汾河流域濕地植物對農業(yè)污染的凈化效果研究

牛 永 華

(山西省水利水電科學研究院, 太原 030002)

1 材料與方法

1.1 試驗設計

根據“十二五”期間對山西汾河流域非點源污染狀況的調查結果，農業(yè)污染主要包括3種污水來源類型：農村生活污水、農田回水和村田混合水。因此本試驗以農村生活污水、農田回水和村田混合水作為3個供試污水組，各污水組分別設挺水植物美人蕉(Canna indica)、香蒲(Typha orientalis) 和茭白(Zizania latifolia) 3 個不同處理。試驗于2016年5-7月在山西省水利水電科學研究院溫室內進行。試驗分兩部分進行：第一部分為挺水植物在污水中的適應性和生長狀況研究；第二部分為挺水植物對污水氮污染的去除效率研究。

1.2 試驗材料

1.2.1 供試污水采集

本研究采集汾河流域中下游段的土堂村、西草寨村和文水西社村的污水，分別通過添加磷酸二氫鉀、硝酸鉀、硫酸銨模擬農村生活污水(A)、農田灌溉回水(B)、村田混合水(C)的污染水體水質，設定試驗初始水質TN濃度分別為27.37、4.0、10.0 mg/L，TP濃度為1.29、0.38、0.7 mg/L，其他營養(yǎng)物質以稀釋10倍的Hoagland營養(yǎng)液進行補充，模擬污水的初始水體主要成分見表1。

表1 3種類型模擬污水的初始水體成分 mg/L

注：數據表示為平均值±標準誤(Mean±SE)。

1.2.2 供試植物

供試濕地植物購自山西省太原市小店區(qū)西文莊花卉市場。3種植物重量基本一致、長勢良好。將植物根部用去離子水洗凈，于稀釋8倍的Hoagland 營養(yǎng)液中靜置培養(yǎng)7 d 后用于污水凈化試驗。

1.3 研究方法

水生植物培養(yǎng)采用長40 cm、寬50 cm、高30 cm的水箱，水箱上安裝水表(寧波聚升水表閥門有限公司)用于保持每個水箱中水量在50 L。每箱水面用有定值孔的塑料泡沫板作栽培定植板，在定植孔中用海綿固定植物，植物根系浸沒入液面下保持厭氧狀態(tài)以減少硝化作用。每箱種植1種濕地挺水植物，每箱定植6株作為1個重復，實驗期間水溫為23 ℃。

各污水處理組的每種植物處理設3次重復，并設1個覆有定植泡沫板無植物的空白對照。實驗持續(xù)30 d，每 10 d 更換1次污水。試驗期間通過加Hoagland 營養(yǎng)液來補充蒸發(fā)、蒸騰和采用引起的水分損耗，以保持水箱中水位不變。

1.4 樣品采集與測試方法

1.5 數據分析

試驗數據統(tǒng)計分析采用 SPSS 18.0軟件進行，連續(xù)變量以平均值±標準誤(Mean±SE)的形式表示，用單因素方差分析(One-way ANOVA)進行均數間的多重比較，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果與分析

2.1 各污水環(huán)境條件對植物生物狀態(tài)及生物量的變化

2.1.1 植物生長狀況

濕地植物中存在一些耐污能力較弱的挺水植物，這些植物在高氮濃度環(huán)境中表現(xiàn)出生長緩慢，甚至出現(xiàn)氮中毒導致死亡的現(xiàn)象[9]。挺水植物對各污水環(huán)境的適應性(30 d)研究結果見表2。

表2 供試植物對不同來源污水的適應性比較(n/18)

注：A為農村生活污水；B為農田回水；C為村田混合水。試驗周期為30 d，但茭白在農村生活污水條件下培養(yǎng)3 d后死亡，在觀察7 d后拔除。n/18：植物的觀測樣本量為18，n為在污水環(huán)境下植物萎蔫程度a或莖葉生長狀況b的數量分布頻度。

在農田回水中，美人蕉、香蒲和茭白全部健康生長，莖葉未見萎蔫，說明3種供試植物對該污水環(huán)境下的適應性較好。

在村田混合水中，所有美人蕉和香蒲植株生長正常，莖葉未見萎蔫，而相同污水條件下培養(yǎng)的茭白中，有16.67%的植株出現(xiàn)萎蔫，輕度萎蔫和重度萎蔫植株分別占到11.11% 、5.56%，對植株莖葉生長狀況觀察顯示，27.78%的植株出現(xiàn)了新葉萎蔫，16.67%甚至出現(xiàn)整株葉片黃化。說明美人蕉和香蒲未遭受污水環(huán)境的明顯傷害，而茭白遭受到一定程度損傷。

