10种湿地植物对不同程度模拟污染水体的净化效果研究

迟韵阳，付宇新，何素琳，李 田，张继红，季 巍，楼浙辉

（江西省林业科学院，江西 南昌330013）

随着我国城市和工农业的快速发展，农耕化肥的滥用及含磷洗涤剂的大规模使用，以及未经处理的城市生活污水和工农业污水等大面积流入湖泊和江河中，造成水环境污染，致使湿地生态环境遭到破坏[1]。如何修复富营养化的污染水体，恢复水体的综合功能是当今社会亟待解决的问题[2]。据报道，针对水体净化的处理方法有物理法、化学法和植被生态修复法[3]。但物理法和化学法存在成本高、耗时长、易造成二次污染等缺陷，相较于植被修复生态法具有投资小、见效快、没有二次污染、管理维护方便等优势，成为当今水体净化的最优选择[4-7]。

不同植被对水质净化的效果不同，杨贤鑫等人利用10种水生植物对水质净化效果进行研究，结果表明水芹、纸莎草和蓼对总磷（TP）和总氮（TN）的吸收效果最佳，去除率达到65%以上[8]；焦学园对6种挺水植物和4种沉水植物的氮磷去除量进行比较，发现芦竹、芦苇、千屈菜、黑藻、苦草的综合去除能力较好，且适应性也较好[9]；邓鸿杨等人对浮萍、金鱼藻、睡莲、茭白、黄花鸢尾5种水生植物混合组合进行去除氮磷效果实验，发现浮萍+茭白组合对去除氮磷的效果最佳[10]。大多数文章报道均是对TP和TN进行检测，而pH值可以衡量水体环境的稳定性、化学需氧量（COD）可以衡量水体受有机物的污染程度、氨氮（NH4+-N）可以衡量水体受污染程度，这3个指标也是评价地表水环境质量标准的基本项目，是反映水体状况的重要指标。

本研究选用有代表性的湿地植物美人蕉（Canna indica）、紫芋（Colocasia antiquorum）、黄菖蒲（Iris pseudacorus）、千屈菜（Lythrum salicaria）、再力花（Thalia dealbata）、花叶芦竹（Arundo donax）、石菖蒲（Acorus calamus）和水芹（Oenanthe javanica）、苦草（Vallisneria natans）、萍蓬草（Nuphar pumila），进行室内静态模拟水体污染试验，通过检测水体的pH值、COD和NH4+-N这3个指标，从而评估各湿地植物改善水环境的能力，以期为受污染水体的湿地植物治理提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与模拟污水

试验全程在江西省林业科学院温室大棚内进行，供试材料为美人蕉、紫芋、黄菖蒲、千屈菜、再力花、苦草、花叶芦竹、石菖蒲、萍蓬草和水芹10种湿地植物（表1），2019年种植前用自来水对植物进行整体清洗，清洗过程中避免植物根须和茎秆受损[11-12]，然后种植在温室大棚培养，一年后即2020年7月进行人工模拟污水试验。人工模拟污水在调查取样的基础上进行配制，以无水乙酸钠为碳源，硫酸铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源，每升水中加入1 mL微量元素配制营养液。模拟污水[13]分别制定高浓度（无水乙酸钠300 mg·L-1，磷酸二氢钾4 mg·L-1，硫酸铵20 mg·L-1）、中浓度（无水乙酸钠150 mg·L-1，磷酸二氢钾2 mg·L-1，硫酸铵10 mg·L-1）、低浓度（无水乙酸钠75 mg·L-1，磷酸二氢钾1 mg·L-1，硫酸铵5 mg·L-1）3个梯度。

表1 10种供试湿地植物名录Tab.1 The list of 10 tested wetland plants

1.2 试验设计

选择大小均匀、长势良好的10种湿地植物作为供试植物。在450个实验水箱中倒入各自所需的水体材料，每箱水体的体积为50 L，并用记号笔对水位线进行标记。将湿地植物根据实验要求放入450个实验水箱中，每种湿地植物分别按照15箱高浓度污水、15箱中浓度污水、10箱低浓度污水和5箱清水对照进行处理，每个水箱中分别放置6株大小均匀、长势良好的植株。水培模拟试验周期为30 d。在试验期间，定期补充自来水，用以补充因蒸发以及采样等所消耗的水分，确保实验水箱中水位保持稳定。分别于第5 d、10 d、15 d、30 d进行水样采集，每次采集水样500 mL（混合样），采集时间均在8:00－9:00（采样后把样品送至江西省林业科学院国家林业和草原局林产品质量检验检测中心（南昌）进行检测），为避免试验误差，当天测定pH、NH4+-N和COD。

1.3 检测方法

COD采用快速消解分光光度法测定[14]，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定[15]；pH采用离子电极法测定。实验中所用的试剂药品均为分析纯。

各水体指标的去除率（L）[16]按以下公式计算：

式中，C0为初始浓度，Ci为处理后浓度。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2019进行数据整理与热图分析。

