濕地型生態島植物適應性試驗

王亞艷,李蒙英,倪鵬平,張劍剛,徐玉良,蔡　聰,謝立群

(1.蘇州大學建筑與城市環境學院,江蘇 蘇州　215123; 2.蘇州大學基礎醫學與生物科學學院, 江蘇 蘇州　215123;3.昆山市水利工程質量安全監督和水利技術推廣站,江蘇 蘇州　215300)

濕地型生態島植物適應性試驗

王亞艷1,李蒙英2,倪鵬平2,張劍剛3,徐玉良3,蔡聰3,謝立群1

(1.蘇州大學建筑與城市環境學院,江蘇 蘇州215123; 2.蘇州大學基礎醫學與生物科學學院, 江蘇 蘇州215123;3.昆山市水利工程質量安全監督和水利技術推廣站,江蘇 蘇州215300)

摘要：為了掌握濕地型生態島中植物的適應性,了解適宜生長的植物和適宜的生態島類型,以昆山望山河為試驗河道,構造了兩種類型濕地型生態島對水生植物的越冬情況、生態適應性和氮磷積累量進行了試驗研究。結果表明:所選擇的5種水生植物越冬發芽率從大到小依次為鳶尾與黃菖蒲(兩者相同)、梭魚草、水蔥、香蒲;礫石+泥土基質的生態島有利于植物的株高和根數增加以及植物生長和氮磷的積累,提高濕地系統去除氮磷的能力;植物適應性和凈化潛力從大到小依次為梭魚草、鳶尾、黃菖蒲、水蔥;鳶尾和黃菖蒲在試驗地區可常綠越冬,適宜于冬季的城市河道治理,景觀效果較好。

關鍵詞：濕地型生態島;水生植物;植物適應性;氮磷積累量;望山河

隨著經濟的發展和城市化水平的快速提高,我國部分城市河道水質惡化,污染嚴重,城市河道作為具有豐富生態功能的自然景觀的重要組成部分,生態系統嚴重退化,城市河道生態修復刻不容緩[1-3]。在眾多生態修復技術中,人工濕地技術和生態島技術是目前比較常用而且有效的生態修復技術[4]。人工濕地技術廣泛應用于各種廢水處理,與常規技術相比具有成本低、易操作維護的優點[5-6],對其研究大多集中于植物篩選、植物和基質凈化效果等方面;而生態島技術兼有改善水質、提升景觀效果同時恢復水生生態系統的功能[7],已有較為深入的基礎研究和應用研究[8-9]。

本文通過對城市河道中不同類型濕地型生態島上植物越冬發芽率、株高、根長、根數、生物量、氮磷積累量的試驗研究,分析濕地型生態島中水生植物的適應性和凈化潛力,以便將濕地型生態島應用于城市河道修復,提高河水凈化能力,達到河道生態修復的目的。

1試驗設計

1.1河道基本狀況

以昆山望山河為試驗河道,該河道位于江蘇省昆山市老城區亭林公園附近,上游與致塘河垂直交匯,全長900 m,寬2.5 m,為典型的城市河道,駁岸為垂直式的硬性駁岸,景觀效果較差。

河道兩側均無大型挺水植物生長,河道內浮水和沉水植物稀少,僅河道臨水兩側存在少量狐尾藻等,水質渾濁,河道黑臭現象明顯,水質測定結果綜合評價為劣Ⅴ類,溶解氧含量較低,水體出現季節性黑臭現象,特別是在氣溫回升后常常散發陣陣惡臭氣味,嚴重影響周圍居民生活和城市市容。經調查,望山河河道的污染主要來源于附近居民區生活垃圾。

