陳永華，吳曉芙，郝 君，李科林，柳 俊

(中南林業(yè)科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程研究中心, 長(zhǎng)沙 410004)

4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下的適應(yīng)性與去污效果

陳永華，吳曉芙*，郝 君，李科林，柳 俊

(中南林業(yè)科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程研究中心, 長(zhǎng)沙 410004)

潛流人工濕地; 木本植物；適應(yīng)性；去污效果

人工濕地是為處理污水而人為設(shè)計(jì)建造的、工程化的濕地系統(tǒng)，通常由人工基質(zhì)和生長(zhǎng)在其中的水生植物組成，是一個(gè)獨(dú)特的水-土壤-植物-微生物生態(tài)系統(tǒng)，其物理、化學(xué)、生物的協(xié)同作用可以有效處理污水[1- 2]。與傳統(tǒng)活性污泥處理技術(shù)相比，人工濕地污水處理系統(tǒng)不僅可以達(dá)到處理的各項(xiàng)目標(biāo)，同時(shí)具有建設(shè)與運(yùn)行成本較低、景觀價(jià)值較高等優(yōu)點(diǎn)，潛流型人工濕地作為人工濕地的一種類型，因其污水處理效率高，占地面積相對(duì)較少，因而在污水處理中得到了廣泛的應(yīng)用[3- 5]。

植物是潛流人工濕地的重要組成部分，通過(guò)吸收、吸附、過(guò)濾、富集作用去除污染物[6]。此外，植物還可以起到固定床體表面[7]、為微生物提供良好的根區(qū)環(huán)境[8]、提高填料基質(zhì)的過(guò)濾效率[9]、抗沖擊負(fù)荷[10]等作用。但是，從目前已有的人工濕地工程實(shí)踐來(lái)看，除了華南溫暖地區(qū)的植物沒(méi)有出現(xiàn)由于低溫致地上部枯死外，我國(guó)大部分地區(qū)的人工濕地植物都會(huì)出現(xiàn)冬季地上部枯死的問(wèn)題，出現(xiàn)這種問(wèn)題的原因主要是目前應(yīng)用的潛流人工濕地植物主要為蘆葦(Phragmitesaustralis)、美人蕉(Cannaindica)、風(fēng)車草(Cyperusalternifolius)、香蒲(Typhaangustifolia)、水蔥(Scirpusvalidus)、梭魚草(Pontederiacordata)等單一草本水生植物類型[11- 12]，到了冬季低溫季節(jié)，就必然會(huì)出現(xiàn)絕大多數(shù)草本植物地上部枯死的現(xiàn)象，由于冬季植物效應(yīng)的喪失，從而影響冬季人工濕地污水處理和景觀效果。因此，寒冷氣候條件下人工濕地植物的應(yīng)用是濕地技術(shù)的難點(diǎn)，也會(huì)極大地限制了人工濕地技術(shù)的推廣應(yīng)用[13]。

為了解決目前冬季大部分草本水生植物地上部分枯死的問(wèn)題，提出在潛流人工濕地中引入木本陸生植物的思路，利用潛流人工濕地運(yùn)行水位在表面填料的10—20 cm以下的特點(diǎn)，將木本植物引入潛流人工濕地，經(jīng)過(guò)前期的根系馴化誘導(dǎo)試驗(yàn)，已經(jīng)初步證實(shí)是行之有效的措施[14]，另外還發(fā)現(xiàn)木本植物還具更多的優(yōu)點(diǎn)：如根系更深、輸氧能力和新陳代謝更強(qiáng)，生長(zhǎng)期更長(zhǎng)，可減少和降低收獲物的“二次污染”及收獲成本，增加立體空間的生物多樣性等。為此，本研究在潛流人工濕地中引入4種木本植物，通過(guò)測(cè)定植物光合特性，葉綠素含量、丙二醛含量、植物的氮磷富集能力、根際脲酶和磷酸酶活性，根系外部形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化來(lái)分析木本植物的適應(yīng)性，同時(shí)，研究4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下去污效果，旨在為木本植物在潛流人工濕地的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

