蔣夢(mèng)冉 劉小冬 許銘宇 韓瑞宏 王佳嵩 陳 平

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 園藝園林學(xué)院/廣東省高校土地復(fù)墾植被景觀恢復(fù)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510225）

隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，水景營(yíng)造更加注重生態(tài)功能的發(fā)揮。植物凈水作為一種生態(tài)型凈水方式受到關(guān)注。探討不同植物配置對(duì)水質(zhì)保持的生態(tài)效應(yīng)，有助于提高水景營(yíng)造的科學(xué)性和功能性。關(guān)于水生草本植物已有大量研究，它們對(duì)不同物質(zhì)的去除效果表現(xiàn)出較大差異，如水芹Oenanthe javanica 能將可溶性磷和氨氮完全去除，4 d 內(nèi)對(duì)去除率分別可達(dá)72.98%和86.3%[1]；喜旱蓮子草Alternanthera philoxeroides 根部對(duì)重金屬離子有很強(qiáng)的富集能力，能耐受Cd2+和Zn2+含量分別為0.2和10 mg/L 的污水[2]。因此將具有不同優(yōu)勢(shì)的植物組合，可以達(dá)到更好的凈水效應(yīng)。孫映波等[3]將美人蕉Canna indica、風(fēng)車草Cyperus alternifolius 等 10 種凈水能力較強(qiáng)的植物組成6 種不同配置，測(cè)定靜態(tài)條件下對(duì)TN、TP、NH4+-N、BOD5、CODCr的去除率，發(fā)現(xiàn)處理效果為最優(yōu)的為美人蕉+ 再力花Thalia dealbata+ 香根草Vetiveria zizanioides+菖蒲Acorus calamus+風(fēng)車草組合。一些木本植物同樣具有良好的耐水性和凈水作用，并且在景觀層次性和持久性上具有較大優(yōu)勢(shì)，目前已有少量種類木本植物凈水效應(yīng)得到研究。胡煥斌等[4]研究發(fā)現(xiàn)，蘆葦Phragmites communis 和池杉Taxodium ascendens 對(duì)氨氮和總氮的凈化效率差異不大。靖元孝等[5]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水翁對(duì)氮、磷具有較強(qiáng)的去除能力，但低于鳳眼蓮。垂柳Salix babylonica 具有較強(qiáng)的反硝化能力，對(duì)水中 N、P 的去除率可達(dá) 90% 以上，1 年的除氮量為10.8 g/m2[6]。 許銘宇[7]以水翁Cleistocalyx operculatus、秋楓Bischofia javanica、鐵冬青Ilex rotunda 等11 種水生木本植物為研究對(duì)象，篩選出凈水效果和適應(yīng)性綜合較好的有秋楓、串錢柳、風(fēng)箱樹(shù)。廣東地區(qū)存在大量的濕地木本植物野生品種，隸屬48 科105 屬，高達(dá)156 種[8]，僅有少量而得到開(kāi)發(fā)應(yīng)用，并且其應(yīng)用主要限于潛流人工濕地[9-11]，木本植物與草本植物組合的凈水研究更是鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，迫切需要加強(qiáng)濕地木本植物的開(kāi)發(fā)利用、優(yōu)化配置及凈水效應(yīng)研究。本研究以24 種水濕生木本植物為主體，構(gòu)建了木本植物與草本植物組合的9 種復(fù)層植物配置模式，測(cè)定其對(duì)模擬景觀水體水質(zhì)的影響。比較分析不同植物配置模式處理間水質(zhì)指標(biāo)的差異性，篩選綜合效果最佳的配置模式，為生態(tài)水景植物配置提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇水石榕Elaeocarpus hainanensis、木芙蓉Hibiscus mutabilis、玉 蕊Barringtonia racemosa 等24 種景觀效果良好的水濕生木本植物，以及千屈菜Lythrum salicaria、苦草Vallisneria natans 等12種具有較高觀賞價(jià)值和良好凈水功能，生長(zhǎng)繁殖程度可控的水生草本植物。供試木本植物及其高度和冠幅見(jiàn)表1，草本植物及其高度見(jiàn)表2。

