寻乌废弃稀土矿区人工湿地4种植物净化水体氮的效果

徐冰石，袁小兰，张绿水*，刘 俏，吴高洋，刘 仁，刘苑秋，陈伏生

（1.江西农业大学林学院∕鄱阳湖流域森林生态系统保护与修复国家林业和草原局重点实验室，江西南昌 330045；2.江西农业大学南昌商学院，江西南昌 332020）

【研究意义】20世纪80年代至21世纪初，由于稀土矿的多年非法开采，植被遭到破坏，稀土废弃矿区水土流失严重，生态环境恶化[1]，青葱翠山转瞬成为“南方沙漠”。近10余年来，在国家水土保持重点建设项目等项目支持下，地方政府和相关企业开展了生物措施和工程措施相结合的综合治理，矿区植被覆盖得到基本恢复，水土流失得到有效治理[2]。但由于过去原位浸矿开采大量使用浸矿剂等化学品，如硫酸铵、氯化铵、碳铵、草酸等，开采结束后，这些浸矿剂仍长期残存于土壤中，并随雨水而持续不断进入河流，造成流域内及下游水质的长期无法达标[3]，急需加以治理。由于单纯依靠恢复后生态系统的自我净化和修复需要漫长的时间，在小流域末端建设人工湿地系统进行土壤外辅助净化成为行之有效的生态技术措施。植物作为人工湿地系统的重要组成部分[4]，对于人工湿地生态系统化学元素的吸收、积累、分配及归还的循环至关重要[5]。赣南离子型稀土矿区水体具有氨氮极高而其他养分如磷等不足的特点，如何筛选出适生于此环境且可净化氨氮的湿地植物显得尤为重要。【前人研究进展】已有的研究表明，生长速率即生物量积量是筛选湿地植物的首要因子[6]，植物吸收污染元素的能力是筛选湿地植物的重要标准[7]，而水体中污染物浓度下降是衡量湿地植物净化效果的直接指标[8]。可见，湿地植物筛选是多方面的、综合的。在湿地植物的选择上，应以多年生的挺水植物为主，其根系常年具有活性且无须每年栽植，地上部分可以连年生长，通过每年收割的方法去除污染物[9-10]，达到净化水质的效果。【本研究切入点】赣南地区多以山地为主，地势高低起伏，人工湿地常设计为多阶级式。相较于传统表面流湿地系统具有易堵塞的弊端而言，阶梯式人工湿地由于水位较深，可充分利用水源自身动力，延长水力停留时间，提高湿地的净化能力。而其阶级式设计是否有利于增强植物净化功能目前尚不清楚，值得深入探究。植物对水体中氮等污染元素的吸收量可直接反映水质的净化率，而植物吸收污染元素的能力与其生长状况密切相关[11]，因生长不良而生物量低会造成植物净化水质能力显著下降。湿地植物在稀土废弃矿区是否因氨氮含量较高而磷等其他元素含量不足带来元素供应失衡而影响其生长，以及不同阶级净化池之间湿地植物净化水体的差异目前少有报道。【拟解决的关键问题】为研究不同物种植物在人工湿地三级净化池中的生物量、氮含量及贮量变化，比较不同阶级净化池水体水质的异同，本文选用水葱（Scirpus validus）、再力花（Thalia dealbata）、芦苇（Phragmites communis）、美人蕉（Canna indica）4种湿地植物，重点检验:不同物种植物净化水体氮污染的效果主要取决于在磷限制条件下植物生物量的积累能力；湿地植物对不同阶级净化池水体氮净化率主要取决于氮磷供应及化学计量比对植物氮贮量的调控。本研究将有助于筛选出适应能力强、净化水质效果优的湿地植物，以期为赣南稀土矿原位浸矿区人工辅助处理污水的湿地工程提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省赣州市寻乌县，是稀土矿分布最为广泛的地区之一，也是我国重要的稀土资源基地之一，矿区总面积为16.27 km2[12]。赣南稀土矿属于离子吸附型稀土矿，早期开采方式为池浸法和堆浸法，后由于环保意识逐渐增强，2006年后基本采用原位浸矿法。此方法虽然对地表植被直接破坏较轻，但化学药剂的灌注使得植被根系萎缩，水土保持能力严重下降，且化学药剂滞留于土体成为长期的污染源[13]。寻乌县属中亚热带季风性湿润气候，年平均降水量约为1 600 mm，年平均气温18.9 ℃，四季分明，气候温和，光照充足，雨量丰沛，为湿地植物的生长提供了良好条件。