4種木本植物為：夾竹桃(Neriumoleander)，木槿(Hibiscussyriacus)，梔子(Gardeniajasminoides)和女貞(Ligustrumlucidum)，實(shí)驗(yàn)所選的4種植物在前期的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)可以在亞熱帶地區(qū)安全越冬。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2011年5月移植于中南林業(yè)科技大學(xué)株洲校區(qū)生活污水處理人工濕地系統(tǒng)，6—9月重點(diǎn)研究植物的適應(yīng)性，10月—次年7月開(kāi)始重點(diǎn)測(cè)定冬季系統(tǒng)的處理效果。潛流濕地單元的床體深1 m，下部填充粒徑為3—5 cm的石灰石40 cm，上面鋪5 cm河沙，然后鋪沸石15 cm，最上層再鋪約10 cm的細(xì)沙。

圖1 試驗(yàn)處理系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Process of the treatment system

本實(shí)驗(yàn)處理系統(tǒng)流程為圖1。進(jìn)水為生活區(qū)污水，污水經(jīng)過(guò)水泵提升后，首先進(jìn)入表流預(yù)處理單元，進(jìn)行預(yù)處理，然后經(jīng)過(guò)布水渠，均勻進(jìn)入種植木本植物的潛流處理單元，最后結(jié)果出水槽出水。經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入潛流濕地(試驗(yàn))處理單元的污水主要水質(zhì)指標(biāo)為: CODCr108.26—125.74 mg/L；TN 39.53—44.47 mg/L；TP 2.09—2.43 mg/L。試驗(yàn)期間系統(tǒng)在自然條件下連續(xù)運(yùn)行，水力負(fù)荷保持為0.4 m2·d，但由于不同時(shí)間進(jìn)水量有差異，污水停留時(shí)間在試驗(yàn)時(shí)期內(nèi)的變化范圍約為20 h。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 植物適應(yīng)性指標(biāo)測(cè)定

植物光合作用使用LI- 6400便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)。葉綠素含量，丙二醛含量的測(cè)定方法見(jiàn)參照文獻(xiàn)[15]，根系內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)分析木本植物的適應(yīng)性的測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[16]。

1.3.2 植物氮磷積累量

植物生長(zhǎng)量是反應(yīng)植物吸收N、P能力的重要指標(biāo)之一。每種植物在種前稱重，收獲時(shí)再稱重，將待測(cè)樣品在 80 ℃烘箱中烘至恒重后稱重，計(jì)算單株平均生長(zhǎng)量。

植物樣品用H2SO4-H2O2消煮制備成溶液, 總氮含量用過(guò)硫酸鉀氧化吸光光度法測(cè)定[17]；總磷用釩鉬藍(lán)法測(cè)定[18]。植物氮磷積累量(PA)的計(jì)算公式為:

PA=PC×PB

(1)

式中,PA為植物氮磷積累量，PC為植物氮磷濃度，PB為植物生長(zhǎng)量。

1.3.3 水質(zhì)測(cè)定方法

方法參照，國(guó)家環(huán)保局編,水和廢水監(jiān)測(cè)方法[19]。

1.3.4 根際脲酶與基質(zhì)磷酸酶活性測(cè)定

根際脲酶與基質(zhì)磷酸酶活性反應(yīng)植物根系與微生物的互作強(qiáng)度，其測(cè)定方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[20]，土壤基質(zhì)脲酶活性以24 h后100 g土壤中NH3-N的 mg表示，土壤基質(zhì)磷酸酶活性以24 h后100 g土壤中酚的mg數(shù)表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

文中數(shù)據(jù)采用SPSS12.0軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下的適應(yīng)性比較

2.1.1 木本植物凈光合特性變化規(guī)律

圖2 不同植物凈光合速率日變化Fig.2 The daily process of net photosynthetic rate of different kinds of plants

