潜流人工湿地处理低污染水对植物生长的影响

商侃侃，张国威，万吉尔

(上海辰山植物园 中国科学院上海辰山植物科学研究中心，上海 201602)

选择适当的挺水植物是构建人工湿地和恢复自然湿地的关键措施，一直是人工湿地领域研究的焦点之一[1-2]。挺水植物可以通过吸收、吸附、过滤和富集氮磷等营养物质，并定期收割来移除湿地系统的污染物质，选择的植物往往要求无性繁殖能力强、根系发达、生长迅速、生物量大且能耐受人工湿地的环境条件[3]。目前人工湿地常作为生物强化措施用于处理中、高污染的工业废水和生活污水，植物选择时常考虑其对高污染环境的耐受能力和净化效果[4-5]。

低污染水是一类总氮、总磷等特征污染物浓度未达到污水处理厂排放标准，但又劣于地表水环境质量标准V类水标准值的水，如劣V类地表水、污水厂尾水、农田径流排水等[6]。当人工湿地用于处理低污染景观废水和地表水时，氮磷也会成为植物生长的主要限制因子，影响人工湿地的景观效果。因此，关于处理低污染水的植物选择也成为人工湿地研究和应用的重要方向，现有研究主要以实验室容器模拟为主[7-8]，也有工程应用时湿地植物的筛选[9-10]，但主要都是通过植物生长特性和氮磷去除能力进行植物的选择，未有报道处理低污染水潜流人工湿地的植物生长和种植距离的关系。

本研究通过模拟上海城市地表水污染程度配制试验污水，进行一定长度砾石型潜流人工湿地处理，比较5种常用挺水植物的生长、生物量和氮磷吸收的空间差异及其人工湿地系统的净化效果，筛选适宜的挺水植物种类和种植规模，为低负荷潜流人工湿地的植物选择和布局提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验处理

试验场位于上海辰山植物园西侧的人工湿地处理系统中，由生态氧化塘、沉淀池、表面流人工湿地和水平潜流人工湿地组成[11]。该试验采用12个独立的潜流人工湿地床，每个湿地床长13 m、宽4.5 m，填料主要由粒径1～2 cm的砾石组成，深度约60 cm。选择本地区常用的5种挺水植物花叶芦竹(Arundodonaxvar.versicolor)、旱伞草(Cyperusalternifolius)、再力花(Thaliadealbata)、香蒲(Typhaorientalis)、芦苇(Phragmitesaustralias)，每种植物种植2个湿地床，种植间距为0.5 m×0.5 m，同时设置2个空白对照。

2016年4月上旬开始，种植5种挺水植物的根茎，常规养护缓苗半个月。至4月下旬，采用模拟地表低污染水进行水质净化和植物筛选试验。模拟的低污染水参照周边连通油墩港的园区外河水水质，通过添加硝酸钠、氯化铵、复合肥等化学试剂和肥料配制。配制的低污染水按植物生长期分为两个阶段，其具体的水质指标如表1所示。第一阶段(4月～7月)添加一定比例的硝酸钠、氯化铵和尿素，其平均水质：pH值为 8.3、电导率(EC)为500.1 μS/cm、浊度为4.3 NTU、溶解氧(DO)为9.4 mg/L、化学需氧量(CODCr)为12.5 mg/L、生化需氧量(BOD5)为5.3 mg/L、总氮(TN)为7.5 mg/L、氨氮(NH3-N)为2.1 mg/L、总磷(TP)为0.2 mg/L。为进一步促进植物生长，第二阶段(8月～11月)追加N∶P∶K(15∶15∶15)的复合肥，其平均水质：pH值为7.4，EC为500.1 μS/cm，浊度为4.3 NTU，DO为9.4 mg/L，CODCr为14.1 mg/L，BOD5为6.9 mg/L，TN为9.8 mg/L，NH3-N为6.9 mg/L，TP为1.9 mg/L。为保证模拟水质均匀，采用泵提升至4 m3水桶内，添加试剂混合均匀后灌溉湿地床，每天灌溉4 m3，持续时间为13～16 h，每周5 d。

表1 试验处理进水水质Tab.1 Inflow Water Quality in Experimental Containers

1.2 测定方法

5月～11月植物生长期内，每个月采集2次水样，每次同时采集12个湿地床的进水和出水水样。水质测定方法参照国家环保局编写的《水和废水监测方法》[12]，pH值采用HACH(hq411 d，美国)仪器测定、COD测定采用重铬酸钾法、TN测定采用过氧化钾氧化-紫外分光光度法、TP测定采用钼锑抗分光光度法，NH3-N测定采用纳氏试剂比色法。

