聶 磊，賀漫媚

(1.廣州城市職業(yè)學(xué)院 生物與環(huán)境工程系，廣東 廣州 510405;2.廣州市園林科學(xué)研究所，廣東 廣州 510405)

城市水體富營養(yǎng)化是當(dāng)前城市污染的主要問題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人口的劇增，大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水和生活污水肆意排入城市河涌，嚴(yán)重加速了水體富營養(yǎng)化的進(jìn)程，危及市民身體健康，阻滯社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，甚至威脅人類生存。植物修復(fù)與自然凈化法是當(dāng)前國內(nèi)外水體生態(tài)修復(fù)研究開發(fā)的重點(diǎn)，利用水生植物凈化污水作為一種成本低廉，低碳環(huán)保、效益明顯的簡便易行方法，已成為各地改善水質(zhì)的關(guān)注熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外有關(guān)部門正大力提倡應(yīng)用植物處理措施凈化污水［2］。本文以對河涌自然景觀營造起關(guān)鍵作用的挺水植物為研究對象，開展人工濕地環(huán)境下，不同污染類型的河涌污水對海芋、花葉美人蕉、翠蘆莉、風(fēng)車草、菖蒲等挺水植物生長、生理特性和凈污能力的影響，為修復(fù)美化城市河涌水體生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2009年8月至10月在廣州市園林科研所苗圃(E 113°16'27″，N 23°09'44″)的大棚內(nèi)進(jìn)行。植物材料如下。

表1 挺水植物種類Tab.1 Schedule of wetland emerged plants in research

1.2 人工濕地處理方法

1.2.1 人工濕地系統(tǒng)構(gòu)建 采用塑料桶(設(shè)定水位可容納河涌污水量為8.5 L)構(gòu)建微型人工濕地，濕地基質(zhì)為碎石(粒徑1～2 cm)。植物苗齡均1年左右，每種栽種植物選大小、生長狀況一致，每種植物做20個(gè)重復(fù)，5個(gè)對照，共45株，每桶種1株。實(shí)驗(yàn)從8月—10月進(jìn)行。其中8月5日開始，植物開始適應(yīng)性培養(yǎng)，8月20日開始實(shí)施試驗(yàn)［3－4］。第1次取樣及測定在9月4日，第2次在9月19日，第3次在10月4日。后續(xù)的一些測量統(tǒng)計(jì)均在10月完成。桶內(nèi)水在每次取樣后，均補(bǔ)充污水，達(dá)到設(shè)定水位。每次補(bǔ)充的水量在1 L左右，以彌補(bǔ)蒸發(fā)、蒸騰及取樣造成的污水損失。

1.2.2 水樣采集方法 污水采集于沙河涌的體育學(xué)院段(污水處理1)和海珠涌的莊頭公園段(污水處理2)。沙河涌水質(zhì)污染類型以石油類有機(jī)污染為主，同時(shí)含有少量重金屬無機(jī)污染物。海珠涌水質(zhì)污染類型以重金屬無機(jī)污染為主，同時(shí)含有少量石油類有機(jī)污染物。以Hoagland’s水培標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)液培養(yǎng)的挺水植物為對照。各項(xiàng)測定采樣時(shí)間為每15 d 1次，共采樣3次，每次采集約1 L水樣，計(jì)算平均值［5］。

1.3 測定方法

1.3.1 水樣測定 水樣采集后在1天內(nèi)完成測定，測定方法［6］如下:

(1)COD:重鉻酸鉀法。(2)TN:取樣50mL，堿性過硫酸鉀分解一紫外分光光度法。(3)TP:取樣50mL，過硫酸鉀氧化－鋁藍(lán)比色法。(4)NH3－N:鈉氏試劑光度法。(5)BOD5:稀釋接種法。

表2 研究用污水水質(zhì)指標(biāo)分析Tab.2 Water quality index of wastewater samples in research

1.3.2 植物生長指標(biāo)測定方法 從污水處理后的第15天開始，詳細(xì)記錄各濕地桶內(nèi)植物的生長情況，每隔15 d，測量1次植物的株高、葉面積、總?cè)~數(shù)，共測定3次，計(jì)算平均值，比較不同植物種的長勢差異。栽種前，用電子天平測定每株植物的鮮重。污水處理結(jié)束，植物最后收割后，用托盤天平測定每株植物的鮮重，根據(jù)根的直徑(d)大小，將根分為d＜1mm，1mm＜d＜3mm，d＞3mm 3部分，并分別測出每株植物莖、葉、根的鮮重。所選擇植物在8—10月均為正常生長周期。采用浙江托普儀器公司生產(chǎn)的便攜式葉面積儀測定試驗(yàn)植物平均葉面積。計(jì)算植物樣品在試驗(yàn)前后各生長指標(biāo)的相對百分?jǐn)?shù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行Duncan’s多重比較檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 污水處理對挺水植物生長狀況的影響

