3种人工植物群落对污水净化模拟试验

郝桂枝 张银龙 祝浩翔

摘要 [目的]研究不同植物群落对氮磷的去除能力以及腐烂植物对水体的二次污染影响。[方法]通过构建模拟试验，选取6种重庆市常见的湿地植物进行组合配置，形成了3个人工湿地植物群落，比较分析人工湿地植物群落对生活污水净化的差异。[结果]在生物量方面，3个人工湿地植物群落的总生物量存在显著差异（P<0.05），同种植物在不同人工群落的生物量也存在显著差异;在净化效果方面，各人工湿地植物群落的TN和NH4+-N月平均去除率表现为群落3（再力花+菖蒲+鸢尾+狐尾藻）>群落2（再力花+菖蒲+水葱+狐尾藻）>群落1（美人蕉+菖蒲+水葱+狐尾藻），TP月平均去除率排序依次为群落1>群落3>群落2;对比2种腐烂植物对水体的二次污染影响发现，相同时间内狐尾藻水体中的TN、NH4+-N、TP浓度升高比菖蒲快，沉水植物相对于挺水植物更容易分解。[结论]该研究为重庆地区构建健康稳定的植物群落和提高湿地系统的净化能力提供科学依据。

关键词 湿地植物;植物群落;生长状态;生活污水;净化效果

中图分类号 X52文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）11-0081-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.023

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract [Objective] The research aimed to study the ability of different plant communities to remove nitrogen and phosphorus and the secondary pollution of decaying plants to water bodies.[Method]By constructing a simulation experiment， six common wetland plants in Chongqing were selected for combined configuration and three plant wetland plant communities were formed. The differences in the purification of domestic sewage by constructed wetland plant communities were compared.[Result]There were significant differences in total biomass of the three wetland plant communities （P<0.05）. There were also significant differences in biomass of same plants in different communities. In terms of purification effect， the average removal rate of TN and NH4+N in each constructed wetland plant community was as follows： community 3 （reflower + calamus + iris + foxtail algae） > community 2 （reflower + calamus + water onion + Myriophyllum sp. > Community 1 （canna + calamus + water onion + Myriophyllum verticillatum），the average removal rate of TP was community 1>community 3>community 2. Comparing the effect of two rotted plants on secondary pollution， it was found that the concentration of TN，NH4+N and P in water of Myriophyllum verticillatum increased faster than Acorus calamus during the same time. Submerged plants decomposed more easily than emergent plant.[Conclusion]This study can provide a scientific basis for the construction of healthy and stable plant communities in Chongqing and the improvement of the purification capacity of wetland systems.

Key words Wetland plants;Plant community;Growth state;Domestic sewage;Purification effect

基金項目 重庆市技术创新与应用示范项目（cstc2018jscx-msybX0218）。

作者简介 郝桂枝（1993—），女，四川达州人，硕士研究生，研究方向：风景园林生态。*通信作者，实验师，硕士，从事园林生态研究。

收稿日期 2018-11-29

湿地植物不仅可以直接吸收污水中的污染物，还可以使污水中的营养物质得到再循环和利用，同时在为微生物提供根际环境、改善小气候和美化环境等方面都有着积极作用。近年来，学者们对湿地植物的去污机制、作用及筛选原则进行了大量研究[1]。目前在植物组合配置研究方面，由于不同植物在营养吸收能力、根系分布深度、生长季节、生物量和抗逆性等方面存在差异，所以湿地植物之间的搭配组合成为当前的研究热点，但现有报道研究多集中在植物种类等比例组合上[2-5]，较少见到对湿地植物群落构建的研究，且不同湿地群落的净化效果差异、植物物种之间是否存在相互作用和影响目前尚缺乏深入研究。该研究依托西南大学后山实验基地，选取6种重庆市常见的湿地植物进行组合配置，形成了3个人工湿地植物群落，对比分析不同人工湿地植物群落生物量变化差异以及对生活污水净化的效果，探讨造成相关现象的内在原因，以期为重庆地区构建健康稳定的植物群落和提高湿地系统的净化能力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 植物群落配置及试验场地构建

