霍張麗, 朱廣龍, 張江汀, 魏學(xué)智

(1.山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾041004; 2.山西省水利廳, 太原 030000)

模擬人工濕地植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)研究

霍張麗1, 朱廣龍1, 張江汀2, 魏學(xué)智1

(1.山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾041004; 2.山西省水利廳, 太原 030000)

人工濕地; 富營(yíng)養(yǎng)化; 濕生植物; 去除率

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展、人口激增，隨之而來的環(huán)境惡化、水土流失等問題日益嚴(yán)峻，尤其是水土資源供需矛盾，對(duì)此我國(guó)水利部水土保持司于2006年開始重點(diǎn)開展生態(tài)清潔小流域治理工作[1]。生態(tài)清潔小流域建設(shè)以水源保護(hù)為中心，涉及流域內(nèi)的水土流失治理和流域內(nèi)污染源治理，其中水污染治理是主要的內(nèi)容之一[2]。人類在生產(chǎn)、生活過程中向河流排入大量農(nóng)藥、化肥及其他污染物質(zhì)，當(dāng)超過河流生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力時(shí)，將導(dǎo)致水質(zhì)變差(如水體富營(yíng)養(yǎng)化等)，直接對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，降低其生態(tài)服務(wù)功能[3]?！?012年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》[4]顯示，在監(jiān)測(cè)的60個(gè)湖泊(水庫(kù))中，富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊(水庫(kù))占25.0%，其中，輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的湖泊(水庫(kù))比例分別為18.3%和6.7%，形勢(shì)依然嚴(yán)峻。人工濕地用于富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)，具有投資少、易管理、效果好的特點(diǎn)，是一種新型生態(tài)污水處理技術(shù)[5]。通過實(shí)踐研究，構(gòu)建適合我國(guó)不同地域特點(diǎn)的高效人工濕地，對(duì)修復(fù)我國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化水體具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

本實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建蘆葦(Phragmitesaustralis)、藨草(Scirpustriqueter)、薄荷(Menthahaplocalyx)、水芹(Oenanthejavanica)4種濕生植被小型人工濕地，定期進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)和分析，研究不同濕地植被對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)能力。篩選出凈化效果好、適宜于山西臨汾地區(qū)人工濕地生境的植物，充分發(fā)揮人工濕地在“清潔生態(tài)型小流域”建設(shè)中的重要作用，使生態(tài)環(huán)境得到顯著改善，為水環(huán)境保護(hù)提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)[2]。

1 材料與方法

1.1 人工濕地的構(gòu)建

小型模擬人工濕地系統(tǒng)構(gòu)建于紅色塑料桶內(nèi)[7](桶的規(guī)格：上口直徑33 cm，內(nèi)徑28.5 cm，下口直徑24.5 cm，內(nèi)徑21 cm，高28 cm)，在桶底設(shè)一個(gè)水龍頭用來排水。在距桶底15 cm的桶體上設(shè)一個(gè)出水龍頭，并連接集水管用于采集水樣。集水管均勻打孔，用100目的濾布包裹，防止細(xì)砂進(jìn)入管中造成堵塞。

在桶內(nèi)分層鋪設(shè)不同粒徑的河砂作為基質(zhì)，從下至上：10 cm厚的粗砂(粒徑1～3 cm)，15 cm厚的細(xì)砂(粒徑0.3～1 mm)，之間用100目的濾布隔開。

1.2 富營(yíng)養(yǎng)化水體的配制

試驗(yàn)前加入KNO3、NH4NO3、NaH2PO4和葡萄糖來人工模擬富營(yíng)養(yǎng)化水體[8]，參照GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[9]地表Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大10倍進(jìn)行配置，所配置的初始濃度配比見表1。

