模拟人工湿地植物对富营养化水体的修复研究

2014-09-21霍张丽朱广龙张江汀魏学智

水土保持研究 2014年5期

关键词：水芹富营养化薄荷

霍张丽, 朱广龙, 张江汀, 魏学智

(1.山西师范大学生命科学学院, 山西临汾041004; 2.山西省水利厅, 太原 030000)

模拟人工湿地植物对富营养化水体的修复研究

霍张丽1, 朱广龙1, 张江汀2, 魏学智1

(1.山西师范大学生命科学学院, 山西临汾041004; 2.山西省水利厅, 太原 030000)

人工湿地; 富营养化; 湿生植物; 去除率

随着社会经济的迅速发展、人口激增，随之而来的环境恶化、水土流失等问题日益严峻，尤其是水土资源供需矛盾，对此我国水利部水土保持司于2006年开始重点开展生态清洁小流域治理工作[1]。生态清洁小流域建设以水源保护为中心，涉及流域内的水土流失治理和流域内污染源治理，其中水污染治理是主要的内容之一[2]。人类在生产、生活过程中向河流排入大量农药、化肥及其他污染物质，当超过河流生态系统的自净能力时，将导致水质变差(如水体富营养化等)，直接对河流生态系统造成破坏，降低其生态服务功能[3]。《2012年中国环境状况公报》[4]显示，在监测的60个湖泊(水库)中，富营养化状态的湖泊(水库)占25.0%，其中，轻度富营养状态和中度富营养状态的湖泊(水库)比例分别为18.3%和6.7%，形势依然严峻。人工湿地用于富营养化水体的修复，具有投资少、易管理、效果好的特点，是一种新型生态污水处理技术[5]。通过实践研究，构建适合我国不同地域特点的高效人工湿地，对修复我国富营养化水体具有迫切的现实意义[6]。

本实验通过构建芦苇(Phragmitesaustralis)、藨草(Scirpustriqueter)、薄荷(Menthahaplocalyx)、水芹(Oenanthejavanica)4种湿生植被小型人工湿地，定期进行水质监测和分析，研究不同湿地植被对富营养化水体的修复能力。筛选出净化效果好、适宜于山西临汾地区人工湿地生境的植物，充分发挥人工湿地在“清洁生态型小流域”建设中的重要作用，使生态环境得到显著改善，为水环境保护提供重要的实验依据[2]。

1 材料与方法

1.1 人工湿地的构建

小型模拟人工湿地系统构建于红色塑料桶内[7](桶的规格：上口直径33 cm，内径28.5 cm，下口直径24.5 cm，内径21 cm，高28 cm)，在桶底设一个水龙头用来排水。在距桶底15 cm的桶体上设一个出水龙头，并连接集水管用于采集水样。集水管均匀打孔，用100目的滤布包裹，防止细砂进入管中造成堵塞。

在桶内分层铺设不同粒径的河砂作为基质，从下至上：10 cm厚的粗砂(粒径1～3 cm)，15 cm厚的细砂(粒径0.3～1 mm)，之间用100目的滤布隔开。

1.2 富营养化水体的配制

试验前加入KNO3、NH4NO3、NaH2PO4和葡萄糖来人工模拟富营养化水体[8]，参照GB3838—2002《地表水环境质量标准》[9]地表Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ类水标准扩大10倍进行配置，所配置的初始浓度配比见表1。

表1 试验水体营养成分初始浓度配比

1.3 湿地植物采集及处理

2013年6月从临汾市汾河流域采集芦苇、藨草、水芹、薄荷4种湿生植物，植物采集后，经自来水、蒸馏水冲洗根部泥土，然后放入10%的Hoagland营养液中进行培养，一周换水一次。两周后挑选大小一致、长势良好的植株。将其植入试验桶中，每桶种植8株。向桶中浇灌蒸馏水2次，每次将水排空后进行第二次注水。最后，一次性向每个实验桶中注入5 L预先配好的富营养化水体。

1.4 试验设计

1.5 计算方法

去除率=(Co-Ci)/Co×100%。

式中：Co——初始时的浓度；Ci——第i天的浓度。

1.6 数据处理

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2007对数据进行处理和绘图，并做单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 4种湿生植物的生长状况

植物的生长情况可以间接反映植物的耐污能力，所以实验期间对植物的生长状况进行观察。总体来说，芦苇长势最好，株高变化最大，轻度处理下平均株高由原来的24.13 cm增长到56.92 cm，中度处理下平均株高由22.21 cm增加为58.64 cm，重度处理下平均株高增加29.86 cm。藨草株高变化不大，但实验期间不断有新芽冒出，长成完整的植株，使得实验种植密度增大；水芹菜生长旺盛，根系生长发达，植株明显增高加粗，不同浓度处理下，平均株高均增长12～15 cm，但底部叶片在生长过程中有不断干枯脱落现象；薄荷在实验期间株高无明显变化，90%以上的植株出现了开花现象，说明长势良好。