将重庆市地区常见的美人蕉、菖蒲、水葱、再力花、鸢尾和狐尾藻6种湿地植物，根据植物生态学形态特点，组合配置成3个群落类型：群落1（美人蕉+菖蒲+水葱+狐尾藻）、群落2（再力花+菖蒲+水葱+狐尾藻）和群落3（再力花+菖蒲+鸢尾+狐尾藻），植物之间的数量配置比例为1∶1。2015年4月依次种植到人工湿地的3个处理单元（详见图1）。

试验场地位于重庆市北碚区西南大学后山实验基地厚艺园内，利用园中原有污水排水渠，于2017年12月—2018年4月将其改建为人工湿地污水处理系统，模拟人工湿地长30 m、宽3 m，平均深度达0.6 m。湿地两岸构造为黏土砖和水泥砌成，底部覆以三合土压实并抹水泥防渗。试验设置3个处理单元（10 m×3 m），即3个种植池，每个处理单元底部设20 cm厚度直径5～10 cm的鹅卵石，上层铺30 cm土壤。人工湿地的主要污水来自实验基地排放的生活污水和山体农田渗水，以满足补充湿地水源的作用。

1.2 研究指标及测定方法

1.2.1 植物株高、生物量测定。

试验于2018年6、8和10月分别测定3个群落中每种植物株高和生物量。

对人工湿地中3种植物群落的种植单元选择1个3 m×1 m的样方，测量每个样方中各种湿地植物的株高等生长状况，对各个样方中每种湿地植物进行地上部分收获。现场用自来水冲洗掉泥土等大部分杂质后，带回实验室再进行蒸馏水冲洗，先放入105 ℃的烘箱内烘干2 h，再调节温度到80 ℃烘干至恒量，计算单位面积植株其地上部分生物量[6]。

1.2.2 水样收集及水质指标测定。

水样采集：在每个种植单元的进水口和出水口用聚乙烯塑料瓶各采集水样3瓶，每瓶容量为500 mL，尽快带回实验室进行分析。

水质指标测定：TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP采用钼酸铵分光光度法[7]。

1.3 数据处理与分析

用Excel和SPSS 19.0对获得数据进行统计分析，并用Origin 7.5绘制图形。

2 结果与分析

2.1 不同人工植物群落单位面积地上部分生物量比较

2.1.1 总生物量变化。

由图2可知，3个人工湿地植物群落的总生物量存在显著差异（P<0.05），总生物量是285.85～617.89 g/m2，最小值是6月的群落2，最大值是10月份的群落1。总体上看，3个湿地植物群落的总生物量随着月份的变化也都呈现递增趋势，在3个测定时间点中，都是10月的生物量达到最大值。从增长率上来看，3个群落在6—8月平均增长率为29.48%，增长率按大小依次排序为群落2（3320%）>群落3（32.05%）>群落1（23.19%）;总生物量8—10月的平均增长率为5.24%，增长率大小依次排序为群落2（7.25%）>群落1（6.79%）>群落3（1.69%），6—8月的增长率显著高于8—10月增長率。

2.1.2 3个人工群落中各植物生物量变化。

从3种湿地植物群落的各种植物单位面积生物量变化（表1）可看出，不同群落中相同植物的生物量变化存在显著差异（P<0.05），在同一群落中不同湿地植物在生物量上也存在显著差异（P<0.05），在同一群落中相同植物的生物量随着月份的变化显著（P<0.05），通过运用Two-way ANOVA分析表明，群落组合对植物生物量的影响大于月份改变带来的影响。

在3个群落中都配置的植物是菖蒲和狐尾藻，菖蒲在3个群落中的生物量平均值依次为群落3（193.58 g/m2）>群落1（115.65 g/m2）>群落2（81.9 g/m2），群落3与群落1、群落2都存在显著性差异（P<0.05）;狐尾藻在3个群落中的平均值依次为群落1（732.03 g/m2）>群落2（184.94 g/m2）>群落3（53.33 g/m2），其在群落1、群落2和群落3中的生物量相互之间都存在极显著差异（P<0.01）。

