（3）Duringtheearlyexperiment（formMay2009toAugust2009）,thegrowthrateandnitrogenabsorptionofCyperusalternifoliusinplantsfloating-bedweregreaterthaninconstructedwetland.BiomassandnitrogenabsorptionofCyperusalternifoliusinplantfloating-bedsandconstructedwetlandsinJulywere1120.00g/tank,1033.10g/tankand17944.62mg/tank,15684.64mg/tank.Duringthelateexperiment（fromSeptember2009toJanuary2010）,thegrowthrateandnitrogenabsorptionofCyperusalternifoliusinconstructedwetlandweregreaterthaninplantsfloating-bed.BiomassandnitrogenabsorptionofCyperusalternifoliusinplantfloating-bedsandconstructedwetlandsinDecemberwere1940.40g/tank，4092.10g/tankand29072.03mg/tank，63489.00mg/tank.Fromthiswecanlearn,thegrowthrateandnitrogenabsorptionofCyperusalternifoliusinplantsfloating-bedweregreaterthaninconstructedwetlandintheearlyexperiment.Duringthelateexperimenttheplantinplantsfloating-bedwereagingobviouslyandtheplantinconstructedwetlandkeptwell.AndnitrogenabsorptionofCyperusalternifoliusinplantsfloating-bedwasworsethaninconstructedwetland.
KeyWords：
Cyperusalternifolius,constructedwetland,plantsfloating-bed,hydraulicretentiontime,hydraulicloadingrate
1前言
1.1人工湿地净化污水的概况
湿地被应用于污水净化始于20世纪50年代，而用人工湿地进行污水净化的研究始于70年代末。
目前所说的人工湿地（ConstructedWetlands）,是在天然湿地的净化功能基础上,参入人为因素的一种由人工将砾石、砂、土壤、煤渣等介质按一定比例构成的底部封闭并有选择性的植入水生植物的污水处理系统[1]。
其特点是投资省、处理效果好、运行维护方便，它属于一种生态治理污水的方法，可作为传统污水处理技术的一种有效替代方案，这对于节省资金、保护水环境以及进行有效的生态恢复具有十分重要的现实意义，也越来越受到世界各国的重视和关注。
人工湿地比天然湿地污水处理提供了更好的机会，因为人工湿地部分采取了人为控制措施，可以有效控制水力条件，提高湿地利用效率，从而可以优化系统去除BOD，COD，营养元素和细菌性污染物的性能。
它不仅可以为昆虫和其他动物提供生存环境，也可以作为一种美学景观[2]。
我国对于人工湿地的研究起步较晚。
我国对人工湿地的研究始于“七五”期间，从文献分析的角度看，直到“九五”期间才逐渐受到广大学者的关注[3]。
1987年，我国首例人工湿地污水处理工程由天津市环保所建成，占地6ha，处理规模为1400m3·d-1[4]。
1988～1990年在北京昌平建成我国首例自由表面流人工湿地。
1990年于深圳白泥坑又建成了湿地污水处理示范系统，其占地0．84ha，处理规模为3100m3·d-1，出水可以达到二级处理水平[5]。
经过20多年的研究和推广，现在人工湿地污水处理系统在我国已得到广泛应用，其领域涉及到生活污水处理[6]、工业废水处理[7]、农业点源面源污水处理及河道湖泊富营养化控制等[8]。
