人工湿地植物生长特性及其对氮磷富集能力研究Word格式文档下载.docx

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2周后两种植物均适应新的生长环境，开始稳定生长。

以天津市复兴河水作为湿地污水水源进行实验，污水储存在贮水箱中，通过进水管进入人工湿地系统。

实验正常运行期间（2009年6月－2009年10月）复兴河水质情况如表1所示。

人工湿地水力停留时间（HRT）为3d。

水样采集从6月上旬开始，频率为每周一次，由测定的进、出水中TN和TP浓度计算污染物的去除率，其公式如下：

R=100（Ci－C0）/Ci×

100%

（1）

其中:

Ci、C0分别为进、出水浓度。

表1实验期间主要进水水质参数（N=5×

4）mg/L，℃

参数CODCrTNNH3-NTPDOpHT

平均值280．8324．6312．542．153．676．6825．01

标准偏差73．486．394．870．761．580．182．72

为比较两种湿地植物的生长情况，每周从每个湿地系统中选取具有代表性的植株测量其株高、叶宽和叶长，每次测定重复3次。

在不影响植物正常生长的前提下，每月随机剪取各湿地系统中植物的叶片，测定其TN和TP的含量，以期比较湿地植物在不同生长时期叶片中氮磷含量的变化。

实验结束后（10月底），对两种湿地植物地上与地下组织进行收割。

将收割的植物洗净，根、茎、叶分开后称其鲜重，于80℃下烘至恒重后称其干重，精确至0．001g。

植物烘干后，粉碎过0．25mm筛，采用浓H2SO4-H2O2消解法测定根、茎、叶中TN和TP的含量［9］。

植物相对生长率（RGB）的计算公式为［10］:

RGB=（W2－W1）/t

（2）

式中:

W1和W2分别为初始种植和收割时植物的生物量，以植物干重表示，t为植物的生长天数。

植物氮、磷积累量的计算公式为［5］：

PA=PC×

PB（3）

PA为植物氮、磷积累量，mg/m2;

PC为植物氮、磷的质量浓度，mg/g;

PB为植物生物量，g/m2。

1．4水质指标分析

总磷采用过硫酸钾消解－钼锑抗比色法;

总氮采用碱性过硫酸钾消解－紫外分光光度法测定［11］。

2结果与分析

2．1湿地植物生长状况及生物量变化

实验期间，香蒲和梭鱼草均能在富营养化的复兴河水体中正常生长，株高、叶长及叶宽随时间的变化曲线如图1所示。

5月初植物刚移植入湿地，需要一段时间适应新的生长环境，生长较为缓慢;

两种湿地植物在6、7月份处于旺盛生长期，其平均每日株高增加值分别为1．7cm和1．1cm;

进入8月，香蒲和梭鱼草的生长速率均有所下降，在9月中旬达到株高的最大值（163．5cm和123．4cm）。

香蒲具有条形的叶片，6～8月叶长增长迅速，平均日增加值为1．53cm，叶长最长可达到125cm;

香蒲的叶宽在整个实验期间无明显变化，其值为0．5～1．0cm。

梭鱼草的叶片为倒卵状披针形，叶长增长平缓，平均日增加值为0.13cm，叶长最长为21．50cm;

梭鱼草的叶宽在整个实验期间变化较大，其值在4．67～10．50cm之间波动。

栽种前，香蒲和梭鱼草的总生物量分别为1．11kg/m2和1．51kg/m2，经过5个月的生长，两种湿地植物的总生物量分别为6．65kg/m2和10．83kg/m2，约为栽种前的6倍和7倍。

表2列出了两种植物收割时的生长状况。

梭鱼草的地上生物量和相对生长率均明显高于香蒲。

植物单株在快速生长的同时植株密度也在增加，虽然梭鱼草植株较为矮小，但分蘖较多，收割时两个湿地中植株总数目达到282株，约为香蒲总株数的3倍。

香蒲和梭鱼草地上部分的含水率无明显差异;

梭鱼草具有块状茎，而香蒲为具有须根的根状茎，梭鱼草地下部分的含水率明显低于香蒲。

表2两种湿地植物收割时的生长状况kg/m2，%

湿地植被

平均株数

地上部分

地下部分

相对生长率

生物量

含水率

湿重

干重

香蒲

50

11.75±

6.36

2.03±

0.06

79.59

18.71±

1.68

4.62±

0.28

75.29

0.