1.2濕地型生態島設計

濕地型生態島構筑于望山河河道中,外圍用木柵構建。樁頂以下40 cm的區域為植物栽培層,植物栽培層以下的區域為粗礫石層,根據基質的不同組成,分別構建面積為1.2 m×7 m的A型和B型兩種類型共6個生態島。

a. A型生態島植物栽培層設置。生態島用鏤空塑料筐構筑,塑料筐尺寸為60 cm×45 cm×30 cm。在粗礫石層上用土工布圍邊,上鋪5 cm左右細礫石,細礫石上放塑料框,塑料筐內用土工布鋪底和圍邊,筐內裝泥后筐沿生態島邊緣排列1行,間隔30 cm,筐之間填充細礫石,筐內栽種植物。設置2個A型生態島(A1和A2)。

b. B型生態島植物栽培層設置。在粗礫石層上用土工布鋪底和圍邊,當中填40 cm左右粗砂,粗砂內栽種植物。共設置4個B型生態島(B1、B2、B3、B4)。

c. 植物選擇。選擇適當的植物和基質是構建生態島的關鍵之一。濕地植物的選擇以耐污能力強、除污效果好、根系發達、有一定的景觀效果為原則。本試驗選擇鳶尾(Irissibirica)、香蒲(Typhaorientalis)、黃菖蒲(Irispseudacorus)、水蔥(Scirpustabernaemontani)、梭魚草 (Pontederiacordata)這5種蘇州本地常見的大型挺水植物構建生態島,各生態島種植的植物見圖1。

圖1　試驗生態島布置示意圖

1.3測定指標與方法

試驗分兩部分,一是越冬發芽率試驗(2013年10月至2014年4月);二是植物適應能力及凈化潛力分析(2013年10月至2014年10月)。

a. 植物越冬發芽率。5種植物于2013年10月初種植,試驗開始時間為2013年10月12日,到2014年4月23日停止,每2周觀測其長勢,測定其發芽株數,計算其在不同生態島上的發芽率,分析不同生態島對植物越冬發芽率的影響。

b. 植物適應能力。采用3株植物的平均值計算株高、根數和最長根長,以分析同種植物在不同生態島上以及不同植物在同種生態島上的適應能力,從而優選出適宜植物生長的生態島類型以及適應能力強的植物種類。

c. 植物凈化潛力。植物氮磷積累量表示植物從濕地系統中帶走的氮磷量,是直接反應植物凈化潛力的重要指標。生物量和氮磷含量決定了植物對氮磷的積累性能[10]。①植物生物量的測定。植物在去除雜質后,將待測樣品在80℃烘箱中烘至恒重后稱重,計算平均生物量。②植物氮磷積累量的測定。將植物樣品用H2SO4-H2O2消煮制備成溶液,總氮含量用過硫酸鉀氧化吸光光度法測定[11],總磷含量用釩鉬藍法測定[12]。將測得的植物生物量乘以植物氮磷的質量濃度就得到植物氮磷積累量[13]

2試驗結果與分析

2.1植物越冬發芽率

植物越冬期間(2013年10月至2014年4月)最低溫度為-4℃(12月),最高溫度為17℃(4月)。植物發芽初始溫度為13℃(3月)。

發芽期間發芽株數與發芽率如圖2所示。鳶尾與黃菖蒲在蘇州地區濕地型生態島上均可以常綠越冬,香蒲發芽期在3月左右,梭魚草發芽期一般在3月中下旬至4月。濕地型生態島上5種植物越冬后發芽時間依次為鳶尾與黃菖蒲、香蒲、梭魚草、水蔥。

圖2　生態島植物發芽株數與發芽率

香蒲、水蔥在B型生態島上的平均發芽率分別為61.54%和72.53%。梭魚草在B型和A型生態島上的平均發芽率分別為88.02%和93.75%,其原因為A型生態島栽培層基質為泥土,其保溫效果較粗砂好。植物在B型生態島上的發芽率從大到小依次為鳶尾與黃菖蒲(兩者相同)、梭魚草、水蔥、香蒲,梭魚草在B型生態島上的發芽率小于A型生態島,比較適合于A型生態島上生長越冬。

2.2植物適應能力

植物株高、根數、最長根長是反應植物適應能力的幾個主要指標。2014年10月試驗終止時兩種不同生態島均種植的3種植物株高、根數和最長根長情況如表1所示。可以看出,在2種類型生態島上植物適應能力從大到小依次為鳶尾、黃菖蒲、梭魚草;A型生態島有利于植物株高和根數增加,B型生態島有利于植物根系生長。

表1　3種植物在不同生態島上的株高、根數和最長根長

注:含有相同字母代表差異不顯著(p>0.05),不同字母代表差異顯著(p<0.05)。

A型生態島更有利于3種植物的株高和根數增加,B型生態島有利于植物根系生長,其原因與栽培層基質相關,泥土有利于植物生長,而粗砂更有利于植物根系長度的增加。鳶尾與黃菖蒲適應性較梭魚草強。

