3種水陸兩棲植物在LID技術措施中的適宜性研究

朱木蘭,郭燕萍,黃曉鳴,廖　杰,高攀峰

(廈門理工學院水資源環境研究所,福建 廈門　361024)

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3種水陸兩棲植物在LID技術措施中的適宜性研究

朱木蘭,郭燕萍,黃曉鳴,廖杰,高攀峰

(廈門理工學院水資源環境研究所,福建 廈門361024)

摘要：采用各種低影響開發(low impact development,LID)技術措施建設海綿城市以緩解水澇、水源枯竭、水污染等一系列城市水危機問題是當前城市建設發展新潮流,而植物是LID技術措施的關鍵組成,其耐淹能力、耐土壤貧瘠能力與水質凈化能力是決定LID技術措施運行效果的關鍵。選取美人蕉,黃菖蒲和狹葉香蒲3種能耐澇的水陸兩棲植物作為研究對象,通過試驗比較研究其耐土壤貧瘠能力與水質凈化能力。結果表明:3種試驗植物在廈門本地紅壤土、砂子、腐殖土的成分質量配比從10∶9∶1變化至18∶1∶1的3種不同沙化程度的人工改良土壤中均能生長,并均具有良好的水質凈化能力;3種植物對COD的去除率均超過90%, 對TN和NH3-N的去除率則均超過80%;此外,黃菖蒲與美人蕉對TP的去除率更是達到了近100%。

關鍵詞：海綿城市;LID技術措施;水陸兩棲植物;耐土壤貧瘠性;水質凈化能力

城市化所帶來的大量不透水路面導致了城市暴雨徑流量劇增、地下水補給量劇減和雨水面源污染加劇,從而引發了旱澇災害、水資源枯竭、水環境污染等一系列城市水危機問題。為了解決這些城市水危機問題,我國目前正在推行采用下凹式綠地,生物滯留池或雨水花園等低影響開發(low impact development,LID)技術措施建設海綿城市。筆者所在城市廈門是試點建設城市之一。

20世紀90年代末期在歐美等國家開始興起LID這種新型的城市雨水與面源污染控制策略。從字面上解釋,LID就是在開發中盡量減少對環境的破壞和影響,其基本思路是通過綜合采用滲透、過濾、蓄流和蒸發等方式來減少徑流排水量和截污,使開發地區盡量接近于開發前的自然水文循環[1]。目前,基于LID策略的技術措施各種各樣,主要有蓄水池塘、透水路面、綠色屋頂、下凹式綠地、生物滯留池或雨水花園、自然排水系統等。

土壤和植被是下凹式綠地、生物滯留池或雨水花園、自然排水系統等這類LID技術措施的重要組成[2]。通常生物滯留池或雨水花園垂向自上而下分別設有蓄水層、覆蓋層、人工改良土壤層、砂層、礫石層,并根據實際需要在底部選擇性設置排水管,這類LID技術措施通過蓄水層的蓄流及土壤的滲透來達到對暴雨徑流量的削減作用。與一般的綠地不同,這類技術措施為了發揮對暴雨徑流量的良好的削減作用,其土壤需具備較強的滲透性能,而各地土壤的質地及成分比例差異性較大,通常需要在本地天然土壤中加入一些砂子進行人工改良以增強其滲透性能。這種改良在增強土壤滲透性能的同時,會導致土壤因砂質化而變得貧瘠。因此,選擇植物時除了考慮其耐澇能力、水質凈化能力之外,還需考慮植物的耐土壤貧瘠能力。但現有研究主要集中于水生植物對氮磷等污染物質的凈化作用研究[3-7],缺乏針對水陸兩棲植物的耐土壤貧瘠能力的研究。雖然水陸兩棲植物由于既能在陸地生長又能在水中生長,具備了耐澇性,但植物的水質凈化能力再好,若在LID技術措施中的貧瘠土壤條件下生長不良,將給LID技術措施后續的運營維護管理帶來困難。因此,亟須開展耐澇的水陸兩棲植物其耐土壤貧瘠能力與水質凈化能力這“兩種能力”的綜合比較研究。

本研究通過在廈門本地天然紅壤土中加入砂子等材料獲得3種不同沙化程度的人工改良土壤,并選取美人蕉(CannaindicaL.)、黃菖蒲(IrispseudacorusL.)和狹葉香蒲(Typhaangustifolia)3種南方常見水陸兩棲景觀植物,試驗研究該3種植物在3種不同沙化程度的人工改良土壤中的生長情況以及其對雨水徑流的水質凈化能力,分析探討這些兩棲植物用于LID技術措施的適宜性,從而為在廈門乃至我國南方地區推廣建設海綿城市化解城市內澇等問題提供重要的植物遴選依據。

