王麗莎，李希*，甘蕾，張瑞，呂殿青，周腳根，張滿意，李裕元，吳金水

亞熱帶丘陵區(qū)濕地水生植物組合模式攔截氮磷的研究

王麗莎1,2，李希2*，甘蕾1,2，張瑞1,2，呂殿青1*，周腳根2，張滿意2，李裕元2，吳金水2

1. 湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410006；2. 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所//亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125

人工濕地是農(nóng)業(yè)面源污染治理的有效措施，植物構(gòu)成及其組合模式是影響濕地污染消納能力的關(guān)鍵。以湖南亞熱帶紅壤丘陵區(qū)為研究區(qū)，通過(guò)人工濕地小區(qū)試驗(yàn)，選取對(duì)氮磷有較強(qiáng)吸收能力的浮水植物綠狐尾藻（Myriophyllum elatinoides）為主要植物，分別與黑三棱（Sparganium stoloniferum）、梭魚(yú)草（Pontederia cordata）、銅錢(qián)草（Hydrocotyle vulgaris）、燈芯草（Juncus effusus）、野芋頭（Calla palustris）、水花生（Alternanthera philoxeroides）等構(gòu)成不同的植物組合模式，研究其對(duì)農(nóng)村污水（COD：56.34～109.41 mg·L-1、TN：21.11～33.24 mg·L-1、TP：3.36～5.74 mg·L-1）的凈化效果，旨為亞熱帶丘陵區(qū)農(nóng)村污水人工濕地生態(tài)治理工程提供參數(shù)依據(jù)。結(jié)果表明，觀測(cè)期內(nèi)（7—11月），野芋頭組合對(duì)COD去除效果最好，出水COD平均質(zhì)量濃度為21.24 mg·L-1，平均去除率為72.9%。銅錢(qián)草組合對(duì)TN的去除效果最好，出水TN平均質(zhì)量濃度為3.52 mg·L-1，平均去除率達(dá)到84.9%。梭魚(yú)草組合對(duì)TP的去除效果最好，出水TP平均質(zhì)量濃度為0.22 mg·L-1，平均去除率達(dá)到95.2%。各植物組合氮磷積累量分別在12.43～30.87 g·m-2和0.99～4.69 g·m-2之間，梭魚(yú)草組合氮磷積累量最大（8月：N 30.87 g·m-2和11月：P 4.69 g·m-2）。植物吸收占總氮磷去除的比例分別為17.3%～27.8%和10.3%～16.7%，其中，以梭魚(yú)草組合對(duì)氮磷的吸收比例最大，野芋頭組合吸收比例最小。綜合而言，綠狐尾藻與梭魚(yú)草組合為研究區(qū)最佳濕地水生植物組合模式。

亞熱帶丘陵區(qū)；水生植物；組合模式；人工濕地；氮；磷

采用人工濕地技術(shù)處理污水具有工程投資少、操作簡(jiǎn)單、管理運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)（張驍棟等，2016），已被廣泛用于城市與農(nóng)村生活污水（Wallace，2000）、農(nóng)田排水（韓例娜等，2012）、富營(yíng)養(yǎng)化湖泊與水庫(kù)（Zhao et al.，2013）以及養(yǎng)殖廢水（Dunne et al.，2005）的生態(tài)治理。人工濕地一般分為潛流濕地和表流濕地兩大類(lèi)型，其中潛流濕地主要通過(guò)人工填料的吸附和微生物轉(zhuǎn)化等作用，達(dá)到去除污染物的目的，其工程相對(duì)較為復(fù)雜，填料需要定期更新，因此有一定的壽命。而表流濕地則是利用池塘、低洼地等不同形狀的水面或濕地，通過(guò)種植挺水、沉水或者浮水等不同類(lèi)型的濕地植物，并通過(guò)植物吸收和微生物的作用去除水體中的氮磷污染物，構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用更為廣泛。一些研究表明，在南方地區(qū)濕地去除氮、磷的效果一般分別可達(dá) 10～35 g·m-2和 0.5～3 g·m-2（柳君俠，2010），但是由于設(shè)計(jì)工藝和地域的不同，加之植物本身的生物學(xué)特性差異，不同類(lèi)型植物構(gòu)成的人工濕地其處理效果也有顯著差異，如靖元孝等（2002）在華南地區(qū)（廣東）的試驗(yàn)表明，每100克干重風(fēng)車(chē)草（Cyperus alternifolius）能吸收氮磷養(yǎng)分的量分別為0.225 g和0.044 g；韓例娜等（2012）在亞熱帶丘陵區(qū)（長(zhǎng)沙）的研究結(jié)果表明，美人蕉（Canna indica）和綠狐尾藻（Myriophyllum elatinoides）的氮磷積累量分別為 23.9、15.08 g·m-2·a-1和 3.05、2.93 g·m-2·a-1；衛(wèi)小松等（2016）在云貴地區(qū)（貴州）的試驗(yàn)表明，茭白（Zizania latifolia）、菖蒲（Acorus calamus）和水蔥（Scirpus tabernaemontani）對(duì)氮、磷的吸收能力分別在13.08～104.18 g·m-2·a-1和 0.9～5.5 g·m-2·a-1之間?？梢?jiàn)植物構(gòu)成是決定濕地氮磷污染物處理能力的關(guān)鍵。

