人工湿地不同植被净化水质效果与生理特性

解纯芬

摘要：通过模拟垂直流人工湿地污水系统，研究湿地植被鸢尾（Iris tectorum Maxim.）、菖蒲（Acorus calamus L.）、茭白（Zizania latifolia）和芦苇（Phragmites communis Trin.）对生活污水总氮（total N，简称TN）、总磷（total P，简称TP）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、生物耗氧量（biochemical oxygen demand，简称BOD5）和化学耗氧量（chemical oxygen demand，简称CODCr）的去除效果。结果发现，人工湿地4种植被对各种污染物的净化效果存在一定的差异，净化效果基本表现为鸢尾和芦苇高于菖蒲和茭白；人工湿地4种植被对氮素的去除效果较好，对TP的去除效果较差，说明4种湿地植被对生活污水中氮素的吸收效果较好；人工湿地4种植被地上部和地下部生物量、根系活力和基质酶活性均表现为鸢尾和芦苇高于茭白和菖蒲；4种植被地上部生物量均大于地下部生物量，就植株体内的N、P含量而言，地上部分N和P积累量高于地下部分；回归分析结果表明，人工湿地不同植被N、P积累量分别与生物量N、P含量呈显著的线性关系（P<0.05），由此推测，通过生物量和植被N、P含量来评价湿地植被对N、P去除的作用；相关性分析结果表明，人工湿地植被对生活污水各指标的去除率与植被自身生理特性密切相关，从相关系数来看，人工湿地植被对生活污水各指标的去除率与其根系活力和基质酶活性密切相关；除此之外，人工湿地植被对TN的去除与自身体内氮素密切相关，对TP的去除与自身体内磷素密切相关。

关键词：人工湿地；植被；净化水质；生理特性

中图分类号：X17；X703文献标志码：A文章编号：1002-1302（2017）06-0299-06

人工湿地是由土壤、砾石、炉渣等按一定比例构成的选择性植入植被的污水处理生态系统，该系统基质、水生植被和微生物等通过一系列物理、化学、生物途径高效去除特定的污染物[1-2]。人工湿地是近年来发展较为迅速的污水处理技术，具有投资低、去除和净化效果好、易维护、耗能低、美观等特点，被广泛应用于污水处理和水环境富营养化的防治中，已有不少地区取得了良好的环境效果和经济效益[3]。植被是人工湿地的核心之一，在净化水质等方面起着重要作用，湿地植被不仅具有同化吸收污染物的功能，还有拦截、过滤污染物的作用，促进污水中营养物质的循环和再利用，从而提高整个湿地生态系统微生物数量，促进湿地生态系统的硝化和反硝化作用，进而强化其净化能力[4]。随着城镇化水平的加快，我国水质污染和水资源浪费现象十分严重，据不完全统计，全国年排废水量400亿t以上，生活污水排放量日益增多，大部分未经任何处理直接排入生态系统，加重了水资源短缺，合理开发利用水资源及净化水质具有现实和长远意义[5]。近几十年来，关于人工湿地净化水质的研究大多局限于单一植被，人工湿地不同植被对富营养化水体处理效果的比较研究鲜见报道，并且尚未发现采用与植被生理变化相关的过氧化氢酶、过氧化物酶、元素的积累量和基质酶活性作为湿地植被筛选的报道[6-7]。针对以上不足，本试验在前人研究的基础上，选取4种常见湿地植被，构建潜流型人工湿地，通过对比研究不同植被对生活污水中生物耗氧量（biochemical oxygen demand，简称BOD5）、化学耗氧量（chemical oxygen demand，简称CODCr）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、污水总氮（total N，简称TN）、总磷（total P，简称TP）的去除能力，并探讨人工湿地植被生理特性变化及其与净化水质相关性，旨在筛选适合生长且净化能力较强的湿地植被，用于湿地水质净化和水环境修复，为人工湿地的推广应用提供植被材料和理论基础。

1材料与方法

1.1试验材料

人工废水配制：TN，9.15 mg/L；TP，0.24 mg/L；CODCr，365.9 mg/L；BOD5，112.3 mg/L；NH4+-N，8.56 mg/L；NO3--N，5.18 mg/L；pH值为7.09。

