地土壤長期處于缺氧條件，導致鐵、錳等還原態元素和有機物質濃度上升，嚴重時會危害植物生長發育。而濕地植物能夠將光合作用產生的氧氣運輸到根部，在植物根系周圍還原性介質的作用下形成氧化態微環境，這有利于濕地植物凈化重金屬元素[4]。3）增強和維持介質的水力傳輸能力。濕地植物的根系具有較強的穿透能力和擴張能力，能夠增強濕地土壤的水力傳輸能力，有效防止濕地土壤淤積和板結，進而增強對濕地水質的凈化效果[3]。

此外，濕地植物通過光合作用將大氣中CO2轉化為有機質并存儲在自身體內的過程，是濕地發揮碳匯功能的重要途徑之一[5]。研究濕地植物碳匯功能，掌握不同濕地植物的碳匯能力，對優化濕地植物景觀配置、提升濕地生態系統植物固碳潛力、豐富濕地生態系統碳循環理論等有重要意義。

目前關于濕地植物凈化功能以及固碳能力的研究，較多集中于室內人工控制條件下的實驗[6]，而對于在實際自然條件下人工濕地中所應用的植物的碳匯功能和凈化功能的研究相對較少。鑒于此，本研究聚焦于廣州市石井凈水廠的人工濕地，選取了該濕地中8種代表性濕地植物作為研究對象，從植物單株尺度、單位面積尺度綜合評價濕地植物在生長期內對各元素累積、富集的特性，以期篩選出具有強固碳能力和凈化能力的濕地植物，為增強濕地碳匯功能和凈化功能提供科學依據，為人工濕地構建過程中濕地植物的選擇與應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域為位于廣州市白云區石槎路的石井凈水廠（113°14′56″E，23°12′5″N），占地14.6 hm2，負責處理廣州凈水管網大坦沙系統中新市涌、白云一線以北地區約33 km2居民區的生活污水。為減少地面設施對周邊居民區的干擾，2010年廣州便嘗試將凈水設施做地埋式處理。2018年石井凈水廠開始投入運營，進一步深化“地下建廠地上建園”的理念，優化地下凈水設施，同時對地面作公園化建設和管理，通過設置人工濕地，引入喬灌草和水生植物增加城市綠地面積，成為新型生態化地埋式凈水廠的典范。

1.2 樣品采集與測定

本研究在石井凈水廠選取8種代表性濕地植物，每種植物設置3個

1 m×1 m的樣方，分別于2023年第一季度2月16日與第二季度5月30日對8種植物樣方內的數量和種類進行統計，同時采集植物株高等基本信息（表1、圖1）。

在樣地內采集3株生長狀況良好、大小相似的植物全株，將其洗凈泥土，烘干至恒重，以測定其生物量。接著使用微型植物粉碎機粉碎植物，并通過孔徑2 mm的篩子篩選，最后將篩選后的粉末裝袋備用。

土壤取樣深度分別為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm，每個土層深度重復采集3個樣品，在剔除土壤樣品中的根系雜質后，將樣品烘干至恒量，過篩。

植物樣品和土壤樣品分別用濃硝

酸-高氯酸消煮法和濃硫酸-高氯酸消煮法進行消煮，制備成待測液。植物和土壤的氮元素使用元素分析儀測定，磷元素采用鉬銻比色法測定，鉛、鎘、鐵、錳含量測定采用石墨爐原子吸收分光光度法，汞含量測定采用冷原子吸收分光光度法，砷含量測定采用原子熒光法，鎳、銅、鉻、鋅含量測定采用火焰原子吸收分光光度法[7]。

每季度采集3個水樣，對水樣溶解氧（DO）、五日生化需氧量（BOD5）、化學需氧量（CODCr）、氨氮、總氮、總磷、錳、銅、鋅、鉛、鎘、鉻、砷、汞等指標進行檢測，檢測方法依據《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）。

1.3 數據處理與分析

采用Excel2019對植物單株元素積累量PA[8]、植物單位面積元素積累量PD [6]和植物元素富集系數BCF [9]進行計算，公式如下：

PA = PC × PB " " " " " nbsp; " " " " " " （1）

PD = PA × M " " " " " " " " " " " " " （2）

BCF = PC / S " " " " " " " " " " " " " "（3）

式（1）中，PC為植物某元素含量（mg/g），PB為植物生物量（g/株）。式（2）中，M為植物單位面積的種植數量（株/m2）。式（3）中，S為植物對應土壤中該元素的含量（mg/g）。BCF可以反映植物對土壤中該元素吸收積累的難易程度，當BCF值＞1時表示植物體內的某元素含量高于植物生長環境中的該元素含量，說明該植物的生長有利于修復土壤污染[9]。

