湿地型生态岛植物适应性试验

王亚艳,李蒙英,倪鹏平,张剑刚,徐玉良,蔡　聪,谢立群

(1.苏州大学建筑与城市环境学院,江苏 苏州　215123; 2.苏州大学基础医学与生物科学学院, 江苏 苏州　215123;3.昆山市水利工程质量安全监督和水利技术推广站,江苏 苏州　215300)

湿地型生态岛植物适应性试验

王亚艳1,李蒙英2,倪鹏平2,张剑刚3,徐玉良3,蔡聪3,谢立群1

(1.苏州大学建筑与城市环境学院,江苏 苏州215123; 2.苏州大学基础医学与生物科学学院, 江苏 苏州215123;3.昆山市水利工程质量安全监督和水利技术推广站,江苏 苏州215300)

摘要：为了掌握湿地型生态岛中植物的适应性,了解适宜生长的植物和适宜的生态岛类型,以昆山望山河为试验河道,构造了两种类型湿地型生态岛对水生植物的越冬情况、生态适应性和氮磷积累量进行了试验研究。结果表明:所选择的5种水生植物越冬发芽率从大到小依次为鸢尾与黄菖蒲(两者相同)、梭鱼草、水葱、香蒲;砾石+泥土基质的生态岛有利于植物的株高和根数增加以及植物生长和氮磷的积累,提高湿地系统去除氮磷的能力;植物适应性和净化潜力从大到小依次为梭鱼草、鸢尾、黄菖蒲、水葱;鸢尾和黄菖蒲在试验地区可常绿越冬,适宜于冬季的城市河道治理,景观效果较好。

关键词：湿地型生态岛;水生植物;植物适应性;氮磷积累量;望山河

随着经济的发展和城市化水平的快速提高,我国部分城市河道水质恶化,污染严重,城市河道作为具有丰富生态功能的自然景观的重要组成部分,生态系统严重退化,城市河道生态修复刻不容缓[1-3]。在众多生态修复技术中,人工湿地技术和生态岛技术是目前比较常用而且有效的生态修复技术[4]。人工湿地技术广泛应用于各种废水处理,与常规技术相比具有成本低、易操作维护的优点[5-6],对其研究大多集中于植物筛选、植物和基质净化效果等方面;而生态岛技术兼有改善水质、提升景观效果同时恢复水生生态系统的功能[7],已有较为深入的基础研究和应用研究[8-9]。

本文通过对城市河道中不同类型湿地型生态岛上植物越冬发芽率、株高、根长、根数、生物量、氮磷积累量的试验研究,分析湿地型生态岛中水生植物的适应性和净化潜力,以便将湿地型生态岛应用于城市河道修复,提高河水净化能力,达到河道生态修复的目的。

1试验设计

1.1河道基本状况

以昆山望山河为试验河道,该河道位于江苏省昆山市老城区亭林公园附近,上游与致塘河垂直交汇,全长900 m,宽2.5 m,为典型的城市河道,驳岸为垂直式的硬性驳岸,景观效果较差。

河道两侧均无大型挺水植物生长,河道内浮水和沉水植物稀少,仅河道临水两侧存在少量狐尾藻等,水质浑浊,河道黑臭现象明显,水质测定结果综合评价为劣Ⅴ类,溶解氧含量较低,水体出现季节性黑臭现象,特别是在气温回升后常常散发阵阵恶臭气味,严重影响周围居民生活和城市市容。经调查,望山河河道的污染主要来源于附近居民区生活垃圾。

1.2湿地型生态岛设计

湿地型生态岛构筑于望山河河道中,外围用木栅构建。桩顶以下40 cm的区域为植物栽培层,植物栽培层以下的区域为粗砾石层,根据基质的不同组成,分别构建面积为1.2 m×7 m的A型和B型两种类型共6个生态岛。

a. A型生态岛植物栽培层设置。生态岛用镂空塑料筐构筑,塑料筐尺寸为60 cm×45 cm×30 cm。在粗砾石层上用土工布围边,上铺5 cm左右细砾石,细砾石上放塑料框,塑料筐内用土工布铺底和围边,筐内装泥后筐沿生态岛边缘排列1行,间隔30 cm,筐之间填充细砾石,筐内栽种植物。设置2个A型生态岛(A1和A2)。