1.2 试验设计

试验地点设置于寻乌县废弃稀土矿区一处人工湿地，该人工湿地包含氧化塘和3个阶梯净化池，每个净化池面积为60 m2，各阶梯高差约80 cm；每个净化池各设置4块种植区，每个种植区面积为15 m2，随机种植水葱、再力花、芦苇和美人蕉，每种植物设置1个重复，2年生苗源均购置于当地花卉苗木公司。水葱属莎草科，为多年生挺水植物，匍匐根状茎粗壮，较耐寒，喜温暖潮湿的生长环境；再力花属竹芋科，为多年生挺水草本植物，地下茎粗壮，根系发达，地下根和根茎的空间体量巨大。芦苇属禾本科，为多年水生或湿生禾草，根状茎十分发达，适应性强，具有深水耐寒、抗旱、抗高温等优点；美人蕉属美人蕉科，为多年生草本植物，生长周期较短，栽种后可稳定生长。

1.3 样品采集

试验于湿地植物种植第2年即2019年9月，对净化池中的水体和湿地植物分别采样。每个净化池的水体采用随机多点混合采样法，水样装入100 mL离心管，低温储藏，带回实验室测定水质，每个净化池3次重复。植物取样则在每块种植区分别随机布设1 m×1 m的小样方，采取全挖法，同时调查小样方内植株数，换算成植株密度，并根据植株烘干后的干质量，计算出单位面积植株地下、地上和全株生物量，并带回实验室测定养分含量。

1.4 测定方法

植物全氮和全磷含量分别采用H2SO4-H2O2消煮后凯氏定氮法[14]和钼锑抗比色法测定[15]。水体氨氮用靛酚蓝比色法测定，总氮采用凯氏定氮法测定，全磷采用过硫酸钾氧化-钼锑抗比色法测定[16]。

1.5 数据处理和统计分析

式（1）中:PS为植物组织氮贮存量（g∕m2）；PC为植物组织氮浓度（mg∕g）；PB为生物量（g∕m2）。

所有数据正态分布检验后，用双因素方差分析物种和阶级对主要变量的影响及交互作用，用单因素方差分析及多重比较不同物种或不同阶级之间各变量的异同，用Origin 2018软件绘图。

2 结果与分析

2.1 湿地植物的生长情况

双因素方差分析结果表明，湿地植物地上和地下生物量在不同物种之间和不同阶级净化池之间均有显著差异，且物种和阶级存在显著交互作用（表1）。一级净化池植物地下生物量由大到小依次为美人蕉、水葱、再力花和芦苇，而地上和全株生物量为芦苇高于其他3物种2倍以上（图1a）。二级净化池植物地下生物量为再力花最高，美人蕉和芦苇次之，水葱最低，地上和全株生物量为再力花最高，芦苇和水葱次之，美人蕉最低（图1b）。三级净化池植物地下生物量为水葱最高，再力花次之，芦苇和美人蕉最低，地上和全株生物量均基本表现为水葱最高，再力花和美人蕉次之，芦苇最低（图1c）。3个阶级植物地下生物量平均值为美人蕉最高，水葱和再力花次之，芦苇最低，而地上和全株生物量为芦苇最高，水葱次之，再力花和美人蕉最低（图1d）。在不同阶级净化池中植株生物量在地下和地上的分配比例各异，但均表现为地上生物量高于地下生物量。

