湿地水生植物对富营养化水体的净化效果研究

曹开银,丁海涛,邓 超,卢 文，陈 俊,，金 杰,,3

(1.合肥学院 生物与环境工程系，合肥 230601；2.污水净化与生态修复材料安徽省重点实验室，合肥 230088；3.安徽省环境污染防治与生态修复协同创新中心，合肥 230601)

富营养化水体严重影响了水体的使用功能，还会进一步危害人类健康，通常被认为是劣质水体，其治理已成为世界难题。利用植物对富营养化水体进行生态修复成为研究的热点，浮叶植物、漂浮植物、挺水和沉水植物等水生植被的恢复和重建能够有效分配富营养化水体中的营养盐，在生长期间可有效净化富营养化水体[1]。湿地水生植物种类繁多，筛选出净化效果较好的植物意义重大[2]。

1 材料与方法

1.1 实验植物的选择及预处理

在巢湖烔炀湿地内烔炀河桥下、烔炀河入湖口、闸口、东侧湿地内沟渠和湿地内部设置7个植物采集点，具体位置如图1所示。在采样点烔炀河桥下和烔炀河入湖口有大量的芦苇(PhragmitesaustraliasTrin.)、菱角(TrapabispinosaRoxb.)、浮萍(LemnaminorL.)、美人蕉(CannaindicaL.)，西侧湿地池塘1和湿地池塘2分布较多的荇菜(Nymphoidespeltatum(Gmel.)O.Kuntze)、空心莲子菜(Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.)、浮萍、再力花(ThaliadealbataFraser)、鸢尾(IristectorumMaxim.)、狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)和睡莲(NymphaeaL.)、空心莲子菜、芦苇、浮萍、黑藻(Hydrillaverticillata)、水芹(Oenanthejavanica(Blume) DC)，在闸口和闸口入湖口荷花、芦苇、空心莲子菜分布较多，在东侧湿地内部芦苇、再力花、鸭舌草(Monochoriapauciflora(Bl.)Kunth.)、田字草(MarsileaquadrifoliaL.)分布较多。2016年6月下旬，在上述7个植物采集点选择具有生物量大、根系发达、耐污能力强等特征的再力花、美人蕉、鸢尾、黑藻、水芹、鸭舌草、田字草、狐尾藻8种水生植物作为研究对象。

在植物的采集过程中选取长势良好正在生长的植株，用塑料袋将植物根部包裹，在搬运过程中避免将植株茎秆弄断。用蒸馏水仔细清洗植物根部，对沉水植物用蒸馏水进行整体清洗，清洗过程中避免植物根须和茎秆受损[3-5]。利用预先配制好的营养液对其进行一周的预培养。

图1 采样点分布图Figure 1 The map of sampling point distribution

1.2 富营养化水体采集

农业面源污染和城市生活污水经入湖河流输入是巢湖污染物外源输入的主要来源[6]。巢湖主要入湖河流有南淝河、十五里河、派河、杭埠河等9条，其中南淝河、十五里河和派河以不足20%的入湖水量，输入60%以上的污染物[7]。烔炀河入湖口周边水域处于富营养化状态，河水中营养物质指标具备生活污水和农业面源污染特征[8]。2016年6月22日，在烔炀河西侧湿地池塘2一次采集水样800 L，用规格为25 L干净的塑料油桶灌装送至合肥学院环境工程研究院湿地工程实验室，倒入储水池备用。在浇灌植物前从储水池采集3组9个100 mL水样，分别检测NH3-N、CODCr、TP指标，为富营养化水体本底值如下表1所示。

1.3 研究方法

模拟人工湿地试验在长方形塑料桶中进行(长60 cm、宽40 cm、高50 cm)。从预培养一周的8种湿地植物中，挑选生长健壮，大小基本一致的健康植株，去除腐烂根叶并用去离子水冲洗根部。每桶种植一种植物5～10株，用双层网格支架固定，水体取自储水池。水浇灌量为每桶30 L，其水深约为13 cm，标记每个水桶的液面，试验期间通过加蒸馏水补充蒸发和蒸腾所消耗的水分，以保持桶中水位。温度和湿度分别控制在25℃～28℃和60%～70%，阴雨天补充光照。每种湿地植物种植3桶作为重复，并设置3桶无植物空白组对照，试验在2016年7月进行。

1.4 实验检测指标和检测方法

本次实验开始日期为2016年7月1日，水样采集间隔为5 d，水力停留时间为30 d，共计采样6次，采样前补充蒸馏水至标记液面位置，采样时间为上午十点左右，每桶每个检测指标取3个样，用注射器在水面以下5到10 cm处抽取水样100 mL，分析实验地点为合肥学院环境工程研究院。测定指标为NH3-N、CODCr、TP，测定方法分别采用纳氏试剂分光光度法、重铬酸盐法、钼酸铵分光光度法[9]。

1.5 数据处理方法

试验结果以平均值±标准差来表示，数据用软件Excel和SPSS进行处理。水中污染物去除率的计算利用公式计算，水中污染物去除率%=(初始浓度-最终浓度)/初始浓度×100%[10]。

表1 富营养化水体本底值(mg/L)Table 1 Polluter concentration of eutrophic water in the experiment(mg/L)