在農村生活污水中，美人蕉和香蒲生長良好，未出現(xiàn)明顯不適應，但所有茭白在培養(yǎng)3 d后即全部死亡。說明美人蕉和香蒲適應性較強，但茭白對該污水環(huán)境耐受性較差。

2.1.2 生物量的變化

各污水組中的植物生物量比較分析(圖1)表明，3種供試植物在研究開始時生物量基本一致。試驗結束時，除農業(yè)生活污水組的茭白外，各污水環(huán)境中的植物生物量均明顯增長。美人蕉生物量增長表現(xiàn)為：農村生活污水處理(78.33 g/株)>村田混合水處理(55.77 g/株)>農田回水(9.48 g/株)；香蒲生物量在各污水環(huán)境條件下的增長規(guī)律與美人蕉一致，分別增長44.58、39.76、4.66 g/株；茭白在村田混合水和農田回水中分別增長了48.02 g/株和25.99 g/株，但在農村生活污水條件下中因不耐受而死亡。

在農村生活污水條件下培養(yǎng)30 d后，3種植物的生物量存在顯著差異(P=0.028)，表現(xiàn)為：美人蕉>香蒲>茭白；在其他兩種污水條件下培養(yǎng)時，3種植物生物量的差異不顯著(P>0.05)。

圖1 不同來源污水中的植物生物量的比較 注：BM0為研究開始時植物生物量；BM1為研究結束時植物生物量。死亡植株的生物量記為0；茭白莖葉生長狀況評價為b3的植株因干枯脫水嚴重，數據未納入統(tǒng)計，以缺省值處理。差異顯著性統(tǒng)計為相同污水條件下不同供試植物處理間的比較(P=0.05)。

2.2 供試植物對氮的積累及去除

2.2.1 污水來源對供試植物氮累積量的影響

植物氮累積量在各污水處理組表現(xiàn)不同。農村生活污水條件下，美人蕉氮源累積量為香蒲的1.39倍，茭白因死亡無法進行氮源累積；農田回水條件下，3種供試植物的氮累積量差異不大，為8.05～10.58 g/m2；在村田混合水條件下，3種供試植物的整株氮累積量為：茭白>美人蕉>香蒲。

將植物劃分為地上和地下兩部分，比較各污水組中植物吸收氮源后在不同部位的分配特征(見表3)。結果表明，在農村生活污水環(huán)境中美人蕉的氮累積以地上莖葉部分為主，而香蒲地下根系部分的氮累積量略大于地上部分。農田回水和村田混合水條件下，美人蕉和茭白地上部分對氮源累積優(yōu)勢明顯，明顯大于地下部分，香蒲地上部分的氮累積量與地下部分差異較小，氮累積能力在地上與地下的比值基本為1。

表3 供試植物在污水中培養(yǎng)的氮累積量比較 g/m2

2.2.2 供試植物對不同來源污水的總氮去除率

根據污水處理前后的TN濃度變化計算TN去除率，并繪制不同污水條件下供試植物TN去除率變化曲線(圖2)?？梢钥闯?，3種挺水植物對污水中TN都有去除作用，但不同來源的去除效率不同。在農村生活污水環(huán)境中，3種供試植物對TN的去除率差異較大，最高為美人蕉(57.09%)，其次為香蒲(46.38%)，茭白因不適應該污水環(huán)境，移種后很快死亡，對TN的去除率最低(19.11%)，與無植物種植的空白對照(15.66%)差別不大，基本無凈化作用[圖2(a)]。當污水來源為農田回水，3種植物對TN的去除率都很高，約達85%，無植物的空白對照對TN去除率僅18.09%[圖2(b)]；當供試水源為村田混合水，美人蕉、香蒲和茭白3種植物對TN的去除率下降，分別為73.41%、75.82%和73.15%，空白對照去除率為17.73%[圖2(c)]。

圖2 植物對農村生活污水、農田回水和村田混合水的總氮去除率 注：農村生活污水中的茭白培養(yǎng)3 d后全部死亡，在7 d后即拔出所有死亡植株，以避免死亡植株腐爛導致氮源重新進入水中干擾研究的準確性。圖3同。