濕地污染物去除效果還與進(jìn)水污染物濃度有密切關(guān)系。研究表明，隨著進(jìn)水中污染物濃度的升高，出水濃度也會(huì)有不同程度地增加，去除率隨之降低（凌禎，2012；Sutcliffe，2014）。張志勇等（2009）采用水葫蘆（Eichhornia crassipes）處理4種不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水體，當(dāng)TN質(zhì)量濃度由2.06 mg·L-1逐漸增加至20.08 mg·L-1時(shí)，去除效率由86.6%逐漸降低至55.8%。汪文強(qiáng)（2016）在研究不同植物對(duì)中度富營(yíng)養(yǎng)化水體（TN：4 mg·L-1，TP：0.5 mg·L-1）的去除效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)10 d的處理后，水葫蘆、空心菜（Ipomoea aquatica）、綠狐尾藻對(duì) TN、TP的去除率分別為92.1%、91.5%、85.5%和87.5%、84.8%、80.4%，濕地出水TN均可達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，TP均可達(dá)到地表水Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。王麗卿等（2008）采用沉水植物處理上海淀山湖富營(yíng)養(yǎng)化水（TN：1.68 mg·L-1，TP：0.43 mg·L-1）的試驗(yàn)表明，金魚(yú)藻（Ceratophyllum demersum）對(duì)TN去除效果最好，去除率達(dá)到94%，出水TN質(zhì)量濃度為0.101 mg·L-1，達(dá)到地表水Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；苦草（Vallisneria spiralis）、馬來(lái)眼子菜（Potamogeton wrightii）對(duì)TP的去除率最高，均為 91.1%，出水 TP質(zhì)量濃度為0.038 mg·L-1，達(dá)到地表水Ⅱ類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)。但是這些研究多數(shù)以中低濃度廢水的處理為主。由于濕地很難處理高濃度污染水體，所以目前高濃度廢水的處理還主要以工程措施為主，采用濕地處理技術(shù)的研究還相對(duì)較少。近年來(lái)，中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所的一些研究表明，綠狐尾藻具有耐高氮磷濃度的特點(diǎn)（Li et al.，2015a；王迪，2017），并據(jù)此研發(fā)了一系列綠狐尾藻人工濕地高濃度廢水生態(tài)治理專(zhuān)利技術(shù)（吳金水等，2013a；吳金水等，2013b；肖潤(rùn)林等，2013）。由于綠狐尾藻是一種浮水植物，受水流沖刷和水文變化的影響，容易導(dǎo)致處理效果出現(xiàn)波動(dòng)，因此如何構(gòu)建一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的以綠狐尾藻為主的濕地植物群落，對(duì)維持濕地系統(tǒng)氮磷的高效、穩(wěn)定去除具有重要的科學(xué)意義。基于此，本文通過(guò)小區(qū)控制試驗(yàn)，引入挺水植物，試圖通過(guò)構(gòu)建綠狐尾藻與幾種挺水植物組合模式的比較研究，提高綠狐尾藻濕地對(duì)農(nóng)村污水的處理效果，為高效人工濕地生態(tài)治理工程的構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)和工程參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于湖南省長(zhǎng)沙縣金井鎮(zhèn)脫甲村的中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站（113°02′2″E、28°33′4″N），為典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫 17.5 ℃，最高氣溫 40.1 ℃，最低氣溫-5.2 ℃。夏秋降雨多，冬春降雨少，降水集中于4—10月，多年平均降雨量1361.6 mm。該區(qū)域主要的土地利用類(lèi)型為農(nóng)田、林地、茶園等，其中農(nóng)田（主要為稻田）比例約占 40%。區(qū)域內(nèi)地表水污染較為嚴(yán)重，據(jù)前期研究，該區(qū)全年TN、TP為V類(lèi)和劣V類(lèi)水質(zhì)的時(shí)段占總時(shí)段80%以上（孟岑等，2013；王美慧等，2016），畜禽糞便直排以及農(nóng)田氮磷養(yǎng)分流失是導(dǎo)致區(qū)域水體富營(yíng)養(yǎng)化和水環(huán)境惡化的最主要原因（孟岑等，2013）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)植物組合處理，構(gòu)建成表面流濕地。植物組合模式分別為綠狐尾藻（Myriophyllum elatinoides）與梭魚(yú)草（Pontederia cordata）、黑三棱（Sparganium stoloniferum）、燈芯草（Juncus effusus）、銅錢(qián)草（Hydrocotyle vulgaris）、水花生（Alternanthera philoxeroides）和野芋頭（Calla palustris）。各植物均選取大小均勻的植株種植于30 m×4 m（水深0.3 m）小區(qū)中，每個(gè)植物組合模式設(shè)置3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)排列，共18個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)小區(qū)由稻田改建，基質(zhì)底泥為水稻土，0～20 cm土壤基本理化性質(zhì)如下：土壤砂粒（＞0.05 mm）和黏粒（＜0.002 mm）含量分別為41.6%和10.0%，質(zhì)地為粉砂壤土，土壤日均入滲率約為4.5 mm·d-1（焦軍霞等，2014）；pH 5.12，有機(jī)質(zhì)10.55 g·kg-1，全氮1.185 g·kg-1，全磷 0.40 g·kg-1。

