人工湿地植物3种指标属性与其净化功能的关系评价

刘 颖，刘 磊，袁平成，郭恢财，胡小飞，高勇生

(1.南昌大学 生命科学与食品工程学院，江西 南昌 330031;2.江西农业大学 园林与艺术学院，江西 南昌 330045;3.江西农业大学 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045)

很多研究表明，植物体对污水的净化作用不仅与植物体本身的生长特性和根系面积密切相关，还依靠根际分泌物以及根际环境下生长的微生物共同作用［1－2］。植物一方面靠自身的光合作用吸收营养物质;另一方面通过根系分泌有机酸类等物质，促进微生物对有机物的降解;同时，发达的植物根系能够为微生物提供好的生长环境，且在维持植物体和微生物生命力以及固定基质床表面等方面都有着极其重要的作用。然而目前对于污水净化效果的研究，植物体吸收N、P元素和根际微生物研究较多，根系面积研究不多，对各指标的综合评定较少。本文从根际微生物类群多样性、根系面积大小以及植物体本身吸收N、P元素的功能3种属性进行研究，以较新的视角分析其与净化功能之间的关系，为人工湿地的控制与管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本实验所用材料为芦苇(Phragmitas communis)、菖蒲(Acorus calamus)、鸢尾(Iris germanica)、香根草(Vetiveria zizanoides)、梭鱼草(Pontederia cordata)、水葱(Scirpus validus)、茭白(Zizania latifolia)、旱伞草(Cyperus alternifolius)、再力花(Thalia dealbata)、大皇冠(Echinodorus amazonicus)等10种人工湿地水培植物。

1.2 实验设计

将湿地植物种植在100 L的塑料水桶内(水容积80 L，种植密度2～3株/桶，每桶为1个重复，每桶植物设2个重复，并设1组有基质无植物的作为空白对照试验)，用自然发酵、沉淀并过滤后的江西农业大学学生宿舍下水道污水进行培养，污水以20 d为周期进行更换。于7月底、12月底，2次分别在不同的桶中，破坏性地收集1株植物。收集时注意植物的根要保持完整，轻轻去掉附着在根上的沙土和砾石，带回实验室。

1.3 实验方法

1.3.1 水培植物微生物测定及计算 将收集的植物用消过毒的剪刀剪下一部分根混合，放在消毒好的自封袋里尽快测量其微生物类群数量，不能马上测量则放置在－80℃冰箱保存，以维持微生物的活性。操作要在超净工作台上进行，工作台需提前30min紫外灯照射，以免增加污染。本实验采用稀释平板法测量细菌、放线菌和真菌3类微生物的数量［3］。

1.3.2 水培植物根系面积计算 将收集植物的根系剪下，冲洗干净并吸取多余水分，完整剪下全部二级根和三级根，并在其中各挑选出3根完整的二级、三级根作为样本，将其分别简称1 cm的小段，这些小段平行紧密排列后测定其宽度，则单段的平均宽度即为二级根和三级根的平均直径。用排水法测量二级根和三级根的体积，进而求出二级根系和三级根系的总体积和总面积，二级根系和三级根系面积之和即可看作植物体的根系面积，一级根系面积可忽略不计［4］。运用公式如下:V总=(M总·V样)/M样，V总=π(D/2)2H，S总=πDH，由此可以得出:S总=4V总/D。其中，V总、M总、V样、M样、S总、D、H 分别代表总根系体积、总根系质量、样本根系体积、样本根系质量、总根系面积、根系平均直径和根系平均长度。

1.3.3 水培植株根、茎、叶氮磷浓度测定和氮磷化学计量比计算 将收集植物的茎和叶洗净分开后，与根一起分别用牛皮纸包好放入60℃烘箱中烘干至恒重，磨碎过筛，用H2SO4－H2O2消煮后，分别采用凯氏定氮法和钼锑抗比色法测定全氮和全磷含量［5］，计算出不同植物体根、茎、叶的氮磷浓度及其化学计量比。

