植物构建浮岛系统对封闭式景观水体净化效果研究

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　　摘要：基于封闭式景观水体建设的发展趋势，以白鹭洲公园景观水体为例，选择了4种常见本土植物吊兰（Chlorophytum como-sum（Thunb.）Baker.）、空心莲子草（Hydrocotyle vulgaris（Mart.）Griseb）、美人（Canna indtca L）和芦荟（Aloe vera，），在模拟正常湖泊的环境下，发现这4种植物的新陈代谢没有受到环境的影响，均能保持良好的生长状态，并具有不同程度的净化水质的能力。4种植物组合均能在富营养化水体中正常生长，并且对氮磷具有较好的去除能力，同时不同植物的净化能力差异性较显著，对COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分别为38.7%～62.6%、25.3%～55.4%、28.3%～58.7%和32.5%～59.6%。从植物净化能力、生长特性、景观效果和生态效应等方面综合考虑，T5配置的吊兰具有景观效果好、具有营养物质去除率较高且稳定的特点，是吉安及类似气候带地区居住小区营造生态水景的最佳水生植物配置。
　　关键词：景观水体;富营养化;水质监测;植物净化
　　景观水体可改善城市住宅小区的自然环境，迎合人们亲近自然和对健康的追求，也是高档生态住宅小区不可缺少的组成部分。由于建设土地成本较高，很难有条件营造大规模的水体，导致景观水体多为静止或流动性较差的封闭体系。同时，水体一般具有复氧能力较差、自净能力有限等特点，水质易受居民活动和雨水径流所影响。目前，许多城市景观水体都已出现不同程度的污染，水体富营养化现象严重[1-2]。
　　通过不同植物对水体中污染因子的净化能力不同筛选出适合的植物，通过对每种植物进行单独的试验并且对一系列的试验结果进行分析，找出不同的植物对不同的污染物的去除效率的差异[3-4]。我们根据这些植物对不同污染物的处理能力不同构建出对污水中污染物的净化能力突出的系统，以期望能对净化受污染的水体提供更好的植物选择。
　　1 材料和方法
　　1.1 试验材料
　　本研究选用购买的吊兰（Chlorophytum comosum）、美人蕉（Canna generalis）、芦荟（Aloe）和白鹭洲公园湖旁优势物种空心莲子草[Hydrocotyle vulgaris（Mart）Griseh]4种植物作为试验材料。水生植物购于当地花卉市场，试验前用自来水将其根部洗净（不伤根系），然后在自然光照、避雨的条件下将其置于自来水中预培养数日，试验用富营养化水体参照改良Hoagland氏营养液配制而成，pH值控制在6.0～6.9，本试验所用水样为白鹭洲公园湖富营养化水体，2018年9月测得其水体透明度为0.55m，总氮浓度为2.30mg/L，氨氮浓度为1.20mg/L，硝态氮浓度为0.89mg/L以及亚硝态氮浓度为0.37mg/L，以开始培养的水体为本底值。水培植物的培养温度为24～25℃，pH值平均为7.09。
　　1.2 研究方法
　　试验用培养容器规格为40.5cm×30cm×22.5cm塑料箱，处理水体体积为18L，植物经预培养后，选取长势良好、大小一致的植株，清洗干净，栽植于供试水体中。植物在自然光照、避雨的条件下生长，试验期间用自来水补充蒸发和蒸腾所消耗的水分，以保持容器中的水位。
　　试验过程中，每种水生植物设置2组处理，3组重复，CK：空白对照，只加营养液，不加水生植物。为排除底泥污染物释放、沉积过程对试验结果的干扰，各培养容器中水生植物种植时并未添加任何底泥基质。每个培养容器表面都有一块附有定植孔的聚苯乙烯泡沫栽培定植板，植物被固定在定植孔中，定植孔按照间距8cm，孔径4cm打孔，植物直接置于规定水域内。每个培养容器种植1/3箱植物。试验持续90d，每隔5d采集水样并按照国家水质监测标准方法测定水体中的TN、NH4+-N、BOD5和TP等指标。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同植物净化水体CODMn况
　　由图1可知，4种植物组合和对照处理的水体中CODSMn浓度均有较大幅度的下降，在开始的30d对水体污染物的去除速率较快，美人蕉和吊兰的净化效果就优于空心莲子草和芦荟，对CODMn具有良好的去除能力，在植物生长期内，水体中CODMn分别减少了4.50mg/L、4.18mg/L和4.16mg/L。在30d美人蕉、吊兰、空心莲子草、芦荟培养浮床中的CODMn分别从17.3mg/L左右下降到8.67mg/L、8.35mg/L、10.56mg/L、10.78mg/L，随着水生植物的生长，对CODMn的利用量不断提高，在90d时美人蕉、吊兰、空心莲子草、芦荟培养浮床中的CODMn浓度
　　基金项目：江西省教育厅教学改革项目（JXJG-17-9-12）;井冈山大学自然科学科研项目（JZ10026）：国家自然科学基金（31960054）。
　　通信作者：柳正葳，讲師，硕士，主要从事园林植物与环境科学研究。下降到7.45mg/L、6.54mg/L、8.74mg/L、9.56mg/L。试验结果表明，不同水生植物组合对CODMn的去除能力具有差异，去除能力大小排序为吊兰>美人蕉>空心莲子草>芦荟。
　　2.2 不同植物净化水体NH3-N情况