從4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下的凈光合速率日變化規(guī)律(圖2)來(lái)看，其中夾竹桃、梔子、女貞變化規(guī)律為“雙峰”型，在12:00點(diǎn)出現(xiàn)第1個(gè)高峰，然后在13:00點(diǎn)減低，14:00—15:00點(diǎn)出現(xiàn)第二個(gè)高峰；而木槿則為“單峰”型，高峰出現(xiàn)在14:00點(diǎn)。從4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下的葉片氣孔導(dǎo)度日變化規(guī)律(圖3)來(lái)看，其中木槿為“單峰”型，高峰出現(xiàn)在12:00點(diǎn)；其他3個(gè)品種沒(méi)有明顯規(guī)律，且最高峰出現(xiàn)的時(shí)間也不一致，如夾竹桃出現(xiàn)在10:00點(diǎn)，梔子花在9:00點(diǎn)，女貞在12:00點(diǎn)。從4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下胞間CO2濃度日變化規(guī)律(圖4)來(lái)看，4種植物胞間CO2濃度的日變化規(guī)律與凈光合速率日變化規(guī)律相反對(duì)應(yīng)，從上午開(kāi)始逐漸降低，至14:00達(dá)到全天的最低值，然后逐漸上升，不同植物胞間CO2濃度均以9:00最高，14:00最低。從4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下蒸騰速率日變化規(guī)律(圖5)來(lái)看，出現(xiàn)“單峰”型規(guī)律，高峰出現(xiàn)在11:00—13:00之間。

圖3 不同植物氣孔導(dǎo)度日變化Fig.3 The daily process of stomatal conductance of different kinds of plants

圖4 不同植物胞間CO2濃度日變化Fig.4 The daily process of cells between CO2 concentration of different kinds of plants

圖5 蒸騰速率日變化Fig.5 The daily process of transpiration rate of different kinds of plants

2.1.2 木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下的生理、生長(zhǎng)吸收量、基質(zhì)酶變化

植物組織葉綠素、植物丙二醛、植物體氮磷積累量、植物根系脲酶、植物根系磷酸酶含量見(jiàn)表1。從在表1中可以看出，除女貞外較低外，其余3種植物葉綠素含量較高但差異不大；丙二醛含量比較高的是木槿與梔子，女真最低；氮磷積累量是4種植物中最高是夾竹桃，最低的是木槿，這與生物量有關(guān)，其中梔子的總磷積累量偏低；基質(zhì)脲酶活性?shī)A竹桃、木槿高于梔子、女貞，4種植物的基質(zhì)磷酸酶活性比較接近。

2.1.3 木本植物根系外部形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化

4種植物在引入濕地前和引入濕地半年后的形態(tài)變化(圖6)來(lái)看：4種木本植物引入濕地后長(zhǎng)出了白色的水生根系，經(jīng)測(cè)量，木槿最長(zhǎng)根在填料蛭石中平均長(zhǎng)度達(dá)到6.3cm，并且明顯須根增多，根系數(shù)量甚至明顯多于陸地土壤栽培條件，這說(shuō)明這4種植物根系可以適應(yīng)人工濕地潛流人工濕地環(huán)境。4種植物在引入濕地前和引入濕地半年后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化(圖7)來(lái)看：4種植物土培根系與水培根系在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有較大差異，土培根系的組織非常致密，但是

表1 木本植物適應(yīng)特性比較

圖6 4種木本植物在引入濕地前和后的形態(tài)變化Fig.6 Morphological changes in the wetland before and after the 4 species of woody plants

圖7 4種木本植物在引入濕地前和后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化Fig.7 The internal structure of the wetland before and after the change of 4 kinds of woody plants

在引入濕地種植后，產(chǎn)生了具有薄壁組織的不定根根系，具有發(fā)達(dá)的通氣組織，因此，也具備了水生根系適應(yīng)水生脅迫環(huán)境的特點(diǎn)。

2.2 4種木本植物潛流人工濕地系統(tǒng)的去污效果研究

2.2.1 對(duì)TN去除效果分析

系統(tǒng)TN濃度變化見(jiàn)圖8，總體來(lái)看，出水TN濃度的變化隨著入水濃度的變化有一些波動(dòng)，但是在系統(tǒng)穩(wěn)定后，隨著污水濃度的變化，出水TN濃度有一定的下降趨勢(shì)，在整個(gè)試驗(yàn)期間TN平均去除率為40.2%。從各月份間的比較來(lái)看，出水TN濃度變化幾乎保持穩(wěn)定，出水TN濃度影響最大的是在11月份，11月份后出現(xiàn)低溫，出水濃度逐漸增高，到了12月—次年2月最低溫度時(shí)，植物活性受到抑制，出水TN濃度達(dá)到最高，冬季的TN平均去除率為30.0%，隨著3月溫度升高，出水TN濃度逐漸降低，到6月份植物進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛季，TN的去除率能夠達(dá)到50.6%。