2.2 不同浓度条件下水体主要污染物去除率的比较

2.2.1 各种植被人工湿地对不同浓度水体中TP的去除由图1A可以看出，与对照相比，轻度处理中4种植物对TP都有较好的去除作用。总体的趋势表现为：芦苇(89.3%)>藨草(82.4%)>薄荷(81.8%)>水芹(80.5%)>CK(61.2%)。差异显著性分析表明：实验组的去除率都显著高于对照组(P<0.01)，芦苇与薄荷和水芹相比对TP的去除差异极显著(P<0.01)。中度处理下，藨草(去除率：74.96%)>薄荷(72.5%)>芦苇(69.96%)>水芹(64.4%)>CK(36.42%)(图1B)。差异显著性分析表明：藨草、薄荷对中浓度TP的去除无明显差异，但都显著高于水芹(P<0.01)。重度处理下，在15天后4种植被人工湿地对TP的去除均达到饱和，去除率没有明显差异，芦苇为63.68%、薄荷为61.69%、藨草为60.59%、水芹为59.68%，都显著高于对照组(22.87%)(图1C)。

图1 人工湿地系统对不同浓度富营养化水体中TP的去除效果

2.2.2 各种植被人工湿地对不同浓度水体中TN的去除效果比较与对照组的去除率(48.62%)相比，4种湿生植物对轻度处理下的TN都有明显的去除作用。其中去除效果最显著的是芦苇，20 d内试验水体中的TN浓度从2 mg/L降到了0.265 mg/L，去除率高达86.76%。其它三种植物的去除率从高到低依次为藨草(78.06%)、水芹(74.87%)、薄荷(74%)(图2A)。差异显著性分析表明：轻度处理下，芦苇对TN的去除水平显著优于其它植物(P<0.05)。中度处理下(图2B)，差异显著性分析可知：芦苇和藨草对TN的吸收无显著差异，但显著高于水芹和薄荷(P<0.05)。4种植物对TN的吸收率依次为：芦苇(73.27%)、藨草(70.52%)、水芹(67.51%)、薄荷(62.94%)，都明显高于对照组(36.68%)。对于重度富营养化水体中TN的去除，对照组的去除率为23.98%，实验组的去除率为：藨草(51.8%)>芦苇(48.71%)>水芹(43.26%)>薄荷(40.75%)。差异显著性分析表明：藨草对重浓度TN的去除明显高于水芹、薄荷和空白对照组(P<0.01)，与芦苇无明显差异。

图2 人工湿地系统对不同浓度富营养化水体中TN的去除效果

图3 人工湿地系统对不同浓度富营养化水体中-N的去除效果

2.2.4 各种人工湿地植被对不同浓度水体中COD的去除效果比较 4种湿地植物对低浓度富营养化水中COD的净化效果见图4A。通过分析可以得出：藨草对COD的去除率最高为77.57%，其次为：芦苇(74.63%)>薄荷(72.84%)>水芹(66.17%)>CK(43.97%)。差异显著性分析表明：轻度处理下藨草对COD的去除率明显高于其它植物组和对照组，且差异显著(P<0.05)，芦苇和薄荷之间无显著差异。由图4B可知，4种植物对中度富营养化水体中COD的去除能力依次为：藨草(74.42%)>芦苇(71.52%)>薄荷(63.19%)>水芹(61.52%)。与轻度处理下趋势一致，但去除率总体略低于轻度处理。差异显著性分析表明：藨草的净化能力显著高于薄荷和水芹(P<0.01)。对于重度富营养化水体中COD的去除，对照组的去除率为29.21%。实验组中去除率最高的仍为藨草62.89%，试验期间水体中的COD从181.79 mg/L下降到67.46 mg/L(见图4C)。其次是薄荷和水芹，去除效果最差的是芦苇，只有51.53%。差异显著性分析表明：藨草对COD的去除极显著优于其它三种植物(P<0.01)。

图4 人工湿地系统对不同浓度富营养化水体中COD的去除效果

3 讨论与结论

试验水体富营养化浓度的设置由低到高逐渐增加，植物对主要污染物的去除率也逐渐降低，表现出一定的负相关现象。这也与很多学者的研究结果一致[13-14]。当然去除率降低的程度和植物本身有关，不同的植物之间存在一定的差异。由于不同植物对水体中营养盐的净化优势不同，所以在具体实践操作中，要针对富营养化水质的特点，有选择地构建人工湿地进行修复，同时还要考虑到水体富营养盐的浓度。

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