不同植物对农业排水净化效果比较

农田输出的氮素和磷素是造成水体发生富营养化的主要因素［1－3］，利用高等水生植物对氮、磷等营养物质的吸收能力来净化水质具有重要的研究意义。水生植物修复技术在湿地水质修复系统中具有投资小、运行维护简单、改善生态景观、保护表层土壤、有效去除水体中有机物、氮、磷等显著优点［3－5］。因此，选择适合当地气候条件和污水特性的植物种类，从中筛选出生长周期长、氮磷去除能力强的植物种类，是恢复重建自然湿地的关键措施。鄱阳湖是我国第一大季节性淡水湖，承纳江西省境内赣江、抚河、信江、饶河和修水五大主要河流来水，区域内生物资源丰富，是我国十大生态功能保护区之一，也是我国传统的重要粮、棉、油、渔产区，养育着周边12个县1　000多万人口。由于其周边村镇密集，人口多，农田分布广，大量工农业废水和生活污水逐年排入，导致鄱阳湖水质恶化、生物多样性下降，对鄱阳湖生态系统结构和功能破坏严重。针对鄱阳湖流域防污减排的工作要求，以TN（总氮）和TP（总磷）为研究对象，以选择对氮、磷等富营养成分有高吸收能力植物为目标，考察7种水生植物对水体中氮、磷的去除特性，从中筛选出最佳的种类，为鄱阳湖污染防治的顺利实施提供理论依据。

1　材料与方法

1．1　试验设计

试验在位于鄱阳湖流域的江西省灌溉试验中心站内进行，在试验站原有农田基础上，改造成9个规格相同的矩形湿地，湿地长15m，宽6m，设计水深为60cm，中间通过田埂隔开，实行灌排分开。通过排水管道将农田排水排入9个湿地，管道进口设置水阀以方便控制和计量。根据适应性、经济价值和观赏价值皆备原则，选取鄱阳湖流域常见的自然湿地多年生植物作为研究对象。试验设置9个处理，植被类型依次是莲藕、白莲、藜蒿、茭白、水芹菜、菖蒲、水蕹、杂草和空白，不设重复，其中空白和杂草为对照组。由于植物种类之间差异较大，生物量大小不一，为使试验结果具备可比性，各种植物种植密度基本保持一致，计算在控制水量相同的条件下不同植物对污染物的去除率，植物种植时间为4月15日。各湿地面积均为90m2，控制稻田面积为540m2，湿地与稻田面积比为1∶6。各小区植被灌溉水源均为农田排水，灌溉水源氮、磷等营养指标相同，单次灌水量和灌水总量以及排水量相同，排水量通过田面水层进行计量，通过进水口设置的水表计量灌水量。湿地水层控制标准以6倍湿地面积的稻田排水量进行核算，折算后即控制水层深为20cm。湿地小区安装水尺，每日观测水层的变化。湿地控制排水时间以氮、磷体积质量降低至拐点且曲线平稳时为准。

1．2　取样和测定方法

试验时间在2011年7—9月，在湿地灌水后第2天开始连续取样分析，取样点控制在湿地排水口附近，取样时间为每天14：00，每次取水量200mL。水样分析在江西省灌溉试验中心站内进行，分析前在4 ℃环境下保存不超过30h。TN、TP的测定方法分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB　11894紫外分光光度法）和过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法（GB　11893钼酸铵光光度法），TN、TP去除率（R）采用文献［3］中的方法进行计算。试验在原位状态下进行，湿地水的变化由自然蒸发和植物蒸腾引起，通过水尺读数换算成水量。