表1 供試木本植物及其高度、冠幅Table 1 Test woody plants and their heights and crowns

表2 供試草本植物及其高度Table 2 Testherbsandtheir heights

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)美學(xué)原理和生長(zhǎng)習(xí)性將上述植物組成9 種以木本植物為主體的水景植物配置模式。將這9 種配置模式作為試驗(yàn)組，同時(shí)建立1 個(gè)沒(méi)有植物的組作為空白對(duì)照（CK）。將每種配置、植物種在水箱中，水箱長(zhǎng)度120 cm、寬度90 cm、高度34 cm，每個(gè)水箱中水和泥的量保持基本一致。水箱中的底泥根據(jù)植物特性調(diào)整出一定坡度，底泥平均厚度為20 cm，水深保持在0～10 cm，每隔3 d 補(bǔ)充一次水，使之達(dá)到原來(lái)的刻度線。試驗(yàn)用水為自來(lái)水，模擬人工景觀水體，試驗(yàn)用土來(lái)自廣東省清遠(yuǎn)市，每隔20 d 測(cè)1 次水質(zhì)。每個(gè)試驗(yàn)組和對(duì)照組均設(shè)3 個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)時(shí)間為2017 年9 月19 日至2017 年11 月18 日。試驗(yàn)在仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院試驗(yàn)大棚進(jìn)行，大棚通風(fēng)透光。為保證試驗(yàn)條件一致，將對(duì)照組周圍放置適量植物，使其上層有少量植物枯落物掉落。

各處理具體植物配置如下（“+”表示植物處于同一層次，“-”表示植物處于不同層次）：

T1：水石榕+木芙蓉-方枝蒲桃-千屈菜-苦草-槐葉蘋（喬木-灌木-挺水-沉水-漂?。?/p>

T2：玉蕊-梨果榕-三白草-黑藻（喬木-灌木-挺水-沉水）；

T3：蒲桃-風(fēng)箱樹(shù)-三白草-苦草（喬木-灌木-挺水-沉水）；

T4：棠梨+水翁-馬甲子-黑藻-大瓢+荇菜（喬木-灌木-沉水-漂?。?；

T5：秋楓+金蒲桃+鐵冬青-對(duì)葉榕+水團(tuán)花+崗松-圓葉節(jié)節(jié)菜+香菇草（喬木-灌木-挺水）；

T6：木棉+喜樹(shù)-水團(tuán)花+朱砂根-薄荷+圓葉節(jié)節(jié)菜（喬木-灌木-挺水）；

T7：串錢柳+神秘果+黃槿-水團(tuán)花-槐葉蘋（喬木-灌木-漂?。?；

T8：香港算盤子-石菖蒲+鳶尾+香菇草-苦草（灌木-挺水-沉水）；

T9：落羽杉-黑藻（喬木-沉水）；CK：自來(lái)水+底泥。

1.2.2 測(cè)定方法 測(cè)定的水質(zhì)指標(biāo)：總氮(TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（CODCr）、濁度和pH 值。TN 采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，NH4+-N 采用納氏分光光度法，TP 采用鉬酸銨分光光度法，CODCr采用重鉻酸鹽法[12]，pH 采用筆式pH 計(jì)測(cè)量，濁度采用濁度儀測(cè)定。試驗(yàn)中使用的主要儀器設(shè)備如表3。

表3 試驗(yàn)主要儀器設(shè)備Table 3 Main instruments and equipment in the test

1.2.3 分析方法 使用Microsoft Excel 計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)及制圖，使用SPSS17.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan 方法檢驗(yàn)差異顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物生長(zhǎng)狀況

樹(shù)木對(duì)水的適應(yīng)性，在形態(tài)上一般表現(xiàn)為主干被水淹沒(méi)部位的莖組織和通氣組織增厚、不定根形成及在主根上形成新根，這些是判斷樹(shù)木是否耐水的最直觀依據(jù)[13-14]。試驗(yàn)期間，植物在形態(tài)上出現(xiàn)了明顯的變化，包括葉片的生長(zhǎng)、萎蔫和凋零，開(kāi)花、繁殖新株等。水石榕、木芙蓉、方枝蒲桃、馬甲子、香港算盤子、落羽杉、玉蕊、梨果榕、風(fēng)箱樹(shù)、黃槿、秋楓、對(duì)葉榕、喜樹(shù)均長(zhǎng)出新葉、皮孔和水生根系，表明這13 種植物在淺水中生長(zhǎng)良好。而串錢柳、水團(tuán)花、金蒲桃等其他木本植物在試驗(yàn)期間沒(méi)有長(zhǎng)出水生根系，隨著時(shí)間的推進(jìn)，陸續(xù)出現(xiàn)了萎蔫、死亡的癥狀?？赡苡捎诜N植時(shí)氣溫較高、植物抗逆性不足或淹水深度不適宜等原因。