試驗(yàn)小區(qū)周?chē)? mm厚塑料板隔開(kāi)防滲，為防止種植植物的空間順序?qū)υ囼?yàn)造成的影響，綠狐尾藻和6種植物在同一樣方內(nèi)的種植順序和種植面積均一致。植物組合模式均為：前段全部為浮水植物綠狐尾藻，后段分別為6種不同的挺水植物，兩段面積比為 1∶1（圖 1）。試驗(yàn)進(jìn)水為農(nóng)村生活污水與農(nóng)田排水的混合污水，水質(zhì)有一定的波動(dòng)性，試驗(yàn)期間 COD、TN（以 N計(jì)，下同）、TP（以 P計(jì)，下同）的變化范圍依次為：56.34～109.41、21.11～33.24、3.36～5.74 mg·L-1。試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)的水力停留時(shí)間為5 d，相當(dāng)于每天的進(jìn)水量為60 L·d-1·m-2。該濕地小區(qū)于2016年3月開(kāi)始建設(shè)并種植水生植物，待全部植物生長(zhǎng)正常以后，6月正式投入運(yùn)行，7月開(kāi)始采樣分析。

圖1 植物組合示意圖Fig. 1 Schematic diagram of plant composite patterns

1.3 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

于2016年7—11月的每月8日采集1次水樣。每次水樣采集進(jìn)水口及各植物組合出水口水樣，分別測(cè)定氨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）等指標(biāo)，NH4+-N、NO3--N經(jīng)過(guò)濾和離心處理后，取上清液上AA3流動(dòng)分析儀直接測(cè)定；TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)定；TP采用過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗比色法測(cè)定；COD采用重鉻酸鉀消解-分光光度法法測(cè)定。水樣測(cè)定方法根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）》（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2002）測(cè)定。綠狐尾藻約每隔50 d收割1次，共收割3次，6種挺水植物于11月一次收割。植物樣于0.5 m×0.5 m樣方內(nèi)采集大小均勻，長(zhǎng)勢(shì)良好的植株，測(cè)定總氮（TN）、總磷（TP）指標(biāo)，各植物樣采集后先于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做進(jìn)一步清洗處理，然后過(guò)電子秤稱(chēng)鮮重，剪碎裝于信封袋內(nèi)，置于 105 ℃烘箱中殺青30 min，然后于80 ℃下烘至恒重，稱(chēng)干重（鮮重、干重用于計(jì)算各植物生物量與氮磷積累量）。經(jīng)研磨、過(guò)篩（60目）處理后裝于自封袋保存，用于測(cè)定植物氮磷含量。植物氮磷含量測(cè)定用H2SO4-H2O2法消煮，TN上AA3流動(dòng)分析儀采用凱氏定氮法測(cè)定，TP采用鉬銻抗比色法測(cè)定（魯如坤，1999）。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

