湿地植物对农村生活污水中氮磷的净化作用

张靖雨， 汪邦稳， 龙昶宇， 张 卫， 张世杰， 朱昊宇

(1.安徽省·水利部淮河水利委员会 水利科学研究院，安徽 合肥 230088； 2.水利水资源安徽省重点实验室， 安徽 蚌埠 233000)

农业面源污染是水体富营养化的主要原因，其贡献率大大超过城市、工业的点源污染。农村生活污水排放量较少且时间集中，日变化系数大[1]。水生植物修复技术因其环境友好、成本低、净化能力突出等特点，逐渐成为一种重要的生态治理方法[2-3]。水生植物除本身能吸收同化氮磷等污染物外，还能通过根系沁氧[4]、细胞释放无机离子、糖类和有机酸等方式，为微生物提供生长代谢所需碳源。

据调查统计，中国水生植物共有61科，168属，741种[5]，用于湿地、河道修复等生态处理的研究多数集中在芦苇、菖蒲以及苦草、金鱼藻等常见的单一生态型[6-7]，这一类存在易受季节影响以及抗逆性差等问题，合理的植物群落组合的净化效果更稳定[8]。李欢等[9]认为混合群落中植被相对生长速率和累积生物量显著高于单独种植时期，Rodriguez等[10]发现芦苇与虉草的组合可以维持高效去污和低硝酸盐浓度之间的稳定关系。另一方面，不同的植物组合和种植条件构建的湿地系统其脱氮除磷特征也存在差异。周玥等[11]发现高浓度污水中单种挺水植物对TP的净化效果较好而多种植物组合对TN的净化效果更好。一般来说，湿地系统对污水中氮、磷的去除率平均能达到60%～90%[12]，但植物吸收对氮、磷去除贡献率平均只在6%～20%之间[13]，氮、磷物质的吸收同化是植物修复的主要去除方式[14]。相当部分的氮磷养分以沉积的方式被底泥截留，沉积物蓄积是氮、磷最主要的支出途径，占总支出氮、磷的比例为28.6%和42.3%[15]。关于适宜区域环境和不同生态型湿地植物组合的净化效果仍有待深入研究，同时有关湿地系统内氮磷养分去向特征的研究少有报道。因此，深入探讨氮磷高效吸收的最优植物组合模式对提高乡村生态综合治理效益具有重要的现实意义和工程价值。

本文选取不同生态型的6种湿地植物，在室内静水条件下通过植物生物量、污水氮、磷去除率、植物和底泥吸附量等多方面研究其镶嵌组合对污水的净化效果，分析污染物去除特征和途径，旨在优化水生植物配置，为构建湿地植物和乡村生态综合治理模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 试验设计

将所选取的各类植株，按照生长习性和景观效益进行组合配置，依次为：单一挺水种植组的再力花(Z)、美人蕉(M)、菖蒲(C)、梭鱼草(S)、鸢尾(Y)，单一沉水种植组的苦草(K)，组合种植组的苦草+再力花(K+Z)、苦草+美人蕉(K+M)、苦草+菖蒲(K+C)、苦草+梭鱼草(K+S)、苦草+鸢尾(K+Y)。各组试验水箱内种植密度保持一致，同时以无植物种植的水箱作为空白试验组。试验共12组处理，每组3个重复。

试验于2020年7月2日至9月2日开展，共计63 d，在自然通风条件下进行，场地设有挡雨棚，雨天时打开避雨。先采集底泥，待搅拌、混合均匀后覆于箱底，每桶底泥厚度为200 mm。再挑选沟塘内预培养的各类长势良好，大小一致的植株冲洗干净后移至箱内，加入同位置水样直至高出底泥基质200 mm处，再培育6～7 d左右。待植物长势稳定后排净培养水，最后每桶加入40 L试验站内化粪池中的生活污水。期间定期(5～7 d)补加少量蒸馏水至初始高度，以维持水位。