1.2人工湿地设计与流程

试验区位于重庆大学校区人工湿地系统。人工湿地结构底部为集水区，其上铺放尼龙网，共设4个人工湿地结构单元，每个单元长×宽×深=20 m×5.0 m×1.0 m。单元之间用宽0.5 m的土埂隔开，分3层依次填充基质，底层大粒径砾石（粒径20～30 mm）作为排水层，厚度约为25 cm，中层选用当地中号炉渣（粒径15～25 mm），厚度约为25 cm，上层选用当地小号炉渣和泥沙（粒径10～15 mm），厚度约为25 cm。湿地单元内分别种植常见的湿地植被鸢尾（Iris tectorum Maxim）、菖蒲（Acorus calamus L.）、茭白（Zizania latifolia）和芦苇（Phragmites communis Trin.），种植密度保持一致，为3～7株/m2。人工濕地单元底部为集水区，其上铺放尼龙网，防止填料下漏，每个单元沿对角线埋入直径为10 mm的PVC管，使人工湿地中的循环水能够流入PVC管，以便于试验样品采集。

2014年5月20日先用微污染水对4种植被驯化1个月再进行净化试验，选择株型大小、生物量基本一致的4种湿地植被，栽于人工湿地沙子基质上，植被栽上后，加自来水至沙子基质饱和，地下水培养1个月，保持其上2～3 cm薄水层，稳定20 d，其间换水3～5次。2014年7月20日将污水经配水池缓慢放入人工湿地（水深78～83 cm），由于水流通过水管均匀流入人工湿地，污水通过布设在人工湿地的布水管流入，缓慢向下渗滤，放水12 h后，停止注水，水力负荷控制在0.81 m3/（m2·d）。进水为上述配置的人工污水，经过人工湿地处理后的水从底部PVC管排出，生活污水在湿地系统中的停留时间为48～60 h，经过1年以后，测定各项指标。

1.3测定方法

人工湿地运行1年后，于2015年9月取出水口的，在实验室进行化验分析。各水质指标的去除率=（进水口值-出水口值）/出水口值×100%[5]。

统计每个单元人工湿地1 m2样方中植株数目、株高等生长性状，并将其收割分为地上和地下部分烘干测定其生物量。分别将地上部和地下部植被样品粉碎，用H2SO4-H2O2消煮制备成溶液，植被TN用过硫酸钾氧化吸光光度法测定，TP用钒钼蓝法测定[8]。

植被N、P积累量（g/m2）=植被体内N、P含量（mg/g）×植被生物量（g/m2）。

生理特性指标测定：植被根系数量、长度与活力、叶片过氧化物酶是反映植被适应能力与生理特性的主要指标；根系数量采用3株植被的平均根系数计算，根系长度采用3株植被的最长根平均数计算，根系活力、叶片过氧化物酶测定方法参照文献[5]。

根系附近基质脲酶与基质磷酸酶活性的测定：根系附近基质脲酶与基质磷酸酶活性可反映植被根系与微生物的互作强度，直接反映湿地生态系统中的微生物数量，间接反映植被对N、P吸收能力的强弱，测定方法参照文献[7-8]，土壤基质脲酶活性以24 h后100 g土壤中NH4+-N的mg数表示，土壤基质磷酸酶活性以24 h后100 g土壤中酚的mg数表示[9]。

水质测定项目包括TN、TP、NH4+-N、BOD5和CODCr：BOD5采用稀释接种法；CODCr采用重铬酸钾氧化法；NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法；TN采用过硫酸钾-紫外分光光度法；TP采用钼锑抗分光光度法；NO3--N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法[10]。

采用SPSS 21.0统计分析软件分别对数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA），多重比较采用LSD法，利用植被N、P积累量与植被生物量、N、P含量建立线性回归，由原始数据拟合线性回归关系经统计学检验得到拟合度参数r2，并检验相关系数的显著性（P<0.05）。

