人工濕地植物生理生態(tài)及其去污機(jī)理研究

1、人工濕地植物生理生態(tài)及其去污機(jī)理研究徐大勇,徐祖信(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院水環(huán)境綜合整治研究所,上海200092)摘要闡述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)人工濕地植物生理生態(tài)及其去污機(jī)理的研究成果,提出了人工濕地系統(tǒng)植物有待進(jìn)一步研究的問題。關(guān)鍵詞人工濕地;植物;生理生態(tài);去污機(jī)理中圖分類號(hào)Q948文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611(2008)03-01144-03ResearchontheEco2physiologyCharacteristicandthePollutantRemovalMechanismofArtificialWetlandMacrophyteXUDa2yongetal(Institu

2、teofAquaticEnvironmentIntegratedRehabilitation,CollegeofEnvironmentalScienceandEngineeringofTongjiUniversity,Shanghai200092)AbstractTheeco2physiologycharacteristicandthepollutantremovalmechanismofmacrophyteinconstructedwetlandsummarizedandthefurtherresearchworkforartificialwetlandmacrophytewasanalyz

3、edinthispaper.KeywordsArtificialwetland;Macrophyte;Eco2physiology;Pollutantremovalmechanism人工濕地作為污水處理系統(tǒng)存在至今已有50多年歷史,是一種人為地將基質(zhì)、微生物和植物按一定方式配置而成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。在污水處理方面,少、運(yùn)行費(fèi)用低、1-,的特點(diǎn)所在10。植物在其中的吸收、,以及根系對(duì)水中污染-12;另一方面,人工濕地污水處理系統(tǒng)的特殊生境,決定了生長(zhǎng)在其中的植物必然在生理生態(tài)上發(fā)生相應(yīng)的變化,形成與濕地生態(tài)環(huán)境相適應(yīng)的形態(tài)學(xué)和生態(tài)學(xué)上的特征,使其能夠在逆境中完成生長(zhǎng)周期,并對(duì)人工濕地污水處理效果起

4、到積極的作用13。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)人工濕地植物的研究多側(cè)重于植物的選擇、植物的去污效果及其去污機(jī)理方面1,4-6,14-28,而對(duì)人工濕地系統(tǒng)植物自身的生理生態(tài)研究較少。筆者綜述了人工濕地污水處理系統(tǒng)中植物生理生態(tài)研究進(jìn)展,并對(duì)植物在系統(tǒng)中的作用機(jī)理進(jìn)行討論,為今后人工濕地污水處理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、植物選擇、去污效率的提高提供依據(jù)。1人工濕地系統(tǒng)中植物的生理生態(tài)1.1濕地植物光合作用光合作用是濕地植物生長(zhǎng)繁殖和.濕地生態(tài)系統(tǒng)與海洋生態(tài)系,具有顯著的初級(jí)生產(chǎn)功能和環(huán)境生態(tài)功能33。濕地植物的生產(chǎn)力接近于陸生植物,其中有些種類在比較適宜的環(huán)境條件下生產(chǎn)力甚至超過一般的陸生植物。牛曉軍認(rèn)為,在富營(yíng)養(yǎng)條件下

5、鳳眼蓮可以發(fā)揮出超常的生產(chǎn)力,在太湖地區(qū)年生產(chǎn)干物質(zhì)可以達(dá)到5.4kg/m2,光能利用率高達(dá)1.6%,遠(yuǎn)高于一般的農(nóng)作物9。濕地植物的生長(zhǎng)受到氣候、濕地類型等的影響。石雷等采用人工模擬小試系統(tǒng),研究了沙田人工濕地9種植物的長(zhǎng)勢(shì)、生物量及對(duì)污染物的去除能力,表明在深圳的氣候條件下,植物生長(zhǎng)期可貫穿全年,同時(shí)植物長(zhǎng)勢(shì)受季節(jié)等環(huán)境因素的影響非常明顯2。不同運(yùn)行方式濕地,植物地上部分長(zhǎng)勢(shì)也有明顯差異,潛流濕地的根系生物量顯著低于表面流濕地的根系生物量(P<0.05)34。趙建剛等研究發(fā)現(xiàn),以象草(Pennisetumpurpureum)為優(yōu)勢(shì)種的潛流濕地比表面流濕地植物生長(zhǎng)旺盛,在表面流濕地里象

