人工湿地植物生长特性及其对氮磷富集能力研究.docx
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人工湿地植物生长特性及其对氮磷富集能力研究
题目：
人工湿地植物生长特性及其对氮磷富集能力研究
2013-1-4
人工湿地植物生长特性及其对氮磷富集能力研究
人工湿地是一种新型的污水处理工艺，它由基质和生长在基质上的植物、微生物组成，形成一个独特的土壤－植物－微生物生态系统，用于净化污水具有运行费用低、管理维护简单、处理效果好、适用围广等优点［1］。
植物是人工湿地系统的重要组成部分，湿地植物的作用形式多种多样，主要有稳定床体表面、改变水力传导能力、防止系统堵塞、促进微生物的生长繁殖、创造生物共生条件、向基质中释放氧气及景观美学作用等［2－4］。
湿地植物对污染物的去除能力与植物种类、植物净生长量、单位生物量的污染物蓄积强度有关［5］，植物还可以通过根系分泌物影响系统中微生物的特性进而影响对污染物的净化效果［6－7］。
关于湿地植物生长特性及不同生长期植物各组织TN和TP吸收能力的研究很少，这些都关系到植物在湿地污水处理过程过直接吸收所起的作用［8－9］。
香蒲（TyphaorientalisPresl）和梭鱼草（Pontede-riacordata）为天津本地常见的挺水植物。
香蒲根系发达、去除污染物能力强、景观效果好，是比较常用的人工湿地植物;梭鱼草具有较强的耐污能力和较高的地上部分生物量，是具有开发前景的人工湿地植物。
本文通过室外实验分析比较了不同生长时期两种水生植物的生物量、株高、叶长、叶宽的变化来考察植物的生长特性，并测定植物各组织TN和TP的含量，研究两种植物对氮磷的积累性能，为深入研究湿地植物在污水处理中的作用提供依据。
1材料与方法
1．1人工湿地植物和基质的选择
实验植物香蒲和梭鱼草取自天津市城市水环境改善与水源保护示基地中的人工湿地示园，该示园位于天津市外环河的西南段，湿地面积9615m2，处理规模4000～8000m3/d。
植物采集时间为2009年5月上旬，选择株形大小基本一致、生物量接近的香蒲和梭鱼草，带回实验室，洗净泥土去除枯叶后，测定栽种前根、茎和叶的鲜生物量、干生物量及TN、TP的含量。
1．2人工湿地系统的构建
人工湿地模拟实验在塑料桶（上部外径42cm，径40cm;下部外径32cm，径30cm;桶高45cm）进行。
桶底部设置一带阀门的出水管（直径2cm），填充10cm粗砾石作为底料，起收水和支撑作用，粗砾石上填充30cm层状页岩作为主填料层。
在主填料层上部2cm处设置直径1cm的进水硬管，其上设置布水孔，用以布施污水。
香蒲和梭鱼草均匀地栽种于各个人工湿地系统中，初始栽种密度为10株/桶，每种植物各设置两个平行，另设对照实
验一组，不栽种任何植物。
1．3实验设计及运行
室外实验在天津市水利科学研究院进行。
植物栽种后，加自来水至填料饱和，并保持其上1～2cm薄水层。
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）
式中:
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
生物量
含水率
湿重
干重
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
0.
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
根
茎
叶
实验前TN含量
13.26±0.19
11.66±0.17
25.00±1.98
23.35±0.04
21.63±0.18
30.92±0.30
实验后TN含量
8.06±0.19
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±0.04
3.59±0.03
4.97±0.02
4.76±0.05
5.32±0.02
7.09±0.04
实验后TP含量
2.10±0.37
0.62±0.04
1.45±0.01
2.71±0.01
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
湿地植物
香蒲
梭鱼草
地下部分
地上部分
地下部分
地上部分
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
氮累积量
37.22
12.47
61.71
55.41
磷累积量
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;TP在两种湿地植物组织中的分布均为根＞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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