2结果与分析

2.1人工湿地不同植被对污水各指标平均去除率

由图1可知，人工湿地不同植被对TN、TP、NO3--N、NH4+-N、BOD5和CODCr的平均去除效果存在一定的差异，4种湿地植被对TN、TP、NO3--N、BOD5、CODCr和NH4+-N的去除率分别在63.4%～85.2%、21.6%～31.5%、53.1%～72.3%、58.7%～79.3%、31.7%～56.3%、43.7%～61.5%。人工湿地不同植被对TN的去除率基本表现为鸢尾>芦苇>茭白>菖蒲，鸢尾和芦苇对TN的去除率差异不显著（P>0.05），二者均显著高于菖蒲和茭白（P<0.05）；人工湿地不同植被对TP的去除率基本表现为鸢尾>芦苇>菖蒲>茭白，鸢尾和芦苇对TP的去除率差异不显著（P>0.05），二者均显著高于菖蒲和茭白（P<0.05），菖蒲和茭白对TP的去除率差异不显著（P>0.05）；人工湿地不同植被对NO3--N的去除率基本表现为鸢尾>芦苇>菖蒲>茭白，鸢尾和芦苇对NO3--N的去除率均显著高于菖蒲和茭白（P<0.05），菖蒲和茭白对NO3--N的去除率差异不显著（P>0.05）；人工湿地不同植被对NH4+-N的去除率基本表现为鸢尾>芦苇>菖蒲>茭白，鸢尾和芦苇对NH4+-N的去除率差异不显著（P>0.05），二者均显著高于菖蒲和茭白（P<0.05），菖蒲和茭白对NH4+-N的去除率差异不显著（P>0.05）；人工湿地不同植被对BOD5的去除率基本表现为鸢尾>芦苇>菖蒲>茭白，鸢尾和芦苇对BOD5的去除率均显著高于菖蒲和茭白（P<0.05），菖蒲和茭白对BOD5的去除率差异不显著（P>0.05）；人工湿地不同植被对CODCr的去除率基本表现为鸢尾>芦苇>茭白>菖蒲，鸢尾和芦苇对CODCr的去除率差异不显著（P>0.05），二者显著均高于菖蒲和茭白（P<0.05）。综合来看，4种湿地植被对氮素的去除率最高，对BOD5和CODCr的去除率次之，对磷素的去除率较低。

2.2人工湿地不同植被适应能力与生理特性

从湿地植被适应能力与生理特性来看，4种植被种植在生活污水中生长90 d后，在根系数量、长度、活力以及叶片过氧化氢酶活性方面都表现出差异。由图2可知，人工湿地不同植被地上生物量变化范围为423.5～752.3 g/m2，基本表现为鸢尾>芦苇>茭白>菖蒲，鸢尾和芦苇地上生物量差异不显著（P<0.05），二者均显著高于菖蒲和茭白（P<0.05）；人工湿地不同植被地下部生物量变化范围为321.3～703.2 g/m2，基本表现为鸢尾>芦苇>茭白>菖蒲，鸢尾和芦苇地下部生物量差异不显著（P>0.05），二者均显著高于菖蒲和茭白（P<0.05）；人工湿地不同植被根系长度变化范围为16.5～43.2 cm，基本表现为芦苇>鸢尾>茭白>菖蒲，鸢尾和芦苇根系长度差异显著（P<0.05），菖蒲和茭白根系长度差异不显著（P>0.05）；人工湿地不同植被根系条数变化范围为135～23.4，基本表现为鸢尾>茭白>芦苇>菖蒲，鸢尾和茭白根系条数差异不显著（P>0.05），二者均显著高于菖蒲和芦苇（P<0.05）；人工湿地不同植被根系活力变化范围为265～75.6 μg/（g·h），基本表现为鸢尾>芦苇>茭白>菖蒲，不同植被间根系活力差异均显著（P<005）；人工湿地不同植被根系过氧化氢酶活性变化范围为23.7～125.9 U/（g·min），基本表现为鸢尾>芦苇>菖蒲>茭白，不同植被间过氧化氢酶活性差异均显著（P<005）。

2.3人工湿地植被N、P含量、积累量及其相关性

2.3.1人工濕地植被N、P含量及积累量植被氮磷积累量表示植被从湿地系统中带走的氮磷量，是直接反映植被净化潜力的重要指标之一，其大小由生长量和植被内氮磷平均含量决定[11-12]。由图3可知，人工湿地不同植被叶片N含量变化范围在16.3～25.7 mg/g之间，基本表现为芦苇>鸢尾>菖蒲>茭白，不同植被叶片N含量差异均显著（P<0.05）；人工湿地不同植被叶片N积累量变化范围在451.6～1 123.6 g/m2 之间，基本表现为鸢尾>芦苇>菖蒲>茭白，菖蒲和茭白叶片N积累量差异不显著（P>0.05），且二者均显著低于芦苇和鸢尾（P<0.05）；人工湿地不同植被叶片P含量变化范围在1.6～4.7 mg/g之间，基本表现为芦苇>鸢尾>茭白>菖蒲，不同植被叶片P含量差异均显著（P<005）；人工湿地不同植被叶片P积累量变化范围在71.6～236.5 g/m2，基本表现为鸢尾>芦苇>菖蒲>茭白，菖蒲和茭白叶片P积累量差异不显著（P>0.05），且二者均显著低于芦苇和鸢尾（P<0.05）。

