7种北方园林绿化常用灌木对污水净化效果的研究

芦 静, 马 颖, 杨 波, 杨 琳

(1. 吉林省速生丰产林工作站, 吉林 长春 130022; 2. 长春世界雕塑公园, 吉林 长春 130022; 3. 吉林农业科技学院, 吉林 吉林 132101; 4. 吉林省林业技术推广站, 吉林 长春 130022)

利用植物净化水质、保持水土、过滤缓冲、防止坡面冲刷、调节气候、美化环境、提高生物多样性等生态功能,对河岸缓冲带进行生态修复,在河岸、湖滨、人工湿地等地带得到了广泛应用。植物净化污水治理措施不仅具有成本低、处理效率高、维护方便等优点,还能最大限度地发挥植物的生态效益与观赏价值。不同植物间的合理搭配能提高植物净化水体污染物的能力,还能为鸟类、蝶类等动物提供食物和栖息地,达到良好的景观效果。

对于人工湿地、河岸缓冲带的植物生态修复措施,以往研究多集中在菖蒲、芦苇、慈菇、香蒲、水葱、再力花、凤眼莲等水生植物[1-5]。近年来,多数学者把目光从水生植物转向了乔木和陆生草本、花卉植物。在已有的研究中,学者们似乎对杨、柳、稠李、水杉、合欢、两栖榕、白骨壤、红树等乔木[6-12],以及高羊茅、白三叶、百幕大、早熟禾、黑麦草、紫花苜蓿、美人蕉、狗牙根等陆生草本与花卉植物[13-20]更感兴趣,而对种类众多、花色艳丽、季相丰富、效益各异的灌木,相关研究较少。

在经济相对发达的地区,其湿地、河岸缓冲带的规划和建设,除应考虑净化污染、生态修复功能外,还应从社会效益出发,着重考虑休闲游憩、景观观赏等功能,而灌木在湿地与河岸缓冲带建设中起着举足轻重的作用。本文以东北地区园林绿化建设中常用的紫穗槐、金山绣线菊、胡枝子、小叶女贞、红瑞木、东北连翘、小叶丁香7种灌木为研究对象,采用模拟栽植法,探讨灌木对污水中总磷(TP)、总氮(TN)、化学需氧量(COD)的净化能力,并结合供试材料的生态习性与观赏特性,为其在河岸缓冲带建设、湿地修复等生态工程建设中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选择7种东北地区园林绿化常用的多年生灌木,见表1。选取株高、冠幅接近的1～2年生幼苗,采用盆栽法,5月初植。经过约60 d的生长调整,待供试材料生长稳定后,7—8月取样检测,中途不修剪。

表1 供试材料的主要习性与用途

1.2 试验装置

栽植容器选用直径30 cm、高28 cm的塑料花盆,花盆底部用滤网隔出2 cm高的集水空间收集水样,用于检测水污染物质量浓度。在每个盆中放置经多次清水冲洗并晾干的蛭石2 kg作为基质[21],避免其他污染物及病虫害对试验产生影响。试验装置摆放在室外,上方布置遮雨棚。

1.3 试验方法

在不考虑重金属及其他污染物影响的前提下,用KHCO3、KH2PO4、CH3COONa、NH4Cl、葡萄糖等试剂及自来水配制TP、TN、COD原水,缓慢向装置中过量浇灌。供试材料7 d的生长期为1个取样测试周期,重复操作。以无植物与清水浇灌为对照(CK),每个处理进行3次重复。原水污染物质量浓度见表2。

表2 原水污染物质量浓度

TP采用钼酸铵分光光度法检测[22],TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法检测[23],COD采用快速消解分光光度法检测[24]。

各污染物净化率的计算公式[25]为:

净化率=[(C0-C)/C0]×100 %。

式中:C0为原水污染物质量浓度/mg·L-1;C为取样污染物质量浓度/mg·L-1。

2 结果与分析

植物净化污染物的降解和去除机制主要有3个方面[9,26]:一是通过光合作用,直接吸收利用污染物中的氮、磷等物质;二是通过根系将氧气输送到种植基质中,在根系周边形成氧区和缺氧区穿插存在的微处理单元,满足根区微生物生长、繁殖和降解对氧的需求;三是植物根系对污染物,特别是重金属的拦截和吸附作用。本试验中,植物对污染物的净化功能主要表现在第一个作用上。采用蛭石作为种植基质,既抑制了植物根际好氧、缺氧和厌氧微生物由于硝化、反硝化等作用对植物净化污水效果的影响,也排除了土壤基质中本底氮、磷等营养物质及土壤pH对试验观测的影响,可以真实反映出7种供试材料净化污水的能力。

2.1 对TP的净化效果

从图1中可以看出,各供试材料对TP均有较高的净化率且高于对照,随着植株生长期的延长,净化率呈先下降后趋于稳定的趋势。其中,金山绣线菊对TP的净化效果最好,净化率达到61.79 %,紫穗槐的净化效果也较好,达到60.54 %,其余几种植物的净化效果次之。各植物对TP的净化率间存在显著差异(P< 0.05),从净化率的总体变化趋势来看,金山绣线菊>紫穗槐>红瑞木>小叶女贞>胡枝子>小叶丁香>东北连翘。

