4種濕地植物混合群落凈化污染水體的試驗

李 琴，李海翔，董 堃，王武斌，凃 月，王敦球

(桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院，廣西桂林 541000)

廣西會仙濕地系統(tǒng)是以湖泊、沼澤、水生植物為主要組成部分的多類型綜合自然濕地[1]，在凈化水質(zhì)、涵養(yǎng)水源、環(huán)境改善、漓江蓄洪補水生物多樣性保護等方面發(fā)揮重要的生態(tài)作用[2]，對桂林漓江流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定意義重大。會仙濕地是我國最大的巖溶濕地，具有生態(tài)環(huán)境脆弱、敏感等特點，受到破壞后不易恢復[3]。但是在社會經(jīng)濟高速發(fā)展、人類生活質(zhì)量逐步提升的時期，會仙濕地卻受到來自各個方面因素的影響，濕地面積及瀕危動植物資源日漸減少，水體富營養(yǎng)化進程不斷加快，會仙濕地實際上已經(jīng)成為周邊農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)污染物排放的匯集地[4]。研究表明，會仙濕地已處于較差的生態(tài)狀況，地表水污染嚴重，水質(zhì)水體均屬于氮、磷富營養(yǎng)化，人為污染因素占極大比重[5-6]。

在眾多對受污染水體的修復技術中，植物修復技術是一種低成本、無污染的原位生態(tài)治理技術，具有一定的景觀價值，其植物根系可為微生物提供適宜的生長環(huán)境，且對懸浮污染物起到截濾作用[7-8]，能夠在湖泊、河流等地表水污染治理工程中廣泛應用。目前，對巖溶濕地利用植物原位修復技術凈化水質(zhì)的研究不多[9-11]。通過前期調(diào)查，在會仙濕地區(qū)域的七星碼頭至古桂柳運河河段有生活污水排放源，大量未處理的含氮磷污水直接排入水體，屬于污染嚴重的水域，在該區(qū)域生長的植物主要為鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、菹草(Potamogetoncrispus)、黑藻(Hydrillaverticillata)、蘆葦(Phragmitesaustralis)等，而會仙濕地水域廣泛生長的單優(yōu)勢植物群落有苦草(Vallisnerianatans)、蘆葦、華克拉莎(Cladiumchinense)等[12]。為此，將優(yōu)勢植物移植到污染嚴重水域(七星碼頭)進行水體原位強化修復，這一探究是否可行是需要非常關注的問題。許多研究表明，不同植物組合形式對凈化污染水體效果優(yōu)于單一植物群落，且挺水、漂浮、沉水植物能夠在同一植物群落中出現(xiàn)[13-15]。因此，在前人研究基礎上[16]，本研究選用會仙濕地4種廣泛生長的優(yōu)勢植物[苦草、蘆葦、華克拉莎、美人蕉(Cannaindica)]和七星碼頭4種主要植物(鳳眼蓮、菹草、黑藻、蘆葦)組成混合群落構建模擬濕地系統(tǒng)分別對污染水體進行凈化，對比探究該植物組合群落是否具有良好的原位水體修復潛力，以期能夠為降低會仙濕地流域污染的生態(tài)修復技術提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

構建模擬濕地系統(tǒng)所用的植物、底泥等均采自會仙濕地河段，苦草、蘆葦、華克拉莎和美人蕉這4種植物在水質(zhì)較好流域、具有良好生長優(yōu)勢且種群單一、覆蓋度高的位置進行采集；菹草、鳳眼蓮、黑藻、蘆葦于水質(zhì)較差的七星碼頭采集，同種植物選取長勢相似的進行采集；底泥采用活塞式柱狀采泥器在會仙河段進行采集；進水水樣從會仙濕地水域生活污水排放較密集的七星碼頭采集。植物、底泥和水樣的采樣點如圖1所示。