之后采用SPSS19.0軟件對植物單株尺度、單位面積尺度元素積累量進行K-均值聚類分析，以綜合評價植物對各元素的積累量。

2 結果與分析

2.1 濕地水質分析結果

依據地表水環境質量標準，石井凈水廠兩個季度水樣pH值均在正常范圍內，DO、BOD5、錳、銅、鋅、鉛、鎘、鉻、砷及汞含量均達國家Ⅰ類水質標準，氨氮含量均達Ⅱ類水質標準，CODCr、總氮含量均達國家Ⅲ類水質標準。與第一季度相比，第二季度水樣總磷含量有所增加，總氮指標雖仍為Ⅲ類水質標準，但含量有所下降，這可能與兩次采樣間廣州降雨量增大有關（表2）。

2.2 濕地土壤分析結果

根據0～10 cm、10～20 cm、20～

40 cm 3個深度的土壤樣品分析結果，所有土壤樣品pH值均在6.61～6.92，鐵元素在濕地土壤中含量最高，鉀元素次之，氮、磷元素含量最低。隨土層深度的增加，濕地土壤第一季度有機質含量逐漸下降，鐵元素含量呈上升趨勢，兩個季度氮、磷、鉀3種元素的含量無明顯變化（圖2）。

重金屬元素中錳元素含量最高，鉻、鋅元素含量次之，鎘、汞元素含量最低。其中隨土層深度的增加，銅、鉛、鎘、鎳、砷及汞6種元素含量的差異不明顯，錳元素含量隨土層深度的增加均呈先減后增的趨勢，且第二季度錳元素含量高于第一季度。依據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018），石井凈水廠中土壤重金屬銅、鋅、鉛、鎘、鉻、鎳、汞7種元素含量均達到國家標準（銅≤100 mg/kg、

鋅≤250 mg/kg、鉛≤140 mg/kg，鎘≤0.6 mg/kg、鉻≤300 mg/kg、鎳≤100 mg/kg、汞≤0.6 mg/kg）。

2.3 不同濕地植物各元素積累量分析

2.3.1 不同濕地植物生物量差異

植物生物量隨著植物的生長而逐漸增加（表3），其中水竹芋、美人蕉生物量增長幅度最大，與第一季度相比分別增長2.73、2.47倍，苦草、梭魚草、黑藻、花葉蘆竹、風車草增長幅度差異不大，睡蓮生物量增長幅度最小。

2.3.2 濕地植物大量元素積累量

對植物樣品各元素含量進行檢測，發現氮、磷、鉀元素在植物體內大量積累，在植物生長發育過程中起到至關重要的作用[10]，對改善濕地水質和土壤富營養化具有重要意義[11]。計算植物單株氮、磷、鉀元素積累量（表4），發現8種濕地植物對鉀元素的積累量最大，氮元素次之，對磷元素的積累量最少，且不同濕地植物對氮、磷、鉀元素的積累量存在顯著差異（Plt;0.05）。與第一季度相比，8種濕地植物第二季度單株氮、磷、鉀元素含量均有不同幅度增長，睡蓮、美人蕉的氮元素積累量增長較快，睡蓮、花葉蘆竹的磷元素積累量增長最多，梭魚草、睡蓮的鉀元素積累量增長幅度最大，風車草、苦草的單株氮、磷、鉀元素增長量最小。

不同植物每平方米氮、磷、鉀元素積累量計算結果顯示，與第一季度相比，8種濕地植物在第二季度的單位面積氮、磷、鉀元素積累量均有所增長，且不同植物間存在顯著差異（Plt;0.05）。其中美人蕉、睡蓮的單位面積氮元素增長量最大，睡蓮、花葉蘆竹的單位面積磷元素積累增長量較大，梭魚草、睡蓮、美人蕉的單位面積鉀元素增長量較大，風車草的單位面積氮、磷、鉀元素增長量最低。

