植物構(gòu)建浮島系統(tǒng)對封閉式景觀水體凈化效果研究

曾玉芳 柳正葳 葉子飄

摘要：基于封閉式景觀水體建設的發(fā)展趨勢，以白鷺洲公園景觀水體為例，選擇了4種常見本土植物吊蘭（Chlorophytum como-sum（Thunb.）Baker.）、空心蓮子草（Hydrocotyle vulgaris（Mart.）Griseb）、美人（Canna indtca L）和蘆薈（Aloe vera，），在模擬正常湖泊的環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)這4種植物的新陳代謝沒有受到環(huán)境的影響，均能保持良好的生長狀態(tài)，并具有不同程度的凈化水質(zhì)的能力。4種植物組合均能在富營養(yǎng)化水體中正常生長，并且對氮磷具有較好的去除能力，同時不同植物的凈化能力差異性較顯著，對COD、NH₄⁺-N、TN和TP的去除率分別為38.7%～62.6%、25.3%～55.4%、28.3%～58.7%和32.5%～59.6%。從植物凈化能力、生長特性、景觀效果和生態(tài)效應等方面綜合考慮，T5配置的吊蘭具有景觀效果好、具有營養(yǎng)物質(zhì)去除率較高且穩(wěn)定的特點，是吉安及類似氣候帶地區(qū)居住小區(qū)營造生態(tài)水景的最佳水生植物配置。

關鍵詞：景觀水體;富營養(yǎng)化;水質(zhì)監(jiān)測;植物凈化

景觀水體可改善城市住宅小區(qū)的自然環(huán)境，迎合人們親近自然和對健康的追求，也是高檔生態(tài)住宅小區(qū)不可缺少的組成部分。由于建設土地成本較高，很難有條件營造大規(guī)模的水體，導致景觀水體多為靜止或流動性較差的封閉體系。同時，水體一般具有復氧能力較差、自凈能力有限等特點，水質(zhì)易受居民活動和雨水徑流所影響。目前，許多城市景觀水體都已出現(xiàn)不同程度的污染，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴重[1-2]。

通過不同植物對水體中污染因子的凈化能力不同篩選出適合的植物，通過對每種植物進行單獨的試驗并且對一系列的試驗結(jié)果進行分析，找出不同的植物對不同的污染物的去除效率的差異[3-4]。我們根據(jù)這些植物對不同污染物的處理能力不同構(gòu)建出對污水中污染物的凈化能力突出的系統(tǒng)，以期望能對凈化受污染的水體提供更好的植物選擇。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究選用購買的吊蘭（Chlorophytum comosum）、美人蕉（Canna generalis）、蘆薈（Aloe）和白鷺洲公園湖旁優(yōu)勢物種空心蓮子草[Hydrocotyle vulgaris（Mart）Griseh]4種植物作為試驗材料。水生植物購于當?shù)鼗ɑ苁袌?，試驗前用自來水將其根部洗凈（不傷根系），然后在自然光照、避雨的條件下將其置于自來水中預培養(yǎng)數(shù)日，試驗用富營養(yǎng)化水體參照改良Hoagland氏營養(yǎng)液配制而成，pH值控制在6.0～6.9，本試驗所用水樣為白鷺洲公園湖富營養(yǎng)化水體，2018年9月測得其水體透明度為0.55m，總氮濃度為2.30mg/L，氨氮濃度為1.20mg/L，硝態(tài)氮濃度為0.89mg/L以及亞硝態(tài)氮濃度為0.37mg/L，以開始培養(yǎng)的水體為本底值。水培植物的培養(yǎng)溫度為24～25℃，pH值平均為7.09。

1.2 研究方法

試驗用培養(yǎng)容器規(guī)格為40.5cm×30cm×22.5cm塑料箱，處理水體體積為18L，植物經(jīng)預培養(yǎng)后，選取長勢良好、大小一致的植株，清洗干凈，栽植于供試水體中。植物在自然光照、避雨的條件下生長，試驗期間用自來水補充蒸發(fā)和蒸騰所消耗的水分，以保持容器中的水位。