圖1 采樣點位置Fig.1 Location of Sampling Points

1.2 試驗處理

模擬濕地系統(tǒng)裝置以會仙濕地七星碼頭水域為基礎，以其長、寬縮小100倍的規(guī)模進行構建，長×寬×高為310 cm×120 cm×70 cm，采用表面流式進水(圖2)。構建苦草組(苦草+蘆葦+華克拉莎+美人蕉)、菹草組(菹草+鳳眼蓮+黑藻+蘆葦)這2組不同空間配置的植物群落，每組中的4種植物隨機分布種植，種植密度為30株/m2，保持每種植物種植密度一致，并設置無植物種植空白對照組，對照組中偶有生長出綠色藻類及植物均及時清理，確保對照組中無植物生長。待模擬系統(tǒng)裝置內(nèi)無發(fā)黃衰敗、爛根等明顯無法存活植株，每組植物均生長穩(wěn)定后，則開始正式運行系統(tǒng)。鳳眼蓮在系統(tǒng)穩(wěn)定后繁殖較快，夏秋季節(jié)生長迅速，易大面積覆蓋成為組內(nèi)優(yōu)勢植物；苦草、菹草2種沉水植物在冬春季節(jié)繁殖能力強，形成較高的覆蓋度會阻礙其他植物生長。在夏秋季節(jié)，鳳眼蓮密度較高會使根莖透光性、通氣性較差，出現(xiàn)爛根現(xiàn)象，受到水體浮力作用使整株漂浮，對水質(zhì)會產(chǎn)生影響。因此，試驗期間除了對模擬系統(tǒng)裝置中的枯枝落葉進行人工清理，以保證水質(zhì)不受影響外，在苦草、菹草、鳳眼蓮生長茂盛季節(jié)對模擬系統(tǒng)裝置內(nèi)的每組植物進行每日觀察，及時對生長過于迅速、導致數(shù)量增多的植株通過人工拔除，以保證每組內(nèi)植物種植密度一致。若有枯死、衰敗等無法存活的植株，則及時取出再進行補種，控制系統(tǒng)內(nèi)各組植物群落組成和結構穩(wěn)定。會仙濕地實際流速緩慢，因此，設置水力停留時間為6 d，表面水力負荷為0.05 m3/(m2·d)，每月進水3次，每次進水量為2 000 L，采樣頻率3次/月，各月數(shù)據(jù)取均值。

圖2 模擬濕地系統(tǒng)裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Constructed Wetland

1.3 試驗方法

CODMn、TN和TP是七星碼頭附近水體中主要的污染指標。因此，選擇CODMn、TN和TP作為試驗測定的水質(zhì)指標。試驗水樣水質(zhì)測定方法如表1所示。采集水樣時先潤洗采樣瓶，再與瓶蓋一同放在水面10 cm以下，打開瓶蓋避免水中懸浮物進入瓶中，采集時使水樣充滿采樣瓶至溢流，確保瓶中無氣泡后擰緊瓶蓋。試驗時間為2017年11月—2018年10月，試驗期間每月進水水質(zhì)如表2所示。TP進水質(zhì)量濃度為0.20～0.44 mg/L，超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)III類標準(0.2 mg/L)；TN進水質(zhì)量濃度為1.80～3.35 mg/L，超出IV類標準(1.5 mg/L)；CODMn進水質(zhì)量濃度為15.01～28.64 mg/L，超出V類標準(15 mg/L)。

表1 水質(zhì)指標及測定方法Tab.1 Water Quality Indices and Analysis Methods

表2 每月進水水質(zhì)Tab.2 Monthly Influent Water Quality

2 試驗結果與分析

2.1 TP

由圖3可知，苦草組(苦草+蘆葦+華克拉莎+美人蕉)和菹草組(菹草+黑藻+鳳眼蓮+蘆葦)對水體中TP均有去除效果?？嗖萁M的TP平均出水質(zhì)量濃度為0.07 mg/L，可達《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)II類標準(0.1 mg/L)；菹草組的TP平均出水質(zhì)量濃度為0.12 mg/L，略高于II類標準(0.1 mg/L)?？嗖萁M和菹草組在8月時TP出水質(zhì)量濃度均達到最低，分別為0.04、0.09 mg/L?？嗖萁M和菹草組對TP的去除率分別為54.26%～85.25%和49.14%～63.81%，均顯著高于空白組(28.86%～33.04%)，相同月份的去除率表現(xiàn)為苦草組>菹草組>空白組。3組TP的去除率均表現(xiàn)為夏、秋季高于冬、春季，在夏季時去除率達到最高。

圖3 水體TP質(zhì)量濃度及去除率變化Fig.3 Changes of TP Mass Concentration and Removal Rate in Water Body

