4种木本植物在潜流人工湿地环境下的适应性与去污效果

陈永华，吴晓芙，郝 君，李科林，柳 俊

(中南林业科技大学 环境科学与工程研究中心, 长沙 410004)

4种木本植物在潜流人工湿地环境下的适应性与去污效果

陈永华，吴晓芙*，郝 君，李科林，柳 俊

(中南林业科技大学 环境科学与工程研究中心, 长沙 410004)

潜流人工湿地; 木本植物；适应性；去污效果

人工湿地是为处理污水而人为设计建造的、工程化的湿地系统，通常由人工基质和生长在其中的水生植物组成，是一个独特的水-土壤-植物-微生物生态系统，其物理、化学、生物的协同作用可以有效处理污水[1- 2]。与传统活性污泥处理技术相比，人工湿地污水处理系统不仅可以达到处理的各项目标，同时具有建设与运行成本较低、景观价值较高等优点，潜流型人工湿地作为人工湿地的一种类型，因其污水处理效率高，占地面积相对较少，因而在污水处理中得到了广泛的应用[3- 5]。

植物是潜流人工湿地的重要组成部分，通过吸收、吸附、过滤、富集作用去除污染物[6]。此外，植物还可以起到固定床体表面[7]、为微生物提供良好的根区环境[8]、提高填料基质的过滤效率[9]、抗冲击负荷[10]等作用。但是，从目前已有的人工湿地工程实践来看，除了华南温暖地区的植物没有出现由于低温致地上部枯死外，我国大部分地区的人工湿地植物都会出现冬季地上部枯死的问题，出现这种问题的原因主要是目前应用的潜流人工湿地植物主要为芦苇(Phragmitesaustralis)、美人蕉(Cannaindica)、风车草(Cyperusalternifolius)、香蒲(Typhaangustifolia)、水葱(Scirpusvalidus)、梭鱼草(Pontederiacordata)等单一草本水生植物类型[11- 12]，到了冬季低温季节，就必然会出现绝大多数草本植物地上部枯死的现象，由于冬季植物效应的丧失，从而影响冬季人工湿地污水处理和景观效果。因此，寒冷气候条件下人工湿地植物的应用是湿地技术的难点，也会极大地限制了人工湿地技术的推广应用[13]。

为了解决目前冬季大部分草本水生植物地上部分枯死的问题，提出在潜流人工湿地中引入木本陆生植物的思路，利用潜流人工湿地运行水位在表面填料的10—20 cm以下的特点，将木本植物引入潜流人工湿地，经过前期的根系驯化诱导试验，已经初步证实是行之有效的措施[14]，另外还发现木本植物还具更多的优点：如根系更深、输氧能力和新陈代谢更强，生长期更长，可减少和降低收获物的“二次污染”及收获成本，增加立体空间的生物多样性等。为此，本研究在潜流人工湿地中引入4种木本植物，通过测定植物光合特性，叶绿素含量、丙二醛含量、植物的氮磷富集能力、根际脲酶和磷酸酶活性，根系外部形态与内部结构变化来分析木本植物的适应性，同时，研究4种木本植物在潜流人工湿地环境下去污效果，旨在为木本植物在潜流人工湿地的应用提供基础数据与技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

4种木本植物为：夹竹桃(Neriumoleander)，木槿(Hibiscussyriacus)，栀子(Gardeniajasminoides)和女贞(Ligustrumlucidum)，实验所选的4种植物在前期的实验中已经证实可以在亚热带地区安全越冬。

1.2 试验系统

2011年5月移植于中南林业科技大学株洲校区生活污水处理人工湿地系统，6—9月重点研究植物的适应性，10月—次年7月开始重点测定冬季系统的处理效果。潜流湿地单元的床体深1 m，下部填充粒径为3—5 cm的石灰石40 cm，上面铺5 cm河沙，然后铺沸石15 cm，最上层再铺约10 cm的细沙。

图1 试验处理系统流程示意图Fig.1 Process of the treatment system

本实验处理系统流程为图1。进水为生活区污水，污水经过水泵提升后，首先进入表流预处理单元，进行预处理，然后经过布水渠，均匀进入种植木本植物的潜流处理单元，最后结果出水槽出水。经预处理后进入潜流湿地(试验)处理单元的污水主要水质指标为: CODCr108.26—125.74 mg/L；TN 39.53—44.47 mg/L；TP 2.09—2.43 mg/L。试验期间系统在自然条件下连续运行，水力负荷保持为0.4 m2·d，但由于不同时间进水量有差异，污水停留时间在试验时期内的变化范围约为20 h。

