水培植物对城市污染河道水体净化的效果

张 博，李 真，黄民生，何 岩，童 敏，沈叔云

(华东师范大学资源与环境科学学院，上海 200062)

水生植物作为水生生态环境中物质循环和能量转化的桥梁，因具有美化环境、净化水质和固持底泥等功能，在国内外已被广泛应用于各种类型的污染水体修复［1-4］。其主要技术有人工湿地技术［5］、生态浮床技术［6］及水生植物氧化塘［7］等。目前在城市中小河道的治理中应用较多的是生态浮床技术［8，9］。

植物的引种和栽培育种是生态浮床应用于城市河道治理的重要环节。目前相关报道多为不同植物的水质净化效果比较［10，11］以及通过植物与微生物的优化配置和运行参数的调节提高其净化效果［12，13］，较少考虑引种过程的经济成本和栽培育种时植物对水体环境的适应性等问题。比如，植物人工培育可能会占用大量土地资源，远距离运输耗费大量人力、物力以及运输过程对植物造成损伤而影响成活率，经土壤培育生根的植物移植于污染水体后可能产生某些异常生理表现等。

植物扦插繁殖是指利用离体植物组织器官(如根、茎、芽或叶等)的再生性能，在一定条件下经过人工培育使其发育成为一个完整的新植株的过程［14］，根据不同的培育基质，植物扦插可分为水插、气插、土插和砂插［15］。水插繁殖指利用水作为基质扦插繁殖植物，使植物生根成为新的独立植物体。

本研究提出一种浮床系统植物培育的新思路，即采用水插培育方法，直接以污染河道水体作为培养基质来培育植物，并利用经水培处理生长状况良好的植物净化污染水体。试验选取绿萝和千屈菜两种常见的可水插生根的景观植物作为培育植物。绿萝和千屈菜根系发达，对不同环境具有良好的适应性，污染物吸收能力强，同时观赏价值高，目前在水环境治理中已有较多应用［16-19］。

温州市位于浙江东南部，境内河网纵横交错，近年来伴随地方经济发展河流污染程度加剧，河水富营养化问题凸显，很多水体出现黑臭现象。本试验选用横渎河污染水体培育植物并对横渎河以及山下河的河水进行净化效果研究，对于城市中小河道治理植物修复过程中降低经济成本、提高处理效果等方面具有重要参考意义。

1 材料与方法

1.1 供试植物

供试植物为水插和土培两种生根培育方式的绿萝和千屈菜。水插生根绿萝和千屈菜经温州市横渎河河水直接水插培育成熟，土培生根绿萝和千屈菜购于温州花鸟市场。选取长势一致的植株作为试验材料。

1.2 试验水体

以温州市两条相交汇的横渎河及山下河的河水作为试验水体。两条河均位于温州市区城中村，周围主要是作坊型工厂、农贸市场和违章建筑等，大量生活和生产废水被排放入河，水体污染严重，均为劣Ⅴ类水质。其中，山下河河道窄，水体流动性差，黑臭程度严重;横渎河作为过水河道，水面较宽，污染程度低于山下河。试验河水水质如表1所示。

表1 试验河水水质Tab.1 Characteristics of River Water

1.3 试验装置

试验装置如图1所示。

图1 植物浮床结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Floating Bed

1.4 试验方法

试验设计8个处理水平，即用水插生根绿萝、土培生根绿萝、水插生根千屈菜以及土培生根千屈菜分别处理横渎河和山下河两种不同污染程度的河水，并设置横渎河河水和山下河河水各一个空白对照。试验于2011年6月10日～7月15日期间开展。分别将60 L的横渎河和山下河河水加入塑料水箱中，水箱上固定聚氯乙烯泡沫板并打定种植孔。将清洗后的土培生根的绿萝和千屈菜以及经过横渎河河水水插培育生根的绿萝和千屈菜种植在泡沫板上。为防止试验水体因蒸发以及植物蒸腾作用而引起的损失，每天及时补给蒸馏水以保持水箱内水体体积恒定。试验期间每隔5 d对各植物处理系统及对照组进行取样，测定CODCr、NH+4-N、TN和 TP等水质指标，水质指标测定参考《水和废水监测分析方法》之规定严格进行［20］。

