不同湿地植物对三江平原农田退水重金属的去除效果

赵丹慧 王清波 李琦 蔡体久 邸雪颖 孙晓新*

（1 东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2 黑龙江三江平原湿地生态系统国家定位观测研究站，黑龙江

抚远 156500；3 黑龙江三江国家级自然保护区管理局，黑龙江 抚远 156500）

重金属是污染水体的主要污染物种类之一，湿地系统对重金属有很好的去除效果（张荣社等, 2005），湿地植物对污染水体中的重金属有极强的富集能力（周建军等, 2014）。三江平原作为中国最大的沼泽湿地分布区之一，长期以来的农业活动在该区造成了农业非点源污染，大量营养物质和重金属进入水体导致湿地环境发生明显的变化（刘加海, 2012）。近些年，湿地污水处理技术被广泛应用于处理生活污水、工业废水等（Dan et al, 2017），但很少用于处理农田退水，关于三江平原沼泽湿地植物对农田退水去除效果的研究更少。在已有的报道中，大部分研究是单一湿地植物对营养元素N、P 的去除作用（刘树元等,2011）；三江平原稻田磷以及农田排水中铁在各级排水系统中的净化效果（王莉霞等,2011）,而鲜有研究探讨不同湿地植物配置对农田退水中重金属的净化作用。

本研究利用三江平原4 种常见湿地植物臌囊苔草、芦苇、水葱和香蒲，构建15 种不同植物配置的人工湿地，研究不同湿地植物对三江平原农田退水中4 种重金属Cr、Pb、Cu、Zn 的去除效果，以期为湿地保护管理提供依据，并筛选出对重金属去除效果较好的湿地植物，为以污水净化为目的的人工湿地构建提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 材料来源

本研究在黑龙江三江自然保护区抓吉管理站(47°44′40″～48°8′20″N，134°36′12″～134°4′38″E)进行，该区属于温带季风气候，但由于离鄂霍次克海域较近，具有海洋性气候的特点，年平均气温2.2 ℃，年平均降水量603.8mm。该保护区属冲积平原沼泽，广泛分布着小叶章Deyeuxia angustifolia、芦苇、臌囊苔草等湿地植物。

在抓吉管理站附近的天然湿地移植臌囊苔草、芦苇、水葱和香蒲4 种湿地植物的成熟幼苗。选择典型、常见且面积最大的臌囊苔草沼泽和小叶章沼泽的土壤作为实验用土，随机设置采样点，采集去掉土壤表层草根层且深度为0～50cm 的土壤。实验用土中Cr、Pb、Cu 和Zn 的含量分别为18.9mg/kg、86.2mg/kg、23.4mg/kg 和4.3mg/kg。 农 田退水为抓吉管理站附近稻田里的退水，退水中Cr、Pb、Cu、Zn 的 初 始 浓 度 为1.840 2mg/L、0.255 9mg/L、0.103 6mg/L、0.523 1mg/L。

1.2 实验方法

2017年6 月18 日-7 月30 日为缓苗期。在6 月18 日，构建模拟人工湿地。将采集的土壤样品风干，过筛去除石头和枯落物等杂质，将土壤混合均匀装在容器中，容器为高57cm、上口径48cm、下口径36cm 的聚乙烯桶，每个容器中的土壤高度为低于容器口12cm，实际高度为45cm。设置15 种不同的植物配置（表1），各进行4 次重复，共60 个聚乙烯桶。在聚乙烯桶中，按照植物配置移植长势良好、高度和生物量相近的臌囊苔草、芦苇、水葱和香蒲，密度为15 株/桶。将模拟人工湿地放置在抓吉管理站野外实验场，实验场避雨且自然光照充足。在此期间，在每个聚乙烯桶中注入去离子水，保证水位都高于土壤表面10cm。每两天补充一次去离子水，保证每个容器中水位不变。

表1 人工湿地内植物配置方式Table 1 Plant species arrangement of artificial wetlands

2017年7 月31 日-8 月28 日为处理期。在7 月31 日，将聚乙烯桶中的去离子水抽出，注入农田退水，定期补充去离子水，保持容器中的水位始终高于10cm。在此期间，每隔7 d利用聚乙烯瓶采集1次水样，即分别于8 月7 日、8 月14 日、8 月21 日、8 月28 日，采集水样100mL。将采集的水样冷藏保存并带回试验室，采用火焰原子吸收法测定水样中Cr、Pb、Cu、Zn 的含量。

1.3 数据分析和处理

采用方差分析方法，利用SPSS 18.0和Excel 2007 软件，进行数据分析和绘图。

图1 人工湿地水体中重金属含量随取样时间的变化Fig. 1 Weekly records of heavymetals in water column of artificial wetlands

2 结果与讨论

2.1 人工湿地中重金属含量随取样时间的变化

随着实验时间的延长，所有人工湿地中Cr、Pb、Cu、Zn 的含量都在逐渐降低，即W0＞W1＞W2＞W3＞W4。从实验开始至结束的4 周时间里，15 种人工湿地中Cr 和Zn 的含量均逐渐降低，Cr 和Zn含量在不同取样时间之间大多数存在显著差异（n=4，P ＜0.05），说明在实验期内，植物一直稳定吸收农田退水中的Cr 和Zn。但在15 种不同植物配置的微系统中，有14 种微系统水体中的Pb 含量在第1周和初始含量之间没有显著差异，但有11 种微系统的Pb 含量在第4 周较第2 周显著降低（n=4，P＜0.05），说明植物对Pb 的吸收在与污水接触之初并不明显，只有在达到至少2 周之后，这种吸收作用才明显表现出来。而Cu 的含量仅在第1 周取样时与初始含量之间有显著差异（n=4，P ＜0.05），之后的取样与第1 周取样之间有近一半没有显著差异，仅有2 类人工湿地水体中Cu 的含量在第4 周较第3 周显著降低（n=4，p＜0.05），说明植物对Cu的吸收在试验第1 周较为明显（图1）。