世界上公认的第一处用于污水处理的人工湿地是1903年建在英国约克郡Earby的湿地系统，并持续运行到1992年[9]。
Seidel在1953年发现芦苇可以净化污水后，设计了Krefeld湿地系统，该系统有4～5级，采用现在传统的芦苇砂石床，第一、二级为淹没垂直流湿地系统，其余为水平流系统，然而该系统后来被发现存在堵塞和表面积水现象[10]。
人工湿地在污水净化方面有着极好的效果[11]，随后不同设计的大型人工湿地在Arcata，CalifomiaandKentucky，Tennessee州纷纷建立用于污水处理[12]。
至今，随着技术的日趋完善，人工湿地在世界各地广泛应用。
1.2植物浮床系统对污水净化的研究概况
植物浮床技术是按照自然界自身规律，人工把高等水生植物或改良的陆生植物，以浮床作为载体，种植到富营养化水体的水面，通过植物根部的吸收、吸附作用和物种竞争相克机理，削减富营养化水体中的氮、磷及有机物质，并以收获植物体的形式将其搬离水体，从而达到净化水质的效果，同时又可营造水上景观[13]。
利用传统的物理、化学方法净化水质，虽然理论基础比较扎实，但是在实际应用中出现了不少的问题，如投资大、难操作、产生二次污染等。
植物浮床技术作为其中一种生物处理技术，已经被越来越多地用于治理富营养化水体。
国内外利用浮床植物对营养的吸收和降解能力来防治和修复富营养化水体的研究已开展了多年，并表现出了很好的净化效果。
司友斌[14]等采用浮床种植香根草技术净化富营养化水体。
结果表明，香根草对富营养化水体中的TN、TP、COD、BOD等具有明显的去除效果，能显著改善富营养化水体的水质。
马立珊[15]等采用浮床种植香根草技术初步研究了香根草对富营养化水体中主要养分N、P元素的去除动态及效率。
试验结果表明，浮床香根草技术是一种潜在的利用植物修复富营养化水体的有效途径，通过香根草根系的吸收作用，可大幅度地去除富营养化水体中主要养分N、P元素，这为发展利用浮床陆生植物治理富营养化水域提供了新的科学依据。
林东教[16]等研究探讨了漂浮栽培蕹菜和水葫芦对猪场污水的净化效果，结果两种植物均可以在高N、P浓度的猪场污水中生长，都能大量地吸收利用水体中的N、P元素，植物生长旺盛，净化效果显著。
但在不同阶段蕹菜和水葫芦对猪场污水的净化效果有差异，这与它们的生长状况有关，也与气候、污水有机质、N和P的含量等有关，是漂浮植物、微生物、水体以及植物根区生理生态特性相互作用的结果。
周小平[17]等研究了浮床空心菜、水芹和无植物系统其在富营养化水体中的运行情况,结果表明，浮床植物系统对水体中N、P具有良好的净化效果，植物的存在降低了系统中N20的排放通量。
Sun等通过添加反硝化细菌和曝气，使美人蕉浮床的TN、NO3-N、NO2-N和COD去除率分别从50.4%、22.4%、5.3%和39.9%上升到72.1%、75.8%、95.9%和94.6%[18]。
Li和Friedrich研究了浮床种植四种匍匐茎植物在四种不同浓度的农业灌溉污水中的生长情况及其对水体中磷的净化能力。
结果表明，鹦鹉草（Myriophyllumaquaticum）、雀稗草（Paspalumpaspalodes）和毛茛（Ranunculusrepens）的生长与水体中的营养物浓度的增长成正相关，使用浮床种植匍匐茎植物可有效去除水体中的可溶性磷[19]。
Miyazaki,A.采用浮床栽培技术研究风车草，水稻，美人蕉，芦苇在富营养化水体中的净化效果及生长特性。
研究表明，这些植物可以更有效地去除废水中的氮和磷，风车草的生长及净化效果不受污水中高pH值的抑制，可优先选作为净化富营养化水体的植物[20]。
用植物浮床系统治理污水水体，不但能有效净化污水，而且植物生长良好，能创造一定的经济效益和美化污染水体的水面景观。
如种植水生蔬菜等，若采用不同花期的花卉组合，兼有美化景观功能，即水面种花治理水污染。
利用人工浮床在富营养化水体栽培的蕹菜和水稻分别作为蔬菜和青饲料完全符合国家有关卫生标准。
1.3风车草（Cyperusalternifolius）在植物浮床系统和人工湿地系统中的应用概况
风车草（Cyperusalternifolius）属莎草科，原产非洲，喜温暖湿润和腐殖质丰富的粘性土壤，耐阴不耐寒，冬季生长温度不低于5℃。
风车草高40-150厘米，丛生，株丛繁茂,根系发达。
圆柱形杆从地下茎抽出，叶片轴射状排列，顶部叶片扩散如伞形，形似风车，具有较高的观赏价值，广泛分布于森林、草原地区的大湖、河流边缘的沼泽中。