2.3.2人工湿地植被N、P含量与生物量之间的关系由原始数据拟合得到回归关系，经统计学检验得到拟合度参数r2，并在P<0.05和P<0.01水平上检验相关系数的显著性，从而显示了不同类型人工湿地植被N、P积累量与生物量及其N、P含量的相关关系，F检验结果表明，线性回归关系均达到显著水平，各回归关系成立。由表1可知，人工湿地不同植被N、P积累量分别与生物量及其N、P含量呈显著的线性关系（P<0.05），由此推测，通过生物量和植被N、P含量来评价湿地植被对N、P去除的作用。

2.4人工湿地植被基质酶活性

根系附近基质脲酶与基质磷酸酶活性是间接反映植被对N、P吸收能力强弱的主要指标[13]。由图4可知，人工湿地不同植被基质脲酶活性变化范围在 （48.3～73.2）×10-2 mg/g

之间，基本表现为鸢尾>芦苇>茭白>菖蒲，鸢尾和芦苇基质脲酶活性差异不显著（P>0.05），二者均显著高于菖蒲和茭白（P<0.05）；人工湿地不同植被基质磷酸酶活性变化范围在（21.6～112.3）×10-2 mg/g，基本表现为鸢尾>芦苇>菖蒲>茭白，鸢尾和芦苇的基质磷酸酶活性差异不显著（P>0.05），二者均显著高于菖蒲和茭白（P<0.05）。

2.5人工湿地植被对污水各指标去除率与生理特性的相关性

人工湿地植被对污水各指标的去除率与植被叶片生理各指标存在一定的相关性。由表2可知，人工湿地植被对TN去除率与根系活力、过氧化氢酶活性、叶片N含量、N累积量和基质脲酶活性呈极显著相关（P<0.01），与根系长度和基质磷酸酶活性呈显著相关（P<0.05）；人工湿地植被对TP去除率与根系活力、叶片P累积量、基质脲酶活性和基质磷酸酶活性呈极显著相关（P<0.01），与根系长度、过氧化氢酶活性和叶片P含量呈显著相关（P<0.05）；人工湿地植被对 NO3--N 去除率与过氧化氢酶活性、叶片N含量和基质脲酶活性呈极显著相关（P<0.01），与根系活力、叶片N累积量和基质磷酸酶活性呈显著相关（P<0.05）；人工湿地植被对NH4+-N去除率与根系活力、过氧化氢酶活性、叶片N含量和基质磷酸酶活性呈极显著相关（P<0.01），与地下部生物量、根系条数、叶片N累积量和基质脲酶活性呈显著相关（P<0.05）；人工湿地植被对BOD5去除率与根系活力、过氧化氢酶活性和基质磷酸酶活性呈极显著相关（P<0.01），与叶片P含量和基质脲酶活性呈显著相关（P<0.05）；人工湿地植被对CODCr去除率与根系活力和基质磷酸酶活性呈极显著相关（P<0.01），与根系长度、过氧化氢酶活性和基质脲酶活性呈显著相关性（P<0.05）。

3.1人工湿地植被对生活污水净化效果分析

人工湿地植被不仅可以直接摄取和利用污水中的营养物质，还能提高人工湿地的渗透系数，增强根区微生物活性和输送氧气等，而不同湿地植被对生活污水的净化效果和机制不同[13]。基质的吸附、植被的截流、过滤以及微生物的新陈代谢等活动是人工湿地净化水质的主要过程，N循环较为复杂，主要通过氨的挥发、硝化、反硝化过程、介质的吸附、微生物固氮以及氮的迁移转化得以去除[14]；对NH+4-N的去除主要是通过好氧微生物的降解[14]；对P的去除主要以吸附为主，随泥沙颗粒在介质中被截留，通过植被吸收、物理化学作用及微生物降解等3个作用去除[12]。本研究中4种人工湿地植被对氮素的去除效果较好，对TP的去除效果最差，说明4种湿地植被对生活污水中氮素的吸收效果较好，这主要是通过人工湿地植被的截流、过滤以及微生物的新陈代谢过程得以去除，人工湿地植被新生根系的须根较多，有利于根区微生物的着生，通过硝化和反硝化途径净化的N数量相对较少，从长期角度出发，微生物硝化和反硝化作用是人工湿地净化N的主要途径，优选根系发达的植被是提高该系统N去除率的重要措施之一，这与前人的研究结果[12，15-16]一致；而对TN、NO-3-N和NH+4-N的去除機制基本一致，植被对TP的吸收可能与根际微环境及植被与微生物的耦合作用密切关联。