1.3 测定方法

1.3.1 植物适应性指标测定

植物光合作用使用LI- 6400便携式光合测定系统。叶绿素含量，丙二醛含量的测定方法见参照文献[15]，根系内部结构来分析木本植物的适应性的测定方法参照文献[16]。

1.3.2 植物氮磷积累量

植物生长量是反应植物吸收N、P能力的重要指标之一。每种植物在种前称重，收获时再称重，将待测样品在 80 ℃烘箱中烘至恒重后称重，计算单株平均生长量。

植物样品用H2SO4-H2O2消煮制备成溶液, 总氮含量用过硫酸钾氧化吸光光度法测定[17]；总磷用钒钼蓝法测定[18]。植物氮磷积累量(PA)的计算公式为:

PA=PC×PB

(1)

式中,PA为植物氮磷积累量，PC为植物氮磷浓度，PB为植物生长量。

1.3.3 水质测定方法

方法参照，国家环保局编,水和废水监测方法[19]。

1.3.4 根际脲酶与基质磷酸酶活性测定

根际脲酶与基质磷酸酶活性反应植物根系与微生物的互作强度，其测定方法参见文献[20]，土壤基质脲酶活性以24 h后100 g土壤中NH3-N的 mg表示，土壤基质磷酸酶活性以24 h后100 g土壤中酚的mg数表示。

1.4 数据处理方法

文中数据采用SPSS12.0软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 木本植物在潜流人工湿地环境下的适应性比较

2.1.1 木本植物净光合特性变化规律

图2 不同植物净光合速率日变化Fig.2 The daily process of net photosynthetic rate of different kinds of plants

从4种木本植物在潜流人工湿地环境下的净光合速率日变化规律(图2)来看，其中夹竹桃、栀子、女贞变化规律为“双峰”型，在12:00点出现第1个高峰，然后在13:00点减低，14:00—15:00点出现第二个高峰；而木槿则为“单峰”型，高峰出现在14:00点。从4种木本植物在潜流人工湿地环境下的叶片气孔导度日变化规律(图3)来看，其中木槿为“单峰”型，高峰出现在12:00点；其他3个品种没有明显规律，且最高峰出现的时间也不一致，如夹竹桃出现在10:00点，栀子花在9:00点，女贞在12:00点。从4种木本植物在潜流人工湿地环境下胞间CO2浓度日变化规律(图4)来看，4种植物胞间CO2浓度的日变化规律与净光合速率日变化规律相反对应，从上午开始逐渐降低，至14:00达到全天的最低值，然后逐渐上升，不同植物胞间CO2浓度均以9:00最高，14:00最低。从4种木本植物在潜流人工湿地环境下蒸腾速率日变化规律(图5)来看，出现“单峰”型规律，高峰出现在11:00—13:00之间。

图3 不同植物气孔导度日变化Fig.3 The daily process of stomatal conductance of different kinds of plants

图4 不同植物胞间CO2浓度日变化Fig.4 The daily process of cells between CO2 concentration of different kinds of plants

图5 蒸腾速率日变化Fig.5 The daily process of transpiration rate of different kinds of plants

2.1.2 木本植物在潜流人工湿地环境下的生理、生长吸收量、基质酶变化

植物组织叶绿素、植物丙二醛、植物体氮磷积累量、植物根系脲酶、植物根系磷酸酶含量见表1。从在表1中可以看出，除女贞外较低外，其余3种植物叶绿素含量较高但差异不大；丙二醛含量比较高的是木槿与栀子，女真最低；氮磷积累量是4种植物中最高是夹竹桃，最低的是木槿，这与生物量有关，其中栀子的总磷积累量偏低；基质脲酶活性夹竹桃、木槿高于栀子、女贞，4种植物的基质磷酸酶活性比较接近。