表1 試驗(yàn)水體營(yíng)養(yǎng)成分初始濃度配比

1.3 濕地植物采集及處理

2013年6月從臨汾市汾河流域采集蘆葦、藨草、水芹、薄荷4種濕生植物，植物采集后，經(jīng)自來水、蒸餾水沖洗根部泥土，然后放入10%的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)，一周換水一次。兩周后挑選大小一致、長(zhǎng)勢(shì)良好的植株。將其植入試驗(yàn)桶中，每桶種植8株。向桶中澆灌蒸餾水2次，每次將水排空后進(jìn)行第二次注水。最后，一次性向每個(gè)實(shí)驗(yàn)桶中注入5 L預(yù)先配好的富營(yíng)養(yǎng)化水體。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.5 計(jì)算方法

去除率=(Co-Ci)/Co×100%。

式中：Co——初始時(shí)的濃度；Ci——第i天的濃度。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，并做單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種濕生植物的生長(zhǎng)狀況

植物的生長(zhǎng)情況可以間接反映植物的耐污能力，所以實(shí)驗(yàn)期間對(duì)植物的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行觀察?？傮w來說，蘆葦長(zhǎng)勢(shì)最好，株高變化最大，輕度處理下平均株高由原來的24.13 cm增長(zhǎng)到56.92 cm，中度處理下平均株高由22.21 cm增加為58.64 cm，重度處理下平均株高增加29.86 cm。藨草株高變化不大，但實(shí)驗(yàn)期間不斷有新芽冒出，長(zhǎng)成完整的植株，使得實(shí)驗(yàn)種植密度增大；水芹菜生長(zhǎng)旺盛，根系生長(zhǎng)發(fā)達(dá)，植株明顯增高加粗，不同濃度處理下，平均株高均增長(zhǎng)12～15 cm，但底部葉片在生長(zhǎng)過程中有不斷干枯脫落現(xiàn)象；薄荷在實(shí)驗(yàn)期間株高無明顯變化，90%以上的植株出現(xiàn)了開花現(xiàn)象，說明長(zhǎng)勢(shì)良好。

2.2 不同濃度條件下水體主要污染物去除率的比較

2.2.1 各種植被人工濕地對(duì)不同濃度水體中TP的去除 由圖1A可以看出，與對(duì)照相比，輕度處理中4種植物對(duì)TP都有較好的去除作用?？傮w的趨勢(shì)表現(xiàn)為：蘆葦(89.3%)>藨草(82.4%)>薄荷(81.8%)>水芹(80.5%)>CK(61.2%)。差異顯著性分析表明：實(shí)驗(yàn)組的去除率都顯著高于對(duì)照組(P<0.01)，蘆葦與薄荷和水芹相比對(duì)TP的去除差異極顯著(P<0.01)。中度處理下，藨草(去除率：74.96%)>薄荷(72.5%)>蘆葦(69.96%)>水芹(64.4%)>CK(36.42%)(圖1B)。差異顯著性分析表明：藨草、薄荷對(duì)中濃度TP的去除無明顯差異，但都顯著高于水芹(P<0.01)。重度處理下，在15天后4種植被人工濕地對(duì)TP的去除均達(dá)到飽和，去除率沒有明顯差異，蘆葦為63.68%、薄荷為61.69%、藨草為60.59%、水芹為59.68%，都顯著高于對(duì)照組(22.87%)(圖1C)。

圖1 人工濕地系統(tǒng)對(duì)不同濃度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TP的去除效果

2.2.2 各種植被人工濕地對(duì)不同濃度水體中TN的去除效果比較 與對(duì)照組的去除率(48.62%)相比，4種濕生植物對(duì)輕度處理下的TN都有明顯的去除作用。其中去除效果最顯著的是蘆葦，20 d內(nèi)試驗(yàn)水體中的TN濃度從2 mg/L降到了0.265 mg/L，去除率高達(dá)86.76%。其它三種植物的去除率從高到低依次為藨草(78.06%)、水芹(74.87%)、薄荷(74%)(圖2A)。差異顯著性分析表明：輕度處理下，蘆葦對(duì)TN的去除水平顯著優(yōu)于其它植物(P<0.05)。中度處理下(圖2B)，差異顯著性分析可知：蘆葦和藨草對(duì)TN的吸收無顯著差異，但顯著高于水芹和薄荷(P<0.05)。4種植物對(duì)TN的吸收率依次為：蘆葦(73.27%)、藨草(70.52%)、水芹(67.51%)、薄荷(62.94%)，都明顯高于對(duì)照組(36.68%)。對(duì)于重度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN的去除，對(duì)照組的去除率為23.98%，實(shí)驗(yàn)組的去除率為：藨草(51.8%)>蘆葦(48.71%)>水芹(43.26%)>薄荷(40.75%)。差異顯著性分析表明：藨草對(duì)重濃度TN的去除明顯高于水芹、薄荷和空白對(duì)照組(P<0.01)，與蘆葦無明顯差異。