2　结果与分析

2．1　不同植物对农田排水 TN 净化效果比较

7月19日，将 TN 体积质量为12．1mg／L的污染水排入9个湿地，7月20—28日对湿地进行连续取样分析，各种植物对农田排水TN 去除率随时间变化情况见表1。可见，水力停留1d时，白莲 TN 去除率最高，达62．7％，是最低的（空白对照）5 倍多，去除率同样高于杂草对照；7种植物中茭白去除率最低，与空白对照去除率无明显差别；菖蒲、水蕹去除率与杂草去除率接近，都在50％以上，水蕹去除率略高于菖蒲；藜蒿去除率与空白对照最接近，去除率仅为18．7％；莲藕和水芹菜去除率接近，都在20％以上。随着水力停留时间延长，去除率均有上升，不同湿地 TN 去除率增幅差异较大，增幅最大的为莲藕湿地，去除率由26．4％增加到80．9％，增幅最小为菖蒲。水力停留时间为9d时，对TN 去除率从高到低依次是杂草、白莲、水蕹、莲藕、菖蒲、茭白、藜蒿、水芹菜、空白，杂草对照去除率最高，空白对照去除率最低，在7种湿地植物中，白莲对 TN 去除率最高，去除稳定性同样较高；藜蒿、茭白、水芹菜去除率与空白对照非常接近，与去除率较高的白莲、水蕹差异较大，导致差异较大的原因是：①作物生长适宜温度不同。7月份江西平均气温高于30℃，杂草（主要为狗牙根）和白莲是喜热植物，高温下生长旺盛。而水芹菜是一种耐寒不耐热的多年生匍匐植物，高温炎热不利于水芹菜生长。②作物生长状况及生长时期差异大。7月份白莲正处于成苗期与花果期过渡阶段，对氮、磷等营养物质需求量大，而相对应的水芹菜还没有到最适合种植的时间，长势不理想。藜蒿生长早期湿地漏水，高温、干旱导致藜蒿成活率低，植被分布密度小。8月19日，排水入湿地，排水 TN 体积质量为9．40mg／L，在8月20—28日对湿地进行连续取样分析，TN去除率随时间变化情况见表1。可知水力停留1d时，水芹菜和菖蒲 TN 去除率低于空白对照，2d后均超过空白对照，导致第1天偏低的原因可能是试验误差。白莲在水力停留1d时去除率最高，杂草对照去除率除低于白莲和莲藕外，超过其他湿地。水力停留9d时，白莲去除率最高，为87．6％，去除率超过杂草对照的有莲藕、白莲和菖蒲，藜蒿、茭白、水芹菜去除效果无明显差异，去除率居于空白和杂草之间。根据去除率大小排序依次为白莲、菖蒲、莲藕、杂草、水蕹、茭白、藜蒿、水芹菜、空白。9月中旬，江西气温下降。在9月10日对湿地排入 TN 体积质量为8．8mg／L的水，在9月11—19日对湿地进行连续监测。可知，随着水力停留时间的延长各湿地对 TN、TP的去除率均呈上升趋势，有植物的去除率均高于空白对照，少部分植物去除率高于杂草对照。水力停留9d时，菖蒲去除率达82．9％，接近为去除率最低的藜蒿的2倍。对比同一湿地在3个不同月份对 TN 去除率的差异可知，莲藕、白莲、藜蒿和菖蒲变化规律相同，7—8月，去除率上升，8—9月，去除率下降。茭白、水芹菜变化规律相同，从7—9月，TN 去除率上升。水蕹与2个对照湿地变化规律相同，7—9月，去除率呈下降趋势。根据3个月份水力停留9d时各湿地 TN 平均去除率可知，无植物空白对照 TN 平均去除率为46．3％，莲藕、白莲、藜蒿、茭白、水芹菜、菖蒲、水蕹、杂草平均去除率比空白对照分别提高28．4％、33．4％、10．0％、23．1％、15．6％、34．9％、27．2％、33．5％。空白对照的去除率变化过程同有植被的湿地相比，TN 的变化过程更平缓，而有植被的湿地，去除率在排水进入的前几天去除率较高，后期变化平缓，显示的特性是：空白对照虽然总的去除率也可以达到40％以上，但是应对短期内的高浓度农田排水，其抗冲击性显著弱于有植被的湿地。在显著性水平P≤0．05的条件下，各湿地 TN去除效果之间存在显著差异，白莲、菖蒲和杂草对TN 去除效果显著优于其他植物，同时考虑到经济性、观赏性和易栽培性，白莲、菖蒲为鄱阳湖流域湿地氮净化最具推广潜力植物。

2．2　不同植物对农田排水 TP净化效果比较

由表2可知，随着水力停留时间延长，各种植物及杂草和空白对照对 TP的去除率呈显著上升趋势，7—9月，杂草、空白对 TP的去除率均下降，7种植物大多数与杂草和空白对照规律相同。部分植物对 TP的去除率随月份波动较大，尤其是白莲和菖蒲，去除率分别从7月份的88．4％、80．1％降低至9月份的78．4％、68．6％，去除率分别下降10．0％、11．5％，相反，水芹菜 TP去除率从80．4％提高到84．9％。7月份，水力停留9d时，白莲和杂草 TP去除率最高，均在90％左右，二者差别不大，去除率最差的为空白对照，去除率为69．3％，比7种植物中最低的茭白去除率低7．7％，其他6种植物去除率均比空白对照去除率高10％以上。8月份，9个湿地在水力停留9d情况下，TP去除率均发生变化，莲藕、白莲、茭白、水芹菜及水蕹TP去除率超过80％，去除效果较理想，菖蒲去除率较7月份明显降低，根据各湿地对 TP去除率排序，去除率由高至低依次为莲藕、茭白、杂草、水芹菜、水蕹、白莲、藜蒿、菖蒲、空白。9月份结果显示，植物之间 TP去除率差异显著，7种植物中，水芹菜去除率最高，达83．4％，最低的为菖蒲，其去除率为68．6％，相差14．8％，莲藕、藜蒿、茭白、水蕹4个湿地 TP去除率无明显差异，去除率均在80％左右。