3.2人工湿地植被生理特性分析

根系数量与长度是湿地植被适应能力强弱的最直接的形态学表现指标；根系活力的变化与叶片过氧化氢酶活性也是植被适应能力强弱的生理表现指标；根系附近基质脲酶与基质磷酸酶活性可反映植被根系与微生物的互作强度；基质磷酸酶能促进有机磷化物的水解；基质脲酶是酰胺酶，能促进有机质分子中肽键的水解。研究表明，基质的脲酶活性与基质的微生物数量、有机物质含量、全氮和速效氮含量呈正相关，它们能够反映植被在净化水质过程中的生理特性变化[15-16]。从湿地植被适应能力与生理特性来看，地上部和地下部生物量、根系活力、基质酶活性均表现为鸢尾和芦苇高于茭白和菖蒲。一般来说，在不同的运行条件下，人工湿地对有机物的去除效果比较稳定，但对N、P的去除效果容易受各种因素的影响而不稳定，所报道的数据往往变化范围较大。本研究人工湿地基质选用沙子（SiO2），对N的吸附能力较弱，容易达到饱和，可以考虑忽略不计，而N的循环条件较为复杂，湿地植被不仅通过植被吸收，还通过基质吸附、硝化和反硝化及氨的挥发等途径净化污水中的N[14]。为了探讨植被在人工湿地系统的净化污水中N的机制，本研究监测了湿地植被生物量和植被体内N和P含量的变化，结果表明，植被自身吸收同化污水中N水平与植被根系微生物作用有关[15-16]。鸢尾和芦苇新生根系的须根较多，根系生物量较大，有利于根际微生物着生，茭白和菖蒲根系生物量相对较小，依赖于根际环境的根际微生物数量相对较少，根际微生物硝化和反硝化作用相对较弱，通过硝化和反硝化途径净化的N数量相对较少。从长期角度出发，微生物硝化和反硝化作用是人工湿地净化N的主要途径，优选根系发达的植被是提高该系统N去除率的重要措施之一。

3.3人工湿地植被N、P含量、积累量及其相关性

生长条件相同的4种湿地植被生物量及分配变化较大，地上部生物量基本大于地下部生物量（除茭白外），就植株体内的N、P含量而言，地上部分N和P积累量高于地下部分，这种生物量的分配模式体现了N、P元素生长部位的分配特点，属于植被对N和P内在生长特性的平衡调节[14，17]。N、P积累量能够反映植被对N、P的直接去除能力，而营养物质的分配特点会涉及到采取的收割方式。本研究中人工湿地植被可以通过地上部分的收割去除大部分的N、P积累量，使其移出生态系统；同时，植被体N、P积累量主要与植被的生物量存在显著线性相关（表1），所以选择适宜人工湿地物种，通过增加植被的地上部生物量达到定期去除N、P的效果。

3.4人工湿地植被对污水各指标去除率与生理特性相关性分析

相关性分析表明（表2），人工湿地植被对生活污水各指标的去除率与植被自身生理特性密切相关。从相关系数来看，人工湿地植被对生活污水各指标的去除率与其根系活力和基质酶活性密切相关；除此之外，人工湿地植被对TN的去除与自身体内氮素密切相关，对TP的去除与自身体内磷素密切相关。综合分析可知，本研究所选取的4种湿地植被，鸢尾和芦苇是具有高吸收N、P功能、生命力强的植被种类，生物量也表现为较高，可作为构建人工湿地植被的首选，而茭白和菖蒲具有较低的生物量和N、P去除率等，由于人工湿地需要遵循植被多样性、景观配置原则，茭白和菖蒲也可在人工湿地中使用。此外，人工湿地植被的净化效果还与植被的生长速度、生长阶段、植被的生物量、植被根区微生物作用等有关，在以后研究过程中，选择生物量较大、富集污染元素较强的植被构建各种植被组合的人工湿地是净化水质的关键措施。

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.078