株高是植物生長的主要性狀，反映了植物獲取外界營養(yǎng)的能力及生存狀況。圖1結(jié)果顯示，11種植物中，海芋、再力花、翠蘆莉、風(fēng)車草、花葉蘆竹、菖蒲、花葉美人蕉、細(xì)葉紙莎草等8種植物縱向生長較好。其中在沙河涌污水處理下，增長率最高的是花葉蘆竹，達(dá)到123.23%;其次是海芋，達(dá)到118.45%。海珠涌污水處理下，增長率最高的是再力花，達(dá)到127.03%;再次是風(fēng)車草，達(dá)到118.91%。梭魚草、黃花鳶尾、水蔥等植物的株高增長率表現(xiàn)負(fù)值，試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了植物頂端葉片衰敗及大量凋落的現(xiàn)象，其中下降幅度最高的是黃花鳶尾，沙河涌污水處理下株高下降了43.57%，海珠涌污水處理下株高下降了58.22%。葉片是植物完成光合和蒸騰作用的重要場所，因而葉面積大小是衡量植物長勢優(yōu)劣的重要形態(tài)指標(biāo)［8］。11種植物中，來自海珠涌的污水處理對供試植物葉面積的影響較沙河涌有更明顯的效果。其中葉面積平均增長率最高的植物是海珠涌處理下的再力花(22.36%)，其次是花葉蘆竹(17.57%)。沙河涌污水處理下葉面積增長最明顯的植物是花葉美人蕉(16.38%)。污水處理對于海芋的葉面積也有較明顯的促進(jìn)效應(yīng)，而對黃花鳶尾、水蔥和梭魚草則表現(xiàn)出不同程度的抑制作用［9］。

研究表明，水生植物對水體環(huán)境中污染物的富集量和凈化效率與植物生物量密切相關(guān)，因而提高水生植物凈化效率的一個(gè)重要途徑就是提高其生物產(chǎn)量。由于水體環(huán)境主要通過植物根系的吸收作用達(dá)到凈化水體的目的，而植物生長環(huán)境中需不斷大量吸收營養(yǎng)元素用以生長繁殖，其吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力隨著生物量的增加而加大。更高的生物量即意味著植物更高的N、P積累量，也即對污水中的N，P有更高的去除率［10］。供試的11種植物在最后收割時(shí)，生物量增長量最高的是海芋，增長率分別高達(dá)44.15%(沙河涌)、32.67%(海珠涌);其次是花葉蘆竹，增長率分別達(dá)到了 33.62%(沙河涌)、39.08%(海珠涌)。生物量下降最明顯的是水蔥，平均增長率僅相當(dāng)于對照的61.27%(沙河涌)和63.00%(海珠涌)，其次是黃花鳶尾，平均增長率僅相當(dāng)于對照的56.33%(沙河涌)和45.14%(海珠涌)。地上部分生物量的趨勢與總生物量的變化基本一致。

在根系生物量方面，試驗(yàn)結(jié)束后，對人工濕地中的11種植物進(jìn)行收割，將收割后的每種植物根按直徑d＜1mm、1mm＜d＜3mm、d＞3mm進(jìn)行分類測定。根系生物量最大的是花葉蘆竹，平均值為81.129mm，最小的是細(xì)葉紙莎草，為5.205mm;花葉美人蕉、再力花、海芋和梭魚草也具有明顯較大的根系生物量，分別為74.869mm、41.754mm、40.061mm和35.205mm。從植物根系的直徑大小來看，如表2所示，大部分植物的根系生物量在d＞3mm所占的比例最高，污水處理對于植物d＞3mm的根系生物量影響也遠(yuǎn)大于直徑在d＜1mm和1mm＜d＜3mm區(qū)間的根系生物量，其中污水處理下，花葉蘆竹、花葉美人蕉、再力花和海芋在d＞3mm區(qū)間的根系生物量分別平均增加了62.33%、58.45%、50.06%和48.28%，而黃花鳶尾、水蔥和菖蒲在這一區(qū)間內(nèi)的根系生物量則平均下降了40.54%、34.96%和32.17%。

表3 河涌污水處理下植物的不同直徑根系生物量Tab.3 The root biomass in different diameters of plant species

圖1 河涌污水處理下植物生長差異比較Fig.1 Growth of different wetland emerged plants under polluted water treatment