2.1.3 木本植物根系外部形态与内部结构变化

4种植物在引入湿地前和引入湿地半年后的形态变化(图6)来看：4种木本植物引入湿地后长出了白色的水生根系，经测量，木槿最长根在填料蛭石中平均长度达到6.3cm，并且明显须根增多，根系数量甚至明显多于陆地土壤栽培条件，这说明这4种植物根系可以适应人工湿地潜流人工湿地环境。4种植物在引入湿地前和引入湿地半年后的内部结构变化(图7)来看：4种植物土培根系与水培根系在内部结构上有较大差异，土培根系的组织非常致密，但是

表1 木本植物适应特性比较

图6 4种木本植物在引入湿地前和后的形态变化Fig.6 Morphological changes in the wetland before and after the 4 species of woody plants

图7 4种木本植物在引入湿地前和后的内部结构变化Fig.7 The internal structure of the wetland before and after the change of 4 kinds of woody plants

在引入湿地种植后，产生了具有薄壁组织的不定根根系，具有发达的通气组织，因此，也具备了水生根系适应水生胁迫环境的特点。

2.2 4种木本植物潜流人工湿地系统的去污效果研究

2.2.1 对TN去除效果分析

系统TN浓度变化见图8，总体来看，出水TN浓度的变化随着入水浓度的变化有一些波动，但是在系统稳定后，随着污水浓度的变化，出水TN浓度有一定的下降趋势，在整个试验期间TN平均去除率为40.2%。从各月份间的比较来看，出水TN浓度变化几乎保持稳定，出水TN浓度影响最大的是在11月份，11月份后出现低温，出水浓度逐渐增高，到了12月—次年2月最低温度时，植物活性受到抑制，出水TN浓度达到最高，冬季的TN平均去除率为30.0%，随着3月温度升高，出水TN浓度逐渐降低，到6月份植物进入生长旺盛季，TN的去除率能够达到50.6%。

图8 TN浓度变化Fig.8 Change of TN concentration

2.2.2 对TP去除效果分析

系统TP浓度变化见图9，总体来看，出水TP浓度的变化是随着入水浓度的变化而变化，在整个试验期间系统的TP平均去除率达到80.8%。从各个月份见的比较来看，从10月到12月期间TP的去除率持续下降，冬季的TP去除率也能达到74.5%，也就是说低温对于植物冬季TP的去除率影响没TN显著，同时也说明木本植物在系统中对TP去除发挥一定的效应。从进入1月以后出水的TP有一定的上升趋势，进入3月以后，系统的TP去除率趋于稳定，并且在4月后去除率有进一步的提高。部分原因也在于入水的总磷含量本身就比较低，故植物对磷的净化效果较显著。

图9 TP浓度变化Fig.9 Change of TP concentration

2.2.3 对CODCr去除效果分析

系统CODCr浓度变化见图10，总体来看，出水的CODCr浓度随着入水CODCr浓度的波动而波动，CODCr的平均去除率较低为15.4%，且冬季的去除率更低，仅为8.6%，说明系统对CODCr的处理效果发挥着一定的效应。从各个月份间比较来看，10—11月，系统中植物基本没有受到低温影响，去除率相对较稳定，12月后出现低温，植物的生物量基本上能够维持，但是在12月—次年2月低温时期，出水CODCr浓度的变化更接近于入水CODCr浓度的变化值，受水力停留时间不足的影响，故去除率相对较低。说明植物在低温胁迫下对的去除还是有一定的影响，也说明系统对有机污染物的截留缓冲和降解吸收发挥重要的作用。3月后随着温度上升，CODCr去除率有连续提高。

图10 CODCr浓度变化Fig.10 Change of CODCr concentration

图浓度变化Fig.11 Change of -N concentration

3 结论与讨论

亚热带地区的冬季低温一般出现在1月左右，以湖南为例，一般1月平均温度为5—6 ℃，由于冬季低温的原因，在亚热带地区人工湿地广泛种植的草本植物，如：芦苇(Phragmitesaustralis)、美人蕉(Cannaindica)、香蒲(Typhaangustifolia)、水葱(Scirpusvalidus)、梭鱼草(Pontederiacordata)，在11月霜降左右出现地上部分枯死的“一岁一枯荣”的自然现象[21- 22]，到第2年的开春气温回升后宿根的地下部分重新发芽长出植株，因此，在11月到次年开春期间，亚热带地区应用草本植物会出现冬季植物地上部枯死造成污水处理与景观效果较差的问题。基于上述问题，本文提出应用4种木本植物：夹竹桃(Neriumoleander)，木槿(Hibiscussyriacus)，栀子(Gardeniajasminoides)和女贞(Ligustrumlucidum)，在前期的实验中我们已经证实可以在亚热带地区安全越冬，且可以适应潜流人工湿地环境[23]，可以保障了一定的污水处理与景观效果，因此，木本植物在潜流人工湿地的应用对于解决冬季植物问题具有重要的意义。