2.2 不同配置模式對(duì)水體pH 值的影響

如圖1 所示，第20 天時(shí)，各處理均呈堿性，pH 值在8.0 左右，說(shuō)明土壤向水體釋放了堿性物質(zhì)。第40 天時(shí)，隨著水中物質(zhì)的進(jìn)一步沉降和土壤的吸附作用，未栽種植物的對(duì)照處理（CK）pH值下降至接近中性；而9 個(gè)試驗(yàn)組的水體pH 值均高于CK，較第20 天時(shí)沒(méi)有明顯降低，甚至出現(xiàn)升高。有沉水植物的處理（T1、T2、T3、T4、T8、T9）高于沒(méi)有沉水植物的處理（T5、T6、T7）。這主要是由于水生植物在白天發(fā)生光合作用消耗了水體中的CO2，導(dǎo)致pH 值升高，沉水植物在水中大量繁殖，光合作用更強(qiáng)烈。第60 天時(shí)，CK 的水質(zhì)惡化，pH 值升高至9.1，顯著高于第20 天（P＜0.05）；而栽種植物的9 個(gè)試驗(yàn)組處理的pH 值有較大程度的降低（P＜0.05），其中T7 和T8 兩個(gè)處理的pH 值均降至7.0。表明植物對(duì)水體pH 值的調(diào)節(jié)具有顯著作用。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各處理的水體pH 值由小到大的順序?yàn)椋篢7=T8＜T9＜T6＜T1＜T5＜T2＜T4＜T3＜CK。

2.3 不同配置模式對(duì)水體濁度的影響

種植植物后，懸濁物經(jīng)沉降，水體較為清澈。隨著時(shí)間的推移，各處理的水體均出現(xiàn)不同程度的渾濁現(xiàn)象。由圖1 可知，CK 的濁度一直呈上升趨勢(shì)，在第20 天時(shí)，CK 的濁度為2.33，第40 天上升至8.53，而到了第60 天 時(shí)CK 的濁度上升至37.20，是第40 天的4.36 倍，顯著高于其他處理（P＜0.05）。

圖1 不同配置模式對(duì)水體pH 和濁度的影響Fig.1 The effect of different configuration modes on pH and turbidity of water

9 個(gè)試驗(yàn)組處理中，第20 天時(shí)各處理的水體濁度出現(xiàn)差異，其中：T4 濁度最高（10.54），T1、T2、T3、T9 的濁度在1.24～4.50 之間，而其他處理均在0.5 以下。第40 天時(shí)，T2、T5、T6、T8的濁度較第20 天有較大幅度上升，其中：T2 的濁度上升至10.08，為第20 天的8.1 倍；T1、T4處理的濁度均有所降低，T4 雖有降低但仍然處于較高水平（8.84）。第60 天，T1、T3、T5、T7 處理的濁度較第40 天有一定程度的上升，其他處理濁度較第40 天有所降低。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)T5 的濁度最高，為5.58；T3 和T8 的濁度最低，均為1.40，較對(duì)照下降了96.3%。隨著植物的生長(zhǎng)，會(huì)分泌一些渾濁物，但在總體上，植物對(duì)水體的濁度具有良好的保持作用。

在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)不同處理的水體濁度由小到大排列為T3=T8＜T7＜T2＜T9＜T1＜T6＜T4＜T5＜CK 。

2.4 不同配置模式對(duì)水體TN 濃度的影響

由圖2 可知，總體上，各處理TN 濃度均呈上升趨勢(shì)。CK 的TN 值第20 天為0.39 mg·L-1，第40 天上升至0.62 mg·L-1，第60 天為0.91 mg·L-1，為Ⅲ類水質(zhì)。

9 個(gè)試驗(yàn)組處理中，T4 第20 天、40 天、60天的TN 濃度均顯著高于其他處理（P＜0.05），第60 天時(shí)高達(dá)1.81 mg·L-1，屬于Ⅴ類水質(zhì)。T2 在第20 天時(shí)TN 濃度較低，第40 天時(shí)有大幅升高，第60 天時(shí)達(dá)到1.13 mg·L-1，僅次于T4，為Ⅳ類水質(zhì)。第60 天試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，T6、T7、T8 處理TN的濃度均在0.5 以下，為Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中T6的TN 濃度最低為0.38 mg·L-1。第60 天天試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，不同處理水的TN 濃度由小到大排列為：T6＜T7＜T8＜T9＜T3＜T5＜T1＜CK＜T2＜T4。

