植物浮床和人工湿地污水处理系统中风车草生长特性比较

徐婵枝，靖元孝*，杨丹菁，王忠正，吴方猛，吕改云

(1.华南师范大学生命科学学院，广东省高等学校生态与环境科学重点实验室，广东广州 510631; 2.广州市环境保护科学研究院，广东广州 510620)

植物浮床和人工湿地污水处理系统中风车草生长特性比较

徐婵枝1，靖元孝1*，杨丹菁2，王忠正1，吴方猛1，吕改云1

(1.华南师范大学生命科学学院，广东省高等学校生态与环境科学重点实验室，广东广州 510631; 2.广州市环境保护科学研究院，广东广州 510620)

在塑料水箱(67 cm×51 cm×40 cm)中分别构建风车草浮床和人工湿地生活污水处理系统，研究2个系统中风车草的生长特性.结果表明，植物浮床和人工湿地系统中风车草生长的季节变化规律基本相似，在4—8月生长较快，9—12月生长较慢.整个实验过程中，植物浮床中风车草的分蘖数、一级侧根的数量和孔隙度大于人工湿地，而株高、基径、叶长和叶宽、一级侧根的长度和直径小于人工湿地.8月收获植物时，植物浮床风车草的生物量大于人工湿地，当12月收获植物时，前者小于后者.

风车草; 植物浮床; 人工湿地; 生长特性

植物浮床技术是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污染水体的水面，通过植物吸收和微生物降解等来净化污染物、改善水质的水面无土种植植物技术.该技术具有不消耗能量、不受水深限制、原位去除污染物和不出现系统堵塞等优点[1-3].目前，植物浮床技术主要用于水体污染物浓度较低的富营养化水体的原位修复[4-5].人工湿地技术已被广泛用于处理含各种浓度污染物的污水，是一种低投资、低能耗、低成本和能脱氮除磷的污水处理技术，但其基质中有机质积累过高以及杂质的沉淀会引起堵塞[6-9].植物浮床能否处理较高浓度污水?系统中植物的生长特性与其在人工湿地相比有什么特点?需要在相同的实验条件下进行研究比较，目前这方面的研究报道甚少.LENNARD等[10]研究了莴苣(Lactucasativa)浮床和人工湿地系统对养鱼废水的净化效果和植物的生长状况，发现人工湿地系统中莴苣的生物量大于植物浮床系统.

在热带和亚热带，风车草(Cyperusalternifolius)是用于构建植物浮床和人工湿地的优秀物种之一，它全年保持生长，即使在冬天仍能维持一定的生长速率，根系发达，根生物量大，在人工湿地[11-13]和植物浮床[14-15]均生长良好.本文在相同的实验条件下，研究植物浮床和人工湿地生活污水处理系统中风车草的生长状况，为更好地利用植物浮床净化生活污水提供理论依据和指导.

1 材料和方法

1.1风车草浮床和人工湿地系统的构建

实验于2009年3—12月在广州华南师范大学生物试验场进行.广州属南亚热带气候，年平均气温22 ℃，最冷月1月和最热月7月的平均气温分别为13.3 ℃和28.4 ℃，年平均降雨量1 694 mm.用塑料水箱(67 cm×51 cm×40 cm)构建植物浮床和人工湿地系统.植物浮床用聚乙烯泡沫板(59 cm×45 cm×3 cm)为漂浮载体，在泡沫板上均匀打孔栽种植物.人工湿地水箱中填料由下至上分别为粗砾石(粒径为20 mm)和细砾石(粒径为10 mm)，厚度均为20 cm.2009年3月，选取长势良好、株高50 cm的风车草分别移入植物浮床和人工湿地,每箱4株，每株5个分蘖，每个处理15箱，水箱随机排列于平坦空地上.生活污水来自华南师范大学学生宿舍，污水CODCr：90～270 mg/L、BOD5：30～80 mg/L、总氮：30～81 mg/L、总磷：1.5～5.5 mg/L.用水泵从化粪池出水口抽取污水，至蓄水池中沉淀，调蓄后进入各塑料水箱中进行处理.塑料水箱每周灌污水1次，2009年3—4月对风车草浮床和人工湿地系统驯化培养，2009年5月开始正式记录实验数据.

1.2植物生长和生物量的测定

每月测定植物浮床和人工湿地风车草的分蘖、株高、基径、叶长与叶宽.