2.2.3 供試植物對不同來源污水的氨氮去除率

在培養(yǎng)3種挺水植物后，農村生活污水、農田回水和村田混合水環(huán)境中的累積氨氮去除率隨著時間變化逐漸上升(見圖3)。

圖3 植物對農村生活污水、農田回水和村田混合水的氨氮去除率

農村生活污水環(huán)境中，美人蕉和香蒲在試驗15 d后，可完成對污水中氨氮的去除，其中美人蕉的凈化速度略大于香蒲，茭白由于對該污水環(huán)境嚴重不耐受，在植株死亡后，環(huán)境中的氨氮去除效率為65.23%[見圖3(a)]。挺水植物在試驗開始10 d后基本完成對農田回水中氨氮的凈化作用，10 d后該污水環(huán)境中的氨氮濃度已低于檢測限[見圖3(b)]。村田混合水培養(yǎng)水植物10 d后，污水中的氨氮去除率達到95%以上[見圖3(c)]。

本試驗的空白對照組對各污水處理均表現(xiàn)出一定的氨氮去除效果。在試驗10 d后，空白對照組對農田回水中的氨氮去除率達到98.07%，對村田混合水中的氨氮去除率達到52.33%，此后氨氮濃度基本保持不變?？瞻讓φ諏r村生活污水中的氨氮去除率在試驗10 d后達到最高值44.05%，此后降幅度明顯減緩。分析原因，生活污水中含有大量微生物，微生物對氨氮具有一定的吸收和形態(tài)轉化作用。

3 結 論

3種供試植物對污水中的氮均具有一定的凈化效果，植物對氮的凈化效果與植物的生物量、植物自身對污染物的累積能力有關。其中，3種植物在低污染條件下氮凈化能力相似，在高污染條件下美人蕉對污水中氮的去除效果最好，其次為香蒲，茭白則無法生存。

植物較強的適應性及抗逆性是維持植物正常生長的重要依據，是植物發(fā)揮較強凈化能力的基礎。從本研究結果來看，除茭白在農村生活污水中全部死亡外，3種濕地挺水植物對各供試污水環(huán)境基本均能適應。我們前期對山西省農業(yè)非點源污染特征的調查顯示，汾河流域農業(yè)非點源污染以總氮、氨氮和總磷為主，未出現(xiàn)重金屬等有毒有害污染物。污染物濃度依次為：農村生活污水>農田回水>村田混合水，該差異必將引起植物生長對其的適應性差異。本試驗中，茭白在農田回水和村田混合水中生長良好，而在農村生活污水條件下死亡，可能是由于該污水所受污染嚴重，可能已經超出茭白對污染物濃度的耐受極限。

本研究結果顯示，在農田回水、村田混合水條件下，美人蕉、香蒲和茭白的生物量無顯著差異，但在農村生活污水組中，美人蕉和香蒲雖然對該污水環(huán)境適應良好，但試驗結束后，香蒲的生物量變化明顯，然而顯著低于美人蕉。分析原因可能在于美人蕉為喜氮植物，對香蒲來說本實驗污水中的氮濃度可能高于其生長的最適范圍，高氮脅迫雖然未明顯影響到香蒲的生存，卻影響到植物長勢。

本研究對植物地上部分和地下部分的氮累積量進行了比較研究。研究中均選取生物量基本一直的供試植物，避免了植物所處生長階段對污水的耐受差異對研究結果的影響，最大程度降低了選擇偏倚對統(tǒng)計分析的干擾，研究結果更為可靠。

本研究中挺水植物對總氮和氨氮的凈化研究顯示，在污染物濃度較低的農田回水環(huán)境中，挺水植物對總氮和氨氮的凈化效果較好；污染物濃度較高情況下，其凈化效果下降。提示不同植物對污水中污染物初始濃度的要求存在差異。對于污染物濃度較高的污水一定要經過前置處理，在污染物濃度達到濕地植物處理污水要求后，才能經濕地植物進行污水凈化。

因此，在今后利用人工濕地系統(tǒng)進行污水凈化處理時，要根據汾河流域當地的氣候特點、植物適應能力和耐污能力、環(huán)境污染負荷等實際條件，選擇合適的植物，最大限度的發(fā)揮植物的作用。

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