关于景观水体生态修复沉水植物生物量配置探讨

冯承婷

赵强民*

甘美娜

1 研究背景

随着社会发展，城市景观水体污染问题日益严重，河流湖泊等水体富营养化问题成为城市亟待解决的问题之一。据统计调查显示，截至2016年，我国七大流域、浙闽片河流、西北诸河中的1 617个国考断面中主要污染指标为化学需氧量(COD)、总磷(TP)和五日生化需氧量(BOD5)，断面超标率分别为17.6%、15.1%、14.2%；112个重要湖泊(水库)中，主要污染指标为总磷(TP)、化学需氧量(COD)和高锰酸钾指数(KMnO4指数)，轻度富营养湖泊20个，中度富营养湖泊5个[1]。

水体富营养化主要是由过量氮、磷等有机营养盐引起的水质恶化现象。造成景观水体富营养化的主要原因是含有大量有机营养物质的生活污水、工业废水、农渔业废水直排入河流湖泊中。局部水域水生态系统平衡被打破，大量外来氮、磷有机营养物质被微生物降解-吸收，消耗大量水体溶解氧，使水体缺氧，进而使水生生物死亡，增加水体有机营养物。水生生态系统陷入恶性循环，景观水体变黑臭、水质浑浊、伴有浓烈腥臭味，大量增加的浮游生物引起“水华”“赤潮”等现象[2]。这些现象严重影响人类居住环境及城市精神文化面貌。说明河流湖泊景观水富营养化问题预防和治理势在必行，是社会生态环境中的长期话题。

1.1 水体富营养化问题治理手段

景观水富营养化治理主要通过物理、化学、生物修复3个途径。利用物理修复水体污染存在劳动力成本高、修复不彻底、容易复发等问题；利用化学修复景观水，治理成本高，耗费物资材料多，存在治标不治本，并且容易造成二次污染；相比之下，利用生物修复水生态系统优势明显，植物净化景观水具有降低工程成本、景观效果好、后期维护成本低、净化效果好、经济环保等优势[3]。

1.2 水体生态修复研究现状

有研究表明，选取伞草(Gyperus alternifolius)、水竹(Phyllostachys congesta)、镳草(Scirpus triqueter)、凤眼莲(Eichhor niacrassip-es)、睡莲(Nymphaea tetragona)、水浮莲(Pistia stratiotes)和浮萍(Lemna minor)共7种植物在3种不同浓度污水中，浮萍、凤眼莲、水浮莲和睡莲始终具有较好的总氮(TN)、总磷(TP)净化效果，去除效果均达到60%以上[4]。聂磊等发现，在污水胁迫下，翠芦莉、海芋(Alocasia Macrorrhiza)、水生美人蕉(Cann ageneralis)、风车草(Clinopodium urticifolium)等挺水植物对污水净化效果明显，适宜作为污水净化和景观美化植物材料[5]。另一研究表明，长苞香蒲(Typha domingensis)、水葱(Scirpus validus)和芦苇(Phragmites communis)、千屈菜(Lythrum salicaria)、扁秆藨草(Scirpus planiculmis)对污水中总磷、总氮、氨氮去除效果明显，可作为人工湿地净化污水的选择[6]。尽管已有大量关于利用植物修复水体富营养化的研究，但经常应用的水质净化植物种类仍不到50种。

2 材料与方法

2.1 试验材料

实验植物苦草、黑藻和翠芦莉均来自广州市花地湾花鸟虫鱼市场。试验地点位于棕榈股份小榄基地(N 22°38' 19'' ，E 113°14' 30'')。

实验污水参照《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918—2002)》一级A标准配制，即污染指标化学需氧量(CODcr)为50mg·L-1、氨氮(NH4-N)为5mg·L-1、总磷(TP)为0.5mg·L-1、总氮(TN)为15mg·L-1。

2.2 试验方法

参考杨小红《不同生物量情况下3种沉水植物对水体中总氮的去除研究》[7]中的实验方法，分别设苦草、黑藻初始生物量密度①500g·m-2、1 000g·m-2、1 500g·m-2、2 000g·m-2，每组3个重复，翠芦莉生物量密度为600g·m-2，设无植物对照组。分别将2种沉水植物利用自来水冲洗干净后，分开插入已铺好厚度约为5cm干净细沙的塑料箱(70cm×50cm×60cm)中，以确保沉水植物位置固定。翠芦莉洗净后，摘除多余叶片只保留顶端4～5片叶子，插入干净细沙中固定翠芦莉位置。实验开始前，放入一半自来水一半污水适应性培养一周。待植物生长情况稳定后，将箱内培养水换成120L一级A类水。