2009年8月、12月抽取各处理风车草5箱进行收割，分成根、茎和叶，测量一级侧根的数量、长度与直径.将根冲洗干净后，按照KLUDZE等[16]方法测定根孔隙度.用精度0.1 g天平称取各器官新鲜材料100～500 g左右,80 ℃烘箱中烘干48 h,用精度0.1 mg电子天平称干质量.根据含水量计算植株各器官的干质量.

1.3数据处理

采用SPSS15.for Windows进行重复测定方差分析，并用LSD进行多重比较，检验各测定指标在处理间的差异显著性.

2 结果与分析

2.1植物浮床和人工湿地风车草根生长状况

图1(a)表明,8—12月植物浮床风车草一级侧根的数量均大于人工湿地.8月植物浮床和人工湿地风车草根的数量分别为2 172和1 556条，前者远远大于后者(P<0.01)，这主要是因为当年5—8月植物浮床风车草分蘖速率快，分蘖数远远大于人工湿地.12月人工湿地风车草根的数量急剧增长，产生了大量新根，平均值达2 552条，比8月增加了64%.而植物浮床风车草根的数量增加不多，平均值为2 797条，与人工湿地差异不显著(P>0.05).这主要是由于植物浮床风车草在9—12月生长空间有限，分蘖速率慢，从而影响其根数量的增加.图1(b)显示，8—12月植物浮床风车草一级侧根的长度均低于人工湿地(P<0.05).8月植物浮床与人工湿地风车草的根长分别为20.3 cm和23.9 cm，前者稍小于后者 (P<0.05).12月植物浮床与人工湿地风车草的根长分别为20.4 cm和30.6 cm，前者远远小于后者(P<0.01)，前者较8月没有明显变化，而后者较8月增加了28%.图1(c)可见，8月植物浮床与人工湿地风车草一级侧根的直径分别为0.173 mm和0.177 mm，两者差异不显著(P>0.05).12月植物浮床与人工湿地风车草根的直径分别为0.20 mm和0.28 mm，前者远远小于后者(P<0.01)，前者较8月稍有增加，而后者较8月增加了57%.图1(d)显示，植物浮床风车草的根孔隙度明显高于人工湿地(P<0.01)，这可能是植物浮床风车草适应淹水环境的一种表现.

图1 植物浮床和人工湿地污水处理系统中风车草一级侧根的数量、长度、直径和孔隙度

Figure 1 Number,length,diameter and porosity of first-class lateral roots ofCyperusalternifoliusin plant floating-bed and constructed wetland sewage treatment systems

2.2植物浮床与人工湿地风车草茎生长状况

图2(a)表明，植物浮床与人工湿地风车草分蘖数均不断增加，分蘖从实验开始的5个，分别增至(160±4.5)个和(86±1.6)个.植物浮床风车草的分蘖数明显大于人工湿地.图2(b)显示，植物浮床和人工湿地风车草分蘖数月增量在5—7月不断增加，7月份均达到最大值，分别为32个和12个，随后植物浮床不断下降，而人工湿地仍保持稳定.另外，植物浮床风车草分蘖月增量在5—10月明显高于人工湿地，随后逐渐接近人工湿地.

图2(c)表明，2个系统风车草株高在5—8月增长较快，随后人工湿地风车草株高仍保持一定的增长，而植物浮床风车草株高几乎停止增长.实验结束时，植物浮床与人工湿地风车草株高分别为(90±1.5)、(158±5.5) cm.整个实验过程中，人工湿地风车草株高明显大于植物浮床(P<0.01).植物浮床风车草的基径明显小于人工湿地(P<0.01)(图2(d)).

图2 植物浮床和人工湿地污水处理系统中风车草的分蘖数、分蘖数月增量、株高和基径

Figure 2 Tillers,monthly increment of tillers,plant height and basal diameter ofCyperusalternifoliusin plant floating-bed and constructed wetland sewage treatment systems

2.3植物浮床与人工湿地风车草叶的生长状况

植物浮床与人工湿地系统风车草叶长和叶宽的变化见图3.人工湿地风车草的叶片长势比植物浮床好，叶长与叶宽均明显大于植物浮床(P<0.01).

2.4植物浮床与人工湿地风车草根生物量变化情况

图4表明，8月收获时，植物浮床风车草根、茎、叶的生物量和总生物量分别较人工湿地大,两者差异显著 (P<0.05).12月收获时，植物浮床风车草根、茎、叶的生物量和总生物量分别较人工湿地小前者远，两者差异显著(P<0.01).8—12月植物浮床和人工湿地风车草根、茎、叶的生物量和总生物量的增量分别为602、34、184、820 g/箱和2 334、247、461、3 072 g/箱，两者差异显著(P<0.01).