2.5 不同配置模式對(duì)水體NH4+-N 濃度的影響

由圖2 可知，試驗(yàn)期間各處理的NH4+-N 濃度呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，但均沒(méi)有超出Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（0.5 mg·L-1）。CK 的NH4+-N 濃度 先 下 降 后升高，3 個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間差異不顯著。

9 個(gè)試驗(yàn)組處理中，與CK 相比，T3、T7、T6 對(duì)NH4+-N 的去除效果較好，第60 天的NH4+-N去除率分別為65.6%、52.8%、49.8%。第60 天，T1、T4、T9 的NH4+-N 濃 度 與CK 沒(méi) 有 明 顯 差異，其余處理均有顯著降低（P＜0.05）。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，不同處理-N 濃度由小到大的順序?yàn)椋篢3＜T7＜T6＜T2＜T8＜T5＜T9＜T1＜T4＜CK。

2.6 不同配置模式對(duì)水體TP 濃度的影響

由圖3 可知，試驗(yàn)期間對(duì)照組TP 濃度持續(xù)上升，變化幅度最大，第40 天和第60 天的TP 濃度分別為0.044 和0.127 mg·L-1，分別是第20 天的4.4 倍和12.7 倍，差異顯著（P＜0.05）。說(shuō)明隨時(shí)間變化，底泥持續(xù)向水體釋放較多的TP，但濃度沒(méi)有超出Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，9 個(gè)試驗(yàn)組處理的TP 濃度均顯著低于CK（P＜0.05），屬于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，TP 濃度由低至高為T6＜T8＜T1＜T7＜T2＜T4＜T9＜T5＜T3＜CK。與CK 相 比，T1～T9 處 理TP 的 去 除 率 分 別 為83.9%、78.7%、76.8%、74.7%、69.7%、68.7%、66.8%、66.3%、63.2%，說(shuō)明植物對(duì)TP 的去除有明顯的效果，其中T6 效果最佳，僅為0.020 mg·L-1， 屬于Ⅰ類水。

2.7 不同配置模式對(duì)水體COD 濃度的影響

由圖3 可知，CK 的COD 濃度在第40 天較第20 天有小幅度下降，之后大幅度升高，在第60 天達(dá)到32.10 mg·L-1，是第20 天的2.13 倍，顯著高于其他處理（P＜0.05）。

9 個(gè)試驗(yàn)組的COD 濃度在試驗(yàn)期間呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，但第60 天的COD 濃度均比第20天有較大幅度降低，其中：T1 和T4 的COD 濃度降低幅度最大，分別為1.88 和4.24 mg·L-1，較第20 天分別下降了93.7%和84.3%，達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。第60 天達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)的處理有T8、T3、T9、T2、T7，COD 濃 度 均 在20 mg·L-1以下。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，COD 濃度由小到大的順序?yàn)門1＜T4＜T8＜T3＜T9＜T2＜T7＜T5＜T6＜CK。

3 結(jié)論與討論

圖2 不同配置模式對(duì)水體TN 和NH4+-N 的影響Fig.2 The effect of different configuration modes on TN and NH4+-N concentration of water

據(jù)本試驗(yàn)對(duì)各處理的觀察結(jié)果表明，水石榕、木芙蓉、方枝蒲桃、馬甲子、香港算盤子、落羽杉、玉蕊、梨果榕、風(fēng)箱樹(shù)、黃槿、秋楓、對(duì)葉榕、喜樹(shù)這13 種植物均能在水中長(zhǎng)出新根，具有一定的根系活力，植株整體生長(zhǎng)情況良好，均可種植在淺水中。而串錢柳、水團(tuán)花、金蒲桃等其他木本植物生長(zhǎng)不佳或死亡，原因可能是移栽時(shí)氣溫較高影響其存活，植物本身對(duì)水的深度不適宜、抗逆性不足等，有待進(jìn)一步試驗(yàn)探討，并在實(shí)際造景中調(diào)整種植水深和種植方式，確保植物存活率。T1、T2、T8、T9 的植物配置模式，其植物整體上對(duì)淺水環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，均可用于淺水造景。

復(fù)層植物配置對(duì)水質(zhì)保持具有較好的生態(tài)效應(yīng)。與對(duì)照組相比，復(fù)層植物配置(試驗(yàn)組)處理的水體pH、TN、NH4+-N、TP、CODCr濃度及濁度在總體上呈現(xiàn)較大幅度的降低。其中T1 處理對(duì)COD 濃度降低效果最好，T3 處理對(duì)濁度和N 的去除效果最佳，T6 處理對(duì)TN 和TP 濃度有顯著的降低作用。

