典型濕地植物的生長特征及其水質凈化效果分析

安喜志，高宏錦，邢勝男

（中材地質工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

人工濕地凈化污染物的機理比較復雜，其中水生植被系統起著重要的作用，它能吸收同化污水中N、P等污染物[1]。挺水植物是構建人工濕地植被系統的主要類型植物，具有同化吸收污染物和攔截、過濾污染物的作用。不少學者認為[2-5]，選擇鄉土優勢挺水植物，突出生物多樣性特色，因地制宜地研究和發展人工濕地，是提高人工濕地凈化能力的關鍵措施，也是解決我國城鎮生活污水治理和農村面源污染的主要途徑。本研究選取了7種在天然濕地中生長良好且具有一定景觀效果和經濟價值的挺水植物，研究了它們對生活污水氮、磷降解特性及其氮、磷積累分布規律，為退化天然濕地植物的生態修復及人工濕地的構建提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試濕地植物

本試驗選擇的供試濕地植物有7種，為天然濕地生態系統中的常見植物，主要有水蔥（Scirpus validus）、香根草（Vetiveria zizanoides）、菖蒲（Acorus calamus）、美人蕉（Canna indi-ca）、茭白（Zizania latifolia）、蘆葦（Phragmites australis）、黃菖蒲（Iris pseudacorus）等。

1.2 試驗方法

選取以上7種植物在天然表面流濕地中進行水培試驗，每種植物9株，截去它們長出的新根和莖葉，稱其鮮質量，用泡沫板固定。試驗分3次進水，每次進水50 L，時間間隔為10 d，每2 d取1次水樣，測定總氮（TN）、總磷（TP）含量。每天用蒸餾水補充因蒸發而減少的水分。每種植物設2個平行和一個空白對照，試驗數據取其平均數。

1.3 植株氮、磷測定方法

供試植株在經過對3次低濃度生活污水降解后，將每株樣品按地上部分和地下部分分開稱鮮質量，然后在80℃條件下烘干至恒重后稱干質量。粉碎后，用H2SO4—H2O2消煮，全氮以奈氏試劑比色法，全磷以鉬銻抗比色法測定[4]。

1.4 數據處理方法

植物的氮磷積累量（PA）的計算公式為：

式中：PB——植物增加的生物量，PC——植物的氮磷含量。

氮磷總去除率（R）的計算公式為：

式中:ICi和OCi——第i次進水和出水的氮磷濃度；Qi——第i次進水量。

數據處理采用SPSS 20.0統計軟件進行。

2 結果與分析

2.1 水培期間不同濕地植物的生長狀況

水培試驗開始后，對各濕地植物生長狀況進行連續觀察，在第1次進水后（0～10 d），各植物生長較緩慢，尤其是茭白和蘆葦，其他植物均有少量根長出。第2次進水后（10～20 d），香根草和黃菖蒲表現出較強長勢，水蔥和菖蒲長勢一般，蘆葦生長緩慢，而茭白已感染病蟲害。第3次進水后（20～30 d），香根草、黃菖蒲、美人蕉、水蔥迅速生長，根、莖、葉生物量迅速增加，菖蒲和蘆葦的生物量變化較小，而茭白幾乎死亡。整個水培期間，各植物長勢總體評價見表1。

表1 各植物生長情況評價Tab.1 The evaluation on growth of plants

2.2 濕地植物水培前后生物量的變化

水培試驗前后各植物的生物量均有不同程度的增加（見表2），增加量在23.4～437.1 g（鮮質量），其中美人蕉增加量最多為437.1 g，茭白最少為23.4 g，各種植物差異顯著（P＜0.05）。水培試驗后各濕地植物平均每株的地上部分生物量和地下部分生物量分別在2.38～24.55 g和0.87～14.42 g。地上部分以香根草的生物量最大，黃菖蒲次之，地下部分以黃菖蒲最大，香根草次之。各植物地下部分生物量占總生物量比例，黃菖蒲最高為56.02%，蘆葦最低為19.47%，其他在30%～43%。