陳永華等[14]通過對17 種濕地植物的研究表明,潛流濕地系統處理90 d后,鳶尾和梭魚草的根數和最長根長分別為12條、14條和137 cm、22 cm。濕地型生態島上植物根數均多于潛流濕地系統,梭魚草最長根長基本相同,鳶尾最長根長明顯小于潛流濕地系統。可見濕地型生態島的構建利于植物根系數量的增長。

2.3植物凈化潛力

2.3.1植物生物量

植物樣品于2014年10月采集,此時植物生物量積累達到最大值。從表2可看出:A型生態島上不同植物總生物量、地上生物量和地下生物量大小趨勢相同,均依次為梭魚草、鳶尾和黃菖蒲。B型生態島上,不同植物總生物量大小和地下生物量大小趨勢相同,均依次為梭魚草、鳶尾、黃菖蒲和水蔥,梭魚草總生物量和地下生物量是鳶尾、黃菖蒲和水蔥的1.592倍、5.667倍、44.606倍和2.188倍、10.659倍、57.712倍;地上生物量大小依次為鳶尾、梭魚草、黃菖蒲、水蔥,鳶尾的生物量分別是梭魚草、黃菖蒲和水蔥生物量的1.352倍、2.572倍、30.962倍。因此,在A型和B型濕地型生態島上按植物生物量選擇次序為梭魚草、鳶尾、黃菖蒲、水蔥。

表2　不同生態島上植物生物量　kg/m2

從不同生態島種植同種植物角度分析,黃菖蒲的總生物量、地下生物量均為A型生態島大于B型生態島,A型生態島分別為B型生態島1.214倍和1.869倍,地上生物量為B型生態島的72.1%;鳶尾和梭魚草在A型生態島的總生物量、地上生物量、地下生物量分別是B型生態島的1.951倍、1.501倍、2.266倍和1.750倍、2.924倍、1.472倍。

劉霄等[10]對香蒲和梭魚草2種濕地植物研究結果表明,經過5個月的生長,梭魚草總生物量為10.83 kg/m2,小于本試驗A型生態島上梭魚草總生物量,大于B型生態島上梭魚草總生物量,可見相較于濕地系統和B型生態島,A型生態島更有利于梭魚草生物量的積累,其原因是A型生態島更有利于植物根系的生長和對營養物質的吸收。

根區是植物去除濕地污染物的活性區,根系生物量高的植物污染物去除能力強,選擇具有較高根系生物量的植物可提高濕地氮磷的去除效率[15]。相比B型生態島,A型生態島更有利于植物總生物量和地下生物量的增長,提高濕地系統去除污染物的效果。按植物生物量選擇的優劣次序為梭魚草、鳶尾、黃菖蒲、水蔥。

2.3.2植物氮磷含量和積累量

植物體內氮磷積累量如表3所示。

表3　植物體內氮磷積累量　g/m2

從同種生態島種植不同植物角度分析:①A型生態島上基于較高的生物量,梭魚草和鳶尾具有較高的氮磷積累量;黃菖蒲的氮磷積累量最小,分別是梭魚草和鳶尾氮磷積累量的10.74%、15.76%和22.62%、31.11%。②B型生態島上,氮磷積累量大小次序均為梭魚草、鳶尾、黃菖蒲、水蔥,梭魚草的總氮積累量依次為鳶尾、黃菖蒲、水蔥總氮積累量的1.300倍、5.678倍和42.428倍,總磷積累量依次為1.198倍、3.622倍和116.894倍。

從不同生態島種植同種植物角度分析:①A型生態島上黃菖蒲的氮磷積累量分別高于B型生態島16.42%和5.52%,A型生態島的地上部分和地下部分氮磷積累量分別是B型生態島的0.704倍、2.231倍和0.704倍、1.787倍。②A型生態島上梭魚草的氮磷積累量分別是B型生態島上的1.909倍和1.848倍,地上部分和地下部分氮磷積累量A型生態島顯著大于B型生態島。③B型生態島上鳶尾的氮磷積累量分別低于A型生態島15.10%和10.82%,植株地上部分、地下部分氮磷積累量均為A型生態島大于B型生態島。A型生態島有利于3種植物體內氮磷的積累。