1.3.4 数据处理与分析 所有数据采用SPSS(11.5)软件处理。采用单因素方差分析中的多重比较分别检验各因素之间的差异;显著性水平P＜0.05。

2 结果与讨论

2.1 不同植物的微生物数量

人工湿地在处理污水的过程中，植物根区微生物的存在对有机物的降解和转化有着重要的作用［6－8］，许多研究表明，微生物类群数量的多寡影响着湿地系统对污水的净化效果。

从表1可以看出，不同人工湿地植物根系微生物类群和数量均有所不同，从数量来看，细菌、放线菌和真菌均不在同一个数量级，分别为106～107、105、104～105，数量大小为细菌，放线菌，真菌，且细菌数量极高，约占微生物总数的95%，这也与田呈明［9］研究一致。从植物种类来看，不同植物的微生物总数由大到小依次为大皇冠、再力花、鸢尾、芦苇、梭鱼草、菖蒲、香根草、水葱、茭白和旱伞草，除大皇冠、再力花、鸢尾和芦苇微生物总数差异较明显，其余6种植物之间的数量差异相差不大，说明大皇冠、再力花、鸢尾和芦苇根际微生物活性较强。从季节来看，3类细菌以及微生物总数均满足7月份数量高于12月份，且微生物总数7月份约高出12月份1倍的数量，可能是由于夏季的温度高，有利于微生物的生长繁殖，微生物活动十分活跃，而冬季温度低，一些微生物难以存活的原因，这也与Lu等［10］研究表明湿地微生物与植物冬季活性降低，TP和TN的平均去除率下降相一致。

表1 不同植物微生物数量的动态变化Tab.1 The monthly variations of microorganism quantity of different plants

2.2 不同植物的根系面积

植物根系能够加强植物自固定能力，并与湿地基质相结合，是人工湿地系统中许多微生物和浮游生物活动的载体，能够改善微生态环境［4］，强化植物对污水的净化功能［11－13］。由表2可以看出，不同季节10种人工湿地植物的二、三级根系面积有所不同。从整体来看，7月份和12月份的三级根系面积普遍高于二级根系面积，且7月份的二级根系面积约占根系总面积的2% ～10%，三级根系是二级根系的8～50倍不等;12月份的二级根系面积约占根系总面积的2% ～8%，三级根系是二级根系的11～45倍不等，因此三级根系是污水处理过程中的主要作用结构，而二级根系对整个植物根系的影响不大，故一级根系面积与二级根系和三级根系相比可忽略不计。

从表2中还可以看出，由7月到12月份的二级根系和三级根系面积普遍都有所增加，说明植物体从夏季到冬季的生长过程中，植物根系面积也相应地增加和扩展。从不同植物来看，7月份植物体总根系面积由大到小依次为梭鱼草、水葱、再力花、大皇冠、芦苇、菖蒲、茭白、旱伞草、鸢尾、香根草;12月份由大到小依次为水葱、梭鱼草、再力花、大皇冠、芦苇、菖蒲、茭白、旱伞草、香根草、鸢尾，可见植物体的根系面积大小变化差异不大，说明植物体根系面积均在各自的水平上稳步增加。

表2 不同植物根系面积的动态变化Tab.2 The monthly variations of roots area of different plants

2.3 不同植物体氮磷含量及其化学计量比

图1 水培系统不同植物的根茎叶氮磷浓度的动态变化Fig.1 The monthly variations in the concentrations of N and P in roots，stems and leaves of different plants in bucket－cultivated system

将7月份和12月份采集的植物体分不同器官分别进行N、P以及其化学计量比的测定，得出图1。从图1中可以看出，不同植物的不同器官在不同季节分别呈现出一定的波动性。从月份来看，所有植物根、茎、叶的N含量、P含量及N∶P值均表现为7月明显高于12月，可见夏季是植物生长的旺盛期，对N、P的吸收能力也较强，冬季植物枯萎，植物氮磷吸收可能还受到植物死亡分解过程中氮磷含量的释放［14］、污水本身氮磷含量、湿地基质以及气候条件等影响［15］，故植物器官对N、P的吸收能力有所下降。