　　由图2可知，除CK外，植物处理组对NH4+-N均有较显著的去除效果。其中吊兰去除能力最佳，最终水体中NH4+-N浓度降到0.83mg/Lo从试验结果来看，CK的水体自净NH4+-N能力有限。水体中NH4+-N的去除主要通过植物的吸收、根际的吸附作用得以去除，对比分析水生植物对NH二+-N的去除趋势可知，试验前期（0～5d），处理组中的水生植物尚处于适应阶段，导致处理效果与CK差异性不显著。由于NH4+-N在水体中主要以离子状态存在，容易被植物吸收，从而表现为在5～10d时浓度NH4+-N急剧降低，在微生物的作用下发生氨化、硝化。但随着植物对N03 =N利用的饱和以及植物根际表面形成的生物膜中的微生物（如硝化菌）加速NH4+-N向NO3--N的转化过程，使得这4种植物对NO3--N的去除能力逐渐下降，在第90d美人蕉、吊兰、芦荟、空心莲子草4种植物处理水体中氨氮浓度从开始的1.54mg/L分别降为0.77mg/L、0.69mg/L、0.86mg/L、1.mgmg/L。 　　2.3 不同植物净化水体TN情况
　　由图3可知，4种水生植物对TN均有较好的去除效果，TN浓度均明显低于对照组（CK）。至试验结束时，吊兰处理T5中TN浓度降至1.13mg/L，为CK去除率的7.8倍，处理水接近符合《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）规定的Ⅲ类水;而CK中TN浓度一直高于Ⅴ类水限值（2.mmg/L）。可见，4个处理组对富营养化水体中TN的去除能力均显著高于CK。从试验来看，虽然CK中并未栽种任何水生植物，但水体中的微生物可利用充足的碳源通过反硝化作用实现NO3--N的去除，TN去除量基本为NO3--N的去除量。随着时间的延长，植物处理组通过微生物对氮素的转化以及植物的吸收作用，对TN的去除效果逐渐加强。
　　2.4 不同植物净化水体TP情况
　　由图4看出，4种植物对总磷都有一定的去除效果，最终4种植物和对照组中的总磷浓度从0.2mg几左右分别下降到0.1mg/L、0.08mg/L、0.13mg/L、0.11mg/L。一般磷的去除主要靠植物吸收，土壤吸附和微生物固定，试验所用浮床为塑料材质，吸附作用影响不大，植物对磷的去除效果好可能是植物对可溶性磷的吸收同化作用。试验数据显示，4种植物对总磷的净化效果顺序为：吊兰、水生美人蕉、芦荟、空心莲子草。这也可能和不同植物的营养需求不同有关。
　　由图4可知，相对于CK，各处理组中TP均显著下降，特别是吊兰处理组水质接近达到地表水质标准11类水标准（<0.1mg/L）。同时，各处理组中TP浓度在试验初期（0～10d）下降较快，而在后期由于浓度较低，呈平缓下降趋势。比较4个处理组和对照空白的最终去除率发现，经过90d的处理后，总磷浓度从0.2mg/L左右分别下降到0.1mg/L、0.08mg/L、0.13mg/L、0.11mg/L。对TP的去除能力大小排序为吊兰水生美人蕉芦荟空心莲子草。试验结果表明，除CK外，处理组对TP的去除为先急剧下降，后趋于平缓。一般情况下，水体中的磷可通过沉淀、固结等物理化学作用去除。因此，在未栽种任何水生植物的空白对照组中，对TP也具有一定的去除率。
　　2.5 不同植物净化水体BOD5情况
　　从图5可知，前40d 4种植物对BOD5的去除效果都较明显，水中BOD四的浓度从12.55mg/L左右下降到6.02mg/L、5.64mg/L、6.41mg/L、7.34mg/L。40d后趋于平稳，4种植物的去除效果均较好。植物对BOD5的降解主要依靠植物根区，4种植物中吊兰对水体BOD5的去除效果最好，到了60.4%;而且吊兰的根系叶片需要大量营养源，对有机源需求高。
　　3 结论
　　不同水生植物不同时期的生长速率及代谢功能不同，导致其对营养物质的吸收特性不同，并利用根际周围微生物组成人工复合系统的群体效应，保持对水体营养元素及有机物有较好的净化效果，充分发挥它们的生态功能。通过吊兰、空心莲子草、美人蕉、芦荟4种植物对水体中氮、磷营养盐的净化效果和复氧能力，以及GB 3838-2002对丁N，NH4+-N和TP规定的限值比较，吊兰的净化能力明显优于其余处理组。利用放置不同植物的浮床对受试水体中污染物的去除率看，4种植物对氨氮、总磷、总氮、COD、BOD5都具有一定的净化能力，吊兰的总体净化能力最好，其对COD、氨氮、总氮、总磷，BOD5的去除率分别为62.6%、55.4%、58.7%、59.6%、59%、64.2%。所以吊兰可以作为处理污水的优势种使用，其次是美人蕉。
　　从试验结果来看，CK中TN的去除主要通过水体中反硝化菌对NH4+-N的反硝化作用实现，TN去除量基本为NH4+-N的去除量。随着时间的延长，植物处理组通过微生物对氮素的转化以及植物的吸收作用，对TN的去除效果逐渐加强。从植物净化能力、生长特性、景观效果和生态效应等方面综合考虑，T5配置的吊兰具有景观效果好、对营养物质去除率较高且稳定的特点，是吉安及类似气候带地区居住小区营造生态水景的最佳水生植物配置。但本研究只是相对稳定环境中的短期试验，在实际应用中还需对各种适合植物进行组合，对各种植物的配置数量和空间分布等进行深入研究。
　　（收稿：2019-11-14）
　　参考文献：
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