梭鱼草

141

30.00±

0.22

4.81±

0.57

83.95

9.36±

0.78

5.93±

0.17

36.30

根区是植物去除湿地污染物的活性区，根系生物量高的植物污染物去除能力强，选择具有较高根系生物量的植物可提高湿地氮磷的去除效率［12］。

无论是栽种前还是收割后，梭鱼草的地下生物量均显著高于香蒲，选择梭鱼草作为人工湿地植物更有利于发挥湿地去除氮磷的潜力。

地上与地下生物量的比值可以反映湿地植物生物量的分布。

从表2中可以看出实验结束时香蒲和梭鱼草的大部分生物量分布在地下，地上与地下生物量的比值分别为0．44和0．85。

2．2人工湿地系统对TN和TP的去除效果

Gottschall等研究者认为取决于植物的种类和设计参数，植物对氮磷等营养的吸收占湿地TN去除的3%～47%，占湿地TP去除的3%～60%［13］。

图2为人工湿地系统对TN和TP的去除效率，可以看出整个实验运行期间，种植植物的湿地系统对TN和TP的去除效率均显著高于无植物的空白（P＜0．05），但种植植物的两个湿地系统之间的差异不明显。

香蒲和梭鱼草湿地对TN的总去除率分别为77．33%和80．23%，分别比无植物的空白高13．35%和16．26%。

人工湿地系统对氮的去除依靠微生物的硝化、反硝化、植物的吸收和氨氮的挥发作用，8月香蒲和梭鱼草湿地对TN的平均去除率达到最大，分别为80．84%和87．25%，这一方面是由于经过两个月的生长，植物进入旺盛生长期，对氮的需求增加，另一方面8月的月平均气温为实验期间最高，温度高时植物光合作用产生氧气能力强，传输至植物根区形成一系列的好氧、厌氧环境，有利于硝化和反硝化作用的进行，同时，高温也有利于氨氮的挥发。

人工湿地对污水中磷的去除主要包括三条途径:

基质的吸附沉淀作用、植物的吸收作用和微生物的转化吸收作用。

6月份，香蒲和梭鱼草湿地对TP的平均去除率分别为83．69%和85．27%，仅比无植物空白高6．71%和8．29%，此时植物刚刚栽入湿地系统中，植物生长缓慢，微生物活性不强，基质对磷的作用是最有效的机制;

湿地中仅依靠基质吸附除磷达不到长期除磷的目的，随着时间的推移，系统的除磷能力会因基质的饱和而下降，10月份，香蒲和梭鱼草湿地对TP的平均去除率分别为70．56%和71．47%，而无植物空白对TP的平均去除率为58．24%。

2．3植物组织中TN和TP的分布及季节变化

植物组织中TN和TP含量根据其营养情况和生长状况的不同而有所不同。

从表3中可以看出，按单位干重计算，实验前，香蒲和梭鱼草根、茎、叶中TN的含量分别为13．26±

0．19，11．66±

0．17，25．00±

1．98mg/g和23．35±

0．04，21．63±

0．18，30．92±

0．30mg/g，TN在两种植物组织中的分布均为叶＞根＞茎;

香蒲和梭鱼草根、茎、叶中TP的含量分别为3．06±

0．04，3．59±

0．03，4．97±

0．02mg/g和4．76±

0．05，5．32±

0．02，7．09±

0．04mg/g，两种植物组织中的TP分布均为根＞叶＞茎。

实验结束后，香蒲和梭鱼草各组织中的TN、TP含量均明显下降，TN在梭鱼草组织中的分布仍为叶＞根＞茎，而香蒲组织中TN分布为根＞叶＞茎;

TP在两种湿地植物组织中的分布均为根＞叶＞茎。

就两种植物间差异而言，无论实验前还是实验后，梭鱼草叶和茎中的TN、TP含量均明显高于香蒲，说明梭鱼草地上部分对氮磷的吸收能力较强;