2.3.3 濕地植物微量元素積累量

銅、鋅、錳、鎳是維持植物正常生長發育的必需微量元素[12]，但此類元素若過量則會造成水體、土壤污染，破壞濕地生態系統，給水生動植物帶來不可逆的危害[13]。對石井凈水廠8種植物單株銅、鋅、錳、鎳元素積累量進行計算（表5），植物對錳元素的積累量最高，對銅、鋅、鎳元素的積累量較少，且兩個季度中不同濕地植物對銅、鋅、錳、鎳元素的單株積累量均存在顯著差異（Plt;0.05）。與第一季度相比，梭魚草、美人蕉、水竹芋、睡蓮、花葉蘆竹、黑藻和風車草在第二季度的4種微量元素積累量均有所增長。其中，梭魚草、睡蓮、美人蕉的銅元素積累量較大，美人蕉、水竹芋、睡蓮的鋅元素積累量較大，梭魚草、水竹芋的錳元素積累量較大，苦草、水竹芋的鎳元素積累量最大，風車草為單株銅、鋅、錳、鎳元素積累量最低的植物。

與第一季度相比，美人蕉、梭魚草、水竹芋、睡蓮、黑藻與風車草在第二季度的單位面積微量元素積累量均有所增長，而花葉蘆竹的單位面積鎳元素含量下降，苦草的單位面積銅元素含量下降，且第一、第二季度中不同植物的單位面積銅、鋅、錳、鎳元素積累量存在顯著差異（Plt;0.05）。

2.3.4 濕地植物污染元素積累量

鉛、鉻、砷元素會在濕地中沉積，給濕地水體和土壤中的動植物、微生物等帶來諸多不利影響，破壞濕地生態系統平衡，在濕地生物體內不斷積累并最終給人類帶來危害[14]。而植物可以富集濕地土壤和水體中的污染元素，降低污染元素的有效性和遷移性，使其不能夠為其他生物體所用，從而達到鈍化、隔斷污染元素進入人類食物鏈，凈化濕地水體和土壤的目的[15～16]。

對8種濕地植物的單株鉛、鉻、砷元素積累量進行計算（表6），發現第二季度美人蕉、苦草、梭魚草、黑藻、風車草、睡蓮的鉛、鉻、砷元素積累量均有所增長，其中黑藻的鉛元素積累增長量最大，美人蕉的鉻元素積累增長量最大，苦草的砷元素積累量增長幅度最大。

8種濕地植物對鉻元素的單位面積積累量最高，對鉛、砷元素的積累量較低。其中，美人蕉、梭魚草、睡蓮、苦草、黑藻和風車草在第二季度的鉛、鉻、砷元素積累量較第一季度有所增加，美人蕉、梭魚草的單位面積鉛元素積累量最大，美人蕉、水竹芋的單位面積鉻元素積累量較高，梭魚草、苦草的單位面積砷元素積累量較高。

2.4 濕地植物固碳能力分析

綠色植物通過光合作用，吸收大氣中的二氧化碳，并將其固定在植物體內，從而降低大氣中二氧化碳濃度，實現碳匯作用。而植物體內固碳量是評價植物碳匯能力的重要指

標[5]。根據本研究測量計算，有機碳為8種濕地植物體內積累量最多的元素，且隨著植物生物量不斷提高，固碳量在第二季度顯著增加。其中，睡蓮、梭魚草、花葉蘆竹、美人蕉、水竹芋的固碳能力較強，苦草、風車草、黑藻的固碳能力較弱（圖3）。

對不同植物單位面積固碳量的計算結果（圖4）顯示，8種濕地植物第一季度有機碳積累量為22.95 g/m2～

270.02 g/m2，第二季度固碳量為66.19 g/m2～937.49 g/m2。

其中，美人蕉、花葉蘆竹、水竹芋、睡蓮和梭魚草的單位面積有機碳積累量較大，苦草、黑藻、風車草的有機碳積累量較小。

2.5濕地植物各元素積累量聚類分析

對石井凈水廠8種濕地植物兩個季度單株尺度和單位面積尺度大量元素、微量元素以及污染元素積累量進行K-均值聚類分析，將8種濕地植物按“較強、中等、較弱”3個元素積累能力等級進行分類（表7）。對聚類結果的類別進行方差分析，得到各類別間距離差異的概率值均小于0.05，即聚類效果好。