2 结果与分析

2.1 COD的去除效果

研究表明，水生植物对有机污染物没有直接的吸收作用，处理系统中CODCr主要依靠颗粒物的沉降作用以及植物根系周围微生物代谢作用去除［21，22］。

图2为CODCr的去除效果。由图2可知经过5 d处理，CODCr浓度均明显下降。其中，4种植物浮床系统对横渎河河水中 CODCr浓度降幅分别为24.5%、23.3%、24.3% 和 23.6%，高于空白对照槽的17.1%，这主要是河水中悬浮颗粒物的共沉淀作用以及植物根系的吸附作用所致。水插绿萝和千屈菜浮床系统对山下河河水中CODCr浓度降幅分别为26.6%和33.4%，高于空白对照槽的22.8%。而经过土培生根的两种植物浮床系统，相应CODCr浓度降幅只有13.0%和17.0%，这主要是由于在土壤中生根的植物对污染程度更为严重的黑臭水体环境需要一段时间来适应，期间产生的衰败残留物以及根系坏死造成有机质分解溶出导致其CODCr浓度降低程度较小。

随着试验进行，各植物浮床系统根系不断生长，对试验水体的有机物颗粒的捕获能力也不断增强。附着植物根系周围的微生物开始利用有机物作为营养源，逐渐形成生物膜，加强了对水中有机物的降解。4种植物浮床对横渎河河水的有机物去除效果差别不大，35 d后的净去除率分别为 27.1%、32.4%、44.6%和 42.1%。山下河河水由于污染程度严重，在试验15 d后，4种植物浮床系统对有机物去除程度开始表现出明显差异。其中，土培绿萝对有机物的去除能力最弱，在5～20 d内由于适应水体环境导致的根系死亡腐败使得有机物浓度比空白对照槽还要高，35 d后净去除率只有2.2%。水插生根千屈菜的最终净去除率为45.7%，高于土培千屈菜的32.7%和水插绿萝的20.3%。经测量，试验期间两种河水中的水插千屈菜根长增长明显，分别达170%和108%，这不仅有利于有机颗粒物附着，同时扩大根系泌氧范围，增强了微生物对有机物的降解能力。

图2 四种植物系统对横渎河及山下河河水的COD去除效果Fig.2 Effect of Four Plant Systems on COD Removal of Hengdu River and Shanxia River

图3 四种植物系统对横渎河及山下河河水-N的去除效果Fig.3 Effect of Four Plant Systems on -N Removal of Hengdu River and Shanxia River

2.3 TN的去除效果

图4为TN的去除效果。

由图4可知由于试验前5 d河水中有机含氮颗粒物的沉降行为，各组系统中TN浓度均出现较大幅度的降低，其中横渎河河水植物浮床系统中TN降低4.21～5.03 mg/L，山下河河水植物浮床系统中TN降低4.47～5.51 mg/L，与空白对照槽均相差较小。试验进行5 d后，横渎河河水系统中TN浓度继续平稳下降至试验结束，并且各植物浮床间TN浓度差距一直较小，最终4种植物系统对TN净去除率为 34.9%、40.8%、43.1% 和 42.2%，其中千屈菜的TN去除能力略高于绿萝，而两种生根方式水质净化效果的区别没有明显体现。对于山下河河水，水插绿萝、水插千屈菜和土培千屈菜三种处理系统在试验过程中TN浓度相差不大，最终的净去除率为33.8%、43.8%和35.7%。而土培生根绿萝在5～15 d时TN浓度甚至一度高于空白对照槽，也明显高出同期各处理系统。说明经土壤培育生根的绿萝其根系结构和营养吸收需较长时间适应黑臭程度的水体环境。最终土培绿萝系统对山下河河水的TN净去除率为21.2%。水插生根两种植物对山下河河水的TN净去除率比土培生根分别高出12.6%和8.1%。有研究表明短期内湿地水生植物通过植物根系吸收同化的氮污染物即使较低，但通过微生物硝化反硝化作用去除的氮污染物仍较高［25］。付融冰等［26］报道在人工湿地基质中微生物数量与TN去除率具有显著相关性。经过污染河水水插生根培育的植物的根系细长发达，能更好适应试验水体环境，根际微生物数量较多，经过植物和微生物的交互作用可以提高TN去除率［27］。