1.3 采样与测试

(3) 植物样品。试验开始时，取大小、长势较为接近的样品，测定初始生物量及各项指标；试验结束时每组收获大小、长势较为平均的整株植物，测定其生长量及各项指标。采集后的植株样品依次用自来水、去离子水冲洗干净，滤纸吸干水分，分根、茎叶称鲜重，之后放置在85 ℃烘箱内烘干至恒重，测量植株干重。经粉碎研细后用过0.15 mm筛，采用半微量开氏方法，用凯氏定氮仪测定植株TN含量；采用硫酸—高氯酸消煮—钼锑抗比色法，用全自动化学分析仪测定植株TP含量。

1.4 数据分析

植物相对生长速率的计算公式[16]如下：

RGR=〔ln(Bt/B0)〕/t

(1)

式中：RGR为植物的相对生长速率(%/d)；B0和Bt分别为实验开始和结束时植物的总生物量(g)；t为实验周期(d)，本研究中t为60 d。

单位面积植物平均氮(磷)吸收量计算公式为：

Qp=PCi×PBi

(2)

式中：Qp为单位面积植物平均氮(磷)吸收量〔mg/(m2·d)〕；PBi为试验开始时、结束时单位面积植物干重(g/m2)；PCi为试验开始时、结束时植株内氮(磷)含量(mg/g)。

单位面积底泥平均氮(磷)吸收量计算公式为：

Qs=1 000×ρb×V×(CSt-CS0)/S

(3)

式中：Qs为单位面积底泥平均氮(磷)吸收量〔mg/(m2·d)〕；ρb为底泥容重(g/cm3);V为水箱内底泥体积(m3)；CSt为第t天时底泥氮(磷)含量(mg/g)；CS0为试验开始时底泥氮(磷)背景含量(mg/g)；S为有效面积(m2)。

采用Microsoft Excel计算数据、绘图，采用统计分析软件SPSS22.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 污染物去除效果

2.2 植物生长情况及氮磷积累量变化

如表1所示，苦草的茎干、根系在培养前后的变化均不显著。在单种或混种培养方式下，再力花、菖蒲和梭鱼草培养后的茎干长度均显著高于培养前。长势最好的是单一种植的再力花，根、茎长度的相对生长速率为最大，且显著高于苦草和菖蒲，混合种植培养的再力花的干重相对生长速率最大。混合种植培养的美人蕉以及单一种植培养的梭鱼草最低，与其他各类植株的干重均存在显著差异。鸢尾地上和地下部分生物量的比值最大，从植物收获的可操作性方面来看，地上部分生物量的占比越大，越有利于污水净化系统通过收割地上茎叶去除氮、磷物质。因此单从植物生长状况这一层面来说，再力花、鸢尾在淮北平原区是适宜种植的湿地植物，种植梭鱼草、美人蕉对污水净化的功效相对较差。

注：Z，M，C，S，Y分别为单一挺水种植组的再力花、美人蕉、菖蒲、梭鱼草、鸢尾，K为单一沉水种植组的苦草，(K+Z)，(K+M)，(K+C)，(K+S)，(K+Y)分别为组合种植组的苦草+再力花、苦草+美人蕉、苦草+菖蒲、苦草+梭鱼草、苦草+鸢尾。下同。

培养前再力花处理组中植物TN，TP积累量最高，分别为449.9，130.7 mg/m2，苦草最低。不同处理组中植物体内氮积累量均随时间推移呈现上升趋势(图2)，培养前后各组植物体内TN积累量均有显著差异；而磷积累量随时间变化不显著。培养后，苦草组的TN,TP积累量增幅最高，分别较初期增加了12.4,1.3倍，显著高于其他挺水植物，说明沉水植物比挺水植物对污水中TP 的吸收效果更好。苦草+再力花组中TN积累量、再力花组中TP积累量最大，分别为1 683.2,173.2 mg/m2。除梭鱼草外，组合处理组与单一处理组的TN,TP积累量之间无显著差异。水生植物对污水中氮素有更好的吸附作用，对磷素的吸收效果一般；挺水植物生物量越大，对氮的吸收同化作用越好，这与周玥等[11]、Catalina等[17]的研究结果较为接近。