2.2 濕地挺水植物對河涌污水的凈污效應(yīng)分析

11種植物在人工濕地系統(tǒng)中，對河涌污水的TN、NH3-N、TP、COD、BOD5和SS的平均去除率分別達(dá)到56%、67%、63%、58%、73%和52%，總體而言，各挺水植物對海珠涌污水的凈化效果要好于沙河涌污水(圖1、圖2)。其中，針對沙河涌污水，TN去除率最高的是花葉美人蕉為62%，其次是海芋(78%)、翠蘆莉(74%)和菖蒲(74%)，最低的是黃花鳶尾(24%)和水蔥(30%);NH3-N去除率最高的是海芋為91%，其次是花葉美人蕉(90%)和花葉蘆竹(85%)，同樣黃花鳶尾(24%)和水蔥(30%)最差;TP去除率較高的有海芋(87%)、花葉蘆竹(82%)和花葉美人蕉(81%);COD去除率最高的是花葉蘆竹(77%)，其次是再力花(71%)和翠蘆莉(70%);BOD5去除率最高的是花葉美人蕉(88%)，風(fēng)車草(83%)、菖蒲(82%)和花葉蘆竹(82%)的去除率也比較明顯。在SS方面，花葉蘆竹(75%)、花葉美人蕉(72%)、風(fēng)車草(70%)和海芋(68%)清除能力較明顯?？傮w來看，黃花鳶尾和水蔥對沙河涌污水的凈污效應(yīng)最不理想，而海芋、花葉美人蕉、花葉蘆竹的凈化效果較全面而高效，再力花、翠蘆莉、風(fēng)車草表現(xiàn)出來的凈污能力也較強(qiáng)。在這6個(gè)污水指標(biāo)中，NO3-N和COD去除率種間差異非常顯著(P ＜0.01)，TN、TP去除率種間差異顯著(P＜0.05)。海珠涌污水的凈化效果試驗(yàn)基本上與沙河涌結(jié)果相似，海芋、花葉美人蕉、花葉蘆竹、翠蘆莉等凈化效果明顯，而黃花鳶尾和水蔥表現(xiàn)不理想。與沙河涌污水試驗(yàn)有所區(qū)別的是:再力花和風(fēng)車草表現(xiàn)出更好的凈污效率。再力花在去除NH3－N和BOD5方面表現(xiàn)優(yōu)異，去除率達(dá)到85%和87%，而風(fēng)車草在去除COD(82%)和SS(80%)方面效果最明顯。

圖2 不同濕地挺水植物對沙河涌污水凈化效果的差異比較Fig.2 Purification efficiency of different wetland emerged plants under water pollution of Shahechong

圖3 不同濕地挺水植物對海珠涌污水凈化效果的差異比較Fig.3 Purification efficiency of different wetland emerged plants under water pollution of Haizhuchong

3 討論與結(jié)論

研究數(shù)據(jù)表明，我國當(dāng)前被用做凈化污水處理的水生植物中，經(jīng)常被應(yīng)用的種類不到50種，且多從污染治理角度加以研究，往往忽視了水生植物的景觀功能［11］。本文希望在前人研究的基礎(chǔ)上，為污染嚴(yán)重的河涌濕地以及景觀水體的生態(tài)設(shè)計(jì)提供豐富的水生植物資源，探索一條在治理環(huán)境與美化環(huán)境兼顧的可持續(xù)發(fā)展之路［12－13］。廣州市河涌底泥主要污染物是有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)鹽、石油類和重金屬，研究顯示，廣州市河涌底泥受有機(jī)物、植物營養(yǎng)鹽、石油類和重金屬污染比較嚴(yán)重，其它污染物，如硫化物、氰化物、氟化物、揮發(fā)酚等以及難降解有毒有機(jī)物等污染并不嚴(yán)重，污染總體呈由老城區(qū)向外圍逐步降低的態(tài)勢。因此可主要從有機(jī)污染和無機(jī)污染兩方面來劃分污染類型。本試驗(yàn)采用的河涌污水材料分別來自海珠涌和沙河涌，海珠涌屬于典型的重金屬污染類型，重金屬綜合污染指數(shù)值達(dá)到5.53;沙河涌屬于較典型石油類有機(jī)污染類型，有機(jī)質(zhì)污染指數(shù)值達(dá)到2.04［7］。這兩條河涌水質(zhì)都為4級以下，水質(zhì)污染嚴(yán)重，適宜進(jìn)行河涌濕地植物材料的篩選。

在本試驗(yàn)中，通過構(gòu)建微型潛流人工濕地，發(fā)現(xiàn)挺水植物和濕地基質(zhì)的協(xié)同凈污效應(yīng)顯著，其中海芋、翠蘆莉、花葉美人蕉、花葉蘆竹、風(fēng)車草、香根草等挺水植物對高污染的河涌TN、NH3-N、TP、COD、BOD5和SS等污染物有良好的去除率，表現(xiàn)出很高的凈污能力。而黃花鳶尾、水蔥和梭魚草等在河涌污水作用下則生長不良，凈污能力差。從生長情況、凈化效果、景觀等方面綜合評價(jià)，推薦再力花、海芋、花葉美人蕉、翠蘆莉、風(fēng)車草、花葉蘆竹等挺水植物為適宜的廣州河涌景觀美化和水體凈化植物材料。

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