將生長(zhǎng)狀況良好的4 個(gè)處理（T1、T2、T8、T9）的凈水效果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)T8 對(duì)測(cè)定的6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均有較大程度的降低作用，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中pH、濁度、TN、TP 均優(yōu)于其他3 組。而T1 處理、T2 處理和T9 處理在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，TN 含量未能達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。并且，T8 處理的植物根系發(fā)達(dá)，種類豐富，顏色、造型俱佳。從景觀效果、生長(zhǎng)狀況、水質(zhì)指標(biāo)3 個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)，香港算盤子-石菖蒲+鳶尾+香菇草-苦草組合（T8）為最優(yōu)的配置模式，可在生態(tài)水景建設(shè)中廣泛應(yīng)用。

圖3 不同配置模式對(duì)水體TP 和COD 的影響Fig.3 The effect of different configuration modes on TP and COD concentration of water

本研究中，試驗(yàn)組的濁度和TP 濃度受到了大程度的抑制，說(shuō)明植物起到了關(guān)鍵作用。試驗(yàn)第20、40 天，9 個(gè)進(jìn)行植物配置的試驗(yàn)組處理與無(wú)種植植物的對(duì)照組相比， pH 值沒(méi)有明顯差別，都在8.0 左右，TP 濃度均處于較低水平；而在第60天時(shí)，對(duì)照組的pH 值升高至9.1，此時(shí)磷元素大量釋放，濃度明顯高于9 個(gè)試驗(yàn)組。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是底泥對(duì)于水體具有雙重的作用，既能釋放污染物，也能產(chǎn)生強(qiáng)大的吸附作用，其作用方向主要受到溶解氧、pH、溫度等因素的影響[15-16]。 底泥對(duì)于水體總磷的濃度起到主導(dǎo)作用，在各影響因子中，pH 值影響最大。pH 值較低時(shí)，底泥將水中的磷沉降固定，pH 值的升高會(huì)促進(jìn)底泥向水體釋放磷元素[17]。因此，對(duì)于堿性較強(qiáng)的水體，降低pH 值有利于底泥對(duì)磷元素的吸附。推斷對(duì)照處理的TP 明顯升高的主要原因是pH 值 升高導(dǎo)致了磷酸根離子較快從沉積物中解析。種植植物可調(diào)節(jié)水體和土壤的pH 值，對(duì)底質(zhì)磷元素的釋放有較好的控制作用[18]。復(fù)層植物組合對(duì)COD 濃度具有顯著的降低作用，其中T1 處理效果最佳?？赡苡捎谄渲参镱愋拓S富、生物量增長(zhǎng)較快，增強(qiáng)了土壤微生物的活躍性,使有機(jī)物加速礦化[19-21]。T1處理和T4 處理中COD 濃度在試驗(yàn)初期沒(méi)有明顯降低，后期大幅降低，明顯低于其他處理。而T1處理和T4 處理中TN 和NH4+-H 沒(méi)有明顯降低，甚至表現(xiàn)升高，有別于其他處理。結(jié)合這兩項(xiàng)指標(biāo)的表現(xiàn)，推測(cè)T1 處理和T4 處理中總氮和氨氮升高是因?yàn)橛袡C(jī)物的降解，產(chǎn)生了大量的游離態(tài)的氮。

園林水景營(yíng)造通常僅使用水生草本植物，缺少層次性，到冬季時(shí)地上部分枯萎，喪失凈水功能，刈割后造成景觀缺失和生態(tài)位空缺等問(wèn)題。而水濕生木本植物生命周期長(zhǎng)、景觀更加持久，可以彌補(bǔ)水生草本植物的不足，提升水景質(zhì)量，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[22]。水濕生木本植物在一定程度上可以替代大型挺水草本植物，作為水際植物景觀的主體，與草本植物組合配置，營(yíng)造復(fù)層水景，提高景觀層次，保持植物在冬季的凈水能力。本試驗(yàn)對(duì)復(fù)層水景植物造景模式的水質(zhì)保持效應(yīng)研究是采用水箱模擬試驗(yàn)的方式進(jìn)行，存在一定的局限性，今后還需在河岸、濕地等水體中進(jìn)一步驗(yàn)證其生態(tài)效應(yīng)和造景效果。構(gòu)建以木本植物為主體的復(fù)層水景群叢，結(jié)合其他生態(tài)措施，可以營(yíng)造生態(tài)良好、景觀優(yōu)美、自凈力強(qiáng)的低維護(hù)水體景觀。