表1 物种和阶级对湿地植物生物量和氮贮量影响的方差分析Tab.1 ANOVA of effects of species and pond on plant biomass and nitrogen storages in a constructed wetland

2.2 湿地植物氮含量及贮量

湿地植物氮含量在不同物种之间和不同阶级净化池之间差异显著（图2a和b）。植物地上器官氮含量在第一阶级净化池中表现为美人蕉最高，再力花次之，水葱和芦苇最低，在第二和第三阶级中则均表现为美人蕉最高，再力花和芦苇次之，水葱最低（图2a）。地下器官氮含量在第一阶级净化池中由大到小依次为美人蕉、芦苇、再力花和水葱，第二级为美人蕉最高，水葱次之，芦苇和再力花最低，第三级为再力花、芦苇和美人蕉显著高于水葱（图2b）。同时，植物地上器官氮含量显著高于地下器官，且植物氮含量总体由小到大依次为第一阶级、第二阶级和第三阶级（图2a和b）。

图1 人工湿地4种植物在第一级（a）、二级（b）、三级净化池（c）及平均（d）的地上、地下和全株生物量（平均值±标准误差）Fig.1 Aboveground，belowground and the whole biomass of four plants in the first（a），second（b），third（c）purification ponds and their average values（d）in the constructed wetland（Mean±SD）

双因素方差分析结果表明，湿地植物地上、地下器官和全株氮贮量在不同物种之间和不同阶级净化池之间均有显著差异，且物种和阶级存在显著交互作用（表1）。地上器官氮贮量在第一阶级净化池中由大到小依次为芦苇、美人蕉、再力花和水葱，第二阶级为芦苇和美人蕉最高，再力花次之，水葱最低，第三阶级为芦苇较高，水葱和再力花居中，美人蕉较低（图2c）。地下器官氮贮量在在第一阶级净化池中表现为美人蕉是其他3物种的10倍以上，第二阶级为芦苇和美人蕉是水葱和再力花的2倍以上，而第三阶级为水葱和再力花为芦苇和美人蕉的2倍以上（图2d）。总体来看，植物地上器官氮贮量远远高于地下器官，全株氮贮量为芦苇最高，美人蕉次之，水葱和再力花最低（图2c和d）。

2.3 净化池水质的变化

氧化塘、一级净化池的氨氮含量均高于三级净化池，但是二级净化池中的氨氮含量与其它3个无显著差异；总氮为氧化塘高于一级、二级和三级净化池，而不同净化池均无显著差异；总磷为氧化塘、一级和二级净化池无显著差异，但均高于三级净化池（表2）。第一级、二级、三级净化池氨氮削减率依次为5.40%、8.57%、9.38%，总氮削减率依次为19.30%、1.07%、4.15%，均随净化池阶级增加而呈增强的趋势。

2.4 湿地植物磷含量和氮/磷比

植物地上器官磷含量在第一、二和三级净化池中均总体表现为再力花和美人蕉高于水葱和芦苇（图3a），而地下器官磷含量在第一级净化池中由大到小依次为再力花、美人蕉、芦苇和水葱，第二级和第三级均表现为美人蕉显著高于其他3物种（图3b）。水葱、芦苇和美人蕉地上和地下器官均总体表现为随阶级增加而增加，而再力花地上器官为第二阶级高于第一和第三阶级，地下器官为第一阶级高于第二和第三阶级（图3a和b）。此外，与氮含量相异，植物磷含量总体表现为地上器官低于地下器官（图3a和b）。

图2 人工湿地第一、二、三级净化池中4种湿地植物地上器官和地下器官氮含量（a和b）和氮贮量（c和d）（平均值±标准误差）Fig.2 Nitrogen concentrations and storages in aboveground（a and b）and belowground tissues（c and d）of four plants in the first，second，third purification ponds of constructed wetland（Mean±SD）