在2个群落中配置的植物是水葱和再力花，水葱所在群落的生物量平均值为群落2（88.29 g/m2）>群落1（72.35 g/m2），2个群落中水葱的生物量不存在显著差异（P>0.05）;再力花所在群落的生物量平均值为群落3（599.85 g/m2）>群落2（429 .29 g/m2），2个群落中再力花生物量差异也不显著。

只在1个群落中配置的植物是美人蕉和鸢尾，其生物量平均值分别为170.75和70.47 g/m2。

2.2 不同人工植物群落中植物株高变化

在群落1中（图3a），4种湿地植物平均株高排序是水葱（135.44 cm）>菖蒲（86.11 cm）>美人蕉（80.77 cm）>狐尾藻（33.67 cm）。随着月份变化，4种湿地植物中在8—10月狐尾藻出现了负增长（-10%），可能是由于狐尾藻受到天气和自身生长周期的影响，出现了枯萎的现象，而其他植物在整个观测期间都是正增长的趋势，但是6—8月的增长率显著大于8—10月。其中增长率最大的是6—8月的水葱株高，增长率达165%。美人蕉在整个观测期间都表现不如在单种或者两两组合混种，可能是4种植物配置时，出现了相应的抑制情况，具体原因需要进一步试验考证。

在群落2中（图3b），4种湿地植物平均株高排序是再力花（151.11 cm）>水葱（142.33 cm）>菖蒲（98.11 cm）>狐尾藻（27.00 cm）。狐尾藻在8—10月仍然出现负增长趋势（-5%），而其他湿地植物的株高均呈正增长趋势，增长率最大值是6—8月的再力花，达175%，4种湿地植物在8—10月的株高增长率较小，仅为1%～4%。

在群落3中（图3c），4种湿地植物平均株高排序是再力花（161.55 cm）>鸢尾（104.22 cm）>菖蒲（87.78 cm）>狐尾藻（22.89 cm）。随着月份的变化，在8—10月出现负增长的植物有再力花、菖蒲和狐尾藻，增长率分别是-2%、-1%和-6%。

在3个群落中都配置的植物是菖蒲和狐尾藻，菖蒲在3个群落中的株高平均值依次是群落2（98.11 cm）>群落3（87.77 cm）>群落1（86.11 cm），3个群落中菖蒲株高不存在差异显著（P>0.05）;狐尾藻在3个群落中的平均值依次是群落1（33.67 cm）>群落2（27.00 cm）>群落3（22.89 cm），其在群落1、群落2和群落3中的生物量相互之间都不存在显著差异（P>0.05）。

在2个群落中有配置的植物是水葱和再力花，水葱所在群落的株高平均值是群落2（142.33 cm）>群落1（135.44 cm），再力花所在群落的生物量平均值是群落3（161.56 cm）>群落2（151.11 cm）。

2.3 不同人工植物群落对污水净化效果比较

2.3.1 对污水TN净化效果。

从图4可看出，3种湿地植物组合群落对生活污水的TN均具有较好的去除，虽然3种群落的去除效率不尽相同，但随着月份的变化，水体中TN含量都呈现较为一致的变化趋势。3个湿地植物组合群落的月平均去除率依次是群落3（80.74%）>群落2（76.87%）>群落1（75.67%）。多重比较分析表明，群落3和群落1的TN去除率存在显著差异（P<0.05），群落2的TN去除率与群落1、3之间不存在显著性差异（P>0.05）。

在9月底前，各湿地植物群落中的TN浓度均出现下降趋势，这是因为植物在这段时间处于生长期，特别是像再力花这种叶形较宽大的植物对氮元素的需求量较大，促使到9月测定时水体中TN浓度均达到最低点，其中群落3中的TN浓度仅为0.45 mg/L，相应的去除率达87.18%。在10月底测定时，发现3个植物群落水体中的TN浓度出现回升现象，水体TN浓度回升至0.52～0.70 mg/L，去除率也相应减小。

