不同空间配置的湿地植物群落对生活污水的净化作用研究

生态环境学报2010,19(8):[e-mail]基金项目：云南省科技计划（2008CA006），国家重点基础研究发展计划（973）前期研究专项（2010CB434807），国家自然科学基金（40971285）作者简介：李莎莎(1984年生)，女，硕士研究生，主要从事湿地生态方向研究。E-mail：[e-mail]*通讯作者，E-mail：[e-mail]收稿日期：2010-05-25不同空间配置的湿地植物群落对生活污水的净化作用研究李莎莎1，田昆1,2*，刘云根1，周耀华1，杨红梅11.西南林业大学环境科学与工程系，云南昆明650224；2.国家高原湿地研究中心，云南昆明650224摘要：植物是湿地生态系统的重要组分，湿地湖滨植物群落物种组成和空间格局对湿地水体净化功能具有重要作用。选择茭草（Zizaniacaduciflora）、野菱（Trapaincisa）、金鱼藻（Ceratophyllumdemersum）和蓖齿眼子菜（Potamogetonpectinatus）等4种云南高原湿地常见湖滨带植物物种，以不同配置方式分别构建4种不同植物群落：茭草-金鱼藻-金鱼藻（Z-C-C）、茭草-野菱-金鱼藻（Z-T-C）、茭草-蓖齿眼子菜-蓖齿眼子菜（Z-P-P）、和茭草-蓖齿眼子菜-金鱼藻（Z-P-C），对不同植物群落净化污水的效果进行对比研究。结果表明：4种不同植物群落人工湿地对生活污水净化效果不同，经过Z-C-C群落处理后水体的COD降低率为(50.56±1.98)%，显著低于Z-T-C群落(69.66±4.15)%、Z-P-P群落(64.29±1.05)%，Z-P-C群落(66.67±1.13)%，（P0.05）；经过Z-T-C群落处理后水体TN降低率为(24.69±4.64)%，显著低于Z-C-C群落(53.29±0.71)%、Z-P-P群落(53.36±2.04)%、Z-P-C群落(54.44±0.29)%，（P0.05）；各群落对NH4+-N去除率有显著差异(P0.05)，分别为(71.77±0.37)%，(67.22±0.53)%，(69.22±0.13)%，(80.85±0.31)%。研究表明：3种植物配置模式对生活污水的净化效果比2种植物配置模式的好；适当增加沉水植物的配置比例，可提高人工湿地对氮的去除效果；根系发达的植物具有更强的净化效果。关键词：植物群落；空间配置；生活污水；净化作用中图分类号：X173文献标识码：A文章编号：1674-5906（2010）08-1951-05湿地植物是湿地中重要的组成部分[1-2]，在自然湿地中不同湿地植物构成植物群落，为水生生物创造良好生境，与周围环境进行物质能量的交换，截留水体中的营养物质，有效净化水质，平衡湿地营养物质，在湿地生态平衡和生物多样性保持中发挥重要作用[3-4]，已有大量研究证明湿地植物净化水质的作用[5-6]。由于湿地植物群落组成不同，植物之间相互作用共同维持湿地生态系统的功能存在差异，导致湿地对水质净化效果有所不同，因此，合理配置湿地植物对提高人工湿地的净化功能具有重要意义。目前已有大量关于湿地植物对污水的净化效果研究，但以单种植物对污染水体的净化作用研究局多，缺乏不同类型植物组合对污水的净化作用研究。1材料与方法1.1试验材料依据多年对云南高原自然湿地典型植物群落物种组成特征的研究，采集3种不同生活型的挺水植物-茭草（Zizaniacaduciflora）、浮叶植物-野菱（Trapaincisa）、沉水植物-金鱼藻（Ceratophyllumdemersum）和蓖齿眼子菜（Potamogetonpectinatus）带回实验室，进行移栽成活试验，保证参试植物正常生长并处于同一试验条件下。