2 结果与分析

2.1 不同湿地植物对模拟污水的COD去除率

如图1所示，不同湿地植物对污染水体COD的去除率均随着处理时间的增加由红色、黄色逐渐变成绿色，说明COD的去除率随着处理时间的延长呈递增趋势，直至30 d实验结束时，各湿地植物的去除率达到最大值，范围在72.64~96.08%（表2）。不同植物COD单位的去除能力存在较大差异，水芹、美人蕉、花叶芦竹和再力花，在低浓度处理5 d时，较其它6种湿地植物去除效果明显，说明美人蕉等4种植物净化水质见效较快；这是由于美人蕉等植物叶较大，更利于植物本身进行光合作用，可以将大量氧气运输至水环境中，使水体溶解氧含量上升，分解大量有机物，使COD去除效果增加[1]。在处理30 d时，石菖蒲、萍蓬草、黄菖蒲、水芹和花叶芦竹的去除率与对照相比效果明显，而再力花、美人蕉和紫芋仅次于上述5种湿地植物，去除效果最差的是千屈菜和苦草，据周雪等人[17]报道沉水植物更有利于COD的去除，本实验得到的结果有所不同，苦草为沉水植物，而其去除率却最差，据丁海涛等人报道，这可能是由于植物在不同生长期对有机物的分解能力不同[1]。综上所述，水芹和花叶芦竹对污染水体的净化效果最优。

图1 10种湿地植物对模拟污染水体CO D的去除率热图分析Fig.1 Heat map of removal rates of COD in stimulated polluter waters treated by 10 wetland plants

表2 10种湿地植物对模拟污染水体CO D的去除率/%Tab.2 The effects of 10 wetland plants on removal rates of COD in stimulated polluted waters/%

2.2 不同湿地植物模拟污水的pH值

如图2所示，不同湿地植物的pH值随着试验时间的延长呈上升趋势，整体范围在5.58~8.71（表3）。模拟污染水体初始pH值呈现弱酸性，随着时间的延长，实验后期水体呈现弱碱性。高浓度污染水体中，苦草、水芹、花叶芦竹和石菖蒲在0~30 d时分别从6.65、6.77、6.72、6.75上升至7.63、7.71、7.71、7.68，其他试验组水体pH值均无明显变化，表明水体环境趋于稳定。中浓度污染水体中，紫芋和千屈菜在0~30 d时分别从6.63、6.5上升至7.69、7.22，其他试验组水体pH值趋于稳定。低浓度污染水体中，水芹和再力花在0~30 d时分别从6.74、6.71上升至7.66、7.57，其他试验水体pH值变化幅度较小，趋于稳定。

表3 10种湿地植物对模拟污染水体pH值的影响Tab.3 The effects of 10 wetland plants on pH values of stimulated contaminated waters

图2 10种湿地植物对模拟污染水体pH值影响的热图分析Fig.2 Heat map of pH values of stimulated polluter waters treated by 10 wetland plants

2.3 不同湿地植物对模拟污水的NH4+-N去除率

如图3所示，不同湿地植物对污染水体NH4+-N的去除率随着处理时间的增加由粉色、白色逐渐变成蓝色，说明NH4+-N的去除率随着时间的延长呈现递增的趋势，直至30 d实验结束时，各湿地植物NH4+-N的去除率达到最大值，范围在83.33~100%（表4）。在处理第5 d时，萍蓬草和紫芋对不同浓度处理组均呈现出较强的去除能力，在高浓度处理时去除率分别高达51.27%和46.36%；黄菖蒲、水芹、花叶芦竹、再力花和美人蕉在低浓度处理时去除率均达到80%以上，说明上述湿地植物均能对低浓度污染水体起到快速净化的作用；千屈菜和石菖蒲的去除效果相对较差。据报道，水体中NH4+-N的去除途径主要有植物吸收、硝化反应和氨挥发等[1]。pH大于8时对氨挥发影响很大，而监测结果除了苦草在高浓度处理第15 d时pH超过8，其它试验水体pH均小于8，因此氨挥发不是去除NH4+-N的主要途径。湿地植物对NH4+-N的去除主要通过植物根系将水体中的NH4+-N吸收、吸附以满足自身的生长发育与新陈代谢，以及微生物的协助作用从而降低污染水体中NH4+-N的浓度[1,18-19]。随着处理时间的增加，直至第30 d，除黄菖蒲、水芹、花叶芦竹和美人蕉在高浓度处理时，NH4+-N的去除率未达到90%，其余湿地植物的去除率均达90%以上，与对照相差较小，说明上述湿地植物对低浓度和中浓度污染水体均能达到较好的净化效果。综上所述，萍蓬草和紫芋的净化效果最优，苦草、石菖蒲、水芹、花叶芦竹、千屈菜、黄菖蒲、再力花和美人蕉次之。

表4 10种湿地植物对模拟污染水体NH4+-N的去除率/%Tab.4 The effects of 10 wetland plants on removal rates of NH4+-N in stimulated polluted waters/%

3 结论

由于植物修复具有投资小、见效快、没有二次污染、管理维护方便等优点，因此非常适用于对污染水体的修复。本文研究了10种湿地植物对不同程度模拟污染水体中NH4+-N、COD的净化效果以及pH值的变化，通过30 d的试验，植物生长状况均较良好，未见有不适状况，因此未作生长指标评估。10种湿地植物在污水中种植一段时间后，水体pH值均有从弱酸转为弱碱性的趋势，但此次试验未设置pH值对比梯度，因此对水体的酸性处理效果未完全展现，后期可对此进一步进行研究；水芹和花叶芦竹对COD的去除效果是最好的，在处理30 d后，水芹和花叶芦竹对高浓度的污染水体的去除率分别高达96.02%和94.22%；萍蓬草和紫芋对NH4+-N的去除效果最好，在处理30 d后，萍蓬草和紫芋对高浓度的污染水体的去除率分别高达100%和96.91%。因此，建议将水芹、花叶芦竹、萍蓬草和紫芋应用于污染水体的修复治理中，以期为湿地生态修复等工程对植物的选择以及推广应用提供科学的理论依据。