实验周期为37d，实验第26d第二次加入污染物(120L一级A污水所含污染量)，每隔3d采集水样，即在实验开始后第1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36天进行采样并检测水质，共检测13次。检测指标包括总磷(TP)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH4-N)和总氮(TN)。水质检测后及时补充因蒸发、实验损耗的水分，如发现有幼螺及时清除，避免实验结果产生较大误差。

2.3 测定方法

水质检测方法按照国家保护局的方法[8]，即总磷(TP)为过硫酸钾氧化—钼蓝比色法；氨氮(NH4-N)为纳氏试剂光度法；化学需氧量(COD)为重铬酸钾法；总氮(TN)为碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定。分光光度计型号为上海佑科UV1810。

3 结果分析

使用Microsoft Excel2013处理数据，origin17.0制图，并利用SPSS20.0对数据进行双因素方差分析以及Pearson相关性分析，实验前配制污水基本情况如表1所示。

3.1 对污水处理效果

3.1.1 化学需氧量(COD)去除效果

化学需氧量(COD)的净化效果如表2、图1所示。可知A、B组对化学需氧量影响较大，其下降程度较大；C、D组中化学需氧量浓度下降幅度小。在第一阶段中，A组与B组的COD均在30mg·L-1以下，达到地表水IV类水。在第二阶段中，A、B组在12d内将城市排放标准一级A类水处理成地表水环境质量标准水质IV类水。统计分析得出不同密度沉水植物与翠芦莉组合对污水中COD的去除效果差异性显著(F=7.753，P=0.001＜ 0.05)。在2个阶段中，A、B组均与C、D组差异显著；A组对COD处理效果更优于B组。

表1 实验前配制水样基本情况

表2 5组实验水样COD变化

表3 5组实验水样NH4-N浓度变化

3.1.2 氨氮(NH4-N)去除效果

氨氮(NH4-N)去除效果如表3、图2所示。根据图2可知，5组水样中，水质中氨氮浓度的变化差别较小。从表3可看出C、D组中氨氮下降幅度较A、B组大。在第二阶段中，5组装置中NH4-N浓度表现出的变化与第一阶段相似。说明当生态系统稳定时，沉水植物对外界的污染物处理时间不仅会缩短且处理效果也会更好。5组装置中氨氮浓度均在9d内达到地表水环境质量标准中的IV类水质标准。A组在2个阶段结束时，更是达到了II类水质标准。对不同密度沉水植物与翠芦莉组合对污水中NH4-N去除效果进行单因素差异性分析，其差异性并不显著(F=0.478，P=0.752＞0.05)。

3.1.3 总磷(TP)去除效果

TP的去除效果如表4、图3所示。根据图3可知，在第一阶段中，A组对TP浓度的去除效果最好，C、D组中TP浓度下降后回升幅度较A、B组的高。而CK组中TP浓度一直高于其他4组。在第二阶段中，A组对TP处理效果最好。B组对水体污染物处理效果介于A组与C、D组之间。第二阶段结束时，5组实验水样中总磷浓度均能达到地表水IV类水水质，A组中总磷浓度达到II类水标准。统计分析得知，不同密度的沉水植物对水体中总磷处理效果是有显著性差异的(F=2.060，P=0.02＜0.05)。说明A组的生物量密度沉水植物与翠芦莉组合对水质净化有显著效果。

3.1.4 总氮(TN)去除效果

TN的去除效果如表5、图4所示。从图表可知，水质A组对水质处理效果优于其他3组，且4个实验组与空白组有明显差异，对水体中总氮污染物有明显去除效果。经过2个阶段处理后，A组均能在短时间内将实验污水净化至地表水IV类水标准。统计分析得知，不同密度的沉水植物对水体中总氮处理效果是有显著性差异的(F=4.814，P=0.04＜0.05)。分析可知，不同生物量密度沉水植物组合翠芦莉对污水有显著净化效果，且A组对污水净化效果最好，即其生物量配比最佳。

