許巧玲，汪麗，張鳳，王萍

（安順學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州安順 561000）

水生植物對(duì)污染水體的修復(fù)形式主要有人工濕地、凈化床、生態(tài)浮床、河岸護(hù)坡、緩沖帶技術(shù)等。利用水生植物凈化水質(zhì)因其高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)在凈化過程中發(fā)揮了重要作用[1]。其凈化機(jī)理主要表現(xiàn)在直接吸收利用污水中的營養(yǎng)物質(zhì)，并為微生物提供較大的附著面積[2]。利用水生植物修復(fù)水體過程中植物的去污作用會(huì)因?yàn)橹参锓N類不同而存在差異。趙麗娜等[3]研究菖蒲和香蒲對(duì)總氮（TN）、總磷（TP）和耗氧有機(jī)物（COD）的去除率顯著高于蘆葦。王慶海等[4]發(fā)現(xiàn)鳶尾、菖蒲、香蒲、蘆竹、扁稈草、千屈菜和蘆葦?shù)牡兹コ芰σ来谓档?。黃花鳶尾比睡蓮和蘆葦具有更強(qiáng)的除氮磷能力[5]。李芳柏等[6]對(duì)水中COD、BOD、TP等污染物的凈化效果，綜合評(píng)價(jià)是美人蕉＞蕹菜＞水稻＞野生稻。有研究認(rèn)為植物吸收氮僅占總氮量的20%～30%[7]；植物吸收對(duì)總磷去除的貢獻(xiàn)率一般在5%～20%[8-9]。即便如此，生態(tài)修復(fù)中植物的作用仍是不可替代的，有大量研究表明濕地植物在人工濕地處理污水中的重要性[10-16]。因?yàn)橹参锔悼梢詾橄趸聪趸峁┖醚鹾蛥捬醯慕惶姝h(huán)境。植物因?yàn)楦到Y(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致栽種植物后對(duì)系統(tǒng)中的氧氣濃度、污染物氧化能力和pH均會(huì)有不同影響。一般情況下凈化能力越強(qiáng)，其植物根系也越發(fā)達(dá)[17-18]，因此在生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)構(gòu)建過程中，可優(yōu)先選擇根系發(fā)達(dá)且生長較快的水生植物。影響污染物去除效果除植物種類還有污染物濃度，前人對(duì)于污染物濃度與去除效果間的關(guān)系做過許多相關(guān)研究，普遍認(rèn)為污染物較低情況下，凈化效果較好，污染物濃度較高情況下，其凈化效果下降[19-20]。因此，篩選抗高污染負(fù)荷的水生植物對(duì)處理高濃度污水的生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)中植物品種選擇有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鳶尾（Iris tectorum）、美人蕉（Canna indica）、風(fēng)車草（Cyperus alternifolius）、銅錢草（Hydrocotyle verticillata）、蘆竹（Arundo donax）、再力花（Thalia dealbata）、澤瀉（Alisma plantago-aquatica）、水蔥（Scirpus validus）8種水生植物均采自月亮湖附近濕地，挑選大小適宜的健康植株，沖洗干凈后在自來水中培養(yǎng)10 d作為適應(yīng)性培養(yǎng)。試驗(yàn)在直徑35 cm、高45 cm的塑料桶內(nèi)進(jìn)行。人工污水用可溶淀粉、硫酸銨、硝酸鉀和磷酸二氫鉀進(jìn)行模擬配制，水質(zhì)指標(biāo)為：TN 41～45 mg/L，TP 5.6～6.0 mg/L，COD 323～350 mg/L，DO 6.7～6.9 mg/L，pH 5.9～6.0。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在7月進(jìn)行。每種植物為1個(gè)處理，設(shè)置3次重復(fù)，同時(shí)設(shè)置不種任何植物對(duì)照組。標(biāo)記每只水桶的液面，以之為標(biāo)準(zhǔn)，定時(shí)補(bǔ)足各桶因自然蒸發(fā)和植物生理作用所損失的水量。試驗(yàn)時(shí)間為1個(gè)月，共采集分析樣品10次，每次取樣量為20 mL，當(dāng)天測定水質(zhì)，監(jiān)測指標(biāo)為污水中TP、TN、CODcr。根據(jù)R=100（Ci-Co）/Ci×100%計(jì)算污染物去除效率，其中Ci、Co分別為進(jìn)出水濃度。處理中污水的DO、pH、ORP、T等環(huán)境指標(biāo)每天現(xiàn)場檢測1次。試驗(yàn)結(jié)束后采集植物根系，當(dāng)天檢測其根系活力。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，TP采用鉬銻抗分光光度法測定，CODcr采用重鉻酸鉀氧化法測定[21]。污水的DO、pH、ORP、T等環(huán)境指標(biāo)采用哈希便攜式水質(zhì)檢測儀（HQ14D）檢測，根系活力采用α-奈胺氧化法測定[22]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2000和SPSS 26進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，利用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水生植物在污染水體中的生長情況