图3 植物浮床和人工湿地污水处理系统中风车草的叶长和叶宽

Figure 3 Leaf length and leaf width ofCyperusalternifoliusin plant floating-bed and constructed wetland sewage treatment systems

图4 植物浮床和人工湿地污水处理系统中风车草的生物量

3 讨论

本实验在8月份收获植物时，植物浮床风车草的生物量大于人工湿地，12月收获植物时，前者小于后者.这主要是因为5—8月植物浮床风车草的分蘖速率远远大于人工湿地，而 9—12月植物浮床风车草由于前期分蘖速率过快，后期生长空间受到较大限制，分蘖速率急剧下降.虽然植物浮床风车草分蘖速度和分蘖数大于人工湿地，但植物浮床风车草每个分蘖的生长状况比人工湿地差，其株高、基径、叶长和叶宽、一级侧根的长度和直径均小于人工湿地.

通气组织的形成是植物适应淹水环境的一个重要机制[17]，可用孔隙度来间接评价根的通气组织发达程度.通气组织的形成增加了地下部分氧气的供应，提高了植物对水分和矿质营养的吸收.本研究中，植物浮床风车草的根孔隙度明显大于人工湿地，这可能是其适应植物浮床系统中完全淹水环境的表现.王忠正[18]在同期进行的风车草对生活污水净化效果的结果表明，在相同水力负荷条件下，植物浮床系统TN、BOD5和CODCr去除率显著大于人工湿地，TP去除率显著小于人工湿地.风车草浮床可优先考虑用于富含氮和有机物污水的处理，风车草人工湿地可用于富含磷污水的处理.本实验中，实验后期植物浮床风车草生长空间受到较大限制，生物量积累明显下降，能否通过收割植株而保持风车草良好的生长，进而维持好的净化效果，这有待于进一步研究.

由于实验条件所限，本实验在空间和时间上略显不够.本研究的植物浮床和人工湿地系统由塑料水箱构成，规模较小，且为定期人工灌水，系统处于相对静止状态，与实际运行有一定差别.另外，风车草属于多年生草本植物，它们的生长状况随着时间的推移可能会发生变化，本研究只是反映了特定生长阶段的生长状况,结果有待在实际应用中在更大的空间和时间上加以进一步验证.

[1] LI W,FRIEDRICH R.In situ removal of dissolved phosphorus in irrigation drainage water by planted floats:preliminary results from growth chamber experiment[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2002,90(1):9-15.

[2] LI M,WU Y J,YU Z L,et al.Nitrogen removal from eutrophic water by floating-bed grown water spinach (IpomoeaaquaticaForsk.) with ion implantation[J].Water Research,2007,41(14):3152-3158.

[3] YANG Z F,ZHENG S K,CHEN J J,et al. Purification of nitrate-rich agricultural runoff by a hydroponic system[J].Bioresource Technology,2008,99(17):8049-8053.

[4] 罗固源,郑剑锋,许晓毅.4种浮床栽培植物生长特性及吸收氮磷能力的比较[J].环境科学学报,2009,29 (2):285-290.

LUO Guoyuan,ZHENG Jianfeng,XU Xiaoyi. Comparison of the growth characteristics and nutrient uptake of four kinds of plants cultivated on a floating-bed[J].Acta Scientiae Circumstantiae，2009,29 (2):285-290.

[5] SUN L,LIU Y,JIN H.Nitrogen removal from polluted river by enhanced floating bed grown canna[J].Ecological Engineering,2009,35(1):135-140.

[6] 黄翔峰,沈捷,闻岳,等.生物法-人工湿地工艺处理采油废水及其有机物的降解特性[J].环境科学,2010,31(2):338-344.

HUANG Xiangfeng，SHEN Jie，WEN Yue，et al. Treatment of oil-field produced water by biological methods-constructed wetland process and degradation characteristics of organic substances[J].Environmental Science,2010,31(2):338-344.

[7] LIN Y F,JING S R,LEE D Y.Nitrate removal from groundwater using constructed wetlands under various hydraulic loading rates[J].Bioresource Technology,2008,99(16):7504-7513.

[8] 李丽娜，李亚治，达良俊，等.复合垂直流人工湿地处理废纸造纸废水的研究[J].中国造纸,2009,28(9):43-46.

LI Lina,LI Yazhi,DA Liangjun，et al. Treatment of effluent from the recycled paper mill by using integrated vertical-flow constructed wetland[J].China Pulp & Paper，2009,28(9):43-46.