为避免其他因子干扰，获得植物群落净化效果，栽培基质采用细沙，试验用生活污水来自于西南林业大学生活污水，水样各初始指标分别为：COD为84~89mol·L-1；TN为19.21~20.6mol·L-1；NH4+-N为16~17mol·L-1；NO3--N为0.086~0.09mol·L-1。1.2研究方法植物群落构建在西南林业大学防雨棚内的营养净化槽(3.7m×1m×0.8m)中进行，每个净化槽分为3个单元，相互连通。对水槽作防水、加固等处理后，在挺水植物单元铺设30cm厚细沙，在沉水植物单元铺设15cm厚细沙，构建一定的水深梯度，设相同条件对照单元作为试验参照。本次试验构建了茭草-金鱼藻-金鱼藻（Z-C-C）、茭草-野菱-金鱼藻（Z-T-C）、茭草-蓖齿眼子菜-蓖齿眼子菜（Z-P-P）、和茭草-蓖齿眼子菜-金鱼藻（Z-P-C），4种不同空间配置的植物群落系统，每种群落配置3个平行，共计15个水槽(空白对照3个)。2009年7月底，选择经过移栽成活试验处理的植株移栽，茭草高为45cm，蓖齿眼子菜和金鱼藻长为30cm，野菱水面叶片直径为(10±2)cm，加入清水待其稳定生长3天后，加入生活污水，模仿野外水文过程，调节水流速度，每隔1天取1次水样，对不同空间配置植物群落净化效果进行测定，20d为1个试验周期。试验时间为2009年7月至2009年12月。测定水质各指标方法：COD采用重铬酸钾氧化1952生态环境学报第19卷第8期（2010年8月）法，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，NH4+-N采用纳氏试剂比色法，NO3--N采用酚二磺酸分光光度法[7]。1.3数据分析试验数据统计分析运用SPSS13.0和Excel软件进行。采样单因素方差分析法，对不同空间配置的植物群落系统处理后水体相关指标进行差异性检验，对不能满足方差齐性检验数据进行Tamhane′sT2检验。2结果与分析2.1水体COD变化从图1可见，不同空间配置的4种湿地植物群落中COD质量浓度随时间变化逐渐降低，减少量依次为(45±4.95)、(62±0.71)、(54±4.95)、(58±4.24)mol·L-1，COD质量浓度降低率随时间变化逐渐增加，从小到大依次为(50.56±1.98)%，(69.66±4.15)%，(64.29±1.05)%，(66.67±1.13)%，均明显高于空白组（29.67±1.03）%。4种湿地植物群落对COD质量浓度均有比较明显的降低作用，且COD质量浓度变化趋势基本相同，但不同群落之间存在差异。Z-C-C群落对COD降低率与其它3个群落有显著差异（P0.05），降低率明显低于其它3个群落，Z-T-C群落和Z-P-C群落对COD降低率明显高于其它2个群落（P0.05），其中Z-T-C群落中COD质量浓度减少最多，降低率最高，对COD净化效果最好。2.2水体TN变化从图2可见，不同空间配置的4种湿地植物群落中TN质量浓度随时间变化逐渐降低，减少量依次为(10.98±0.36)、(4.77±0.67)、(11.18±0.15)、(11.29±0.78)mol·L-1，TN质量浓度降低率随时间变化逐渐增加，依次为(53.29±0.71)%，(24.69±4.64)%，(53.36±2.04)%，(54.44±0.29)%，均明显高于空白组（13.97±1.61）%。4种湿地植物群落对TN质量浓度均有比较明显的降低作用，且TN质量浓度变化趋势基本相同，第11天Z-T-C群落对TN质量浓度降低率下降。试验结果表明Z-T-C群落对TN降低率与其它3个群落有显著差异（P0.05），降低率明显低于其它3个群落，Z-P-C群落中TN质量浓度减少最多，降低率最高，对TN净化效果最好。2.3水体NH4+-N变化从图3可见，不同空间配置的4种湿地植物群落中NH4+-N质量浓度随时间变化逐渐降低，减少量依次为(12.33±0.06)、(11.1±0.41)、(11.61±0.27)、(13.12±0.41)mol·L-1，NH4+-N质量浓度降低率随时间变化逐渐增加，依次为(71.77±0.37)%，(67.22±0.53)%，(69.22±0.13)%，(80.85±0.31)%，均明显高于空白组（9.17±0.12）%。