劉霄等[10]研究結果表明,經過5個月的生長,梭魚草的氮磷積累量分別為117.12 g/m2和25.42 g/m2,分別比本試驗中A型和B型生態島上梭魚草的氮磷積累量低。

植物地下部分與地上部分氮磷積累量的比值反映了植物儲存氮磷的分布,兩種生態島上植物地下和地上部分氮磷積累量均差異顯著。氮磷主要積累在鳶尾和梭魚草的根部。收割地上組織可以去除濕地植物積累的部分氮磷，4種植物相比較,黃菖蒲在A、B型生態島上的地上、地下部分氮磷積累的分配有利于通過收割地上部分去除氮磷。經過篩選,鳶尾和黃菖蒲適宜于B型生態島,梭魚草在A型生態島上生長更有利于氮磷積累。按氮磷積累量選擇從大到小次序為梭魚草、鳶尾、黃菖蒲、水蔥。

3結論

a. 植物越冬期間,鳶尾與黃菖蒲在蘇州地區濕地型生態島上均可以常綠越冬,適宜于冬季的水體綠化,景觀效果較好。香蒲發芽期在3月左右,梭魚草和水蔥發芽期一般在3月中下旬至4月。植物發芽率大小依次為鳶尾和黃菖蒲(兩者相同)、 梭魚草、水蔥、香蒲。

b. A型生態島更利于植物越冬發芽生長和3種植物的株高和根數增加,B型生態島有利于植物根系生長。梭魚草須根較為發達,主根不明顯,鳶尾與黃菖蒲適應性較梭魚草更強。

c. 兩種生態島中,A型生態島更有利于植物總生物量、地下生物量和氮磷積累量的增長,有利于提高濕地系統去除污染物的效果。

d. 植物適應性和凈化潛力優劣程度次序為梭魚草、鳶尾、黃菖蒲、水蔥。

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Adaptability test of plants in wetland ecological island

WANG Yayan1,LI Mengying2,NI Pengping2,ZHANG Jiangang3,XU Yuliang3,CAI Cong3, XIE Liqun1

(1.SchoolofArchitectureandUrbanEnvironment,SoochowUniversity,Suzhou215123,China;2.SchoolofFoundationMedicineandBiologicalScience,SoochowUniversity,Suzhou215123,China;3.WaterConservancyEngineeringQualityandSafetySupervision,andWaterConservancyTechnologyExtensionStationofKunshanCity,Suzhou215300,China)

Abstract：In order to understand the adaptability of plants in the wetland ecological island, the suitable plants, and the suitable type of ecological island, the overwintering situation of aquatic plants, ecological adaptability, and nitrogen and phosphorus accumulation were discussed by constructing two types of wetland ecological island in Wangshan River of Kunshan City. Results show that the overwintering germination rates of five chosen aquatic plants from high to low are: Iris sibirica, Iris pseudacorus, Pontederia cordata, Scirpus tabernaemontani, and Typha orientalis. The ecological island of gravel-soil matrix is conducive to the increase of the plants height and root numbers, growth of plants, and nitrogen and phosphorus accumulation, which will improve the ability of nitrogen and phosphorus removal of the wetland system. The plant adaptability and purification potential of four chosen aquatic plants from large to small are: Pontederia cordata, Iris sibirica, Iris pseudacorus , Scirpus tabernaemontani. Iris sibirica and Iris pseudacorus can be evergreen winter in the experimental region, which are suitable for urban river regulation in winter and the landscape effect is good.

Key words：wetland ecological island; aquatic plants; adaptability of plants; nitrogen and phosphorus accumulation; Wangshan River

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.015

基金項目:昆山市科學技術局科技專項(KS1456);蘇州市建筑與城市環境重點實驗室建設項目(AKLK13004)

作者簡介:王亞艷(1989—),女,碩士研究生,研究方向為園林植物與生態修復。E-mail: yayan.1011@163.com 通信作者:謝立群,副教授。E-mail: xlqsz@126.com

中圖分類號：TV85

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0079-05

(收稿日期：2015-06-03編輯：熊水斌)