6、草35月生長(zhǎng)旺盛,6月后出現(xiàn)枯萎,8月份甚至死亡,而潛流濕地的象草生長(zhǎng)正常35。人工濕地運(yùn)行初期控制水位和水力負(fù)荷對(duì)植物生長(zhǎng)非常重要。吳建強(qiáng)等對(duì)4種植物的表面流人工濕地系統(tǒng)處理新沂河河水的中試研究表明,4種植物中水蔥耐淹能力最強(qiáng),完全淹水22d以上依然生長(zhǎng)良好;千屈菜耐淹能力最弱,完全淹水7d后就開始枯萎,17d后地上、地下部分全部死亡10。也有研究表明,風(fēng)車草可以在COD2800mg/L、NH4+2N390mg/L以下豬場(chǎng)廢水中生長(zhǎng),香根草可以在COD1300mg/L、NH4+2N200mg/L以下的豬場(chǎng)廢水中生長(zhǎng)19,36。1.3濕地植物的分解特性人工濕地中植物會(huì)產(chǎn)生大量的+污水凈化的重要

7、能量來源,在實(shí)際工程中,也可將植物光合作用作為濕地植物選擇的重要依據(jù)之一。因此,人工濕地植物的光合作用研究有著重要的意義。黃娟等的研究表明,植物凈光合速率與濕地COD、TN去除率顯著正相關(guān),而與TP去除率關(guān)系不大29。與此相似,雒維國(guó)等認(rèn)為,蘆葦?shù)墓夂瞎夂献饔脮?huì)影響植物根部泌氧,間接影響濕地中NH42N的硝化,這是一些學(xué)者認(rèn)為可通過優(yōu)選光合產(chǎn)氧輸氧能力生物質(zhì),隨著植物殘?bào)w的分解、腐爛,釋放出大量的有機(jī)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物,同時(shí)消耗水中溶解氧,致使水環(huán)境惡化6,9。因此,如果不及時(shí)對(duì)濕地植物收獲利用,就有可能帶來嚴(yán)重的二次污染問題37。植物凋落物分解是一個(gè)復(fù)雜的過程,包括動(dòng)物的機(jī)械破碎、腐蝕、可溶性有機(jī)

8、物的浸出或自溶,細(xì)菌或真菌的硝化或反硝化作用等38。武海濤等對(duì)濕地草本植物枯落物分解的研究表明,影響凋落物分解的因素中,枯落物質(zhì)量是本質(zhì)要素,生物是分解的主導(dǎo)因素,環(huán)境等外部因素起到重要作強(qiáng)的植物或采用適當(dāng)增加種植密度等方式加強(qiáng)供氧以強(qiáng)化脫氮效果的原因31-32。黃娟等認(rèn)為,植物凈光合速率(Pn)對(duì)濕地DO分布影響顯著,濕地中段DO濃度高于兩端,證明基金項(xiàng)目國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)專項(xiàng)(2003AA601020)。作者簡(jiǎn)介徐大勇(1981-),男,江西上饒人,博士研究生,研究方向:生態(tài)環(huán)境工程學(xué)。收稿日期200720723136卷3期徐大勇等人工濕地植物生理生態(tài)及其去污機(jī)理研究1145

9、用37。如,Chimney等在對(duì)弗羅里達(dá)南部亞熱帶人工濕地植物凋落物分解研究中發(fā)現(xiàn)38,不同植物在相同的環(huán)境下有不同的分解速率,其中,金魚藻(0.0568d)>水浮蓮(0.0508d)>鳳眼蓮(0.0191d)>沉水香蒲(0.0059d)>氣生香蒲(0.0008d)。凋落物夏季降解速率大于長(zhǎng)期試驗(yàn)的降解率,利于各種微生物生長(zhǎng)的微環(huán)境,濕地中異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)為106107/g(土),優(yōu)勢(shì)菌是假單胞菌、無色桿菌、不動(dòng)桿菌48。因此,植物系統(tǒng)較無植物系統(tǒng)具有更大的微生物量18。梁威等的研究表明,蘆葦和香蒲具有明顯的根際效應(yīng),根際微生物活性高于非根際的微生物活性。種植不同植物的濕地系