同时也可能是由于梭鱼草生长周期长，收割时枯萎程度较轻，大部分氮磷营养物质尚未转移至根区所致。

图3为实验期间两种湿地植物叶中TN和TP含量的变化。

5月初刚移栽时，梭鱼草和香蒲叶片中TN和TP的含量较高，分别为30．92±

0．30，25．00±

1．98mg/g和7．09±

0．04，4．97±

0．02mg/g，此时两种植物处于生长初期，植物叶片生长速度慢，生物量小，叶片输导组织、支持组织发育都不完善，细胞大多具有分裂能力，需要大量的蛋白质和核酸，对N、P的选择性吸收较多，因此浓度较高［14］。

到了7月份，随着叶片持续生长和生物量不断扩大，营养元素逐渐稀释，梭鱼草和香蒲叶中TN和TP的含量分别下降为21．13±

1．65，18．09±

2．29mg/g和2．81±

0．11，2．43±

0．06mg/g。

8月香蒲和梭鱼草叶中TN、TP含量略有增加，这可能因为8月为植物吸收根系快速生长期，根系的吸收能力得到加强［15］。

进入9月以后叶片开始枯萎，营养元素出现回流现象。

10月底收割时，香蒲和梭鱼草叶中TN、TP含量分别降为16．06±

1．32、2．47±

0．24和7．06±

0．25，1．45±

0．01mg/g。

表3两种湿地植物组织中TN和TP的含量mg/g

湿地植物

香蒲

梭鱼草

根

茎

叶

实验前TN含量

13.26±

0.19

11.66±

25.00±

1.98

23.35±

0.04

21.63±

0.18

30.92±

0.30

实验后TN含量

8.06±

3.17±

0.33

7.06±

0.25

10.57±

2.39

8.69±

2.63

16.06±

1.32

实验前TP含量

3.06±

3.59±

0.03

4.97±

0.02

4.76±

0.05

5.32±

7.09±

实验后TP含量

2.10±

0.37

0.62±

1.45±

0.01

2.71±

1.66±

0.36

2.47±

0.24

2．4植物对氮磷的积累性能

生物量和氮磷含量决定了植物对氮磷的积累性能。

表4给出了实验前和实验后2种湿地植物地上部分（茎和叶）和地下部分（根）的氮磷积累量。

实验前，两种植物相比，香蒲具有较高的磷积累量，梭鱼草具有较高的氮积累量;

香蒲的氮磷主要积累在地上部分，梭鱼草的氮磷主要积累在根部。

实验后，受益于较高的生物量，香蒲和梭鱼草具有较高的氮、磷积累量，分别为49．69g/m2，12．22g/m2和117．12g/m2，25．42g/m2。

地下/地上氮磷积累量反映了植物储存氮磷的分布，香蒲地下和地上部分氮磷积累量的差异显著，两者的比分别为2．98和3．79，氮磷主要积累在香蒲的根部;

梭鱼草地下和地上部分氮磷积累量的比为1．11和1．65。

收割地上组织可以去除湿地植物积累的部分氮磷。

和香蒲相比，梭鱼草地上、地下部分氮磷积累的分配有利于通过收割地上部分去除氮磷。

表4湿地植物地上部分和地下部分的氮磷积累量g/m2

实验前

氮累积量

2.43

17.24

28.76

6.88

磷累积量

0.56

9.76

5.86

1.64

实验后

37.22

12.47

61.71

55.41

9.67

2.55

15.82

9.60

3结语

实验期间，香蒲和梭鱼草两种湿地植物均能在富营养化的水体中正常生长。

实验前，香蒲和梭鱼草的总生物量分别为1．11kg/m2和1．51kg/m2，经过5个月的生长，两种湿地植物的总生物量分别为6．65kg/m2和10．83kg/m2，约为栽种前的6倍和7倍。

实验运行期间，香蒲和梭鱼草湿地系统对TN和TP的去除效率均显著高于无植物的空白（P＜0．05），但种植植物的两个湿地系统之间的差异不明显。

按单位干重计算，实验前，TN在两种植物组织中的分布均为叶＞根＞茎;

实验后，TN在梭鱼草组织中的分布为叶＞根＞茎，香蒲组织中TN分布为根＞叶＞茎;

梭鱼草具有较高的氮、磷积累量，分别为117．12g/m2和25．42g/m2，香蒲的氮、磷积累量分别为49．69g/m2和12．22g/m2。

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