2.6 濕地植物各元素富集能力

分析石井凈水廠中濕地植物對土壤 10 種元素的富集能力，結果顯示植物對氮元素的富集能力最強，對磷元素的富集能力次之，對鉀、錳元素的富集能力再次之，對銅、鋅、鉛、鉻、鎳、砷元素的富集能力較弱（表 8）。

石井凈水廠第一、二季度數據顯示，睡蓮、苦草、美人蕉、黑藻、梭魚草為氮元素富集能力較強的植物種類，花葉蘆竹、風車草、水竹芋的氮元素富集能力較弱；苦草、睡蓮富集 磷元素能力較強；富集鉀元素能力較強的植物為美人蕉和梭魚草，鉀元素富集能力最弱的植物為花葉蘆竹；苦草、梭魚草的銅元素富集能力最強；苦草、黑藻的鋅元素富集能力最強。第一、二季度美人蕉、梭魚草、風車草、睡蓮的鉛、鉻、鎳、砷元素富集系數較低，均小于1.00。

3 討論

3.1濕地植物對不同元素的富集特征

植物對不同元素的富集能力從高到低排序依次為氮、磷、鉀、鋅、錳、銅、砷、鎳、鉻、鉛。其中，氮元素富集能力較強的植物有睡蓮、苦草、美人蕉、黑藻、梭魚草等；磷元素富集能力較強的植物有苦草、睡蓮；鉀元素富集能力較強的植物為美人蕉和梭魚草；苦草、梭魚草對銅元素富集能力最強；苦草、黑藻對鋅元素富集能力最強。苦草通過其發達的根系吸附和吸收氮、磷等元素，同時在根系泌氧和微生物的協同作用下，促進元素分解和轉化，從而有效凈化濕地土壤和水體[17]。胡聰等[18]、尚媛媛等[19]的研究同樣發現苦草可能更適合作為凈化濕地水體和土壤的先鋒物種。

3.2濕地植物對不同元素的綜合積累量

通過K-均值聚類分析發現，睡蓮吸收氮、磷元素能力較強，睡蓮的大面積種植有利于凈化富營養化的濕地水體和土壤，這與張倩妮等[20]的研究結果基本一致。梭魚草、水竹芋、睡蓮大面積種植可提高濕地對微量元素超標造成的銅、鋅、錳、鎳污染的抗性。美人蕉、水竹芋、花葉蘆竹、梭魚草等可用于鉛、鉻等污染元素超標的濕地水體和土壤的凈化。

4 結論

研究發現石井凈水廠水質總體較好，水樣各項指標均達國家Ⅲ類水質標準以上，濕地土壤中營養元素較為豐富，重金屬元素含量均低于國家標準。但不同濕地植物對不同元素的凈化能力存在顯著差異，可根據濕地的實際污染情況針對性選擇濕地植物，例如苦草、睡蓮等植物可應用于富營養化的濕地中；水竹芋、美人蕉、梭魚草等植物可用于凈化銅、鋅、錳、鎳、鉛、鉻等元素污染的濕地。此外，一般生物量較大的濕地植物，例如睡蓮、水竹芋、美人蕉等，其有機碳積累量亦較大，從而表現出較強的碳匯能力。

濕地植物固碳和凈化是一個復雜的過程，本研究從植物單株尺度、單位面積尺度綜合分析了濕地植物在生長期內對各元素的累積情況，初步篩選出具有強固碳能力和凈化能力的濕地植物。但本研究尚未得到針對沉水植物、浮水植物、挺水植物三類濕地植物凈化能力的規律。下一步將繼續對廣州市常見濕地植物固碳功能與凈化功能進行深入研究，以期為今后濕地修復、增強濕地生態服務功能提供科學參考。

注：本文圖表均為作者自攝自繪。

參考文獻：

[1]彭定人，李漢維，覃永華，等. 廣西荔浦荔江國家濕地公園植物多樣性研究[J]. 亞熱帶植物科學，2020，49（1）：52-59.

[2]羅慧瑩，肖以華，佟富春. 廣東三水云東海國家級濕地公園秋冬季鳥類多樣性研究[J]. 廣東園林，2021，43（1）：22-26.

[3]李峰平，魏紅陽，馬喆，等. 人工濕地植物的選擇及植物凈化污水作用研究進展[J]. 濕地科學，2017，15（6）：849-854.

[4]李瑩，張洲，楊高明，等. 濕地植物根系泌氧能力和根表鐵膜與根系吸收重金屬的關系[J]. 生態環境學報，2022，31（8）：1657-1666.