圖8 TN濃度變化Fig.8 Change of TN concentration

2.2.2 對(duì)TP去除效果分析

系統(tǒng)TP濃度變化見(jiàn)圖9，總體來(lái)看，出水TP濃度的變化是隨著入水濃度的變化而變化，在整個(gè)試驗(yàn)期間系統(tǒng)的TP平均去除率達(dá)到80.8%。從各個(gè)月份見(jiàn)的比較來(lái)看，從10月到12月期間TP的去除率持續(xù)下降，冬季的TP去除率也能達(dá)到74.5%，也就是說(shuō)低溫對(duì)于植物冬季TP的去除率影響沒(méi)TN顯著，同時(shí)也說(shuō)明木本植物在系統(tǒng)中對(duì)TP去除發(fā)揮一定的效應(yīng)。從進(jìn)入1月以后出水的TP有一定的上升趨勢(shì)，進(jìn)入3月以后，系統(tǒng)的TP去除率趨于穩(wěn)定，并且在4月后去除率有進(jìn)一步的提高。部分原因也在于入水的總磷含量本身就比較低，故植物對(duì)磷的凈化效果較顯著。

圖9 TP濃度變化Fig.9 Change of TP concentration

2.2.3 對(duì)CODCr去除效果分析

系統(tǒng)CODCr濃度變化見(jiàn)圖10，總體來(lái)看，出水的CODCr濃度隨著入水CODCr濃度的波動(dòng)而波動(dòng)，CODCr的平均去除率較低為15.4%，且冬季的去除率更低，僅為8.6%，說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)CODCr的處理效果發(fā)揮著一定的效應(yīng)。從各個(gè)月份間比較來(lái)看，10—11月，系統(tǒng)中植物基本沒(méi)有受到低溫影響，去除率相對(duì)較穩(wěn)定，12月后出現(xiàn)低溫，植物的生物量基本上能夠維持，但是在12月—次年2月低溫時(shí)期，出水CODCr濃度的變化更接近于入水CODCr濃度的變化值，受水力停留時(shí)間不足的影響，故去除率相對(duì)較低。說(shuō)明植物在低溫脅迫下對(duì)的去除還是有一定的影響，也說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)有機(jī)污染物的截留緩沖和降解吸收發(fā)揮重要的作用。3月后隨著溫度上升，CODCr去除率有連續(xù)提高。

圖10 CODCr濃度變化Fig.10 Change of CODCr concentration

圖濃度變化Fig.11 Change of -N concentration

3 結(jié)論與討論

亞熱帶地區(qū)的冬季低溫一般出現(xiàn)在1月左右，以湖南為例，一般1月平均溫度為5—6 ℃，由于冬季低溫的原因，在亞熱帶地區(qū)人工濕地廣泛種植的草本植物，如：蘆葦(Phragmitesaustralis)、美人蕉(Cannaindica)、香蒲(Typhaangustifolia)、水蔥(Scirpusvalidus)、梭魚草(Pontederiacordata)，在11月霜降左右出現(xiàn)地上部分枯死的“一歲一枯榮”的自然現(xiàn)象[21- 22]，到第2年的開(kāi)春氣溫回升后宿根的地下部分重新發(fā)芽長(zhǎng)出植株，因此，在11月到次年開(kāi)春期間，亞熱帶地區(qū)應(yīng)用草本植物會(huì)出現(xiàn)冬季植物地上部枯死造成污水處理與景觀效果較差的問(wèn)題?；谏鲜鰡?wèn)題，本文提出應(yīng)用4種木本植物：夾竹桃(Neriumoleander)，木槿(Hibiscussyriacus)，梔子(Gardeniajasminoides)和女貞(Ligustrumlucidum)，在前期的實(shí)驗(yàn)中我們已經(jīng)證實(shí)可以在亞熱帶地區(qū)安全越冬，且可以適應(yīng)潛流人工濕地環(huán)境[23]，可以保障了一定的污水處理與景觀效果，因此，木本植物在潛流人工濕地的應(yīng)用對(duì)于解決冬季植物問(wèn)題具有重要的意義。