1兩棲植物的耐土壤貧瘠能力研究

水陸兩棲植物耐土壤貧瘠能力研究是通過將遴選好的植物種植在人工改良土壤中,并通過觀察其生長情況來評價植物的耐土壤貧瘠能力。

1.1　土壤改良

廈門本地天然土壤為紅壤土, 是福建主要的土壤類型。紅壤對磷素的吸附性能很好,可達到0.73 mg/g[2],最高能達到1.61 mg/g[2],適于用來控制雨水面源污染物質,但紅壤土滲透能力差,滲透系數僅為1.631×10-4cm/s[2],滲透能力偏小,不利于暴雨徑流量的削減。因此,紅壤土應用于LID技術措施時,有必要加入一定量的砂子進行土壤改良。為此,在廈門本地天然紅壤土的基礎上添加砂子和腐殖土形成不同配比的人工改良土壤,并選出3種具有代表性的人工改良土壤作為試驗對象,這3種人工改良土壤的各成分質量比與滲透系數如表1所示。人工改良土壤沙化程度越高貧瘠度就越大。因此,3種人工改良土壤的貧瘠度排序為A>B>C。

表1　3種人工改良土壤質量比與所對應的滲透系數

1.2　植物遴選與實驗方法

針對南方常見的各種觀賞型兩棲植物,如美人蕉、千屈菜、慈菇、菖蒲、澤瀉、桐花樹、水翁等,通過文獻資料調查等途徑,篩選出3種對土壤要求不高且具有一定水質凈化能力和觀賞性的水陸兩棲植物黃菖蒲、美人蕉和狹葉香蒲作為試驗植物對象,通過種植試驗,驗證和比較其耐土壤貧瘠的程度。該3種植物的生長特性如下:①黃菖蒲:對土壤要求不嚴,喜水濕,但也能耐干旱及瘠薄,對水體有較好的脫氮除磷效果。黃菖蒲的景觀性很好,而且植株極易成活,作為景觀性植物越來越多地應用于城市之中。②美人蕉:對土壤要求不嚴,耐瘠薄,不僅有較好的脫氮除磷效果,而且葉片又能吸收二氧化硫、氯化氫等有害物質,葉片雖然容易受到傷害,但在受害后又會重新長出新葉,恢復生長。美人蕉不耐寒,但廈門本地的氣候宜人,冬天也不會出現零度以下的情況,適合美人蕉生長。③狹葉香蒲:對土壤要求不嚴,其葉片不容易因外界影響而受傷害,在沙漠和沼澤中均有生長,環境適應能力較強;對城市生活污水和工業廢水有較好的凈化效果。

將這3種兩棲植物植入表1所示的3種人工改良土壤中,每種人工改良土壤種植3種植物,每天定量澆水,并且按時觀察和拍照記錄其生長情況,根據植物的生長良好情況分析比較其耐土壤貧瘠能力。

1.3　植物耐土壤貧瘠能力的試驗結果與分析

植物耐土壤貧瘠能力的評價可采用定性與定量兩種評價方法。定量評價方法常采用葉綠素含量、葉片丙二醛含量等生理生化指標來進行評價。但由于生理生化指標需要摘取植物的葉子進行檢測,為了跟蹤指標變化需全方位不斷采摘葉片,容易影響植物的自然生長,若僅進行局部采摘,則容易產生隨機誤差,如采摘到枯黃老葉與采摘到嫩葉進行檢測,結果將迥然不同。為了避免對植物生長的破壞以及避免隨機誤差,采用觀測植物的成活率、恢復力等生長情況來定性評價植物的耐土壤貧瘠能力。

黃菖蒲、美人蕉和狹葉香蒲3種植物在A、B、C組合方案的人工改良土壤中,種植初始、種植18 d、種植60 d后隨時間的生長情況變化如圖1~3所示,圖1~3中植物從左至右分別是黃菖蒲、美人蕉和狹葉香蒲。

圖1　種植3種時間段的A類土壤中的3種植物

圖2　種植3種時間段的B類土壤中的3種植物

圖3　種植3種時間段的C類土壤中的3種植物

通過觀測3種組合方案的人工改良土壤中兩棲植物的生長情況,可獲得如下結論:

①通過比較同一種植物在3種不同的人工改良土壤中的生長情況可知:3種兩棲植物均能在3種人工改良土壤中存活并長出新葉,不存在隨土壤沙化程度逐漸增大而出現生長情況逐漸惡化的趨勢。表明這3種植物均具有良好的耐貧瘠性,可適應本地紅壤土、砂子、腐殖土的成分配比從10∶9∶1變化至18∶1∶1各種不同沙化程度的人工改良土壤。②通過比較同一種人工改良土壤中3種不同植物的生長情況可知:美人蕉的葉片最容易因為不適應土壤和外界傷害而導致葉片萎黃(圖2(b)),但葉片能較快重新生長(圖3(b)),而狹葉香蒲葉片為最不容易萎黃,黃菖蒲葉片雖然有所萎黃,但生長情況較之前兩種植物更好。

