潛流人工濕地處理低污染水對植物生長的影響

商侃侃，張國威，萬吉爾

(上海辰山植物園 中國科學院上海辰山植物科學研究中心，上海 201602)

選擇適當?shù)耐λ参锸菢?gòu)建人工濕地和恢復(fù)自然濕地的關(guān)鍵措施，一直是人工濕地領(lǐng)域研究的焦點之一[1-2]。挺水植物可以通過吸收、吸附、過濾和富集氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，并定期收割來移除濕地系統(tǒng)的污染物質(zhì)，選擇的植物往往要求無性繁殖能力強、根系發(fā)達、生長迅速、生物量大且能耐受人工濕地的環(huán)境條件[3]。目前人工濕地常作為生物強化措施用于處理中、高污染的工業(yè)廢水和生活污水，植物選擇時?？紤]其對高污染環(huán)境的耐受能力和凈化效果[4-5]。

低污染水是一類總氮、總磷等特征污染物濃度未達到污水處理廠排放標準，但又劣于地表水環(huán)境質(zhì)量標準V類水標準值的水，如劣V類地表水、污水廠尾水、農(nóng)田徑流排水等[6]。當人工濕地用于處理低污染景觀廢水和地表水時，氮磷也會成為植物生長的主要限制因子，影響人工濕地的景觀效果。因此，關(guān)于處理低污染水的植物選擇也成為人工濕地研究和應(yīng)用的重要方向，現(xiàn)有研究主要以實驗室容器模擬為主[7-8]，也有工程應(yīng)用時濕地植物的篩選[9-10]，但主要都是通過植物生長特性和氮磷去除能力進行植物的選擇，未有報道處理低污染水潛流人工濕地的植物生長和種植距離的關(guān)系。

本研究通過模擬上海城市地表水污染程度配制試驗污水，進行一定長度礫石型潛流人工濕地處理，比較5種常用挺水植物的生長、生物量和氮磷吸收的空間差異及其人工濕地系統(tǒng)的凈化效果，篩選適宜的挺水植物種類和種植規(guī)模，為低負荷潛流人工濕地的植物選擇和布局提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗處理

試驗場位于上海辰山植物園西側(cè)的人工濕地處理系統(tǒng)中，由生態(tài)氧化塘、沉淀池、表面流人工濕地和水平潛流人工濕地組成[11]。該試驗采用12個獨立的潛流人工濕地床，每個濕地床長13 m、寬4.5 m，填料主要由粒徑1～2 cm的礫石組成，深度約60 cm。選擇本地區(qū)常用的5種挺水植物花葉蘆竹(Arundodonaxvar.versicolor)、旱傘草(Cyperusalternifolius)、再力花(Thaliadealbata)、香蒲(Typhaorientalis)、蘆葦(Phragmitesaustralias)，每種植物種植2個濕地床，種植間距為0.5 m×0.5 m，同時設(shè)置2個空白對照。

2016年4月上旬開始，種植5種挺水植物的根莖，常規(guī)養(yǎng)護緩苗半個月。至4月下旬，采用模擬地表低污染水進行水質(zhì)凈化和植物篩選試驗。模擬的低污染水參照周邊連通油墩港的園區(qū)外河水水質(zhì)，通過添加硝酸鈉、氯化銨、復(fù)合肥等化學試劑和肥料配制。配制的低污染水按植物生長期分為兩個階段，其具體的水質(zhì)指標如表1所示。第一階段(4月～7月)添加一定比例的硝酸鈉、氯化銨和尿素，其平均水質(zhì)：pH值為 8.3、電導(dǎo)率(EC)為500.1 μS/cm、濁度為4.3 NTU、溶解氧(DO)為9.4 mg/L、化學需氧量(CODCr)為12.5 mg/L、生化需氧量(BOD5)為5.3 mg/L、總氮(TN)為7.5 mg/L、氨氮(NH3-N)為2.1 mg/L、總磷(TP)為0.2 mg/L。為進一步促進植物生長，第二階段(8月～11月)追加N∶P∶K(15∶15∶15)的復(fù)合肥，其平均水質(zhì)：pH值為7.4，EC為500.1 μS/cm，濁度為4.3 NTU，DO為9.4 mg/L，CODCr為14.1 mg/L，BOD5為6.9 mg/L，TN為9.8 mg/L，NH3-N為6.9 mg/L，TP為1.9 mg/L。為保證模擬水質(zhì)均勻，采用泵提升至4 m3水桶內(nèi)，添加試劑混合均勻后灌溉濕地床，每天灌溉4 m3，持續(xù)時間為13～16 h，每周5 d。

表1 試驗處理進水水質(zhì)Tab.1 Inflow Water Quality in Experimental Containers

1.2 測定方法

5月～11月植物生長期內(nèi)，每個月采集2次水樣，每次同時采集12個濕地床的進水和出水水樣。水質(zhì)測定方法參照國家環(huán)保局編寫的《水和廢水監(jiān)測方法》[12]，pH值采用HACH(hq411 d，美國)儀器測定、COD測定采用重鉻酸鉀法、TN測定采用過氧化鉀氧化-紫外分光光度法、TP測定采用鉬銻抗分光光度法，NH3-N測定采用納氏試劑比色法。