表2 人工湿地不同阶级净化池水质（平均值±标准误差）Tab.2 Water quality in different purification ponds in constructed wetland（Mean±SD）

植物氮∕磷比在不同物种之间的异同取决于净化池且地上器官与地下器官各异（图3c和d）。地上器官氮∕磷比在第一阶级为美人蕉最高，水葱次之，再力花和芦苇最低，第二阶级由大到小依次为美人蕉、芦苇、水葱和再力花，第三阶级为美人蕉和芦苇高于水葱和再力花（图3c）。地下器官氮∕磷比在第一阶级由大到小依次为美人蕉、芦苇、水葱和再力花，第二阶级由大到小依次为美人蕉、水葱、再力花和芦苇，第三阶级为再力花和芦苇最高，美人蕉次之，水葱最低（图3d）。同时，氮∕磷比表现为地上器官高于地下器官（图3c和d）。

图3 人工湿地第一、二、三级净化池中4种湿地植物地上器官和地下器官磷含量（a和b）和氮磷比（c和d）（平均值±标准误差）Fig.3 Phosphorus concentrations and nitrogen∕phosphorus ratio in aboveground（a and b）and belowground tissues（c and d）of four plants in the first，second，third purification ponds of constructed wetlands（Mean±SD）

3 讨论与结论

水体污染净化能力是筛选人工湿地植物的首要标准[17]。湿地植物可将碳水化合物及氧气等输送至根部，为微生物提供能量及微环境转化污染物[18]，并直接吸收从而净化水体。污水中氮主要以有机氮、氨态氮、硝态氮和亚硝态氮等形式存在，湿地脱氮及去除效果最主要的是湿地植物的吸收量。从植物体组织的氮浓度来看，4种湿地植物地上和地下器官氮浓度在不同阶级净化池略有差别，即净化池养分供应影响湿地植物的养分吸收和分配，但平均来看，美人蕉组织中氮含量最高，芦苇和再力花次之，水葱最低，这与以往类似的研究结果有一定的差异[19]，可能因为本研究中的人工湿地系统是一个氮单一污染而磷等其他养分限制的生态系统。

已有研究表明，湿地植物净化氮污染的能力不仅与植物组织中的氮浓度有关，还取决于其生物量及氮贮量[20-21]。从生物积累量来看，单位面积生物量最高的是芦苇，其次是水葱和再力花，而美人蕉最低，这表明本研究中的富氮少磷湿地环境较为适合芦苇的生长，而美人蕉可能更易因水体氮多而受毒害或磷少而受限制，不利于其正常生长，结合美人蕉地上器官N∶P＞20，为4种植物中最高，因此推断磷可能是美人蕉生长的限制因素[22]。综合植物组织氮含量和生物量得到的氮贮量来看，发现全株氮贮量为芦苇最高，美人蕉次之，水葱和再力花最低。可见，芦苇和美人蕉可推荐选为废弃稀土矿区人工湿地净化水体的物种。

进一步的分析可知，4种湿地植物的生物量和氮贮量均表现为地上器官高于地下器官，这与蒋跃平等[23]等的研究结果一致。这也表明，定期收获植物地上部分即可有效去除水体的氮污染[24-25]，降低水体的氨态氮和全氮浓度[26]。本研究中，氨态氮随净化池阶级增加而呈下降的趋势，总氮含量呈现出净化池显著低于氧化塘的现象均进一步支撑以上推断。不过需要指出的是，本人工湿地系统刚刚构建1年，湿地植物种植时间较短，生物量积累还非常有限，导致总体的净化能力还不足，有待进一步加强后期的跟踪研究。