圖2 人工濕地系統(tǒng)對(duì)不同濃度富營(yíng)養(yǎng)化水體中TN的去除效果

圖3 人工濕地系統(tǒng)對(duì)不同濃度富營(yíng)養(yǎng)化水體中-N的去除效果

2.2.4 各種人工濕地植被對(duì)不同濃度水體中COD的去除效果比較 4種濕地植物對(duì)低濃度富營(yíng)養(yǎng)化水中COD的凈化效果見圖4A。通過分析可以得出：藨草對(duì)COD的去除率最高為77.57%，其次為：蘆葦(74.63%)>薄荷(72.84%)>水芹(66.17%)>CK(43.97%)。差異顯著性分析表明：輕度處理下藨草對(duì)COD的去除率明顯高于其它植物組和對(duì)照組，且差異顯著(P<0.05)，蘆葦和薄荷之間無顯著差異。由圖4B可知，4種植物對(duì)中度富營(yíng)養(yǎng)化水體中COD的去除能力依次為：藨草(74.42%)>蘆葦(71.52%)>薄荷(63.19%)>水芹(61.52%)。與輕度處理下趨勢(shì)一致，但去除率總體略低于輕度處理。差異顯著性分析表明：藨草的凈化能力顯著高于薄荷和水芹(P<0.01)。對(duì)于重度富營(yíng)養(yǎng)化水體中COD的去除，對(duì)照組的去除率為29.21%。實(shí)驗(yàn)組中去除率最高的仍為藨草62.89%，試驗(yàn)期間水體中的COD從181.79 mg/L下降到67.46 mg/L(見圖4C)。其次是薄荷和水芹，去除效果最差的是蘆葦，只有51.53%。差異顯著性分析表明：藨草對(duì)COD的去除極顯著優(yōu)于其它三種植物(P<0.01)。

圖4 人工濕地系統(tǒng)對(duì)不同濃度富營(yíng)養(yǎng)化水體中COD的去除效果

3 討論與結(jié)論

試驗(yàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化濃度的設(shè)置由低到高逐漸增加，植物對(duì)主要污染物的去除率也逐漸降低，表現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)現(xiàn)象。這也與很多學(xué)者的研究結(jié)果一致[13-14]。當(dāng)然去除率降低的程度和植物本身有關(guān)，不同的植物之間存在一定的差異。由于不同植物對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的凈化優(yōu)勢(shì)不同，所以在具體實(shí)踐操作中，要針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)的特點(diǎn)，有選擇地構(gòu)建人工濕地進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)還要考慮到水體富營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度。

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RemediationFunctionofSimulatedArtificialWetlandPlantstoWaterEutrophication

HUO Zhang-li1, ZHU Guang-long1, ZHANG Jiang-ting2, WEI Xue-zhi1

(1.CollegeofLifeScience,ShanxiNormalUniversity,Linfen,Shanxi041004,China; 2.DepartmentofWaterConservancyofShanxiProvince,Taiyuan030000,China)

constructed wetlands; eutrophication; hygrophyte; uptake efficiency

2013-12-01

：2014-01-13

國(guó)家自然科學(xué)基金“酸棗對(duì)極端干旱氣候響應(yīng)機(jī)理研究”(30972396)

霍張麗(1986—),女,山西運(yùn)城人,在讀碩士研究生,主要從事植物學(xué)研究。E-mail:huozhangli@163.com

魏學(xué)智(1956—),男,山西臨汾人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事植物學(xué)研究。E-mail:wxz3288@163.com

X52

：A

：1005-3409(2014)05-0267-05