12月，从进水口至出水口每隔1 m设置3个1 m2的植物样方，收割植株地上部分，称量鲜重，取部分样品带回实验室80 ℃烘干至恒重，计算含水率，并换算出单位面积干生物量。选择入水口、中点和出水口处三个点的植物进行干物质磨碎过筛，预处理好的植物样品采用H2SO4-H2O2消解制备成溶液，采用流式分析仪(Smart-Chem)测定样品氮磷含量。在进水口和出水口各取3棵植株挖出地下部分，称量鲜重并取部分样品带回烘干至恒重，计算根冠比。

1.3 数据处理

采用Excel等软件对数据进行计算和处理；基于Excel软件平台下进行植株高度、干生物量、氮磷吸收量及其累计比例与种植长度的回归分析和回归方程的统计检验。

2 结果与分析

2.1 不同植物湿地床的水质净化效果

与未种植植物的人工湿地相比，种植植物湿地床对BOD5、CODCr、NH3-N、TN和TP的去除率显著较强(p<0.05)，平均分别高出对照2.4%～10.2%、3.5%～9.3%、14.2%～19.2%、19.5%～29.1%和16.1%～20.7%，各植物系统间差异不显著(表2)。植物种植湿地床，对BOD5的去除率为81.2%～89.0%，以花叶芦竹和芦苇最高，其次为再力花和香蒲，旱伞草的去除率最低；对CODCr的去除率为32.0%～37.8%，以再力花和旱伞草最高，其次为香蒲和芦苇，花叶芦竹的去除率最低；对NH3-N的去除率为89.2%～94.5%，以芦苇最高，其次为再力花，花叶芦竹的去除率最低；对TN的去除率为64.0%～73.6%，以花叶芦竹最高，其次为香蒲、旱伞草和芦苇，再力花的去除率最低；TP的去除率72.2%～76.8%，以再力花和旱伞草最高，香蒲和芦苇次之，花叶芦竹的去除率最低。

表2 不同植物人工湿地系统的水质净化率 Tab.2 Water Purification Rate of Different Plant Treatment in Constructed Wetland Systems

注：ab表示差异显著性检验，具有相同字母则差异不显著

图1 不同种植距离植物株高和单位面积干生物量的变化Fig.1 Changes of Plant Height and Dry Biomass per Unit Area for Different Planting Distance

2.2 不同种植距离植物生长特征

从入水口往出水口方向，5种挺水植物随着种植距离增加株高和单位面积干生物量呈指数或线性下降(图1和表3，P<0.001)。随着种植距离(D)增加，花叶芦竹、旱伞草和再力花的株高(H)呈指数下降，其与种植距离的关系分别为H=2.547e-0.07D，H=2.140e-0.08D和H=2.932e-0.18D，当种植长度分别达9 m、8 m和6 m以上，植物生长高度分别仅为入水口植株高度的46.9%、47.5%和41.5%。香蒲和芦苇的株高呈线性下降，其与种植距离的关系分别为H=-0.39ln(D)+2.220和H=-0.40ln(D)+2.110，当种植长度13 m以上，植物生长高度分别为入水口植株高度的63.4%和62.5%。

随着种植距离(D)增加，5种植物的单位面积生物量(B)均呈指数下降(P<0.001)，其关系分别为B=-0.59ln(D)+1.717、B=-1.20ln(D)+2.896、B=-1.78ln(D)+4.429、B=-0.33ln(D)+0.964和B=-0.98ln(D)+2.351(表3)。从生物量积累来看，再力花、旱伞草、芦苇的累计生物量积累在2 m处已占湿地床总生物量的51.5%、49.6%和54.4%，分别至7、9 m和7 m处时累计生物量积累已占到90%以上；花叶芦竹、香蒲的累计生物量在5 m处占到50%以上，分别至10 m和11 m处时累计生物量占到90.2%和92.7%。

2.3 不同种植距离植物氮磷去除特征

5种水生植物地上部分氮磷去除量随着种植距离增加呈指数或对数下降，累计去除量占总去除量的比例呈指数上升(图2，P<0.001)。整个湿地床花叶芦竹、旱伞草、再力花、香蒲、芦苇地上部分的TN去除量分别为162.4、381.2、212.1、77.4和362.9 g，以旱伞草和芦苇最高，再力花和花叶芦竹次之，香蒲积累量最小。随着植物种植距离的增加，花叶芦竹分别在3 m和11 m处累计去除量占到总去除量的50.4%和92.9%，旱伞草分别在3 m和8 m处占到61.9%和90.7%，再力花分别在2 m和7 m处占到51.8%和93.6%，香蒲分别在4 m和11 m处占到58.4%和93.0%，芦苇分别在2 m和4 m处占到64.9%和92.4%。可见，再力花和芦苇在较短种植距离内积累了大量的总氮，花叶芦竹和旱伞草次之，香蒲的积累量最小。