b. B型生态岛植物栽培层设置。在粗砾石层上用土工布铺底和围边,当中填40 cm左右粗砂,粗砂内栽种植物。共设置4个B型生态岛(B1、B2、B3、B4)。

c. 植物选择。选择适当的植物和基质是构建生态岛的关键之一。湿地植物的选择以耐污能力强、除污效果好、根系发达、有一定的景观效果为原则。本试验选择鸢尾(Irissibirica)、香蒲(Typhaorientalis)、黄菖蒲(Irispseudacorus)、水葱(Scirpustabernaemontani)、梭鱼草 (Pontederiacordata)这5种苏州本地常见的大型挺水植物构建生态岛,各生态岛种植的植物见图1。

图1　试验生态岛布置示意图

1.3测定指标与方法

试验分两部分,一是越冬发芽率试验(2013年10月至2014年4月);二是植物适应能力及净化潜力分析(2013年10月至2014年10月)。

a. 植物越冬发芽率。5种植物于2013年10月初种植,试验开始时间为2013年10月12日,到2014年4月23日停止,每2周观测其长势,测定其发芽株数,计算其在不同生态岛上的发芽率,分析不同生态岛对植物越冬发芽率的影响。

b. 植物适应能力。采用3株植物的平均值计算株高、根数和最长根长,以分析同种植物在不同生态岛上以及不同植物在同种生态岛上的适应能力,从而优选出适宜植物生长的生态岛类型以及适应能力强的植物种类。

c. 植物净化潜力。植物氮磷积累量表示植物从湿地系统中带走的氮磷量,是直接反应植物净化潜力的重要指标。生物量和氮磷含量决定了植物对氮磷的积累性能[10]。①植物生物量的测定。植物在去除杂质后,将待测样品在80℃烘箱中烘至恒重后称重,计算平均生物量。②植物氮磷积累量的测定。将植物样品用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[11],总磷含量用钒钼蓝法测定[12]。将测得的植物生物量乘以植物氮磷的质量浓度就得到植物氮磷积累量[13]

2试验结果与分析

2.1植物越冬发芽率

植物越冬期间(2013年10月至2014年4月)最低温度为-4℃(12月),最高温度为17℃(4月)。植物发芽初始温度为13℃(3月)。

发芽期间发芽株数与发芽率如图2所示。鸢尾与黄菖蒲在苏州地区湿地型生态岛上均可以常绿越冬,香蒲发芽期在3月左右,梭鱼草发芽期一般在3月中下旬至4月。湿地型生态岛上5种植物越冬后发芽时间依次为鸢尾与黄菖蒲、香蒲、梭鱼草、水葱。

图2　生态岛植物发芽株数与发芽率

香蒲、水葱在B型生态岛上的平均发芽率分别为61.54%和72.53%。梭鱼草在B型和A型生态岛上的平均发芽率分别为88.02%和93.75%,其原因为A型生态岛栽培层基质为泥土,其保温效果较粗砂好。植物在B型生态岛上的发芽率从大到小依次为鸢尾与黄菖蒲(两者相同)、梭鱼草、水葱、香蒲,梭鱼草在B型生态岛上的发芽率小于A型生态岛,比较适合于A型生态岛上生长越冬。

2.2植物适应能力

植物株高、根数、最长根长是反应植物适应能力的几个主要指标。2014年10月试验终止时两种不同生态岛均种植的3种植物株高、根数和最长根长情况如表1所示。可以看出,在2种类型生态岛上植物适应能力从大到小依次为鸢尾、黄菖蒲、梭鱼草;A型生态岛有利于植物株高和根数增加,B型生态岛有利于植物根系生长。

表1　3种植物在不同生态岛上的株高、根数和最长根长

注:含有相同字母代表差异不显著(p>0.05),不同字母代表差异显著(p<0.05)。

A型生态岛更有利于3种植物的株高和根数增加,B型生态岛有利于植物根系生长,其原因与栽培层基质相关,泥土有利于植物生长,而粗砂更有利于植物根系长度的增加。鸢尾与黄菖蒲适应性较梭鱼草强。