綜上,試驗結果表明,黃菖蒲、美人蕉和狹葉香蒲3種植物均具有良好的耐土壤貧瘠能力,可適應本地紅壤土、砂子、腐殖土的成分配比從10∶9∶1變化至18∶1∶1各種不同沙化程度的人工改良土壤。雖然美人蕉葉片容易受到傷害,但在受害后又會重新長出新葉,恢復生長,此外美人蕉雖然不耐寒,但廈門溫暖的氣候適合其生長。因此,在廈門地區乃至南方溫暖地區這3種兩棲植物均可作為LID技術措施中的植物進行種植。

2兩棲植物的水質凈化能力研究

為了進一步探討3種植物應用于LID技術措施的適宜性,將經試驗證明可耐土壤貧瘠的3種兩棲植物植入配制好的人工配制的雨水徑流中,每隔一段時間取水樣監測水質指標,評價其水質凈化能力。主要監測的水質指標有COD、TN、TP和NH3-N。

2.1　人工雨水徑流配制

由于收集雨水徑流受制于天氣條件,不便于試驗研究的隨時開展。為此,采用人工配制雨水徑流。通過查閱文獻資料,廈門城市雨水徑流水質指標情況如下:TN的平均質量濃度范圍1.96～6.77 mg/L,NH3-N的平均質量濃度范圍0.35～1.18 mg/L,TP的平均質量濃度范圍0.04～0.66 mg/L,COD的平均質量濃度范圍50～2 000 mg/L[8]。據此水質指標值范圍,在實驗室通過添加鄰苯二甲酸氫鉀(COD)、硝酸鉀(TN)、磷酸二氫鉀(TP)、氯化銨(NH3-N)藥品配制了人工雨水徑流,所配制的人工雨水徑流各水質指標NH3-N、TP、TN、COD的質量濃度分別為2.31 mg/L、0.22 mg/L、2.07 mg/L、179.7 mg/L。

2.2　水質凈化能力試驗

選取株高相似、鮮重相近、生長情況良好(根、莖、葉完好，葉色正常)的兩棲植物黃菖蒲、美人蕉和狹葉香蒲,分別種植在50 L的培養桶中,桶中底部為配制的雨水徑流,其量為淹沒植物的根部。然后每隔1 d取一次水樣測定各項水質指標的變化,共觀測17 d直至TP質量濃度低至儀器檢測不出(為方便計算,此時TP質量濃度計為0)。表2顯示經過17 d之后3種植物對水體中的COD、TP、NH3-N、TN的去除率。

表2　3種試驗植物對4種水質指標的去除率 　%

從表2可看出,經過17 d的植物吸收,黃菖蒲,美人蕉,狹葉香蒲3種植物對COD的去除率均超過90%,其中狹葉香蒲的去除率最高達到99%以上;3種植物對NH3-N的去除率則均超過85%;并以黃昌蒲的去除率為最高達到近90%;此外,3種植物對TN的去除率基本相同大約為84%;黃菖蒲與美人蕉對TP的去除率則幾乎達到了100%,唯有狹葉香蒲對TP的去除率較低,為75%。綜上,3種兩棲植物對各類污染物的去除率總體上均表現良好。

3結論

觀察比較了黃菖蒲、美人蕉、狹葉香蒲3種植物在3種不同沙化程度的人工改良土壤中的生長情況,并試驗研究了這3種兩棲植物對雨水徑流的凈化效果,研究結果表明, 這3種植物均具有良好的耐土壤貧瘠能力,可適應廈門本地紅壤土、砂子、腐殖土的成分配比從18∶1∶1變化至10∶9∶1各種不同沙化程度的人工改良土壤。 3種兩棲植物對各類污染物的去除率亦均表現良好。經過17 d的植物吸收,黃菖蒲,美人蕉,狹葉香蒲3種植物對COD的去除率均超過90%,對TN和NH3-N的去除率則超過80%;此外,黃菖蒲與美人蕉對TP的去除率則達到了100%

可見,黃菖蒲、美人蕉和狹葉香蒲3種兩棲植物均具有良好的耐土壤貧瘠能力以及較強的水質凈化能力,適宜選作LID技術措施的植物。其中,黃菖蒲的生長適應性和水質凈化能力均好于美人蕉和狹葉香蒲,美人蕉的水質凈化能力雖然略好于狹葉香蒲,但美人蕉葉片易受傷害,新葉片的長成又需要一定時間影響景觀,另一方面由于城市道路多汽車行駛,而美人蕉能吸收空氣中的二氧化硫、氯化氫等有害氣,葉片敏感可監測污染環境的有害氣體。因此可以考慮在LID技術措施中將黃菖蒲、美人蕉和狹葉香蒲混合種植,互相取長補短。

參考文獻：

[1] United States Environmental Protection Agency.Low impact development (LID)：a literature review[R].Washington,DC：EPA,2000.