[9] 鄢璐，王世和，黄娟，等.潜流型人工湿地基质堵塞特性试验研究[J].环境科学,2008,29(3):627-631.

YAN Lu,WANG Shihe，HUANG Juan，et al.Clogging characteristics of the subsurface flow wetland[J].Environmental Science，2008,29(3):627-631.

[10] LENNARD W A,LEONARD B V.A comparison of three different hydroponic sub-systems (gravel bed,floating and nutrient film technique) in an Aquaponic test system[J].Aquaculture International,2006,14(6):539-550.

[11] 靖元孝，陈兆平，杨丹菁.风车草对生活污水的净化效果及其在人工湿地的应用[J].应用与环境生物学报,2002,8(6):614-617.

JING Yuanxiao，CHEN Zhaoping，YANG Danjing.Purifying efficiency ofCyperusalternifoliusto domestic sewage and its application in constructed wetland[J].Chinese Journal of Applied & Environmental Biology,2002,8(6):614-617.

[12] KANTAWANICHKUL S,PILAILA S,TANAPIYAWANICH W.Wastewater treatment by tropical plants in vertical-flow constructed wetland[J].Water Science and Technology,1999,40 (3):173-178.

[13] STECHER M C,WEAVER R W.Effects of umbrella palms and wastewater depth on wastewater treatment in a subsurface flow constructed wetland[J].Environmental Technology,2003,24(4):471-478.

[14] MIYAZAKI A,TAKEUCHI T,NAKAMURA H,et al.Characteristics of nutrient absorption and water purification in some plant species grown by floating culture system[J].Soil Science and Plant Nutrition,2004,50(3):357-363.

[15] 刘士哲，林东教，唐淑军，等.利用漂浮植物修复系统栽培风车草、彩叶草和茉莉净化富营养化污水的研究[J].应用生态学报,2004,15(7):1261-1265.

LIU Shizhe,LIN Dongjiao，TANG Shujun，et al. Purification of eutrophic wastewater byCyperusalternifolius,ColeusblumeiandJasminumsambacplanted in a floating phytoremediation system[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2004,15(7):1261-1265.

[16] KLUDZE H K,DELAUNE R D,PATRICK W H.Aerenchyma formation and methane and oxygen exchange in rice[J].Soil Science Society of America Journal,1993,57(2):386-391.

[17] VARTAPETION B B,JACKSON M B.Plant adaptation to anaerobic stress[J].Annals of Botany,1997,79(Supplement A):3-20.

[18] 王忠正.风车草浮床和人工湿地系统对生活污水净化效果的比较研究[D].广州:华南师范大学,2010.

WANG Zhongzheng.Purification efficiency ofCyperusalternifoliusin floating-bed and constructed wetland system on domestic sewage[D].Guangzhou:South China Normal University,2010.

Keywords:Cyperusalternifolius, plant floating-bed, constructed wetland, porosity, growth characteristics

【责任编辑 成 文】

COMPARISONOFGROWTHCHARACTERISTICSOFCYPERUSALTERNIFOLIUSINPLANTFLOATING-BEDANDCONSTRUCTEDWETLANDSEWAGETREATMENTSYSTEMS

XU Chanzhi1, JING Yuanxiao1*, Yang Danjing2, WANG Zhongzheng1, Wu Fangmeng1, LV Gaiyun1

(1.School of Life Science, South China Normal University, Key Laboratory of Ecology and Environmental Science in Guangdong Higher Education, Guangzhou 510631, China; 2.Guangzhou Research Academy of Environmental Protection, Guangzhou 510620, China)

Little is known about the comparative study of plant growth between plant floating-beds and constructed wetland wastewater treatment systems.Cyperusalternifoliusfloating-beds and constructed wetland domestic sewage treatment systems were established in plastic tanks (67 cm×51 cm×40 cm) in South China Normal University.The seasonal changes of growth characteristics ofC.alternifoliusin plant floating beds and constructed wetland systems were similar.C.alternifoliusmaintained high growth rate from May to August, but had low growth rate from September to December.The tillers, number and porosity of first-class lateral roots ofC.alternifoliusin plant floating-beds were greater than those in constructed wetlands, but plant height, basal diameter, length and width of leaf, length and diameter of first-class lateral root ofC.alternifoliusin plant floating-beds were less than those in constructed wetlands.The biomass ofC.alternifoliusin plant floating-beds were greater than those in constructed wetlands in August, but lower in December.

2010-09-19

广东省科技攻关项目(2005B33302014)

*通讯作者，jingyx@scnu.edu.cn

1000-5463(2011)02-0097-06

Q948

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