陈永华等[14]通过对17 种湿地植物的研究表明,潜流湿地系统处理90 d后,鸢尾和梭鱼草的根数和最长根长分别为12条、14条和137 cm、22 cm。湿地型生态岛上植物根数均多于潜流湿地系统,梭鱼草最长根长基本相同,鸢尾最长根长明显小于潜流湿地系统。可见湿地型生态岛的构建利于植物根系数量的增长。

2.3植物净化潜力

2.3.1植物生物量

植物样品于2014年10月采集,此时植物生物量积累达到最大值。从表2可看出:A型生态岛上不同植物总生物量、地上生物量和地下生物量大小趋势相同,均依次为梭鱼草、鸢尾和黄菖蒲。B型生态岛上,不同植物总生物量大小和地下生物量大小趋势相同,均依次为梭鱼草、鸢尾、黄菖蒲和水葱,梭鱼草总生物量和地下生物量是鸢尾、黄菖蒲和水葱的1.592倍、5.667倍、44.606倍和2.188倍、10.659倍、57.712倍;地上生物量大小依次为鸢尾、梭鱼草、黄菖蒲、水葱,鸢尾的生物量分别是梭鱼草、黄菖蒲和水葱生物量的1.352倍、2.572倍、30.962倍。因此,在A型和B型湿地型生态岛上按植物生物量选择次序为梭鱼草、鸢尾、黄菖蒲、水葱。

表2　不同生态岛上植物生物量　kg/m2

从不同生态岛种植同种植物角度分析,黄菖蒲的总生物量、地下生物量均为A型生态岛大于B型生态岛,A型生态岛分别为B型生态岛1.214倍和1.869倍,地上生物量为B型生态岛的72.1%;鸢尾和梭鱼草在A型生态岛的总生物量、地上生物量、地下生物量分别是B型生态岛的1.951倍、1.501倍、2.266倍和1.750倍、2.924倍、1.472倍。

刘霄等[10]对香蒲和梭鱼草2种湿地植物研究结果表明,经过5个月的生长,梭鱼草总生物量为10.83 kg/m2,小于本试验A型生态岛上梭鱼草总生物量,大于B型生态岛上梭鱼草总生物量,可见相较于湿地系统和B型生态岛,A型生态岛更有利于梭鱼草生物量的积累,其原因是A型生态岛更有利于植物根系的生长和对营养物质的吸收。

根区是植物去除湿地污染物的活性区,根系生物量高的植物污染物去除能力强,选择具有较高根系生物量的植物可提高湿地氮磷的去除效率[15]。相比B型生态岛,A型生态岛更有利于植物总生物量和地下生物量的增长,提高湿地系统去除污染物的效果。按植物生物量选择的优劣次序为梭鱼草、鸢尾、黄菖蒲、水葱。

2.3.2植物氮磷含量和积累量

植物体内氮磷积累量如表3所示。

表3　植物体内氮磷积累量　g/m2

从同种生态岛种植不同植物角度分析:①A型生态岛上基于较高的生物量,梭鱼草和鸢尾具有较高的氮磷积累量;黄菖蒲的氮磷积累量最小,分别是梭鱼草和鸢尾氮磷积累量的10.74%、15.76%和22.62%、31.11%。②B型生态岛上,氮磷积累量大小次序均为梭鱼草、鸢尾、黄菖蒲、水葱,梭鱼草的总氮积累量依次为鸢尾、黄菖蒲、水葱总氮积累量的1.300倍、5.678倍和42.428倍,总磷积累量依次为1.198倍、3.622倍和116.894倍。

从不同生态岛种植同种植物角度分析:①A型生态岛上黄菖蒲的氮磷积累量分别高于B型生态岛16.42%和5.52%,A型生态岛的地上部分和地下部分氮磷积累量分别是B型生态岛的0.704倍、2.231倍和0.704倍、1.787倍。②A型生态岛上梭鱼草的氮磷积累量分别是B型生态岛上的1.909倍和1.848倍,地上部分和地下部分氮磷积累量A型生态岛显著大于B型生态岛。③B型生态岛上鸢尾的氮磷积累量分别低于A型生态岛15.10%和10.82%,植株地上部分、地下部分氮磷积累量均为A型生态岛大于B型生态岛。A型生态岛有利于3种植物体内氮磷的积累。