12月，從進水口至出水口每隔1 m設(shè)置3個1 m2的植物樣方，收割植株地上部分，稱量鮮重，取部分樣品帶回實驗室80 ℃烘干至恒重，計算含水率，并換算出單位面積干生物量。選擇入水口、中點和出水口處三個點的植物進行干物質(zhì)磨碎過篩，預(yù)處理好的植物樣品采用H2SO4-H2O2消解制備成溶液，采用流式分析儀(Smart-Chem)測定樣品氮磷含量。在進水口和出水口各取3棵植株挖出地下部分，稱量鮮重并取部分樣品帶回烘干至恒重，計算根冠比。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel等軟件對數(shù)據(jù)進行計算和處理；基于Excel軟件平臺下進行植株高度、干生物量、氮磷吸收量及其累計比例與種植長度的回歸分析和回歸方程的統(tǒng)計檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物濕地床的水質(zhì)凈化效果

與未種植植物的人工濕地相比，種植植物濕地床對BOD5、CODCr、NH3-N、TN和TP的去除率顯著較強(p<0.05)，平均分別高出對照2.4%～10.2%、3.5%～9.3%、14.2%～19.2%、19.5%～29.1%和16.1%～20.7%，各植物系統(tǒng)間差異不顯著(表2)。植物種植濕地床，對BOD5的去除率為81.2%～89.0%，以花葉蘆竹和蘆葦最高，其次為再力花和香蒲，旱傘草的去除率最低；對CODCr的去除率為32.0%～37.8%，以再力花和旱傘草最高，其次為香蒲和蘆葦，花葉蘆竹的去除率最低；對NH3-N的去除率為89.2%～94.5%，以蘆葦最高，其次為再力花，花葉蘆竹的去除率最低；對TN的去除率為64.0%～73.6%，以花葉蘆竹最高，其次為香蒲、旱傘草和蘆葦，再力花的去除率最低；TP的去除率72.2%～76.8%，以再力花和旱傘草最高，香蒲和蘆葦次之，花葉蘆竹的去除率最低。

表2 不同植物人工濕地系統(tǒng)的水質(zhì)凈化率 Tab.2 Water Purification Rate of Different Plant Treatment in Constructed Wetland Systems

注：ab表示差異顯著性檢驗，具有相同字母則差異不顯著

圖1 不同種植距離植物株高和單位面積干生物量的變化Fig.1 Changes of Plant Height and Dry Biomass per Unit Area for Different Planting Distance

2.2 不同種植距離植物生長特征

從入水口往出水口方向，5種挺水植物隨著種植距離增加株高和單位面積干生物量呈指數(shù)或線性下降(圖1和表3，P<0.001)。隨著種植距離(D)增加，花葉蘆竹、旱傘草和再力花的株高(H)呈指數(shù)下降，其與種植距離的關(guān)系分別為H=2.547e-0.07D，H=2.140e-0.08D和H=2.932e-0.18D，當種植長度分別達9 m、8 m和6 m以上，植物生長高度分別僅為入水口植株高度的46.9%、47.5%和41.5%。香蒲和蘆葦?shù)闹旮叱示€性下降，其與種植距離的關(guān)系分別為H=-0.39ln(D)+2.220和H=-0.40ln(D)+2.110，當種植長度13 m以上，植物生長高度分別為入水口植株高度的63.4%和62.5%。

隨著種植距離(D)增加，5種植物的單位面積生物量(B)均呈指數(shù)下降(P<0.001)，其關(guān)系分別為B=-0.59ln(D)+1.717、B=-1.20ln(D)+2.896、B=-1.78ln(D)+4.429、B=-0.33ln(D)+0.964和B=-0.98ln(D)+2.351(表3)。從生物量積累來看，再力花、旱傘草、蘆葦?shù)睦塾嬌锪糠e累在2 m處已占濕地床總生物量的51.5%、49.6%和54.4%，分別至7、9 m和7 m處時累計生物量積累已占到90%以上；花葉蘆竹、香蒲的累計生物量在5 m處占到50%以上，分別至10 m和11 m處時累計生物量占到90.2%和92.7%。

2.3 不同種植距離植物氮磷去除特征

5種水生植物地上部分氮磷去除量隨著種植距離增加呈指數(shù)或?qū)?shù)下降，累計去除量占總?cè)コ康谋壤手笖?shù)上升(圖2，P<0.001)。整個濕地床花葉蘆竹、旱傘草、再力花、香蒲、蘆葦?shù)厣喜糠值腡N去除量分別為162.4、381.2、212.1、77.4和362.9 g，以旱傘草和蘆葦最高，再力花和花葉蘆竹次之，香蒲積累量最小。隨著植物種植距離的增加，花葉蘆竹分別在3 m和11 m處累計去除量占到總?cè)コ康?0.4%和92.9%，旱傘草分別在3 m和8 m處占到61.9%和90.7%，再力花分別在2 m和7 m處占到51.8%和93.6%，香蒲分別在4 m和11 m處占到58.4%和93.0%，蘆葦分別在2 m和4 m處占到64.9%和92.4%?？梢?，再力花和蘆葦在較短種植距離內(nèi)積累了大量的總氮，花葉蘆竹和旱傘草次之，香蒲的積累量最小。