試驗(yàn)期間風(fēng)車草、蘆竹每株植物均有新葉長出，顏色鮮艷，植株普遍長高；銅錢草、水蔥、鳶尾可以緩慢生長，未出現(xiàn)死亡或萎蔫現(xiàn)象；美人蕉、再力花、澤瀉生長受阻，部分葉片出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象。通過測定根系活力（圖1），發(fā)現(xiàn)風(fēng)車草＞蘆竹＞水蔥＞鳶尾＞銅錢草＞美人蕉＞澤瀉＞再力花，其中，風(fēng)車草在高濃度氮磷污水中根系活力顯著高于其他植物，說明風(fēng)車草耐污能力較強(qiáng)，在高負(fù)荷污染逆境中生存能力較強(qiáng)。由于植物生理衰亡原因，再力花、澤瀉和美人蕉出現(xiàn)不同程度葉片萎蔫，且根系活力較低，說明再力花、澤瀉和美人蕉不適用于處理高濃度污染水體。

圖1 8種水生植物根系活性

2.2 不同水生植物對(duì)水體環(huán)境因素的影響比較

從圖2和表1可以看出，因?yàn)橹参锓N類不同，在高濃度污水中8種植物對(duì)水體中的pH、ORP、DO影響有較大差異（P＜0.001）。就植物種類而言，銅錢草對(duì)水體中溶解氧水平的提高影響最大，說明銅錢草對(duì)恢復(fù)重污染水體中溶解氧含量有積極作用。杭州市南應(yīng)家河工程采用植物修復(fù)生態(tài)水環(huán)境，使水體中溶解氧含量近乎于0提高到4 mg/L[23]，說明選擇合適的水生植物對(duì)水體復(fù)氧有積極作用。該試驗(yàn)中8種植物的pH、ORP、DO呈現(xiàn)極顯著差異，說明可以通過篩選不同水生植物改變系統(tǒng)微環(huán)境，也間接證明依據(jù)污染水體特點(diǎn)選擇適宜水生植物的重要性。