刘霄等[10]研究结果表明,经过5个月的生长,梭鱼草的氮磷积累量分别为117.12 g/m2和25.42 g/m2,分别比本试验中A型和B型生态岛上梭鱼草的氮磷积累量低。

植物地下部分与地上部分氮磷积累量的比值反映了植物储存氮磷的分布,两种生态岛上植物地下和地上部分氮磷积累量均差异显著。氮磷主要积累在鸢尾和梭鱼草的根部。收割地上组织可以去除湿地植物积累的部分氮磷，4种植物相比较,黄菖蒲在A、B型生态岛上的地上、地下部分氮磷积累的分配有利于通过收割地上部分去除氮磷。经过筛选,鸢尾和黄菖蒲适宜于B型生态岛,梭鱼草在A型生态岛上生长更有利于氮磷积累。按氮磷积累量选择从大到小次序为梭鱼草、鸢尾、黄菖蒲、水葱。

3结论

a. 植物越冬期间,鸢尾与黄菖蒲在苏州地区湿地型生态岛上均可以常绿越冬,适宜于冬季的水体绿化,景观效果较好。香蒲发芽期在3月左右,梭鱼草和水葱发芽期一般在3月中下旬至4月。植物发芽率大小依次为鸢尾和黄菖蒲(两者相同)、 梭鱼草、水葱、香蒲。

b. A型生态岛更利于植物越冬发芽生长和3种植物的株高和根数增加,B型生态岛有利于植物根系生长。梭鱼草须根较为发达,主根不明显,鸢尾与黄菖蒲适应性较梭鱼草更强。

c. 两种生态岛中,A型生态岛更有利于植物总生物量、地下生物量和氮磷积累量的增长,有利于提高湿地系统去除污染物的效果。

d. 植物适应性和净化潜力优劣程度次序为梭鱼草、鸢尾、黄菖蒲、水葱。

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Adaptability test of plants in wetland ecological island

WANG Yayan1,LI Mengying2,NI Pengping2,ZHANG Jiangang3,XU Yuliang3,CAI Cong3, XIE Liqun1

(1.SchoolofArchitectureandUrbanEnvironment,SoochowUniversity,Suzhou215123,China;2.SchoolofFoundationMedicineandBiologicalScience,SoochowUniversity,Suzhou215123,China;3.WaterConservancyEngineeringQualityandSafetySupervision,andWaterConservancyTechnologyExtensionStationofKunshanCity,Suzhou215300,China)

Abstract：In order to understand the adaptability of plants in the wetland ecological island, the suitable plants, and the suitable type of ecological island, the overwintering situation of aquatic plants, ecological adaptability, and nitrogen and phosphorus accumulation were discussed by constructing two types of wetland ecological island in Wangshan River of Kunshan City. Results show that the overwintering germination rates of five chosen aquatic plants from high to low are: Iris sibirica, Iris pseudacorus, Pontederia cordata, Scirpus tabernaemontani, and Typha orientalis. The ecological island of gravel-soil matrix is conducive to the increase of the plants height and root numbers, growth of plants, and nitrogen and phosphorus accumulation, which will improve the ability of nitrogen and phosphorus removal of the wetland system. The plant adaptability and purification potential of four chosen aquatic plants from large to small are: Pontederia cordata, Iris sibirica, Iris pseudacorus , Scirpus tabernaemontani. Iris sibirica and Iris pseudacorus can be evergreen winter in the experimental region, which are suitable for urban river regulation in winter and the landscape effect is good.

Key words：wetland ecological island; aquatic plants; adaptability of plants; nitrogen and phosphorus accumulation; Wangshan River

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.015

基金项目:昆山市科学技术局科技专项(KS1456);苏州市建筑与城市环境重点实验室建设项目(AKLK13004)

作者简介:王亚艳(1989—),女,硕士研究生,研究方向为园林植物与生态修复。E-mail: yayan.1011@163.com 通信作者:谢立群,副教授。E-mail: xlqsz@126.com

中图分类号：TV85

文献标志码：A

文章编号：1004-6933(2016)03-0079-05

(收稿日期：2015-06-03编辑：熊水斌)