10、統(tǒng)根區(qū)微生物數(shù)量不同,其濕地凈化效果也不同,例如,蘆葦根際比香蒲更適合亞硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)49-50。植物根系分布會(huì)間接影響有機(jī)污染物的降解,水生植物根系主要分布在濕地基質(zhì)上層25cm區(qū)域,濕地中有機(jī)污染物的降解也主要發(fā)生在20cm以上的基質(zhì)區(qū)域31。濕地植物能將光合作用產(chǎn)生的氧氣通過根系輸送到根區(qū),有研究表明,率大,通常人工濕地的輸氧能力在5g/2),20g/(m2d)51。黃娟等的研究證明,其中蘆葦產(chǎn)氧輸氧能力最強(qiáng),為濕地首選植物31。同種植物不同類型根系泌氧能力也不一樣。Bezbaruah等研究發(fā)現(xiàn),香蒲具有兩種類型的活性側(cè)根,一種棕色的側(cè)根和一種白色的主根,根據(jù)田間和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的數(shù)據(jù),香蒲

11、根系平均釋氧量為2.3mg/(m2d),其中71%來自白色根系52。一些公開發(fā)表的文獻(xiàn)估計(jì)植物根系這可能與溫度有關(guān)。降解速率與凋落物中的CN和CP沒有相關(guān)性。2人工濕地系統(tǒng)中植物的去污機(jī)理2.1濕地植物的直接吸收作用植物作為濕地的初級(jí)生產(chǎn)者,具有吸收儲(chǔ)存水體營(yíng)養(yǎng)物、凈化污染物、抑制低等藻類生長(zhǎng)、促進(jìn)其他水生生物代謝的作用39。大多數(shù)植物組織中N和P的含量以及它們的生物量,隨著廢水中N、P含量的增大而增大40。蔣躍平等研究發(fā)現(xiàn),植物的吸收作用對(duì)N、P等去除十分重要,尤其是在處理輕度富營(yíng)養(yǎng)化水的人工濕地中41。雒維國(guó)等認(rèn)為,蘆葦對(duì)氮的吸收占N去除總量的17.3%,植物對(duì)N徑30。植物對(duì)污染物質(zhì)的吸

12、收作用受到各種內(nèi)外因素的影響。首先,植物對(duì)污染物的直接吸收受到植物生長(zhǎng)狀態(tài)的影響。當(dāng)植物處于生長(zhǎng)旺盛期時(shí),對(duì)污染物的吸收強(qiáng),去除效果佳;當(dāng)植物衰老或處于冬季生長(zhǎng)停滯期,污水的凈化效果較差44。其次,植物吸收作用受水力停留時(shí)間的影響。胡勇有等的研究表明,在水力停留時(shí)間為8和24h時(shí),植物吸收對(duì)去除N的平均貢獻(xiàn)率分別為44.5%和40.0%,對(duì)去除P的平均貢獻(xiàn)率分別為20.9%和25.1%45。再次,植物的吸收作用受季節(jié)的影響。Debusk研究了不同季節(jié)植物對(duì)P的吸收作用,結(jié)果表明,水葫蘆對(duì)P最大的吸收率在2和7月分別為59和200mg/(m2d),浮萍在兩個(gè)季節(jié)對(duì)P的吸收率相似,都為20mg/(

13、m2d)40。尹煒等的研究認(rèn)為,秋冬季植物吸收N、P量比較低46。釋氧在545g/(dm2),USEPA(2000年)報(bào)告的數(shù)據(jù)為03g/(dm2),這些數(shù)據(jù)相差很大53。有研究認(rèn)為,植物釋放的氧氣不足以滿足濕地全部需氧量52。植物根系能維持和加強(qiáng)人工濕地系統(tǒng)內(nèi)的水力學(xué)傳輸54,有利于均勻布水,延長(zhǎng)系統(tǒng)實(shí)際水力停留時(shí)間18。濕地植物根系的多少和分布在污染物的去除過程中發(fā)揮著重要的作用35。Abissy等在對(duì)半干旱地區(qū)兩種沉水植物對(duì)廢水凈化效果的比較研究中發(fā)現(xiàn),有植物系統(tǒng)維持了基質(zhì)的空隙度,而無植物系統(tǒng)濕地冬天發(fā)生了堵塞27。據(jù)報(bào)道,即使較板結(jié)的土壤,在25年內(nèi),經(jīng)過植物根系的穿透作用,其水力傳