我国南北各地均有栽培，一般用作观赏植物。
它适宜用于书桌、案头摆设，在南方地区露地栽植，适宜用于溪边、假山、石隙的点缀。
近年来，国内外学者的研究证明，风车草有很强的吸收污染物能力，并成功应用于人工湿地和植物浮床。
崔理华[21]等在垂直流人工湿地中采用煤渣、草炭混合基质代替砂砾基质，以风车草为湿地植物构成垂直流人工湿地系统，种植风车草可提高氨氮、TN和TP的去除率，分别为2％～3％、4％～6％、10％～14％。
靖元孝[22]等使用风车草潜流型人工湿地净化生活污水，并对污水中TN、TP、COD和BOD有较好的净化效果，与未种风车草系统相比，TN、TP、COD和BOD的去除率均有明显的增加。
罗固源等[23]利用风车草和美人蕉人工浮床治理临江河，结果表明，风车草具有较好的净化水质能力。
采用浮床系统研究风车草、菖蒲（AcoruscalamusL.）和香根草（Vetiveriazizanioiaes）在污染河水中的脱氮效果，结果表明，浮岛植物的脱氮效能依次为:
风车草>香根草>菖蒲。
张智等[24]利用风车草浮床系统对富营养化的双龙湖进行修复，实验表明，通过在湖面种植4米宽的风车草带可以在距其25米的范围内起到净化修复湖水的作用，对污水中的TN、TP、COD和BOD有较好的净化效果，并降低了水体中的藻类含量。
且在影响半径内水质随着离风车草带距离的减小而逐渐好转。
风车草在富营养化鱼塘水进行漂浮种植，可以正常生长，而且与彩叶草和茉莉等比较，净化效果最佳[25]。
1.4研究意义
人工湿地技术成熟，在废水处理工艺上目前已广泛受到关注。
但其水力停留时间过长，基质中有机质积累过高以及杂质的沉淀会引起堵塞，而浮床系统直接从水体中去除营养物，不会引起堵塞，管理相对比较容易，并且它对废水进行原位处理，不另外占用土地，能适应各种水深，但其发展较晚，技术相对不是太成熟、太完善。
此外，国外也有人曾经用以往别人的实验结果，对人工湿地和植物浮床的磷吸收能力进行了比较。
我们实验室的靖元孝[26]教授和李彬[27]师兄也曾研究了风车草浮床系统和人工湿地系统对污水的净化效果，发现风车草在这两种系统中仍然能保持良好的生长，并且对污水的净化取得了较好的效果。
但是这些研究都是在不同时间、不同环境下间接实施的，无法科学、合理地分析和比较人工湿地系统和植物浮床系统对生活污水的净化效果，特别是对有机污染物的净化效果。
而本次实验通过比较人工湿地和浮床在相同水力停留时间和相同水力负荷的条件下人工湿地和浮床的除污能力，鉴于以上这两种系统各自存在的优点和不足，可以尝试将两种系统进行整合或相互补充，从而为生态治理和修复提供更为广阔的思路和前景。
为此，本实验初步探讨风车草在用于浮床系统治理污水过程中的对氮的净化比较，为合理利用生态技术治理污水提供理论基础和科学依据。
2材料与方法
2.1实验场地和实验材料处理
实验从2009年3月开始至2010年1月于广东省广州市华南师范大学标本园内进行，实验用的风车草来源于标本园人工湿地。
据广州市气象局网站公布的相关资料，实验的相关气候条件如下：
广州位于东经112度57分-114度03分，北纬22度35分-23度35分，属南亚热带季风气候区。
年平均气温为21.4-21.9度，最热的为7-8月，平均气温28.0-28.7度，最冷为1-2月，平均气温12.4-13.5度。
年降雨量平均为1623.6-1899.8mm，雨量主要在4-9月的汛期，10月至翌年3月是少雨季节。
年平均太阳辐射值为4367.2-4597.3兆焦耳/平方米，年内太阳辐射以2月最低，7月最高。
风车草人工湿地的处理是在塑料水箱中（长，宽，高分别为67cm，51cm，38cm）加入碎石（直径1～3cm）至30cm高，在箱内竖直插入一塑料管至箱底以备抽水使用。
从人工湿地挖出的风车草去土洗净，剪去腐烂的黑根。
每个水箱移栽四株风车草（每株5个分蘖，每株鲜重生物量为500g，高50cm）。
风车草浮床处理方法，每个水箱选取生长接近使用于人工湿地的风车草四株（每株5个分蘖，每株鲜重生物量为500g,高50cm），用尼龙绳和竹条将风车草固定，使风车草根部刚好完全淹没在污水中。
每种处理三个重复。
2.2实验设计
据计算植物浮床和人工湿地容纳污水体积分别为135和60L，本实验分别比较研究植物浮床在相同水力停留时间（植物浮床1，停留时间2天）和相同水力负荷（植物浮床2，停留时间4.5天）条件下与人工湿地系统（停留时间2天）对生活污水的净化效果。