4种湿地植物群落对NH4+-N质量浓度均有比较明显的降低作用，且NH4+-N质量浓度变化趋势基本相同，但各群落间图1COD质量浓度变化及降低率Fig.1VariationoftheconcentrationandreductionrateofCOD图2TN质量浓度变化及降低率Fig.2VariationoftheconcentrationandreductionrateofTN0510152025135791113t/dρ(TN)/(mg·L-1)Z-C-C群落Z-T-C群落Z-P-P群落Z-P-C群落空白010203040506035791113t/dTN降低率/%Z-C-C群落Z-T-C群落Z-P-P群落Z-P-C群落空白020406080100120135791113t/dρ(COD)/(mg·L-1)Z-C-C群落Z-T-C群落Z-P-P群落Z-P-C群落空白0102030405060708035791113t/dCOD降低率/%Z-C-C群落Z-T-C群落Z-P-P群落Z-P-C群落空白李莎莎等：不同空间配置的湿地植物群落对生活污水的净化作用研究1953NH4+-N降低率有显著差异（P0.05），Z-P-C群落NH4+-N质量浓度减少最多，降低率最高，对NH4+-N净化效果最好，Z-T-C群落NH4+-N质量浓度降低率最低，净化效果最差。2.4水体NO3--N变化从图4可见，不同空间配置的4种湿地植物群落中NO3--N质量浓度随时间变化逐渐增加，增加量依次为(0.125±0.007)、(0.064±0.004)、(0.226±0.012)、(0.05±0.006)mol·L-1，NO3--N质量浓度增长率随时间变化逐渐增加，依次为(138.89±2.77)%，(74.42±3.65)%，(256.82±3.78)%，(54.95±2.97)%，均明显高于空白组(10.34±3.62)%。4种湿地植物群落NO3--N质量浓度变化趋势基本相同，但各群落间NO3--N质量浓度增长率有显著差异（P0.05），Z-P-P群落NO3--N质量浓度增加最多，增长率最高，Z-P-C群落增长率最低。3结论与讨论研究结果表明：不同空间配置的4种湿地植物群落对污水均有较明显净化效果，说明植物对净化水质有重要作用，该研究结果与以往大量研究结果一致[8-9]。4种不同湿地植物群落之间净化效果存在差异。Z-T-C、Z-P-C群落对COD降低率显著高于另两个群落。COD的去除主要是植物根吸收和微生物的代谢作用，且与氧的关系非常密切[10]。Z-C-C群落对COD的净化效果最差，可能是由于沉水植物—金鱼藻无根系，较有根植物吸收COD的能力弱。但Z-P-P群落搭配有根的眼子菜对COD净化效果不如有金鱼藻的Z-T-C、Z-P-C群落。从空间配置上看Z-T-C、Z-P-C群落比Z-P-P群落复杂，生物多样性更高。不同湿地植物生长速度、对污染物的吸收转化能力，提供氧气能力等存在显著差异，从而使得净化功能不同[11]，而不同物种或同一物种在不同湿地环境中净化效果会有较大差异[12]，所以选择搭配多种湿地植物，有利于植物间的优势互补，保持对营养及有机物较好且更稳定的净化效果，使湿地系统更稳定的发挥生态功能。已有试验证明，多种植物组合合理搭配具有较好的处理效果[12-13]。COD净化效果说明Z-T-C、Z-P-C群落空间配置更合理，有利于湿地系统更好的发挥净化功能，维持湿地系统的稳定。随着时间的变化4种不同湿地植物群落对氮的去除效果出现差异。Z-P-C群落对TN、NH4+-N降低率最高，Z-C-C、Z-P-P群落对TN、NH4+-N去除效果稍差于Z-P-C群落，Z-T-C群落对TN、NH4