植物氮磷積累量PA（g·m-2）的計(jì)算公式為：

式中，PBm為第 m次收割植物干重生物量（g·m-2），PCm為第 m 次收割植物氮磷含量（g·kg-1）。

氮磷去除率R的計(jì)算公式為：

式中，Ci為第 i月進(jìn)水濃度（mg·L-1），Co為第i月出水濃度（mg·L-1）。

濕地單位面積氮磷去除量Q0（g·m-2）的計(jì)算公式為：

式中，V為小區(qū)水體有效容積（m3），t為水力停留時(shí)間（d），D 為實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)（d），Cin為進(jìn)水平均濃度（mg·L-1），Cout為出水平均濃度（mg·L-1），S為小區(qū)有效面積（m2）。

單位面積植物氮磷吸收量Q1（g·m-2）的計(jì)算公式為：

式中，PAm為第 m次收割植物氮磷積累量（g·m-2）。

采用Excel 2010軟件進(jìn)行圖表處理分析；采用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在檢驗(yàn)水平P＜0.05下分析差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物氮磷含量變化

對(duì)不同階段6種模式下水生植物氮磷含量的分析結(jié)果（表 1、表 2）表明，綠狐尾藻氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為 13.27～33.78 g·kg-1和 0.99～3.95 g·kg-1，均表現(xiàn)為先降低再升高的變化趨勢(shì)，其中9月為最低，11月最高，各植物氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著（P＜0.05）。就全年均值而言，水花生 N質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高（22.48 g·kg-1），燈芯草最低（9.9 g·kg-1），除黑三棱外，其他植物均顯著高于燈芯草（P＜0.05）。梭魚(yú)草 P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為最高（2.5 g·kg-1），銅錢(qián)草最低（1.24 g·kg-1），除梭魚(yú)草顯著高于銅錢(qián)草外（P＜0.05），其他植物間均無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。

表1 水生植物總氮含量Table 1 TN contents of aquatic plants g·kg-1

表2 水生植物總磷含量Table 2 TP contents of aquatic plants g·kg-1

從時(shí)間動(dòng)態(tài)來(lái)講，不同植物氮磷含量變化不盡一致，其中綠狐尾藻表現(xiàn)為先下降再上升的變化趨勢(shì)，氮磷含量均以9月為最低（見(jiàn)表1、表2）；而水花生氮磷含量則表現(xiàn)為“上升-下降-上升”的變化趨勢(shì)，N含量8月最高（31.16 g·kg-1），P含量9月最高（1.51 g·kg-1），與綠狐尾藻變化趨勢(shì)近乎相反。其他5種植物氮磷含量的變化趨勢(shì)不明顯。

2.2 不同組合模式氮磷積累量變化

不同濕地植物組合模式氮磷積累量變化如表 3所示，8月各植物組合N積累量均高于11月份，P積累量均低于11月。梭魚(yú)草組合具有最大的氮磷積累量（8 月：30.87 g·m-2和 11 月 4.69 g·m-2）。8 月燈芯草組合氮磷積累量最低（12.42 g·m-2和 0.99 g·m-2），11月銅錢(qián)草組合氮磷積累量最低（13.2 g·m-2和1.93 g·m-2）。8月各植物組合氮磷積累量的平均值分別為20.48g·m-2和1.55 g·m-2，11月分別為18.04 g·m-2和2.7 g·m-2，梭魚(yú)草組合、黑三棱組合的氮磷積累量在平均值之上，屬于氮磷積累高功能群，8月兩者之間無(wú)顯著性差異（P＞0.05），11月梭魚(yú)草組合顯著高于黑三棱組合（P＜0.05）。其他4種植物組合的氮磷積累量均在平均值之下，屬于氮磷積累低功能群，4種組合之間無(wú)顯著性差異（P＞0.05），但均顯著低于梭魚(yú)草組合、黑三棱組合（P＜0.05）。