TP在濕地中的去除途徑主要有基質(zhì)的吸附、沉淀作用、植物吸收和絡合等，影響因子有pH、溫度、植物群落的種類等[17]。濕地中植物吸收是磷元素轉化的主要途徑之一，其生長活動能夠增強微生物對磷的去除，因此，植物群落的生物量越大，對TP的去除效果就越明顯，且由挺水植物和沉水植物組成的混合群落去除水體TP的能力比沉(挺)水植物群落高[18-19]。將多種植物(如風車草、美人蕉、千屈菜等)組成混合群落處理村鎮(zhèn)生活污水，能有效提高TP的去除效率[20]。在本試驗中采用的蘆葦、美人蕉、華克拉莎均屬于挺水植物，具有龐大的根系系統(tǒng)，可為微生物提供良好的生存環(huán)境，還能夠直接從污水和底泥中吸收過剩的營養(yǎng)物質(zhì)，在本試驗中苦草組對TP的去除率可高達85.25%。而菹草、黑藻屬于沉水草本植物，其根系不發(fā)達，吸收能力不強，鳳眼蓮雖然須根較多，但漂浮在水面無法對下層水體進行有效凈化，對TP的去除效果不佳，在本試驗中菹草組對TP去除率最高僅達到63.81%。

季節(jié)變化對植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力也有重要影響。劉文杰等[21]研究表明植物在夏季處于生長茂盛時期，水溫的升高會增強微生物代謝活動程度，能夠增強植物群落對TP的去除能力；冬季溫度的降低會使微生物活動減少，加上植物自然凋落萎蔫，死亡植物進入水體中腐爛分解，磷元素又會從植物體內(nèi)被分解釋放，因此，TP的去除效果會降低，與本試驗結論一致。本研究中，在冬季氣溫較低、微生物活性減少條件下，苦草組保持對磷的強吸收能力，維持較低出水濃度水平。因此，在低溫、進水TP污染負荷較大時，苦草組仍具有較好的磷去除能力。

2.2 TN

苦草組(苦草+蘆葦+華克拉莎+美人蕉)和菹草組(菹草+黑藻+鳳眼蓮+蘆葦)對水體TN的去除效果如圖4所示?？嗖萁M的TN平均出水質(zhì)量濃度為0.76 mg/L，略高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)II類標準(0.5 mg/L)；而菹草組的TN平均出水質(zhì)量濃度為1.16 mg/L，略高于III類標準(1.0 mg/L)。苦草組和菹草組在8月時的TN出水質(zhì)量濃度均達到最低，分別是0.37、0.73 mg/L。在相同月份，TN出水濃度表現(xiàn)為空白組>菹草組>苦草組?？嗖萁M對TN的去除率為53.80%～83.64%，菹草組對TN的去除率為45.77%～60.81%，顯著高于空白組(28.40%～31.52%)。在相同月份的去除率表現(xiàn)為苦草組>菹草組>空白組。3組TN的去除率均表現(xiàn)為夏、秋季高于春、冬季，在夏季的去除率達到最高。

圖4 水體TN質(zhì)量濃度及去除率變化Fig.4 Changes of TN Mass Concentration and Removal Rate in Water Body

在濕地系統(tǒng)中氮的去除機理有氨化、硝化、反硝化脫氮以及植物的同化吸收等，而硝化和反硝化作用則起到主要影響作用[22]。研究表明，具有多樣性高、根系發(fā)達等特點的植物群落能夠強化微生物的硝化作用，且苦草組合群落對TN的去除效果遠高于沉水植物組合群落[23-24]，除植物本身吸收轉化作用外，主要原因是植物根系的釋氧能力能夠使根際環(huán)境形成好氧、缺氧、厭氧3種區(qū)域，可促進微生物的硝化-反硝化作用，苦草組中植物根系肥大、須根發(fā)達，有利于對污水中氮的吸收。微生物群落與不同植物根系的結合可能對濕地提高凈化效果較有利，且根系發(fā)達的植物其根系分泌物中經(jīng)礦化作用會產(chǎn)生氨氮，硝銨比適中的水環(huán)境更適合植物生長，也會促進植物對氮的吸收利用[25-26]。而菹草、黑藻、鳳眼蓮的根系都不足以為微生物提供一個良好的根系環(huán)境，特別是鳳眼蓮繁殖能力較快，在生長期葉片覆蓋水面會影響水中DO濃度，影響去除效果。因此，苦草組對TN的去除率遠高于菹草組。在本試驗中，TN的去除率在夏季和秋季較高，是因為溫度是影響微生物活動的條件之一。對比冬、春季分析，夏、秋季溫度上升會使微生物數(shù)量增多，微生物活性增強，因此，能夠促進植物群落對TN的去除效果。