[2] 朱木蘭,廖杰,陳國元,等.針對LID型道路綠化帶土壤滲透性能的改良.水資源保護,2013 (ZHU Mulan,LIAO Jie,CHEN Guoyuan,et al.Soil permeability improvement for LID-type road greenbelt[J].Water Resources Protection,2013,29(3):25-28.(in Chinese))

[3] MATERAZZI S,CANEPARI S,AQUILI S.Monitoring heavy metal pollution by aquatic plants[J].Environmental Science and Pollution Research,2012,19(8),3292-3298.

[4] 何納,孫占祥,張玉龍,等.不同水生植物去除水體氮磷的效果[J].環境工程學報,2013,7(4)：1295-1300.(HE Na,SUN Zhanxiang,ZHANG Yulong,et al.Efficiency of removing nitrogen and phosphorus from simulated wastewater using hydrophytes[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2013,7(4)：1295-1300.(in Chinese))

[5] 金樹權,周金波,朱曉麗,等.10種水生植物的氮磷吸收和水質凈化能力比較研究[J].農業環境科學學報,2010,29(8)：1571-1575.(JIN Shuquan,ZHOU Jinbo,ZHU Xiaoli,et al.Comparison of nitrogen and phosphorus uptake and water purification ability of ten aquatic Macrophytes[J].Journal of Agro-Environment Science,2010,29(8):1571-1575.(in Chinese))

[6] 熊纓,蘇志剛,高舉明.不同挺水植物在生活污水中生長量及去污能力比較研究[J].環境科學與管理,2011,36(1)：63-33.(XIONG Ying,SU Zhigang,GAO Juming.Research on grow and purification capacity of emerging plants of seven species[J].Environmental Science and Management,2011,36(1)：63-33.(in Chinese))

[7] 黃蕾,翟建平,蔣鑫焱,等.三種水生植物在不同季節去污能力的對比研究[J].環境保護科學,2005,31:44-47.(HUANG Lei,ZAI Jianping,JIANG Xinyan,et al.Experimental study of decontamination ability of three hydrophytes in different seasons[J].Environmental Protection Science,2005,31:44-47.(in Chinese))

[8] 楊德敏,曹文志,陳能汪,等.廈門城市降雨徑流氮、磷污染特征[J].生態學雜志,2006,15(6)：625-628.(YANG Demin,CAO Wenzhi,CHEN Nengwang,et al.Nitrogen and phosphorus pollution from urban stormwater runoff in Xiamen City[J].Chinese Journal of Ecology,2006,15(6)：625-628.(in Chinese))

Study on suitability of three amphibian plants for LID technical measures

ZHU Mulan, GUO Yanping, HUANG Xiaoming, LIAO Jie, GAO Panfeng

(WaterResourcesandEnvironmentalInstitute,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China)

Abstract：It is a new trend to develop urban by applying LID technical measures in order to alleviate flooding, water depletion and water pollution issuses in cities. Plant is the key part in LID technical measures, whose tolerances to submergence and barren soil, and water purification capacity are key points to decide the operation effect of LID technical measures. Three kinds of amphibious plants of Canna indica L., Iris pseudacorus L. and Typha angustifolia are chosen as study objects. Their tolerances to barren soil and their capacities to purify water are tested by experiments. The study results indicate that these three plants may grow well in three kinds of artifical soils whose composition ratios of native red soil in Xiamen, sand and humus soil vary from 10∶9∶1 to 18∶1∶1. All of these three kinds of plants have good water purification capacities. The removal rates of COD of these three plants are all beyond 90%, and the removal rates of TN and NH3-N are all more than 80%. Besides, the removal rates of TP of Iris pseudacorus L. and Typha angustifolia are almost 100%.

Key words：sponge city; LID technical measures; amphibious plant; tolerance to barren soil; water purification capacity

(收稿日期：2015-12-10編輯：徐娟)

中圖分類號：P339

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0046-05

作者簡介:朱木蘭(1967—),女,教授,博士,主要從事雨水資源利用與水環境保護研究。E-mail:zhuml@xmut.edu.cn

基金項目:福建省自然科學基金(2013J01210);廈門市科技計劃項目(3502Z20130039)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.007