2.3.2 对污水NH4+-N净化效果。

从图5可看出，3个湿地植物群落水体中的NH4+-N变化总体趋势与TN变化趋势（图4）相近。在不同月份生活污水经过植物群落后水体中的NH4+-N浓度都有明显下降，其浓度为0.30～0.76 mg/L。3个湿地植物组合群落的月平均去除率依次是群落3（8294%）>群落2（76.13%）>群落1（75.67%）。多重比较分析表明，3个湿地植物群落水体中NH4+-N去除率无显著性差异（P>0.05）。

结合图4和图5可看出，3个湿地植物群落在8—9月对氮的去除效果明显高于其他季节，在试验的生活污水中氮的主要组成部分就是氨氮。氨氮的去除主要依靠的是植物吸收和根际间硝化细菌的作用，所以在该月份，随着气温的变化，湿地植物群落利用植物吸收和微生物作用在这段时间保持了较高的去除率。

2.3.3 对污水TP净化效果。

从图6可以看出，各植物群落对生活污水TP的净化趋势基本一致，但是各植物群落对TP的吸收效率则不完全一致。在3种植物群落作用下，水体中的TP浓度在每个阶段都有较大幅度的降低，在所有测试点中TP浓度基本上都降至0.45 mg/L以下。3种湿地植物群落中的TP平均去除率依次排序是群落1（77.83%）>群落3（76.38%）>群落2（72.32%）。方差分析表明，3个湿地植物群落水体中TP去除率无显著性差异（P>0.05）。

随着月份的变化，尽管3个群落的变化趋势一致，但是对TP去除率出现的峰值不一样，群落1在8月就达到了去除率的峰值，水体中TP浓度为0.23 mg/L，去除率达8333%，这可能是美人蕉和狐尾藻在8月份陆续开花，需要大量的P元素供给，造成该月份出现峰值;而群落2和群落3则是9月出现峰值，水体中TP浓度分别为0.31和0.23 mg/L，去除率分别为77.54%和81.88%，这可能是再力花和狐尾藻开花结果时间主要集中8月份，9月份则是再力花和水葱产生种子，这段时间需要大量P元素，从而造成9月出现峰值。

在9—10月3种湿地群落TP去除率都出现降低现象，但是群落2下降的趋势为10%，远远高于其他2个群落的下降趋势，说明群落的组合结构对气温变化的抗受能力不一样，也进一步说明了物种组合对外界环境抗压力有一定提升。

2.4 腐烂植物体对水质二次污染的影响

2018年10月底，通过对群落1、群落2、群落3枯萎掉落在水中狐尾藻腐烂处水体的NH4+-N和TP浓度的测定，并与正常生长的含量进行对比，发现腐烂处NH4+-N和TP明显高于植物正常生长处（表2）。

群落3中狐尾藻的生长密度最小，其植物腐烂处与正常生长处NH4+-N、TP浓度明显小于生长密度较大的群落1和群落2。结合取样现场情况，分析可知，由于群落3的生长密度较小，其植物个体间对于资源的竞争较小，植物腐烂程度低。同时，生长密度较小的情况下狐尾藻根系有较强的通透性有利于水体流动，从而有助于腐烂植物分解出的NH4+-N、TP的扩散，因此在一定程度上亦降低了腐烂处与植物正常生長处NH4+-N、TP浓度的大小。

为比较腐烂的挺水、沉水植物对水体影响的差异，该研究将人工湿地群落中腐烂植物狐尾藻和菖蒲带回实验室，将其与正常生长植物叶片放入相同蒸馏水中，并设置不放植物叶片对照组，定期观测2组植物叶片对水体中NH4+-N、TP浓度变化的影响，其测定结果如表3所示。由表3可知，随着试验的进行，腐烂植物处理组水体中NH4+-N、TP浓度升高速度明显快于正常植物处理组和对照组，说明腐烂植物更容易向水体释放氮磷元素。而在对比腐烂菖蒲和腐烂狐尾藻时发现，狐尾藻水体中的NH4+-N、TP浓度升高比菖蒲快，2种腐烂植物对水体释放氮磷的速率是存在差异的。