整个湿地床花叶芦竹、旱伞草、再力花、香蒲、芦苇地上部分的TP去除量分别为5.5、30.8、12.6、2.5和9.1 g，以旱伞草最高，再力花、芦苇、花叶芦竹次之，香蒲积累量最小。随着植物种植距离的增加，花叶芦竹分别在4 m和10 m处累计去除量占到总去除量的54.0%和91.3%，旱伞草分别在2 m和8 m处占到55.5%和92.0%，再力花分别在2 m和6 m处占到54.4%和90.7%，香蒲分别在5 m和10 m处占到58.1%和90.4%，芦苇分别在2 m和4 m处占到63.3%和90.2%。可见，芦苇和再力花在较短种植距离内积累了大量的总磷，旱伞草和花叶芦竹次之，香蒲的积累量最小。

2.4 进水口和出水口植物根冠比

比较进水口和出水口植物的根冠比发现，5种植物的根冠比在出水口显著高于进水口(p<0.5)。其中，旱伞草的变化比例最大，出水口植物为进水口植物的5.14倍；其次为花叶芦竹、香蒲和再力花，分别为3.96倍、3.67倍和2.31倍；芦苇变化最小，出水口植物仅为进水口植物的1.68倍(图3)。

3 讨论与结论

图2 水生植物氮磷去除量和累计比例与种植长度的关系Fig.2 Relationship among Removal Amount, Cumulative Rate of Nitrogen and Phosphorus and Planting Distance

图3 进水口和出水口水生植物根冠比比较Fig.3 Comparison of Root-Shoot Ratio of Different Macrophytes between Inlet and Outlet

生物量是表征不同富营养化水体对植物生长影响的最优指标[8]，也是选择水生植物修复污染环境的重要指标[13]。低富营养水平下氮磷浓度限制了水生植物的生长，在一定范围内随着氮磷浓度增加植物生长和生物量积累增加，而在重度富营养化水体中，矿质元素成为植物生长的限制因子[14]。本试验随着湿地床内植物种植距离的增加，5种挺水植物的株高呈指数或线性下降趋势，单位面积生物量呈指数下降趋势(表3，图1)，且出水口植株的根冠比显著高于进水口植株(图3)，表明低污染水处理下5种挺水植物的株高生长和生物量积累均受到氮磷营养供应的限制。在5种植物对水质净化尤其是氮、磷养分消减差异不显著的情况下(表2)，种植距离对不同植物的抑制程度存在差异，再力花、旱伞草、芦苇的生物量积累集中在7 m以内，花叶芦竹和香蒲在10 m左右都具有较高的生物量，说明前三者较易受到低营养条件的影响。

植物体内的氮磷含量和积累量直接反映了其对营养物质的吸收和去除能力[9,15]，因而收割植物成为去除人工湿地系统中营养物质的一种有效方法[14,16]。本试验5种挺水植物的氮磷积累量随着种植距离的增加呈指数下降趋势，这与生物量的积累和植株体内养分含量有关。在进水口处，水体氮磷含量相对较高，维持了较高的生物产量和植株氮磷浓度；而随着植物吸收和根系过滤氮磷不断下降，株高和生物量呈指数下降，植株体内的氮磷浓度也降低，呈现出氮磷积累量的指数下降关系。比较5种挺水植物移除氮磷的能力，从移除总量上可以认为TN的大小顺序为：旱伞草>芦苇>再力花>花叶芦竹>香蒲，TP的大小顺序为：旱伞草>再力花>芦苇>花叶芦竹>香蒲；但从累计比例来看，两者积累效率大小顺序均为芦苇>再力花>旱伞草>花叶芦竹>香蒲(图2)。

研究表明处理低污染水的人工湿地中，植物吸收对去除氮磷等营养物质具有重要作用，需要选择高氮、磷积累量物种[9-10]。本试验表明，更应该选择具有高氮磷积累效率的物种，如芦苇、再力花可以在靠近入水口处具有较高生物量积累量和氮磷积累效率。因此，在潜流湿地床距离不变的情况下，为提高植物的氮磷利用效率和去除能力，前段应种植芦苇、再力花、旱伞草等氮磷高效积累的植物，后段可种植花叶芦竹和香蒲等较耐受贫营养水质的植物，但多种植物配置的水质净化效果仍需要在工程应用进一步验证。