图1 各供试材料对TP的净化率

2.2 对TN的净化效果

从图2中可以看出,各供试材料对TN有明显的净化作用且均好于对照,净化率随植株生长期的延长呈先下降后稳定的趋势。其中,紫穗槐对TN的净化效果最好,净化率为33.28 %,金山绣线菊的净化效果也较好,达到29.12 %,其余几种植物的净化效果次之。各材料对TN的净化率间存在显著差异(P<0.05),从净化率的总体变化趋势来看,紫穗槐>金山绣线菊>胡枝子>小叶女贞>红瑞木>东北连翘>小叶丁香。有研究表明,紫穗槐为固氮植物[27-29],本研究的几种供试材料中,紫穗槐对TN的净化效果也是最好。

图2 各供试材料对TN的净化率

2.3 对COD的净化效果

从图3中可以看出,各供试材料对COD均有较好的净化作用且明显好于对照,净化率随植株生长期的延长呈先下降后稳定的趋势。其中,金山绣线菊对COD的净化效果最好,净化率达到40.34 %,红瑞木的净化效果也较好,达到38.59 %,其余几种植物的净化效果次之。各植物对COD的净化率间存在显著差异(P<0.05),从净化率的总体变化趋势来看,金山绣线菊>红瑞木>小叶丁香>紫穗槐>胡枝子>小叶女贞>东北连翘。

图3 各供试材料对COD的净化率

2.4 污水对植物生长的影响

本试验把抗逆性优、病虫害少作为选择供试材料的重要指标。通过对各供试材料的观察,在试验期内没有发生倒伏、萎蔫、枯黄等症状,生长状况基本良好,可见其对污水均有一定的抗逆性与适应能力。在生长过程中,污水中的污染物作为养分不断被灌木所吸收、利用或转化。记录灌木在浇灌清水和污水条件下的植株叶片变化情况,对叶片数量进行统计,同种灌木取均值进行比较(见表3)。

表3 浇灌清水与污水条件下叶片数量比较

从表3中可以看出,浇灌污水与清水相比,各植物生长状况良好,长势略快,表明试验用污水并没有抑制植物生长,恰恰相反,污水中的污染物富含氮、磷等营养元素,为灌木植物生长提供了一定养分,清水对照组生长相对缓慢。

3 结论与讨论

本试验中供试的灌木均对污水中TP、TN、COD有明显的净化效果,主要表现在其可直接吸收、利用污水中的营养物质,这也是植物材料与蛭石基质形成的复合系统综合作用的结果。植物通过自身生理活动吸收、利用污水中的营养成分,促进少量根际微生物的繁殖并与之共生,同时蛭石亦具有较强的吸附和离子交换能力[21]。随系统工作时间的增加,蛭石对污染物的吸附渐趋饱和,因此,净化率呈下降至稳定的趋势。此外,由于容器空间有限,一定程度上束缚了植物根系的生长,在实际应用中,由于土壤基质条件或根际微生物的差异,净化率与本试验结果可能存在一定差异。

绣线菊品种较多,包括土庄绣线菊、珍珠绣线菊、金山绣线菊、金焰绣线菊等,不仅耐寒性与抗逆性极强,而且花期长、花色艳、造型优美,是园林绿化中的常用灌木。本试验中,金山绣线菊对各污染物均有较好的净化效果,这是由于绣线菊的根际环境条件更宜于丛枝菌根真菌(AMF)的繁殖发育[27]。紫穗槐抗寒、抗风能力强,生长快、生长期长,不易发生病虫害,由于其树形优美且固土保水能力强,常用于园林美化和道路护坡,同时又是蜜源和饲料植物。有资料显示,紫穗槐为固氮植物[28,29],供试紫穗槐的生物量明显高于其他品种,故对N需求量较高,净化TN能力最强。红瑞木秋叶鲜红,小果洁白,落叶后枝干红艳如珊瑚,是少有的观茎植物,为常用园林景观树种,近年来未见其关于净化污水中营养物质的报道,而在本试验中其对COD的净化效果虽不及金山绣线菊,但要优于其他供试材料。东北连翘又名迎春花,在东北地区常被用于园林绿化,但在本试验中,东北连翘的净化效果并不优越。

供试植物在污水浇灌条件下生长基本良好,对污水中的TP、TN、COD具有一定的净化作用,各材料的净化效果存在显著差异。结果表明:金山绣线菊、紫穗槐对TP的净化率较高;紫穗槐、金山绣线菊对TN的净化效果较好;金山绣线菊、红瑞木对COD的净化效果较佳;其他灌木植物与前者相比略显劣势,其中东北连翘最不理想,但均好于清水对照。随生长期的延长,植物对污染物的净化率呈先下降后趋于稳定的趋势。

由于所选植物材料均为多年生乡土树种,根系发达、生物量大、抗逆性强、抗寒性佳,生长期长、花色艳丽、季相明显、树形优美,不仅对污染物的净化效果十分显著,其中又有饲料用及蜜源植物,栽植技术成熟,易管理,也可用于园林绿化及景观配置。因此,在河岸缓冲带、人工湿地生态建设等工程中,与其他乔木、灌木、草搭配应用,可做到层次错落丰富、生物多样性合理,观形、观色、观花、品香相辅相成,能发挥较高的生态效益与观赏价值。