从植物体的N∶P值可以看出，水培环境对植物生长的影响情况即养分供应情况。其中，7月份植物整体N∶P由大到小依次为:水葱、旱伞草、芦苇、梭鱼草、鸢尾、香根草、大皇冠、菖蒲、再力花、茭白，12月份为:旱伞草、芦苇、梭鱼草、水葱、香根草、鸢尾、大皇冠、再力花、茭白、菖蒲。按照经典的N∶P比例研究即Wassen［16］和Koerselman＆Meuleman［17］等人进行的施肥研究结论判断，本实验中7月份水葱、旱伞草、芦苇、梭鱼草的N∶P值大于16，鸢尾的N∶P值在14～16，香根草、大皇冠、菖蒲、再力花、茭白的N:P值小于14，而12月份N∶P值大于16的是旱伞草、芦苇，N∶P值在14～16的是梭鱼草、水葱，N∶P值小于14的是香根草、鸢尾、大皇冠、再力花、茭白、菖蒲。

总体来看，水培系统大部分湿地植物系统受N限制，其中受P限制程度较为明显的植物是旱伞草，其次是芦苇，受N限制程度的由大到小依次是茭白、再力花、菖蒲、大皇冠、香根草，鸢尾、水葱、梭鱼草3种植物受两元素共同限制。故今后在轻度富营养化污水的人工湿地植物的配置上应避免使用高N和高P浓度的物种，这是由于尽管植物能够吸收较多的营养元素，对水体污染物去除率高，但同时植物生长也需要较多的营养元素，竞争力偏弱，在本文中显示高N物种为旱伞草，高P物种为香根草。但是，人工湿地植物配置应具体情况具体分析，本文不属于轻度富营养化污水，反而高N和高P浓度植物对系统污染物去除率有积极的作用。

表3 水培系统10种植物对污水处理的综合评定Tab.3 The comprehensive evaluation of 10 plants in sewage treatment in bucket-cultivated system

2.4 不同植物对污水处理的综合评定

对于湿地植物筛选的综合评定方法有很多，庞金华等［18］根据植物的净化效果、植物地上部分生物量、根系生物量、植物观赏性以及病虫害5个指标来评价，涂燕［19］根据净化效果、植物生物量和生长率3个指标进行评价。本文尝试提出将净化效果、微生物数量、根系面积以及植物吸收4个指标综合考虑，利用权重计算对10种湿地植物进行综合评定，可以得出表3。其中，根据静态水培试验对污水处理的重要程度不同，一级指标净化效果、微生物数量、根系面积和植物吸收分别赋予其权重值为0.4、0.2、0.2、0.2，净化效果的二级指标为 NH4+－N、TN、TP、COD 的去除率，其权重值均为 0.25;微生物数量的二级指标为细菌、放线菌、真菌，其权重值均为1/3;根系面积的二级指标为二级根系面积和三级根系面积，其权重值均为0.5，植物体吸收的二级指标为N吸收浓度和P吸收浓度，权重值均为0.5。每个二级指标按照10种植物在该指标的最大值与最小值之间分为10个均等区间，从高到低区间得分分别为100、90、80……10分，每个二级指标的得分数与该二级指标和一级指标权重值的乘积记为该植物的实际得分，求和得到总分，进而对植物得分情况进行排序。

3 结论

本文综合净化效果、微生物数量、根系面积和植物吸收4个指标，利用权重计算法得出，10种植物得分情况从高到低分别为再力花，梭鱼草，菖蒲，鸢尾，水葱，大皇冠，芦苇，香根草，茭白和旱伞草。人工湿地植物对污染物的去除受到很多因素的影响，不同植物配置对污染物的净化效果不同，在研究单一植物净化功能的基础上，综合考虑气候、植物、水质、配置等因素，筛选出因地制宜、因时制宜的人工湿地植物，对人工湿地进行综合功能的开发，意义更为深远。

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