2.3 CODMn

苦草組(苦草+蘆葦+華克拉莎+美人蕉)和菹草組(菹草+黑藻+鳳眼蓮+蘆葦)對水體中CODMn的去除效果如圖5所示。苦草組的CODMn出水質(zhì)量濃度在8月達到最低(7.12 mg/L)，而菹草組在7月達到最低(9.21 mg/L)?？嗖萁M的CODMn平均出水質(zhì)量濃度為9.41 mg/L，菹草組平均出水質(zhì)量濃度為12.03 mg/L，處于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中III類(6 mg/L)～V類(15 mg/L)。在相同月份，CODMn出水濃度均表現(xiàn)為空白組>菹草組>苦草組。苦草組對CODMn的去除率為36.27%～73.62%，菹草組為30.25%～52.26%，均高于空白組(18.50%～20.11%)。3組CODMn的去除率均表現(xiàn)為夏、秋季高于冬、春季，在夏季時去除率達到最高。

圖5 水體CODMn質(zhì)量濃度及去除率變化Fig.5 Changes of CODMn Mass Concentration and Removal Rate in Water Body

植物是影響CODMn去除的重要因素[27]，其根系對不溶性有機物可起到攔截和過濾的作用，又可作為微生物的附著載體，還可通過根系供養(yǎng)作用、根系分泌物等改變根系微環(huán)境，促進有機污染物的氧化分解過程[28]。許多研究表明，根系發(fā)達的植物對有機污染物具有非常好的去除效果[29-32]。在本試驗中，苦草組的蘆葦、美人蕉、華克拉莎均屬于具有龐大根系系統(tǒng)和較大生物量的植物，其構成植物群落對有機污染物有較好的凈化效果，苦草組對CODMn的去除率可高達73.62%。而菹草組對CODMn的去除率最高僅為52.26%，該結果主要與組內(nèi)植物根系特點有關。菹草組中除蘆葦外，菹草、黑藻屬于沉水植物，根系入土深度淺，根系生物量不高，鳳眼蓮屬浮水草本植物，根芽不發(fā)達，因此，對CODMn的去除率遠低于菹草組。此外，這也表明不同植物組合對有機污染物的去除效果有一定的差異。由圖5可知，夏、秋季節(jié)的CODMn去除率雖然高于冬、春季，但差異不大，與Gorra等[33]研究結果相符，植物在秋冬季雖然會有枝葉枯萎、掉落的現(xiàn)象，但挺水植物根系受到的影響不大，且土壤中的微生物即使在低溫下也具備分解有機污染物的能力，所以在低溫環(huán)境下濕地系統(tǒng)也能夠維持較高的去除效果。

3 結論

(1)會仙濕地2組植物混合群落在表面水力負荷為0.05 m3/(m2·d)條件下對污水中的TP、TN、CODMn都具有較好的凈化效果。苦草組(苦草+蘆葦+華克拉莎+美人蕉)構建的混合群落系統(tǒng)中TP、TN和CODMn的平均出水質(zhì)量濃度為0.07、0.76 mg/L和9.41 mg/L。其中，出水TP、TN可以達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)III類標準以上。

(2)苦草組對TP、TN和CODMn的去除率分別為54.26%～85.25%、53.80%～83.64%和36.27%～73.62%，均顯著高于菹草組(菹草+黑藻+鳳眼蓮+蘆葦)的污染物去除率。混合植物群落總體對TP的去除效果最好，其次為TN、CODMn。

(3)各指標的去除率均表現(xiàn)為夏、秋季高于冬、春季，植物修復水體效果受溫度影響較明顯?？嗖?、蘆葦、華克拉莎、美人蕉組成的植物混合群落是會仙濕地原位修復技術理想的濕地植物群落，可對污染嚴重水域進行強化水體修復。