图4 四种植物系统对横渎河及山下河河水TN的去除效果Fig.4 Effect of Four Plant Systems on TN Removal of Hengdu River and Shanxia River

2.4 TP的去除效果

图5为TP的去除效果。

由于试验初期两条河的试验水体中不溶态磷沉降到处理槽底部，使得TP浓度均有明显下降。横渎河河水中TP下降0.31～0.47 mg/L，山下河河水中TP下降0.6～0.71 mg/L。研究表明植物系统可直接吸收水体中的溶解性磷用于自身组织的合成，同时植物根系周围的微生物(如聚磷菌)利用水中的磷酸盐合成ATP并转化为聚磷来贮存能量［28］。各植物系统对横渎河河水中的TP浓度下降趋势基本一致，土培生根千屈菜在10～25 d时、水插生根绿萝在20～30 d时，TP浓度分别与其他3种系统略有差异。最终各植物处理系统对横渎河河水的TP净去除率为 45.7%、53.8%、54.4% 和 52.0%，差异不明显。水插千屈菜由于前期的污染河水培育能较快地适应黑臭程度的水体环境，在10～25 d内相对于其他3种植物系统TP浓度下降明显。而水插绿萝、土培绿萝和土培千屈菜在试验开始20 d后TP浓度相对于空白对照槽才明显下降。最终4种植物浮床系统对山下河河水的 TP净去除率分别为41.4%、34.2%、50.3%和44.5%。水插生根的两种植物对TP净去除率比土培生根植物高出7.2%和5.8%，显示出一定优势，而千屈菜的TP去除能力明显高于绿萝，这与柳骅等的研究一致［29］。

图5 四种植物系统对横渎河及山下河河水TP的去除效果Fig.5 Effect of Four Plant Systems on TP Removal of Hengdu River and Shanxia River

3 结论

(1)不同生根方式的两种植物对横渎河河水的净化效果差异不大。由于横渎河水体污染背景值较山下河低，黑臭程度不明显，水插和土培植物都能很好利用污染物作为营养盐，根系、生物量等生长指标差异较小，对水体的净化效果相近。

(2)不同生根方式的两种植物对山下河河水的净化效果差异明显，通过水插方式培育生根的两种植物对污染物的去除率均高于土培方式。经过水插生根培育的植物可以更好地适应污染程度更严重的黑臭水体环境，植物根长增长率远高于土培植物，根系发达，有利于颗粒物的吸附以及微生物群落的生长。而根际微生物对水体污染物，特别是CODCr、TN的去除起着重要作用。

(3)综合来看，千屈菜对河水污染物的去除能力高于绿萝。在黑臭程度严重的山下河河水中，水插千屈菜去除污染物的优势得到明显体现，这与其根长、株高、生物量等生长特性增长率最高具有一致性。因此对于污染严重的河道水体，可以利用水插培育的千屈菜浮床系统进行治理。

(4)利用水插培育的植物净化污染河道水体，可将园艺扦插与生态浮床技术很好地结合。水插生根植物具有对污染水体良好的适应性，特别是对重污染水体较好的抗逆性，污染物处理效果好，并具有良好的观赏价值。此外，预先用污染河水进行水插的培育方法可以降低河道治理中水生植物引种及运输的成本，对于大规模的生态浮床工程，是一项经济和实用的水生植物培育方式。

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