2 结果分析与讨论

2.1 植物对CODCr的净化效果

在整个实验过程中8种植物生长状况较好的是再力花、美人蕉、狐尾藻、水芹4种植物。由于水体的自净功能，空白组对污水中的CODCr有较低去除效果[11]。在水力停留时间为10 d时，鸢尾、黑藻、田字草对污水中CODCr去除率低于20%，在水力停留时间20 d时，再力花、美人蕉、水芹、狐尾藻这4种植物对污水中的CODCr的去除率均超过了50%。在水力停留时间为25 d时，美人蕉对污水中CODCr的去除率最高，但是在水力停留时间为30 d时，再力花成为所有植物中去除率最高的，达到81.33%，通过枝叶和根茎的比较，再力花适应后根茎的生长速度加快，其降解CODCr的能力提升较快。对污水中CODCr去除效率最低的3种植物分别是鸢尾、黑藻、田字草[12-13]。

图2 污水中CODCr浓度变化趋势Figure 2 Dynamics of CODCr concentration in the sewage

图3 湿地植物对CODCr的去除效果Figure 3 COD removal efficiency of the wetland plant treatment systems

根据实验结果可以得出，实验所选取的8种植物对污水中的CODCr去除均有一定效果，这8种植物对污水中CODCr的去除率大小依次为再力花>美人蕉>狐尾藻>水芹>鸭舌草>鸢尾>黑藻>田字草。挺水植物对CODCr的去除效果普遍好于浮水植物和沉水植物[14]，浮水植物狐尾藻的去除效果好于水芹、鸭舌草、鸢尾、黑藻和田字草，其去除率为76.90%。

2.2 植物对NH3-N的净化效果

从图4和图5可以看出，实验所选取的8种植物对NH3-N的去除效果都较好，植物对水中NH3-N的去除机理主要是是通过硝化作用将氨氮还原成硝态氮，继而通过反硝化作用将硝态氮还原成氮气[15]，植物的根系为硝化细菌和各种微生物提供了附着的场所。植物自身的吸收和基质的离子交换作用和吸附作用也是去除水中NH3-N的重要机理[16]。

图4 污水中NH3-N浓度变化趋势Figure 4 Dynamics of NH3-N concentration in the sewage

图5 湿地植物对污水中NH3-N的去除效果Figure 5 NH3-N removal efficiency of the wetland plant treatment systems

由于水体的自净功能[17]，空白组对NH3-N的去除率为7.02%。8种实验植物均将水中NH3-N浓度降到了 7 mg/L以下。在水力停留时间为15 d时，8种植物对水中NH3-N的去除率均超过了总去除率的50%，说明这期间植物通过吸收和微生物的硝化作用效果明显[18]。再力花、美人蕉、水芹对水中氨氮的去除效果最好[19]，挺水植物具有根系发达的优势，微生物附着面积大[20]。8种实验植物对污水中NH3-N的去除效果大小依次为美人蕉>水芹>再力花>黑藻>狐尾藻>鸭舌草>鸢尾>田字草，由此可以看出挺水植物对富营养化水体中NH3-N的去除效果普遍要优于沉水植物和浮水植物[21]。对水中污染物去除效果最差的3种植物分别是田字草、鸭舌草、鸢尾，根系不如美人蕉、水芹、再力花发达，且生长缓慢。

2.3 植物对TP的净化效果

试验中对磷的去除主要是依靠植物的吸收和基质的吸附，部分磷以磷酸盐的形式通过沉降并被基质固定。包括空白组在内，所有实验缸内的磷含量均有下降，空白组的去除率达到10.09%，就是因为底部基质对磷进行了吸附[22]。

在水力停留时间为15 d时，由图7可知8种植物对富营养化水体中TP的去除率均超过总去除率的50%,再力花与美人蕉依然保持了很好的去除效果[23],8种植物中去除效果最好的是水芹，在水力停留时间30 d，去除率达到82.67%。去除效果表现最差的是田字草，其原因与去除NH3-N效果不佳基本一致。8种植物对富营养化水体中TP的去除效果，由高到低依次为水芹>美人蕉>再力花>鸭舌草>黑藻>狐尾藻>鸢尾>田字草，鸭舌草对磷的去除效果在所选的浮水植物中表现最佳[24]，水力停留时间30 d，去除率达到68.35%。

图6 污水中TP浓度变化趋势Figure 6 Dynamics of TP concentration in the sewage

图7 湿地植物对污水中TP的去除效果Figure 7 TP removal efficiency of the wetland plant treatment systems

3 结论

8种水生植物，对富营养化水体CODCr、NH3-N、TP的净化均有一定效果。随着生长时间的延续，植物根系和茎叶快速生长，吸收营养物质能力增强，污染物去除率提高。富营养化水体CODCr的去除率大小依次为再力花>美人蕉>狐尾藻>水芹>鸭舌草>鸢尾>黑藻>田字草；对富营养化水体中NH3-N的去除率大小依次为美人蕉>水芹>再力花>黑藻>狐尾藻>鸭舌草>鸢尾>田字草；对富营养化水体中TP的去除率高低依次为水芹>美人蕉>再力花>鸭舌草>黑藻>狐尾藻>鸢尾>田字草。挺水植物再力花、美人蕉、水芹效果较好，对水中CODCr、NH3-N和TP的去除率分别达到81.33%、78.05%、73.86%，75.54%、84.66%、76.22%和73.61%、77.33%、82.67%，田字草的根系不发达，且生长缓慢，对CODCr、NH3-N和TP的去除率在8种植物中最差。8种植物对水体中TP的去除率均超过50%。