試驗過程中，每種水生植物設置2組處理，3組重復，CK：空白對照，只加營養(yǎng)液，不加水生植物。為排除底泥污染物釋放、沉積過程對試驗結(jié)果的干擾，各培養(yǎng)容器中水生植物種植時并未添加任何底泥基質(zhì)。每個培養(yǎng)容器表面都有一塊附有定植孔的聚苯乙烯泡沫栽培定植板，植物被固定在定植孔中，定植孔按照間距8cm，孔徑4cm打孔，植物直接置于規(guī)定水域內(nèi)。每個培養(yǎng)容器種植1/3箱植物。試驗持續(xù)90d，每隔5d采集水樣并按照國家水質(zhì)監(jiān)測標準方法測定水體中的TN、NH₄⁺-N、BOD₅和TP等指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物凈化水體COD_Mn況

由圖1可知，4種植物組合和對照處理的水體中CODS_Mn濃度均有較大幅度的下降，在開始的30d對水體污染物的去除速率較快，美人蕉和吊蘭的凈化效果就優(yōu)于空心蓮子草和蘆薈，對COD_Mn具有良好的去除能力，在植物生長期內(nèi)，水體中COD_Mn分別減少了4.50mg/L、4.18mg/L和4.16mg/L。在30d美人蕉、吊蘭、空心蓮子草、蘆薈培養(yǎng)浮床中的COD_Mn分別從17.3mg/L左右下降到8.67mg/L、8.35mg/L、10.56mg/L、10.78mg/L，隨著水生植物的生長，對COD_Mn的利用量不斷提高，在90d時美人蕉、吊蘭、空心蓮子草、蘆薈培養(yǎng)浮床中的COD_Mn濃度

基金項目：江西省教育廳教學改革項目（JXJG-17-9-12）;井岡山大學自然科學科研項目（JZ10026）：國家自然科學基金（31960054）。

通信作者：柳正葳，講師，碩士，主要從事園林植物與環(huán)境科學研究。下降到7.45mg/L、6.54mg/L、8.74mg/L、9.56mg/L。試驗結(jié)果表明，不同水生植物組合對COD_Mn的去除能力具有差異，去除能力大小排序為吊蘭>美人蕉>空心蓮子草>蘆薈。

2.2 不同植物凈化水體NH₃-N情況

由圖2可知，除CK外，植物處理組對NH₄⁺-N均有較顯著的去除效果。其中吊蘭去除能力最佳，最終水體中NH₄⁺-N濃度降到0.83mg/Lo從試驗結(jié)果來看，CK的水體自凈NH₄⁺-N能力有限。水體中NH₄⁺-N的去除主要通過植物的吸收、根際的吸附作用得以去除，對比分析水生植物對NH_二⁺-N的去除趨勢可知，試驗前期（0～5d），處理組中的水生植物尚處于適應階段，導致處理效果與CK差異性不顯著。由于NH₄⁺-N在水體中主要以離子狀態(tài)存在，容易被植物吸收，從而表現(xiàn)為在5～10d時濃度NH₄⁺-N急劇降低，在微生物的作用下發(fā)生氨化、硝化。但隨著植物對N03 =N利用的飽和以及植物根際表面形成的生物膜中的微生物（如硝化菌）加速NH₄⁺-N向NO₃^--N的轉(zhuǎn)化過程，使得這4種植物對NO₃^--N的去除能力逐漸下降，在第90d美人蕉、吊蘭、蘆薈、空心蓮子草4種植物處理水體中氨氮濃度從開始的1.54mg/L分別降為0.77mg/L、0.69mg/L、0.86mg/L、1.mgmg/L。

2.3 不同植物凈化水體TN情況

由圖3可知，4種水生植物對TN均有較好的去除效果，TN濃度均明顯低于對照組（CK）。至試驗結(jié)束時，吊蘭處理T5中TN濃度降至1.13mg/L，為CK去除率的7.8倍，處理水接近符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）規(guī)定的Ⅲ類水;而CK中TN濃度一直高于Ⅴ類水限值（2.mmg/L）?？梢?，4個處理組對富營養(yǎng)化水體中TN的去除能力均顯著高于CK。從試驗來看，雖然CK中并未栽種任何水生植物，但水體中的微生物可利用充足的碳源通過反硝化作用實現(xiàn)NO₃^--N的去除，TN去除量基本為NO₃^--N的去除量。隨著時間的延長，植物處理組通過微生物對氮素的轉(zhuǎn)化以及植物的吸收作用，對TN的去除效果逐漸加強。