2.3 不同植物組合對(duì)污染物的去除

從圖2可知，7—11月，各植物組合出水COD、TN濃度均隨時(shí)間變化而降低，其中7、8月下降較快，9—11月下降減緩，各植物組合對(duì) COD、TN的平均去除率分別為66.9%、80.4%。各植物組合出水COD、TN平均質(zhì)量濃度分別為24.6 mg·L-1、4.41 mg·L-1，均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（COD：50 mg·L-1、TN：15 mg·L-1）。其中，以野芋頭組合對(duì) COD的去除效果最好，出水平均濃度為 21.24 mg·L-1，銅錢(qián)草組合對(duì)TN的去除效率最佳，出水平均濃度為3.52 mg·L-1。

各植物組合對(duì)TP的去除效果較好，一般穩(wěn)定在89%以上，除黑三棱和燈芯草組合最大去除率出現(xiàn)在10月以外，其他4種植物組合均表現(xiàn)為11月去除效果最好，平均出水濃度為0.13 mg·L-1，也達(dá)到了城鎮(zhèn)污水排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（TP：0.5 mg·L-1）。

試驗(yàn)期間，綠狐尾藻約每隔50 d收割1次，共收割3次，其他6種植物于11月一次收割。由表4可知，各植物組合模式根據(jù)水質(zhì)變化計(jì)算的 TN、TP 去除量分別為 169.61～183.64 g·m-2和 39.18～40.22 g·m-2，處理間無(wú)顯著性差異（P＞0.05），但是不同模式下植物吸收 TN、TP總量分別為30.18～48.33 g·m-2和 4.05～6.73 g·m-2，處理間差異達(dá)到顯著性水平（P＜0.05）。梭魚(yú)草組合的植物吸收對(duì)TN、TP去除量占比最高，分別為27.8%和16.7%；野芋頭組合的植物吸收對(duì)TN、TP去除量占比最低，分別為17.7%和10.3%。

表3 濕地不同模式下水生植物的氮磷積累量Table 3 The accumulated amount of nitrogen and phosphorus in the aquatic plants in the wetland with different plant combination patternsg·m-2

圖2 進(jìn)水和各種植物組合模式出水COD、TN、TP濃度Fig. 2 The concentrations of COD, TN, and TP in the influent and effluent waters for the varied plant combination patterns圖中同一月份內(nèi)標(biāo)有相同字母的表示其統(tǒng)計(jì)差異不顯著（P＞0.05）Data in the same column followed by the same letter have no significant differences at P＜0.05

3 討論

3.1 濕地污染物的去除效果

本試驗(yàn)結(jié)果表明，幾種植物組合模式對(duì)農(nóng)村污水均有很好的處理效果，其濕地系統(tǒng)對(duì)COD、TN、TP平均去除率分別為 66.9%、80.4%、94%，出水濃度均可達(dá)到城鎮(zhèn)污水排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。本課題組前期的一些研究也表明，在生態(tài)溝渠中單一種植綠狐尾藻，其N(xiāo)攔截量為0.39 kg·m-2·a-1，年平均TN去除率為52.8%（王迪等，2016）。本試驗(yàn)中，綠狐尾藻與 6種水生植物組合的平均 TN去除率為80.4%，N 攔截量約為 0.42 kg·m-2·a-1，明顯高于單一種植模式，表明綠狐尾藻與其他植物組合對(duì)N的去除效果會(huì)更好。本研究中，6種水生植物組合TP去除率一般穩(wěn)定在89.8%～98.5%，且受季節(jié)因素影響較小，遠(yuǎn)高于本課題組前期研究的一些觀測(cè)結(jié)果（40.1%～65.8%）（Liu et al.，2013；李紅芳等，2016），其原因可能在于濕地對(duì)P的消減機(jī)理主要是底泥的物理吸附與化學(xué)沉淀作用（潘樂(lè)等，2011），本試驗(yàn)濕地為新建濕地，底泥吸附作用強(qiáng)，因此其污染物去除效果更好。

盡管本試驗(yàn)植物對(duì)氮磷的吸收效果顯著（P＜0.05），但是不同植物組合對(duì)污染物去除效果的差異卻不顯著（P＞0.05），濕地對(duì)氮磷污染物的消納容量分別可達(dá)169.61～183.64 g·m-2和39.18～40.22 g·m-2（表4），表明該濕地對(duì)污染物去除的主要途徑為底泥與微生物等的綜合作用，而非植物的直接吸收，其原因可以從兩個(gè)方面得以解釋?zhuān)阂环矫嫘陆竦氐啄鄬?duì)污染物具有較強(qiáng)的物理吸附和化學(xué)沉淀效果。根據(jù)李紅芳等（2016）的研究，研究區(qū)土壤P的飽和吸附容量（含量）平均高達(dá)0.73 g·kg-1，而本濕地小區(qū)土壤 P的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為 0.40 g·kg-1，吸附潛力巨大。另一方面，不同模式下植物氮磷吸收量在污染物總?cè)コ恐姓急认鄬?duì)較小，這也進(jìn)一步解釋了不同模式處理效果季節(jié)變化不明顯的原因。