不同处理组中氮磷在植株体内的分配情况见图3。如图3所示，培养前，再力花、梭鱼草根部的TN，TP 含量显著大于茎部，含量占全部的比例分别为81.4%，74.3%和80.6%，71.0%，培养后该比例分别下降至35.7%，53.4%和27.5%，50.1%，氮、磷等养分呈现出由根部向茎叶转移的趋势。试验末期美人蕉、苦草中氮、磷的分配比例较试验开始时变化较小，养分转移变化规律并不显著，与培养期间植物的生长状态较差有关。

表1 不同水生植物试验前后生长状况

注：不同大写字母表示同一处理组在不同采样时间植株TN，TP积累量差异显著(p<0.05)；不同小写字母表示同一采样时间不同处理组植株TN，TP积累量差异显著(p<0.05)。

图3 氮、磷在植株体内的分配特征

2.3 底泥氮、磷吸收量变化

注：不同大写字母表示同一处理组在不同采样时间底泥及TP吸收量差异显著(p<0.05)；不同小写字母表示同一采样时间不同处理组底泥及TP吸收量差异显著(p<0. 05)。

2.4 质量平衡

如表2所示，整个水生植物处理系统中，各处理组中 TN，TP的平均总拦截量分别为862.0，46.1 mg，单位面积平均去除负荷分别为85.6，4.6 mg/(m2·d)。其中，苦草组、苦草+菖蒲组TN，TP拦截量最高，鸢尾组的TN去除量最低，苦草+美人蕉组的TP去除量最低。植物吸收总氮占系统总去除量的比例在6.9%～18.3%之间，植物吸收总磷占系统总去除量的比例在4.1%～13.6%之间，与卫小松等[18]、Gaballah等[6]的结果一致，植物吸收对氮、磷去除的贡献存在一定差异，美人蕉、梭鱼草及其组合种植处理组中植物吸附量所占比例均与再力花、鸢尾等种植组差异明显。

表2 污染物质量平衡

底泥吸附氮、磷占去除总量的比例范围在14.0%～31.5%和26.3%～68.4%之间，底泥吸附对 TP 去除的贡献明显高于对 TN 去除的贡献。此外，空白对照组中底泥吸附氮、磷比例基本高于其他水生植物种植组，通过污染物平衡计算的其他途径对氮、磷去除量占消纳总量的比例平均达到65.9%和53.3%，除去营养自然流失等客观因素的考虑之外，一定程度说明存在于底泥、水体等湿地系统中的微生物菌群及酶的直接、间接作用对氮磷的去除发挥着至关重要的作用[19]，植物对湿地N，P去除的影响不仅直接体现在N，P吸收，更在于根系泌氧作用为微生物生长、活动提供了碳源。

3 讨 论

各组水生植物在生活污水中大多长势良好，经过2个多月的生长，株高增长0.4～1.5倍，根长前后变化不显著，鲜重增加0.2～1.8倍。其中再力花生物量最大，鸢尾地上和地下部分生物量的比值最大。湿地植物对N，P的吸收量与其生物量呈显著正相关[20]，是降解低浓度生活污水中氮磷的主要力量。植物根系长度对净化水体的程度起着至关重要的作用[21]，并且地上部分生物量的占比越大，越有利于污水净化系统通过收割地上茎叶去除氮、磷物质。因此从株高、根茎长度、鲜重等植物生物量指标以及植物收获的可操作性方面来看，再力花和鸢尾具备较强的氮、磷吸收能力，是湿地植物较为理想的选择。美人蕉在整个试验阶段株高和根长增长率最低，且后期出现枯黄现象，种植美人蕉、苦草效果相对较差，原因与当地的气候条件、试验种植采用的底泥厚度、受试水深等多方面因素有关。

4 结 论

(2) 相比对磷素的吸收，水生植物对污水中氮素的有着更好的吸附效果。大型挺水植物如再力花、菖蒲等对氮的吸收同化作用更好，沉水植物比挺水植物对污水中TP 的吸收效果更好。培养前后，大多挺水植物如再力花、梭鱼草等根部的TN，TP 含量占比明显下降，氮、磷等养分表现出由根向茎叶转移的趋势，但美人蕉、苦草的养分迁移规律不显著。总体上，再力花、鸢尾及苦草的镶嵌组合在淮北平原区是湿地植物较为理想的选择。