表2 水培前后植物生物量的變化情況Tab.2 The changes of plant biomass before and after hydroponics

2.3 濕地植物對生活污水總氮的降解特性

第1次進水期間，各植物處理對總氮（TN）的去除效果均不是很好且不穩定，除香根草外，其他與空白對照的差異均不顯著（P＞0.05）；第2次進水期間，水蔥、香根草、美人蕉、黃菖蒲均表現出較穩定的降解，與空白對照的差異顯著P＜0.05），它們的水培污水中TN濃度隨水力停留時間呈負相關（r＞0.94）；第3次進水期間，除茭白外，其他植物處理與空白對照的差異顯著（P＜0.05），且對TN的降解均表現出較強且較穩定的降解，尤其是香根草和黃菖蒲，它們的降解率高達90.70%和72.39%，水培污水中TN濃度隨水力停留時間呈負相關（r分別為0.971和0.997），除茭白、蘆葦外，其他植物處理的相關系數都在0.9以上。

2.4 濕地植物對生活污水總磷的降解特性

第1次進水期間，各植物對總磷（TP）的降解表現出不穩定性，除香根草和黃菖蒲與空白對照差異顯著外（P＜0.05），其他均不顯著；第2次進水期間，各植物處理對污水中TP均表現出一定的降解，它們的水培污水中TN濃度隨水力停留時間呈負相關（相關系數r＞0.9），降解率依次以香根草、美人蕉、黃菖蒲較為明顯，分別達到了86.49%、80.99%、79.98%；第3次進水期間，各植物處理與空白對照差異均顯著（P＜0.05），它們對TP均有較穩定的降解，水培污水中TN濃度隨水力停留時間呈負相關（相關系數r＞0.9），但茭白、蘆葦、菖蒲的去除率較低，分別為29.70%、36.65%、44.00%，而香根草、美人蕉、黃菖蒲、水蔥仍保持較高的去除率，分別為86.39%、83.99%、79.59%、67.60%。

2.5 水培試驗后各濕地植物氮、磷含量及分布

水培試驗后，7種濕地植物地下部分全氮和全磷含量分別為95.05～2 636.57 mg和8.79～345.07 mg，地上部分分別在321.04～1 778.81 mg和33.18～225.31 mg（見表3），各種植物間差異顯著（P＜0.05）。地上部分和地下部分總含氮量和總含磷量以黃菖蒲最高，蘆葦和茭白最低，其他依次是香根草、水蔥、美人蕉、菖蒲。除黃菖蒲外，植株的氮、磷含量主要集中在地上部分，它們的地上部分含氮量占總含氮量的60%～85%，含磷量在60%～80%。

表3 植株總含磷量水培前后變化情況Tab.3 The changes in total phosphorus content of plants before and after hydroponics

2.6 各濕地植物氮、磷總去除率與其水培試驗中積累的氮、磷關系

水蔥、香根草、菖蒲、美人蕉、茭白、蘆葦、黃菖蒲等7種濕地植物在水培試驗中，對生活污水中總氮的總去除率分別為57.05%、73.87%、37.70%、43.66%、27.20%、24.38%、68.79%；對生活污水中總磷的總去除率分別為57.93%、79.01%、45.37%、63.82%、36.12%、47.39%、75.20%；植株積累的氮分別為979.20 g、1149.92 g、365.38 g、1 344.14 g、51.82 g、208.55 g、1 006.66 g；積累的磷分別為135.91 g、112.92 g、49.28 g、137.07g、7.21 g、16.48 g、130.11 g。濕地植物對污水中總氮的去除率與其積累的氮量呈顯著線性相關（r=0.78，P＜0.05），對污水中磷的去除率與其積累的磷量也成顯著線性相關（r=0.82，P＜0.05）。

3 結語

濕地植物作為人工濕地的主體，是降解污水中氮、磷的主導力量，因此選擇出能高效且穩定的吸收污水氮、磷的植物品種就顯得尤為重要。試驗結果表明：香根草、黃菖蒲、水蔥、美人蕉都表現出較強的氮、磷降解能力，且它們經過對生活污水的適應后對氮、磷的降解與水力停留時間呈線性相關，相關系數均大于0.9，說明它們有著較為穩定的氮、磷吸收能力，且具有較大的氮、磷吸收空間。此外，生活污水中總氮總磷的去除率與濕地植物氮、磷的積累量呈線性相關，說明濕地植物在污水氮磷降解中發揮著重要作用。因此，在人工濕地運行中濕地植物的管理就顯得尤為重要。水培后，各植物間以及其自身的地上部分與地下部分的生物量差異顯著，這是由于各種濕地植物都有其自身生長特性。植株的氮、磷積累量主要集中在地上部分，因此在濕地植物生長旺盛的季節里定期對其地上部分進行收割，不但可以去除氮、磷，同時可以擴展其氮、磷吸收空間。