3.2 濕地植物對(duì)污水氮磷去除的貢獻(xiàn)

濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的去除主要通過(guò)植物吸收、底泥的基質(zhì)吸附、微生物硝化-反硝化等多方面的作用實(shí)現(xiàn)，其中植物吸收是氮磷去除不可或缺的重要部分（Li et al.，2015b；Zhang et al.，2017）。濕地植物既可直接吸收水體中的氮磷，又可為浮游動(dòng)物提供棲息場(chǎng)所，植物的根系分泌物也可為微生物的繁殖提供碳源，這些均可加速濕地系統(tǒng)硝化-反硝化等脫N除P進(jìn)程。水生植物對(duì)水體的物理攔截作用同時(shí)還可以降低水流流速，增加水力停留時(shí)間和促進(jìn)顆粒物沉降（Vymazal，2011；Vymazal，2013；李紅芳等，2016；）。吳振斌等（2001）發(fā)現(xiàn)有植物的濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果明顯好于無(wú)植物的濕地系統(tǒng)。張樹(shù)楠等（2013）的研究也表明，與無(wú)植物自然溝渠底泥相比，有植物生態(tài)溝渠底泥的P吸附能力更強(qiáng)。

表4 不同模式對(duì)廢水氮磷污染物的去處效果及植物吸收比率比較Table 4 Comparison of removal amounts and plant absorption ratios for pollutant nitrogen and phosphorus in waste water under different plant composition patterns

由于設(shè)計(jì)工藝、區(qū)域及種植植物的不同，關(guān)于植物吸收對(duì)氮磷去除的貢獻(xiàn)率研究結(jié)果不盡一致。Reddy et al.（1999）認(rèn)為人工濕地中7%～87%的P可通過(guò)基質(zhì)的吸附或沉淀反應(yīng)而降解，植物吸收所占比例較低。李林鋒等（2009）的研究結(jié)果表明，植物吸收分別占 TN、TP去除量的 0.6%～17.3%和1.4%～41.2%。衛(wèi)小松等（2016）408認(rèn)為濕地植物直接吸收量對(duì)濕地氮磷去除的貢獻(xiàn)較低，一般不超過(guò)10%。本研究中植物吸收占TN、TP去除量的比例分別為17.3%～27.7%和10.3%～16.7%，這與國(guó)內(nèi)大部分的研究結(jié)果基本一致，植物直接吸收的氮磷所占比例不高，一般在25%以下。

本研究中，雖然植物吸收對(duì)污染物氮磷去除的比例較低，但是植物吸收對(duì)于下一步廢水氮磷的資源化利用具有十分重要的意義。綠狐尾藻在中國(guó)亞熱帶地區(qū)可以正常越冬，每年的生長(zhǎng)期可達(dá) 10個(gè)月以上，生物量一般可達(dá)1.5～2.5 t·hm-2，粗蛋白含量高達(dá) 11%～18%，因此可作為畜禽飼料進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)廢水治理生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏（肖潤(rùn)林等，2013；何洋，2017）。

4 結(jié)論

（1）各植物組合濕地對(duì)COD、TN、TP去除率范 圍 分別 在 54.7%～81.3%、 61.7%～96.3%、89.8%～97.8%之間，其中，綠狐尾藻與水芋頭組合對(duì)COD去除效果最好，綠狐尾藻與銅錢(qián)草組合對(duì) TN去除效果最好，綠狐尾藻與梭魚(yú)草組合對(duì)TP去除效果最佳。

（2）綠狐尾藻氮磷含量在 13.27～33.78 g·kg-1和0.99～3.95 g·kg-1之間，6種植物氮磷含量在7.03～31.16 g·kg-1和 0.83～3.78 g·kg-1之間，綠狐尾藻氮磷含量更高。