整個濕地床花葉蘆竹、旱傘草、再力花、香蒲、蘆葦?shù)厣喜糠值腡P去除量分別為5.5、30.8、12.6、2.5和9.1 g，以旱傘草最高，再力花、蘆葦、花葉蘆竹次之，香蒲積累量最小。隨著植物種植距離的增加，花葉蘆竹分別在4 m和10 m處累計去除量占到總?cè)コ康?4.0%和91.3%，旱傘草分別在2 m和8 m處占到55.5%和92.0%，再力花分別在2 m和6 m處占到54.4%和90.7%，香蒲分別在5 m和10 m處占到58.1%和90.4%，蘆葦分別在2 m和4 m處占到63.3%和90.2%?？梢姡J葦和再力花在較短種植距離內(nèi)積累了大量的總磷，旱傘草和花葉蘆竹次之，香蒲的積累量最小。

2.4 進水口和出水口植物根冠比

比較進水口和出水口植物的根冠比發(fā)現(xiàn)，5種植物的根冠比在出水口顯著高于進水口(p<0.5)。其中，旱傘草的變化比例最大，出水口植物為進水口植物的5.14倍；其次為花葉蘆竹、香蒲和再力花，分別為3.96倍、3.67倍和2.31倍；蘆葦變化最小，出水口植物僅為進水口植物的1.68倍(圖3)。

3 討論與結(jié)論

圖2 水生植物氮磷去除量和累計比例與種植長度的關(guān)系Fig.2 Relationship among Removal Amount, Cumulative Rate of Nitrogen and Phosphorus and Planting Distance

圖3 進水口和出水口水生植物根冠比比較Fig.3 Comparison of Root-Shoot Ratio of Different Macrophytes between Inlet and Outlet

生物量是表征不同富營養(yǎng)化水體對植物生長影響的最優(yōu)指標[8]，也是選擇水生植物修復(fù)污染環(huán)境的重要指標[13]。低富營養(yǎng)水平下氮磷濃度限制了水生植物的生長，在一定范圍內(nèi)隨著氮磷濃度增加植物生長和生物量積累增加，而在重度富營養(yǎng)化水體中，礦質(zhì)元素成為植物生長的限制因子[14]。本試驗隨著濕地床內(nèi)植物種植距離的增加，5種挺水植物的株高呈指數(shù)或線性下降趨勢，單位面積生物量呈指數(shù)下降趨勢(表3，圖1)，且出水口植株的根冠比顯著高于進水口植株(圖3)，表明低污染水處理下5種挺水植物的株高生長和生物量積累均受到氮磷營養(yǎng)供應(yīng)的限制。在5種植物對水質(zhì)凈化尤其是氮、磷養(yǎng)分消減差異不顯著的情況下(表2)，種植距離對不同植物的抑制程度存在差異，再力花、旱傘草、蘆葦?shù)纳锪糠e累集中在7 m以內(nèi)，花葉蘆竹和香蒲在10 m左右都具有較高的生物量，說明前三者較易受到低營養(yǎng)條件的影響。

植物體內(nèi)的氮磷含量和積累量直接反映了其對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和去除能力[9,15]，因而收割植物成為去除人工濕地系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的一種有效方法[14,16]。本試驗5種挺水植物的氮磷積累量隨著種植距離的增加呈指數(shù)下降趨勢，這與生物量的積累和植株體內(nèi)養(yǎng)分含量有關(guān)。在進水口處，水體氮磷含量相對較高，維持了較高的生物產(chǎn)量和植株氮磷濃度；而隨著植物吸收和根系過濾氮磷不斷下降，株高和生物量呈指數(shù)下降，植株體內(nèi)的氮磷濃度也降低，呈現(xiàn)出氮磷積累量的指數(shù)下降關(guān)系。比較5種挺水植物移除氮磷的能力，從移除總量上可以認為TN的大小順序為：旱傘草>蘆葦>再力花>花葉蘆竹>香蒲，TP的大小順序為：旱傘草>再力花>蘆葦>花葉蘆竹>香蒲；但從累計比例來看，兩者積累效率大小順序均為蘆葦>再力花>旱傘草>花葉蘆竹>香蒲(圖2)。

研究表明處理低污染水的人工濕地中，植物吸收對去除氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)具有重要作用，需要選擇高氮、磷積累量物種[9-10]。本試驗表明，更應(yīng)該選擇具有高氮磷積累效率的物種，如蘆葦、再力花可以在靠近入水口處具有較高生物量積累量和氮磷積累效率。因此，在潛流濕地床距離不變的情況下，為提高植物的氮磷利用效率和去除能力，前段應(yīng)種植蘆葦、再力花、旱傘草等氮磷高效積累的植物，后段可種植花葉蘆竹和香蒲等較耐受貧營養(yǎng)水質(zhì)的植物，但多種植物配置的水質(zhì)凈化效果仍需要在工程應(yīng)用進一步驗證。