14、輸能力可與砂礫、碎石相當(dāng)55。對(duì)此也有相反的觀點(diǎn),Brix就認(rèn)為植物并不會(huì)增加基質(zhì)的水力傳導(dǎo)作用25。3結(jié)論與建議通過對(duì)國(guó)內(nèi)外人工濕地植物生理生態(tài)及去污機(jī)理的研究成果綜合分析,筆者認(rèn)為,濕地植物的生長(zhǎng)、光合作用以及分解特性對(duì)維持人工濕地系統(tǒng)的穩(wěn)定、提高污水處理效果有著積極的作用。植物的吸收作用及其根系對(duì)濕地土壤環(huán)境的影響是人工濕地污水處理系統(tǒng)中植物重要的去污機(jī)理。在我國(guó),人工濕地的研究起步較晚,對(duì)于有關(guān)濕地植物的研究還需不斷深入,尤其在人工濕地污水處理系統(tǒng)這樣特殊生境中的植物生理生態(tài)變化及其作用機(jī)理研究,還需要各領(lǐng)域?qū)＜彝献?。今后我?guó)人工濕地水生植物的研究可以著重關(guān)注以下幾方面:(1)繼續(xù)

15、加大對(duì)人工濕地生境條件下植物的生理生態(tài)研值得注意的是,通過植物吸收去除污染物質(zhì),只有在污染負(fù)荷較低的情況下才有效25,42,47。Gottschall等研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)污水的污染負(fù)荷很高(N為16.2、P3.4kg/hm2),污水通過第一塊濕地后,植物吸收占了TKN的0.7%。到第二塊濕地,N和P的污染負(fù)荷都有所下降,這時(shí)植物吸收去除的污染負(fù)荷TKN、NH4和TP分別占總量的9%、21%和5%42。2.2濕地植物對(duì)土壤環(huán)境的改善作用人工濕地系統(tǒng)中的植物除了能直接吸收去除污染物外,在維持濕地環(huán)境方面也發(fā)揮著重要作用。主要是植物在人工濕地系統(tǒng)中起固定床體表面、為微生物提供良好根區(qū)環(huán)境以及冬季運(yùn)行支撐冰

16、面等作用。這些作用的發(fā)揮為基質(zhì)和微生物去除污染物提供了有利條件1,25,41。植物根系巨大的表面積使得大量微生物附著其上,創(chuàng)造究,尤其在不同水質(zhì)條件下植物對(duì)逆境的響應(yīng)機(jī)制、植物的抗逆性方面的研究。(2)人工濕生植物對(duì)某些污染物的特殊吸收作用,尤其對(duì)有毒有害污染廢水凈化作用及其相應(yīng)的生理生態(tài)特征響1146安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2008年ing,2005,25:501-509.27ABISSYM,MANDIL.Comparativestudyofwastewaterpurificationefficienciesoftwoemergenthelophytes:TyphalatifoliaandJuncuss

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19、3(3)29.36紅,J.農(nóng)業(yè),2004)-,.J.生態(tài)11):1405-1410.,PIETROKC.Decompositionofmacrophytelitterinasubtropi2calconstructedwetlandinsouthFlorida(USA)J.EcologicalEngineering,2006,27:301-321.39鞠瑾,張志揚(yáng),唐運(yùn)平,等.不同植物濕地系統(tǒng)對(duì)高鹽再生水的除氮能力比較J.中國(guó)給水排水,2006,22(19):56-58.40DEBUSKTA,PETERSONJE,REDDYKR.Useofaquaticandterrestrialplants

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25、用,了解植物根系對(duì)根際微生物、酶系統(tǒng)產(chǎn)生影響的情況,從而對(duì)整個(gè)濕地污水處理效果的影響研究。(4)人工濕地植物間的相互作用機(jī)理研究。參考文獻(xiàn)1王圣瑞,年躍剛,侯文華,等.人工濕地植物的選擇J.湖泊科學(xué),2004,16(1):91-96.2石雷,王寶貞,曹向東,等.沙田人工濕地植物生長(zhǎng)特性及除污能力的研究J.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005,24(1):98-103.3成水平,況琪軍,夏宜崢.香蒲、燈心草人工濕地的研究?jī)艋鬯男Ч鸍.湖泊科學(xué),1997,9(4):351-358.4VACCAG,WANDH,NIKOLAUSZM,etal.Effectofplantsandfiltermaterials

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