圖2 8種水生植物在水體中ORP、pH、DO的平均值

表1 8種水生植物對(duì)水體ORP、pH、DO影響的差異性分析

2.3 不同水生植物對(duì)污染物的凈化效果及相關(guān)分析

由表2可知，與不種植物的對(duì)照相比，8種植物對(duì)高濃度污水中的COD、TN、TP都有一定程度的凈化效果，其中COD去除率為63.69%～76.53%，TN去除率為46.57%～80.33%，TP去除率為0.22%～85.93%。其中水生植物對(duì)TP的去除效果差異較大。就植物種類而言，風(fēng)車草在高濃度脅迫下對(duì)總氮、總磷的去除效果表現(xiàn)最佳。各植物對(duì)COD的去除效果均無明顯差異（P＞0.05）。該研究中，試驗(yàn)時(shí)間為7月，正值供試植物生長旺盛期，與未種植物系統(tǒng)相比，因水生植物存在，對(duì)COD、TN和TP的去除率分別可以提高34.89%～47.73%、14.75%～48.51%、0.1%～85.81%，表明植被在除污系統(tǒng)中對(duì)污染物去除起重要作用。試驗(yàn)期間美人蕉的除磷效果欠佳，平均去除率僅為0.22%。孫瑞蓮等[24]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)污水中COD高于160 mg/L、TN高于30 mg/L、TP高于4 mg/L，寬葉香蒲、茭白、黃花鳶尾產(chǎn)生氧化脅迫作用。該試驗(yàn)中美人蕉可能因?yàn)樵诟邼舛任鬯h(huán)境中產(chǎn)生氧化脅迫而導(dǎo)致對(duì)總磷吸收能力急劇下降。影響COD、TN和TP凈化效果的因素很多，試驗(yàn)分析了pH、DO、T、ORP與水體凈化效果的關(guān)系（表3），該試驗(yàn)中DO與pH呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)，與ORP呈極顯著正相關(guān)，且pH、DO、T、ORP與COD、TN和TP的去除表現(xiàn)出不同程度的相關(guān)性，說明不同植物因生長特點(diǎn)和代謝不同對(duì)水體環(huán)境影響不盡相同，其代謝活動(dòng)中產(chǎn)生的氧氣和代謝物質(zhì)會(huì)直接影響微生物生長進(jìn)而影響到污染物的降解效果。

表2 8種水生植物重污染水體的凈化效果 %

表3 凈化效果與水體環(huán)境因素間的相關(guān)分析

2.4 不同水生植物對(duì)污染物去除能力聚類分析

通過對(duì)污染物去除和根系活力等因素的聚類分析發(fā)現(xiàn)，8種水生植物可以分為3個(gè)等級(jí)，第1級(jí)為風(fēng)車草，說明風(fēng)車草在高污染脅迫環(huán)境中除污能力和抗逆能力最強(qiáng)，可作為高污染水體修復(fù)治理的優(yōu)選植物材料；第2級(jí)為水蔥和蘆竹，在同樣條件下的除污能力和抗逆能力僅次于風(fēng)車草，也可作為高污染水體修復(fù)治理的備選植物；第3級(jí)為美人蕉、鳶尾、銅錢草、再力花、澤瀉，這幾種水生植物在高濃度污染水體中生長和除污能力表現(xiàn)欠佳，有可能試驗(yàn)水體污染負(fù)荷較高（TN＞40 mg/L，TP≈6 mg/L，COD＞300 mg/L），超過了它們的忍耐閾值，也說明它們不適用于處理此濃度范圍的高污染水體，可以作為較低濃度污染或微廢水體的修復(fù)治理材料。后期可以深入研究這幾種水生植物對(duì)污染濃度的忍受閾值，為以后工程應(yīng)用項(xiàng)目中植物材料篩選做更科學(xué)和針對(duì)性的指導(dǎo)。

圖3 8種植物聚類結(jié)果

3 結(jié)論

通過對(duì)根系活力研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)車草＞蘆竹＞水蔥＞鳶尾＞銅錢草＞美人蕉＞澤瀉＞再力花，8種植物對(duì)水體環(huán)境中DO、ORP和pH都有顯著影響，且脫氮除磷效果差異顯著，直接證明在水體修復(fù)中選擇植物的重要性。

通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，8種植物在高負(fù)荷污染水體修復(fù)和抗逆能力中的表現(xiàn)可分為3個(gè)等級(jí)：第1級(jí)為風(fēng)車草，可作為高污染水體修復(fù)治理的優(yōu)選植物材料，第2級(jí)為水蔥和蘆竹，可作為高污染水體修復(fù)治理的備選植物，第3級(jí)為美人蕉、鳶尾、銅錢草、再力花、澤瀉，可作為較低濃度污染或微廢水體的修復(fù)治理材料。研究水生植物在高污染負(fù)荷條件下的生長狀況和除污表現(xiàn)可為高濃度污染水體（黑臭水體）修復(fù)提供更有針對(duì)性的科學(xué)依據(jù)。