湿地植物水体净化功能除与植物自身的特性有关外，还与水体的水质有密切的关系[27]。本研究发现，不同阶级净化池中氨态氮、总氮和有效磷及其相应的氮磷比有显著的变化，第一、第二、第三级净化池中氨氮削减率和总氮削减率均随净化池阶级增加而呈增强的趋势。与此同时，4种湿地植物在不同净化池中的生长及养分含量也有较大的差异，一级净化池中，芦苇的地上和全株生物量高于其他3物种2倍以上，生产力最高。尽管植物组织中氮含量芦苇低于美人蕉，但氮贮量仍为芦苇＞美人蕉＞再力花＞水葱，表明芦苇和美人蕉具有较强的水体氮净化能力。二级净化池地上和全株生物量为再力花最高，芦苇和水葱次之，美人蕉最低，氮贮量为芦苇和美人蕉最高，再力花次之，水葱最低，这表明二级净化池较适合再力花的生长，可以将其作为二级净化池优先种植的物种之一。三级净化池中地上和全株生物量为芦苇最高，水葱次之，再力花和美人蕉最低，相应的氮贮量为芦苇和水葱较高，再力花居中，美人蕉较低，由此可见，水葱可优先选择作为三级净化池中种植的物种之一。

以上分析可知，4种植物在不同阶级净化池的效果各异。氮素是植物生长需求量最大的矿质营养元素[28]，植物对氮素的吸收受到生长环境、氮的形态等因素影响[29]。在第一阶级中，芦苇根系尤为发达[30]，生物量最高，阶级式的人工湿地使水体形成好氧-厌氧-好氧的区域[31]，促进湿地植物对氮的吸收，对水体中的氮净化效果明显；在第二阶级中，再力花地上和地下器官生物量均最高，特别是地下器官表现出非常高的生物量积累，可作为适生于第二阶段的湿地植物进行种植。在第三阶级中，水葱与芦苇均表现出较好的净化氮的效果，主要源于其适生于此微环境，其地上和地下器官的生物量较高。

另一方面，氮磷比是评价植物生长养分限制的重要指标[32]。以氮贮量最高的湿地植物美人蕉为例，在三个阶级中该植物均表现出地上器官N∶P＞16，表明其生长主要受P限制[33]。对于不同的阶级来说，由于氮磷浓度有所差异，植物在各个阶梯中的净化效果也各不相同。因此，今后利用湿地植物净化水质时，既要考虑植物吸收污染元素的能力，也要关注养分限制性的影响。从本研究结果来看，在寻乌废弃稀土矿区人工湿地净化氮污染时，可以往水体中添加适量的磷，平衡养分元素的化学计量比，有利于植物的正常生长，从而提高湿地系统净化氮的效果。

4种湿地植物生长状况及地上和地下器官氮磷含量在不同阶级净化池中表现各异。单位面积生物量平均来看芦苇最高，水葱次之，再力花和美人蕉最低；植物组织氮浓度为美人蕉最高，芦苇和再力花次之，水葱最低；相应的氮贮量为芦苇最高，美人蕉次之，水葱和再力花最低，且地上器官显著高于地下器官。植物组织磷浓度为再力花和美人蕉高于水葱和芦苇，美人蕉和水葱地上器官氮磷比在不同阶级净化池均＞16。芦苇和美人蕉为研究区人工湿地构建的优先推荐植物。

第一级、二级、三级净化池氨氮削减率和总氮削减率均随净化池阶级增加而呈增强的趋势。一级净化池地上和全株生物量芦苇高于其他3物种，氮贮量为芦苇和美人蕉高于再力花和水葱，推荐芦苇和美人蕉优先配置于一级净化池。二级净化池植株生物量为再力花最高，芦苇和水葱次之，美人蕉最低，表明二级净化池较适应再力花的生长，可将再力花作为二级净化池推荐种植的物种之一。三级净化池植株生物量为芦苇最高，水葱次之，再力花和美人蕉最低，可将水葱作为三级净化池推荐种植的物种之一。综上所述，芦苇和美人蕉更宜配置于第一级净化池，再力花和水葱可分别配置于第二和第三级净化池。