2.4 不同植物凈化水體TP情況

由圖4看出，4種植物對總磷都有一定的去除效果，最終4種植物和對照組中的總磷濃度從0.2mg幾左右分別下降到0.1mg/L、0.08mg/L、0.13mg/L、0.11mg/L。一般磷的去除主要靠植物吸收，土壤吸附和微生物固定，試驗所用浮床為塑料材質(zhì)，吸附作用影響不大，植物對磷的去除效果好可能是植物對可溶性磷的吸收同化作用。試驗數(shù)據(jù)顯示，4種植物對總磷的凈化效果順序為：吊蘭、水生美人蕉、蘆薈、空心蓮子草。這也可能和不同植物的營養(yǎng)需求不同有關。

由圖4可知，相對于CK，各處理組中TP均顯著下降，特別是吊蘭處理組水質(zhì)接近達到地表水質(zhì)標準11類水標準（<0.1mg/L）。同時，各處理組中TP濃度在試驗初期（0～10d）下降較快，而在后期由于濃度較低，呈平緩下降趨勢。比較4個處理組和對照空白的最終去除率發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過90d的處理后，總磷濃度從0.2mg/L左右分別下降到0.1mg/L、0.08mg/L、0.13mg/L、0.11mg/L。對TP的去除能力大小排序為吊蘭水生美人蕉蘆薈空心蓮子草。試驗結(jié)果表明，除CK外，處理組對TP的去除為先急劇下降，后趨于平緩。一般情況下，水體中的磷可通過沉淀、固結(jié)等物理化學作用去除。因此，在未栽種任何水生植物的空白對照組中，對TP也具有一定的去除率。

2.5 不同植物凈化水體BOD₅情況

從圖5可知，前40d 4種植物對BOD₅的去除效果都較明顯，水中BOD_四的濃度從12.55mg/L左右下降到6.02mg/L、5.64mg/L、6.41mg/L、7.34mg/L。40d后趨于平穩(wěn)，4種植物的去除效果均較好。植物對BOD₅的降解主要依靠植物根區(qū)，4種植物中吊蘭對水體BOD₅的去除效果最好，到了60.4%;而且吊蘭的根系葉片需要大量營養(yǎng)源，對有機源需求高。

3 結(jié)論

不同水生植物不同時期的生長速率及代謝功能不同，導致其對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收特性不同，并利用根際周圍微生物組成人工復合系統(tǒng)的群體效應，保持對水體營養(yǎng)元素及有機物有較好的凈化效果，充分發(fā)揮它們的生態(tài)功能。通過吊蘭、空心蓮子草、美人蕉、蘆薈4種植物對水體中氮、磷營養(yǎng)鹽的凈化效果和復氧能力，以及GB 3838-2002對丁N，NH₄⁺-N和TP規(guī)定的限值比較，吊蘭的凈化能力明顯優(yōu)于其余處理組。利用放置不同植物的浮床對受試水體中污染物的去除率看，4種植物對氨氮、總磷、總氮、COD、BOD₅都具有一定的凈化能力，吊蘭的總體凈化能力最好，其對COD、氨氮、總氮、總磷，BOD₅的去除率分別為62.6%、55.4%、58.7%、59.6%、59%、64.2%。所以吊蘭可以作為處理污水的優(yōu)勢種使用，其次是美人蕉。

從試驗結(jié)果來看，CK中TN的去除主要通過水體中反硝化菌對NH₄⁺-N的反硝化作用實現(xiàn)，TN去除量基本為NH₄⁺-N的去除量。隨著時間的延長，植物處理組通過微生物對氮素的轉(zhuǎn)化以及植物的吸收作用，對TN的去除效果逐漸加強。從植物凈化能力、生長特性、景觀效果和生態(tài)效應等方面綜合考慮，T5配置的吊蘭具有景觀效果好、對營養(yǎng)物質(zhì)去除率較高且穩(wěn)定的特點，是吉安及類似氣候帶地區(qū)居住小區(qū)營造生態(tài)水景的最佳水生植物配置。但本研究只是相對穩(wěn)定環(huán)境中的短期試驗，在實際應用中還需對各種適合植物進行組合，對各種植物的配置數(shù)量和空間分布等進行深入研究。

（收稿：2019-11-14）

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