（3）亞熱帶丘陵區(qū)，在水力持留時(shí)間為5 d條件下，就污水氮磷污染物去除效果而言，以梭魚(yú)草組合和銅錢(qián)草組合模式相對(duì)較好，試驗(yàn)期間（7—11月），濕地消納容量分別可達(dá)174.1～183.64 g·m-2和40.14～40.22 g·m-2；就植物氮磷吸收而言，梭魚(yú)草組合和黑三棱組合模式相對(duì)較好，試驗(yàn)期總吸收量分別可達(dá) 39.61～48.33 g·m-2和 5.12～6.73 g·m-2。綜合而言，綠狐尾藻與梭魚(yú)草組合模式最佳。

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Abstract: Constructed wetlands (CWs) are effective action of agricultural non-point source pollution control. Plant composition and combination pattern are the key of effect of CWs on the pollution control ability. As a case study, we selected subtropical hilly red soil region of Hunan. Based on the CWs experiments, we studied dominant plant Myriophyllum elatinoides, which had high removal rate of nitrogen (N) and phosphorus (P), combined with Sparganium stoloniferum, Pontederia cordata, Hydrocotyle vulgaris, Juncus effuses, Calla palustris, Alternanthera philoxeroides, respectively. Our study were to investigate removal efficiency of these combination patterns for treating rural sewage (COD: 56.34～109.41 mg·L-1, TN: 21.11～33.24 mg·L-1, TP: 3.36～5.74 mg·L-1). From July to November, our results showed that the removal rates of COD was the best and high up to 72.9% by M. elatinoides and C.palustris composite pattern, and effluent’s average concentration of COD was 21.24 mg·L-1. The removal rates of TN was the best and high up to 84.9% by M. elatinoides and H. chinensis composite pattern, and effluent’s average concentration of TN was 3.52 mg·L-1. The removal rates of TP was the best and high up to 95.2% by M. elatinoides and P. cordata composite pattern, and effluent’s average concentration of TP was 0.22 mg·L-1. N and P accumulation quantity ranged from 12.43 g·m-2to 30.87 g·m-2, from 0.99 g·m-2to 4.69 g·m-2, respectively, in different composite patterns. N and P accumulation quantity were the most by M. elatinoides and P. cordata combination pattern (Augest: N 30.87 g·m-2, November: P 4.69g·m-2). The N and P absorption removal rate of plant uptake were 17.3%～27.8% and 10.3%～16.7%, respectively. N and P uptake percentage were most by M. elatinoides and P. cordata composite pattern, N and P uptake percentage were least by M. elatinoides and C. palustris composite pattern. In general terms, M.elatinoides and P. cordata composite pattern was the best optimal in the studied area.

Key words: subtropical hilly red soil region; aquatic plants; combination pattern; constructed wetlands; nitrogen; phosphorus

Study on the Aquatic Plant Combination Patterns for Intercepting Nitrogen and Phosphorus in Wetland of Subtropical Hilly Region

WANG Lisha, LI Xi*, GAN Lei, ZHANG Rui, LV Dianqing*, ZHOU Jiaogen,ZHANG Manyi, LI Yuyuan, WU Jinshui

1. School of resources and environmental science, Hunan normal university, Changsha 410006, China 2. Key Laboratory for Agro-ecological Processes in Subtropical Region//Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences,Changsha 410125, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.017

X173

A

1674-5906（2017）09-1577-07

王麗莎, 李希, 甘蕾, 張瑞, 呂殿青, 周腳根, 張滿意, 李裕元, 吳金水. 2017. 亞熱帶丘陵區(qū)濕地水生植物組合模式攔截氮磷的研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(9): 1577-1583.

WANG Lisha, LI Xi, GAN Lei, ZHANG Rui, LV Dianqing, ZHOU Jiaogen, ZHANG Manyi, LI Yuyuan, WU Jinshui. 2017. Study on the aquatic plant combination patterns for intercepting nitrogen and phosphorus in wetland of subtropical hilly region [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(9): 1577-1583.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41601268）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD14B02）；湖南省地理學(xué)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（20110101）；河南省重大科技專(zhuān)項(xiàng)（161100310600）；水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201501055）

王麗莎（1992年生），女，碩士，研究方向?yàn)槿斯竦丶拔⑸锓肿由鷳B(tài)學(xué)。E-mail: 1912014220@qq.com*通信作者。E-mail: lixi@isa.ac.cn

2017-07-20