在28 d 的实验周期内，4 种植物及其组合一直稳定吸收农田废水中的Cr，人工湿地对低浓度的Cr有较好的去除效果，且低浓度的Cr 对湿地植物生长有促进作用（李志刚等, 2011），进而增强人工湿地对污染水体中Cr 的去除能力。在实验初期，15类人工湿地对农田退水中Pb 的去除效果均不明显，至少在实验进行两周后人工湿地对Pb 的去除效果才明显，适当延长污染水体在系统中的停留时间可提高人工湿地对Pb 的去除率（曹婷婷等，2017）。

2.2 人工湿地对重金属的累积去除率

15 种 人 工 湿 地Cr、Pb、Cu、Zn 的 累 积 去 除率 分 别 为81.59%～9.12%、41.08%～68.39%、9.07%～16.14%、59.06%～81.63%。人工湿地对Cr、Pb 和Zn 都有较高的去除率，在40%以上。其中，臌囊苔草+芦苇+水葱组合的人工湿地对Cr 的去除效果最佳，达到97.12%；对Pb 的去除效果最好的为臌囊苔草+芦苇+香蒲组合的人工湿地，累积去除率为68.39%；臌囊苔草+香蒲组合的人工湿地对Zn 的累积去除率最高，为81.63%（表2）。

在本研究中，15 类人工湿地对Cu 的累积去除率都较低，董小霞等（2017）研究组合式水生植物对Cu 的去除效果中，Cu 的去除率高达93.45%，比本研究中的去除率高很多。一方面是两者所用植物不同，不同植物对不同性质污染水体的抗性和适应性存在较大差异（Mishra et al, 2008）。另一方面，两者构建人工湿地的方法、所用基质、系统运行时间、重金属的初始浓度都不一样。在董小霞（2017）的研究中，Cu 的初始浓度为0.5mg/L，本研究中Cu的初始浓度较之低了一半。在用人工湿地去除重金属时，重金属的浓度越高，植物根部的浓度较低，植物根部吸收的重金属越多，则重金属吸收率也越高（Soda et al, 2012）。在一定的范围内适当提高重金属的初始浓度，可以增加植物对重金属的去除率。除此之外，Galletti 等（2010）在用人工湿地处理生活污水的研究中Cu 的去除率也较低，最高只有9%，当系统运行时间过长时，水环境会变成偏酸性，溶解氧较低使得Cu 释放得到水中，从而降低Cu 的去除率。

表2 人工湿地对农田退水中Cr、Pb、Cu 和Zn 的累积去除率 %Table 2 Cumulative removal rates of heavymetals from agricultural discharge in artificial wetlands %

图2 人工湿地中植物配置数量与重金属累积去除率关系Fig.2 Relationship between cumulative removal rates of heavymetals and number of plant arrangements in artificial wetlands

香蒲对重金属Zn 有很强的去除作用，含有香蒲的8 类人工湿地对农田废水中Zn 的累积去除率在70%以上。香蒲是用于净化污染水体的主要挺水植物，香蒲对环境胁迫耐性很强，且含有与重金属螯合的物质，对重金属有很好的净化效果（Kissoon et al, 2011）。

2.3 人工湿地中植物配置对累积去除率的影响

当人工湿地中植物配置数量为1～4 种时，随着植物数量的增加，Cr 和Cu 的平均累积去除率也增高，Cr 的平均累积去除率从89.56%增加到96.52%，Cu 的平均累积去除率则从12.57%增加到22.22%。Cr 和Cu 的去除率与植物组成种类数量之间有显著正相关关系（n=4，P ＜0.05），但Pb 和Zn 的去除率与植物组成数量之间则没有显著正相关关系（n=4，P ＜0.05）（图2）。

胡啸等（2012）在研究黄菖蒲Iris pseudacorus、黑藻Hydrilla verticillata、大薸Pistia stratiotes 及其组合对污染水体中Cr 的净化效果时，得出结论：对于Cr 的去除，3 种植物的组合系统更优于单一植物系统。董小霞等（2014）提出不同类型植物组合在一起的串联系统能高效去除污染水体中的Cu。本研究中Cr 和Cu 的去除率与植物配置数量存在线性关系，与上述研究所得结论基本一致，说明对于农田退水中Cr 和Cu 这两种重金属，通过增加湿地植物种类，可以有效提高重金属的去除率，达到更好的水质净化效果。

3 结论

臌囊苔草、芦苇、水葱、香蒲及其组合都适用于去除农田退水中Cr、Pb、Zn，对3 种重金属的累积去除率都达到了40%以上。但对Cu 的累积去除率则在23%以下，去除效果较差。对Cr、Pb、Cu、Zn的累积去除率最高的人工湿地分别为臌囊苔草+芦苇+水葱组合我（95.45%）、臌囊苔草+芦苇+香蒲组合（68.39%）、臌囊苔草+芦苇+水葱+香蒲组合（22.22%）、臌囊苔草+香蒲组合（81.63%）。

适当延长农田退水在人工湿地中的停留时间，能提高对Cr、Pb、Cu、Zn 的累积去除率。就Cr、Cu 的去除效果而言，多种植物搭配比单一植物的去除率高。