木本植物在潜流人工湿地10—20 cm的高于水位的基质环境种植，但是有时也由于水位调节或其它原因，造成水位抬高，木本植物根系直接泡入水中，使植物处于逆境环境胁迫，由于植物要适应逆境，因此会做出一些反应来适应环境的变化，从而引起木本植物的生理、生长吸收量、基质酶活性变化，本文发现，从木本植物在潜流人工湿地环境下的生理、生长吸收量、基质酶变化规律来看，除女贞外较低外，其余3种植物叶绿素含量相异不大；丙二醛含量比较高的是木槿与栀子，女真最低；氮磷积累量是4种植物中最高是夹竹桃，最低的是木槿，这与生物量有关，其中栀子的总磷积累量偏低；基质脲酶活性夹竹桃、木槿高于栀子、女贞，4种植物的基质磷酸酶活性比较接近。可以看出，在所有影响植物吸收量能力的因子中生物量是最大的决定因子[6,13]，因此，在考虑木本植物筛选应用到潜流人工湿地时要重点考虑其生物量的大小。

木本植物根系在潜流人工湿地环境下，也会引起根系缺氧胁迫，从实验结果来看，4种木本植物引入潜流人工湿地后，根系在原来的陆生根系的基础上长出了大量的白色的水生根系，明显须根增多，从根系切片来看，木本植物根系有了明显的变化，根系具有了发达的通气组织，也具备了水生根系特点。木本植物适应潜流人工湿地环境的过程实际就是木本植物根系水生诱变的过程，指通过厌氧环境的胁迫创造促发根系与植株组织间形成通气组织的过程，也是通过厌氧环境胁迫激发植株体内形成特有的生理生化与分子机制，实现主动适应与被迫适应相结合的过程。在这个过程中厌氧信号的创造是开启与关闭通气组织形成及生理生化变化、代谢机制形成的关键信号[24]。乙烯信号[25- 27]、氧自由基[28- 29]、激素信号与钙信号等都是厌氧环境下产生的直接信号或联级反应信号[30- 32]。在这些信号的作用下启动了相关基因的表达，从而实现了植物从陆生向水生环境的适应过渡与代谢形态的转变。因此，陆生植物根系要适应水中的缺氧条件，在缺氧信号的传递下，陆生植物长出的不定根分泌大量的纤维素酶溶解根系中的木质纤维素，产生薄壁细胞组织，组织内一些气室或空腔的集合形成通气组织，使根系获得了能适于低氧水环境下进行有氧代谢能力，从而为植物长期适于水生环境创造了最佳条件[33]。

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The adaptability and decontamination effect of four kinds of woody plants in constructed wetland environment

CHEN Yonghua, WU Xiaofu*, HAO Jun, LI Kelin ,LIU Jun

InstituteofEnvironmentalScienceandEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China

vertical flow constructed wetlands；woody plant；adaptability；decontamination effect

国家科技支撑计划资助项目(2012BAC09B03)；湖南省教育厅科学研究资助项目(13B147)；湖南省环保科技资助项目(湘财建指【2012】- 347)；湖南省环境科学与工程重点学科建设资助项目

2013- 05- 19;

2013- 10- 12

10.5846/stxb201305191110

*通讯作者Corresponding author.E-mail: wuxiaofu530911@vip.163.com

陈永华，吴晓芙，郝君，李科林，柳俊.4种木本植物在潜流人工湿地环境下的适应性与去污效果.生态学报,2014,34(4):916- 924.

Chen Y H, Wu X F, Hao J, Li K L ,Liu J.The adaptability and decontamination effect of four kinds of woody plants in constructed wetland environment .Acta Ecologica Sinica,2014,34(4):916- 924.