[5]徐松浚，徐正春. 廣州市濕地植被碳匯功能研究[J]. 濕地科學，2015，13（2）：190-196.

[6]張靖雨，汪邦穩，龍昶宇，等. 濕地植物對農村生活污水中氮磷的凈化作用[J]. 水土保持通報，2021，41（5）：15-22，114.

[7]中華人民共和國生態環境部. 土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）：GB 15618—2018[S]. 北京：中國環境出版集團，2018.

[8]劉冉，甘淳丹，趙海燕，等. 四種大型濕地植物對水產養殖廢水中礦質元素和重金屬富集特征的影響[J]. 南京農業大學學報，2017，40（5）：859-866.

[9]XU J，ZHENG L，XU L，et al. Uptake and allocation of selected

metals by dominant vegetation in Poyang Lake wetland： From rhizosphere to plant tissues[J]. Catena，2020，189：104477-104477.

[10]CHOUDHARY S，CHOUDHARY S，UPADHYAY K A，et al.

Accumulation and Partitioning Pattern of Nutrients in Rice Grown in Vertisol under IPNS-STCR based Nutrient Management[J].

Current Journal of Applied Science and Technology，2021，40（47）：1-9.

[11]周玥，韓玉國，張夢，等. 4種不同生活型濕地植物對富營養化水體的凈化效果[J]. 應用生態學報，2016，27（10）：3353-3360.

[12]曾珍，陳萬生，肖瑩. 植物必需金屬離子對藥用植物次生代謝產物生物合成的作用[J]. 植物生理學報，2022，58（4）：597-606.

[13]WANG S F，ZHAO Y，GUO J H，et al. Antioxdative response in leaves and allelochemical changes in root exudates of Ricinus communisunder Cu， Zn， and Cd stress[J]. Environmental Science and Pollution Research International，2018，25（32）：32747-32755.

[14]嚴莉，李龍山，倪細爐，等. 5種濕地植物對土壤重金屬的富集轉運特征[J]. 西北植物學報，2016，36（10）：2078-2085.

[15]周曉聲，婁廈，RADNAEVA L D，等. 植物對土壤重金屬富集特性研究進展[J]. 生態毒理學報，2022，17（3）：400-410.

[16]羅倩，林鳳蓮，袁鋒，等. 人工濕地植物根際微生物對4種污水重金屬元素的凈化能力[J]. 西南農業學報，2022，35（1）：176-185.

[17]張梅婷，劉晉仙，蘇嘉賀，等. 苦草葉表附生和水體浮游細菌群落多樣性格局及其影響因素[J]. 環境科學，2023，44（1）：252-261.

[18]胡聰，胡剛，張忠華，等. 廣西澄江喀斯特濕地沉水植物碳、氮、磷化學計量特征[J]. 生態學報，2021，41（13）：5300-5308.

[19]尚媛媛，關保華，鄭建偉，等. 沉水植物苦草和輪葉黑藻對水環境的影響[J]. 中國農學通報，2016，32（28）：55-159.

[20]張倩妮，陳永華，楊皓然，等. 29種水生植物對農村生活污水凈化能力研究[J]. 農業資源與環境學報，2019，36（3）：392-402.

作者簡介：

張碧媛/1997年生/女/遼寧朝陽人/碩士/廣州市林業和園林科學研究院，廣東廣州城市生態系統國家定位觀測研究站（廣州 510405）/專業方向為園林植物應用研究

（*通信作者）林妍欄/1982年生/女/廣東廣州人/碩士/廣州市市政工程設計研究總院有限公司（廣州 510060）/高級工程師/專業方向為園林設計、園林生態/E-mail：52622183@qq.com

林雯/1987年生/女/江西贛州人/博士/廣州市林業和園林科學研究院，廣東廣州城市生態系統國家定位觀測研究站（廣州 510405）/高級工程師/專業方向為城市濕地生態修復及林業碳匯

代色平/1975年生/女/福建莆田人/博士/廣州市林業和園林科學研究院，廣東廣州城市生態系統國家定位觀測研究站（廣州 510405）/教授級高級工程師/專業方向為園林植物應用

李智琦/1979年生/女/湖北武漢人/博士/廣州市林業和園林科學研究院，廣東廣州城市生態系統國家定位觀測研究站（廣州 510405）/高級工程師/專業方向為城市生態、生物多樣性研究