木本植物在潛流人工濕地10—20 cm的高于水位的基質(zhì)環(huán)境種植，但是有時(shí)也由于水位調(diào)節(jié)或其它原因，造成水位抬高，木本植物根系直接泡入水中，使植物處于逆境環(huán)境脅迫，由于植物要適應(yīng)逆境，因此會(huì)做出一些反應(yīng)來(lái)適應(yīng)環(huán)境的變化，從而引起木本植物的生理、生長(zhǎng)吸收量、基質(zhì)酶活性變化，本文發(fā)現(xiàn)，從木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下的生理、生長(zhǎng)吸收量、基質(zhì)酶變化規(guī)律來(lái)看，除女貞外較低外，其余3種植物葉綠素含量相異不大；丙二醛含量比較高的是木槿與梔子，女真最低；氮磷積累量是4種植物中最高是夾竹桃，最低的是木槿，這與生物量有關(guān)，其中梔子的總磷積累量偏低；基質(zhì)脲酶活性?shī)A竹桃、木槿高于梔子、女貞，4種植物的基質(zhì)磷酸酶活性比較接近?？梢钥闯?，在所有影響植物吸收量能力的因子中生物量是最大的決定因子[6,13]，因此，在考慮木本植物篩選應(yīng)用到潛流人工濕地時(shí)要重點(diǎn)考慮其生物量的大小。

木本植物根系在潛流人工濕地環(huán)境下，也會(huì)引起根系缺氧脅迫，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，4種木本植物引入潛流人工濕地后，根系在原來(lái)的陸生根系的基礎(chǔ)上長(zhǎng)出了大量的白色的水生根系，明顯須根增多，從根系切片來(lái)看，木本植物根系有了明顯的變化，根系具有了發(fā)達(dá)的通氣組織，也具備了水生根系特點(diǎn)。木本植物適應(yīng)潛流人工濕地環(huán)境的過(guò)程實(shí)際就是木本植物根系水生誘變的過(guò)程，指通過(guò)厭氧環(huán)境的脅迫創(chuàng)造促發(fā)根系與植株組織間形成通氣組織的過(guò)程，也是通過(guò)厭氧環(huán)境脅迫激發(fā)植株體內(nèi)形成特有的生理生化與分子機(jī)制，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)適應(yīng)與被迫適應(yīng)相結(jié)合的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中厭氧信號(hào)的創(chuàng)造是開(kāi)啟與關(guān)閉通氣組織形成及生理生化變化、代謝機(jī)制形成的關(guān)鍵信號(hào)[24]。乙烯信號(hào)[25- 27]、氧自由基[28- 29]、激素信號(hào)與鈣信號(hào)等都是厭氧環(huán)境下產(chǎn)生的直接信號(hào)或聯(lián)級(jí)反應(yīng)信號(hào)[30- 32]。在這些信號(hào)的作用下啟動(dòng)了相關(guān)基因的表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)了植物從陸生向水生環(huán)境的適應(yīng)過(guò)渡與代謝形態(tài)的轉(zhuǎn)變。因此，陸生植物根系要適應(yīng)水中的缺氧條件，在缺氧信號(hào)的傳遞下，陸生植物長(zhǎng)出的不定根分泌大量的纖維素酶溶解根系中的木質(zhì)纖維素，產(chǎn)生薄壁細(xì)胞組織，組織內(nèi)一些氣室或空腔的集合形成通氣組織，使根系獲得了能適于低氧水環(huán)境下進(jìn)行有氧代謝能力，從而為植物長(zhǎng)期適于水生環(huán)境創(chuàng)造了最佳條件[33]。

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The adaptability and decontamination effect of four kinds of woody plants in constructed wetland environment

CHEN Yonghua, WU Xiaofu*, HAO Jun, LI Kelin ,LIU Jun

InstituteofEnvironmentalScienceandEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China

vertical flow constructed wetlands；woody plant；adaptability；decontamination effect

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAC09B03)；湖南省教育廳科學(xué)研究資助項(xiàng)目(13B147)；湖南省環(huán)?？萍假Y助項(xiàng)目(湘財(cái)建指【2012】- 347)；湖南省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目

2013- 05- 19;

2013- 10- 12

10.5846/stxb201305191110

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wuxiaofu530911@vip.163.com

陳永華，吳曉芙，郝君，李科林，柳俊.4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下的適應(yīng)性與去污效果.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(4):916- 924.

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