污水来源于华南师范大学行政学院的生活污水。
污水浓度为：
TN：
32.97～159.6mg/L、TP：
1.54～4.75mg/L、NH4–N：
14.39～53.58mg/L、NO3-N：
0.63～1.60mg/L、CODCr：
87.30～241.93mg/L、BOD5：
32.31～57.09mg/L。
设一个缓冲污水池以沉淀杂质和降低污水浓度的不稳定性。
抽取缓冲污水池中的生活污水分别到植物浮床和人工湿地，待其混匀后用五点采样法进行采样，用于测量进水浓度。
2天后从人工湿地采集出水水样，2天和4.5天后分别从植物浮床采集出水水样，比较研究植物浮床在相同水力停留时间和相同水力负荷条件下与人工湿地系统对生活污水的净化效果进行。
考虑到降雨对污水的稀释作用，尽量避免在降雨期间进行水样采集和分析。
在采集处理后水样前，如果因蒸发和蒸腾作用导致水箱水量减少，可补充自来水，保持水箱水量平衡，同时计算补充自来水中无机物和有机物的含量。
每月灌水三次，每月测定一次。
2009年3、4月对风车草浮床和湿地系统驯化培养，2009年5月开始正式记录测得的实验数据，2009年7月、2010年12月对植物进行收割，测定其体内氮含量。
2.3测定指标及测定方法
2.3.1污水浓度测定
（1）总氮（TN）
用过硫酸钾氧化－紫外分光光度法测定。
在120～124℃的碱性介质条件下，用过硫酸钾作氧化剂，可将水中的氨氮、亚硝酸盐氮及大部分的有机氮化合物氧化成硝酸盐，然后，用紫外分光光度法分别于220nm与275nm处测定其吸光度，按A=A220-2*A275计算硝酸盐氮的吸光度值，从而计算总氮的含量。
（2）氨氮（NH4–N）
用纳氏试剂光度法测定。
碘化汞和碘化钾的碱性溶液与氨反应生成淡红棕色胶态化合物，在420nm波长下测定其吸光值。
（3）硝氮（NO3–N）
用紫外分光光度法测定。
用紫外分光光度法分别于220nm与275nm处测定其吸光度，按A=A220-2*A275计算硝氮的吸光度值。
2.3.2植物体内N含量测定
将植株根茎叶各部分用清水洗干净，然后放人烘箱内75℃烘48h，直至恒重。
分别称取烘干的根茎叶各部分用硫酸－过氧化氢进行消化，冷却稀释后，其N含量采用碱性过硫酸钾氧化－紫外分光光度法测定。
2.4数据处理
使用Microsoftexcel2003记录实验数据，使用Origin7.5绘图以及统计计算各指标的平均值和标准差，并通过方差分析检验差异的显著性。
3．结果与分析
3.1风车草浮床及人工湿地系统对水体总氮的净化效果
风车草浮床及人工湿地对生活污水的TN去除率变化情况见图3-1
图3-1植物浮床和人工湿地TN去除率
（植物浮床1：
与人工湿地的水力停留时间相同；
植物浮床2：
与人工湿地的水力负荷相同）
由图3-1可以看出，风车草浮床系统和人工湿地系统总氮去除率具有相似的季节变化规律。
在5-7月，随着植物的生长、生物量的增加、植物覆盖度的增大以及气温的不断升高，TN去除率不断上升，植物浮床1、植物浮床2TN去除率的最大值分别达到45.66%、63.18%，人工湿地TN去除率的最大值为54.4%。
8-12月，随着气温的不断降低，植物生长的放缓，人工湿地TN去除率比较稳定，而植物浮床1和植物浮床2总氮去除率稍有下降。
到2010年1月，由于受寒流的影响，温度急剧降低，植物浮床1、植物浮床2和人工湿地TN去除率迅速下降，均达到最低值，分别为22.48%、38.39%、36.65%。
整个实验期间，植物浮床1、植物浮床2和人工湿地TN去除率平均值分别为37.43%、53.21%、49.17%，人工湿地TN去除率明显小于植物浮床2，而大于植物浮床1。
此外，在9月到翌年1月，由于植物浮床TN去除率下降速率明显大于人工湿地，人工湿地TN去除率与植物浮床2变得较为接近，且与植物浮床1的差距进一步加大。
3.2风车草浮床及人工湿地系统对水体氨氮的净化效果
风车草浮床及人工湿地对生活污水的NH4–N去除率变化比较情况见图3-2
图3-2植物浮床和人工湿地NH4–N去除率
（植物浮床1：
与人工湿地的水力停留时间相同；
植物浮床2：
与人工湿地的水力负荷相同）
图3-2结果表明，风车草浮床系统和人工湿地系统NH4–N去除率具有相似的季度变化规律。
在5-7月，随着植物的生长、
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