图1 COD随时间变化示意图

图2 NH4-N随时间变化示意图

图3 TP随时间变化示意图

图4 TN随时间变化示意图

3.1.5 对各污染物去除率

由表6可知，在4组实验组中，A组对污水的处理效果最理想，对COD、氨氮、总磷、总氮的去除率分别为：35.75%、87.17%、64.51%、90.65%。B组对污水净化效果次之，C、D组处理污水的效果较差。当装置中沉水植物与翠芦莉组合的生态系统达到平衡后，沉水植物与翠芦莉对污水的处理效率明显提高，沉水植物对外界的二次投放污染物处理效率更快。在二阶段中，对各污染物质的综合处理净化效果仍是A组最好，其对COD、氨氮、总磷、总氮的去除率分别为：61.62%、91.84%、83.37%、87.72%。

这与杨的《不同生物量情况下3种沉水植物对水体中总氮的去除研究》中研究结果一致，成倍增加沉水植物并不能引起水体中污染物质的去除效果成倍增加，甚至由于沉水植物生物量密度高而生存空间不足会造成水质变差。

综上分析，可得出以下3点结论。1)在4个沉水植物不同密度的配置中，500g·m-2组在去除污水污染物效果最好，且植物生长情况也较其他3组要好，实验期间内水体最为澄清，1 500g·m-2组与2 000g·m-2组由于植物之间化感作用，在后半阶段水样有浑浊以及有藻类增多现象，塑料箱内黑藻有叶片泛黄及苦草叶片有腐烂等现象[9]。说明在使用沉水植物净化污水处理时，不宜采用太密集的生物量密度，适宜在500～1 000g·m-2范围内，这是生态水质修复组合在兼具修复功能以及景观功能的最经济搭配。2)翠芦莉在4组配置中生长情况良好，且实验完成后翠芦莉生物量缓慢增加，翠芦莉受污水胁迫影响小。在污染物浓度较高的景观水体区域可以选择沉水植物搭配翠芦莉对污染水体进行生态净化处理，在具有去污效果的同时还可具有景观效果。3)此生态修复技术可运用在城市富营养化湖泊、生活污水严重的城市河流中。沉水植物宜种植在阳光充足、深度小于1m的河流或湖泊中，翠芦莉可搭配种植在岸坡上作为自然生态护岸。

4 讨论与展望

由于利用植物完善滨水生态系统治理具有极大的经济优势、人文优势、生态优势，生态修复技术市场前景明朗。目前，国内外大力推广景观水生态修复技术[10]。如新加坡碧山宏茂桥公园中采用大量水生植物如再力花(Thalia dealbata)、香根草(Vetiveria zizanioides)、旱伞草(Phyllostachys heteroclada)来保持Kallang河道中水体水质。我国西湖在富营养化问题的治理中，在西湖西岸种植大量苦草、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)来降低水体中营养盐的浓度[11-12]。太子湾湿地公园中，使用大量黄花鸢尾(Iris wilsonii)、灯芯草等植物搭配狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、苦草来保持园内湖泊清澈的水质。对于太湖、西湖、滇池等景观水体富营养化治理，大多数采用生物量增长快的植物作为修复工具种，如凤眼莲、金鱼藻、苦草、浮萍等[13-15]。

表4 5组实验水样TP浓度变化

表5 5组实验水样TN浓度变化

表6 不同密度沉水植物与翠芦莉组合对污水污染物的处理效果

我国利用植物修复河流湖泊等景观水体的形式多样，其中包括生物浮床技术、人工湿地技、沉水植物修复技术、无土栽培蔬菜修复技术等[16-20]。这些技术均有运用在实际景观水维护中，如杭州宦塘河部分支流中浮岛应用；西湖附近湖泊均种植沉水植物、大量水生植物来处理净化湖泊中的富营养物质；高绣纺等人研究并利用四季水芹菜制成人工浮岛来净化富营养河涌污水[21]。尽管利用植物净化景观污水的形式多样，但在水体修复过程中偏重于净化效果，大多选择生物量增长快的植物，选择种类少。对多个实践案例分析，单一使用生物量增长量快的水生植物，在短时间内对富营养化水体修复效果明显；长时间上看，始终无法满足河流湖泊中景观效果要求。

在利用植物修复富营养化的景观水体问题中，还需不断寻找和筛选净化效果好、具有一定抗逆性、适应能力强的植物。针对不同污染程度的水体，如何选择搭配植物种类，才能得到兼具观赏价值与净化效果的最佳配置。未来的景观水体生态修复课题发展，还需引入更多园林设计理念，植物搭配要兼顾观赏与净化，植物不只是修复工具还是营造水生景观本身。

注：文中图片均由作者绘制。

注释：

① 生物量密度：单位鲜重生物量(或单位体积)的干重生物量。