根据7—9月各湿地 TP去除率均值分析结果，无植物空白对照 TP平均去除率为65．6％，莲藕、白莲、藜蒿、茭白、水芹菜、菖蒲、水蕹、杂草平均去除率比空白对照分别提高18．4％、16．9％、12．6％、15．5％、17．3％、8．7％、16．6％、19．6％，各湿地TP去除率提高量均未超过20％，不同植物之间差异也比较大，提高幅度最大的为杂草对照。

2．3　综合分析

试验时间为7—9月，各植物所处生育阶段有所差异，不同月份温度差异较大，根据试验站对试验期间连续观测结果显示，7—9月平均温度分别为31．6、26．4、19．2℃，各月之间温度相差均在5℃以上。由空白对照在7—9月份对TN、TP在水力停留9d时去除率变化可知，7月份去除率最高，9月份去除率最低，去除率呈下降趋势，去除率随温度降低而下降，综上可知，TN、TP去除效果与温度关系密切。结论显示温度对氮去除抑制作用明显，大多数反硝化细菌最适生长温度范围为30～37℃，随着温度上升，释磷和吸磷速度都会有所提升［5］。植物对 TN、TP 去除贡献度有差异，各植物系统湿地对 TN 去除率普遍比空白对照 TN 去除率高20％～35％，而对 TP的去除率提高在20％以下。一般认为，湿地对氮的去除途径主要是硝化和反硝化作用。而湿地对磷的去除途径由基质的物理化学作用、植物的吸收和微生物的同化作用共同完成，其中，基质的物理化学作用被认为是磷去除的主要途径，试验结果验证了这一观点。导致有植物系统对提高氮的去除能力强于对磷的去除的原因是：植物不仅能对氮、磷等营养成分直接吸收，而且能产生根区效应，促进湿地底泥沉积物中氮氧化分解，从而降低水体中氮的污染负荷。湿地对 TN、TP去除率增长幅度随水力停留时间延长而减缓。由7—9月份，空白对照对 TN、TP去除率在水力停留9d内变化情况可知，在水力停留超过5d后，湿地对 TN、TP去除率增幅明显变慢。主要原因是：①随水力停留时间延长，水体中氮体积质量下降，高体积质量氮去除速度相对高于低体积质量，与葛滢模拟流水的小型无基质试验结果一致［6］。②微生物对于磷的去除效果在短时间内是比较稳定的，导致其去除率放缓主要因素是土壤，土壤对磷的去除主要是通过离子交换、专性和非专性吸附、螯合作用、沉降反应等［7］，随时间的推移，土壤基质对磷的吸收逐渐趋于饱和，导致去除能力下降。由此可见，依靠湿地基质不能达到长期除磷的目的。由各植物在7—9月对 TN、TP的去除率对比可知，莲藕、白莲、菖蒲、杂草等生长较快的植物对净化效果更有利，根据各植物的生长速度和去除率对比可知，水生植物的氮、磷积累量与植物的生物量有一定的相关性。植物在不同生育期对氮、磷需求量有所差别。水芹菜在7—9月对 TN 去除率分别为51．8％、63．0％、70．9％，对TP去除率分别为80．4％、83．4％、84．9％，去除率上升较快，原因是水芹菜在秋季最适宜移栽，在15～20℃环境下生长最快，尤其是8—9月份水芹母茎生长，对氮、磷需求量大。而与之相对应的是白莲，其对TN去除率由7月份的88．4％，降低至9月份的63．0％，去除率降低25．4％，7—9月对TP去除率分别为88．4％、78．4％，去除率降低10．0％，降低幅度较大，原因是7—8月白莲处于盛花期，而到9月份后进入末花期，盛花期白莲种子生长，需要大量氮、磷以形成磷脂。

3　结　论

研究在江西省灌溉试验中心站内进行，以南方常见红壤作为湿地基质，莲藕、白莲、藜蒿、茭白、水芹菜、菖蒲、水蕹为筛选植物，杂草和空白为对照，研究9个湿地系统对污染水体中氮、磷去除效应。得出以下结论：1）在水力停留9d时，有植物湿地 TN、TP去除效果好于无植物湿地，植物对 TN 去除贡献度明显高于对 TP去除贡献度。有植物系统湿地 TN去除率比空白对照高20％～35％，而对 TP去除效果提高幅度均在20％以下。其中，莲藕、白莲、菖蒲、杂草综合效果比较好。考虑到经济性和观赏性原则，莲藕、白莲和菖蒲比较适合在鄱阳湖流域推广。2）植物在不同温度、不同生育期对 TN、TP净化效果差异较大。不同的植物适宜温度有所差别，植物在适宜温度和生长旺盛期时净化效果较好。无植物系统湿地对氮、磷去除率与温度有一定关系，随温度的上升，去除率提高。3）植物对TN、TP去除率与植物生物量积累有一定的关系。生长速度越快，去除效果相对越好。