潛流濕地木本植物的生理特性與聚類分析

潛流濕地木本植物的生理特性與聚類分析

作為一種人工濕地，地下沼澤由于其高污水處理率高，占地面積小，在處理污水方面已廣泛使用1.3。植物是地下沼澤的重要組成部分，通過(guò)吸收、吸附、過(guò)濾和積累，可以去除污染物。此外，植物還可以固定床表面5，為微生物提供良好的根區(qū)環(huán)境6.7，進(jìn)一步提高填充基質(zhì)的過(guò)濾效率8和抗沖擊負(fù)荷9，為系統(tǒng)的穩(wěn)定處理效果提供保障。但是,從目前已有的人工濕地工程實(shí)踐來(lái)看,在冬季時(shí),除了華南溫暖地區(qū)的植物沒(méi)有出現(xiàn)由于低溫致地上部枯死外,我國(guó)大部分地區(qū)的人工濕地植物都會(huì)出現(xiàn)地上部枯死的問(wèn)題,出現(xiàn)這種問(wèn)題的基本原因是目前應(yīng)用的潛流人工濕地植物主要為蘆葦(Phragmitesaustralis)、美人蕉(Cannaindica)、風(fēng)車草(Cyperusalternifolius)、香蒲(Typhaangustifolia)、水蔥(Scirpusvalidus)、水芹(Oenanthjavanica)、姜花(Hedychiumcoronarium)、菖蒲(Acoruscalamus)、梭魚草(Pontederiacordata)等單一草本水生植物類型［10～12］,到了冬季寒冷低溫季節(jié),就必然會(huì)出現(xiàn)冬季時(shí)絕大多數(shù)草本植物地上部枯死的現(xiàn)象,由于冬季植物效應(yīng)的喪失,從而影響冬季人工濕地污水處理和景觀效果.因此,寒冷氣候條件下人工濕地植物的應(yīng)用是濕地技術(shù)的難點(diǎn),也會(huì)極大地限制了人工濕地技術(shù)的推廣應(yīng)用.解決人工濕地冬季植物問(wèn)題的對(duì)策主要有采用覆蓋保溫［13］、強(qiáng)化升溫［14］和篩選出冬季抗寒濕地植物［15，16］.從經(jīng)濟(jì)和景觀效果的角度來(lái)看,比較理想的對(duì)策還是能夠篩選出冬季抗寒植物,但從現(xiàn)有的研究和工程實(shí)踐來(lái)看,在草本濕地植物中篩選出冬季地上部不枯死的植物非常難,根本原因是由于草本濕地植物在亞熱帶地區(qū)的冬季決大多數(shù)完成一年的生長(zhǎng)周期后地上部枯死,少數(shù)抗寒性較強(qiáng)的草本水生植物在夏季抗高溫強(qiáng)光能力又差［12，17］.為此,本研究提出在潛流人工濕地中引入木本陸生植物來(lái)解決目前冬季大部分草本水生植物地上部分枯死的問(wèn)題,而且經(jīng)過(guò)初步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用潛流人工濕地運(yùn)行水位在表面填料的10~20cm以下的特點(diǎn),木本植物經(jīng)過(guò)根系馴化誘導(dǎo)后可以適應(yīng)潛流人工濕地環(huán)境［18，19］,因此,本研究通過(guò)對(duì)潛流人工濕地環(huán)境下木本植物篩選與評(píng)價(jià)分析,開辟出人工濕地篩選的新思路,以期為木本植物應(yīng)用于潛流人工濕地提供技術(shù)參考.1潛流濕地實(shí)驗(yàn)人工濕地實(shí)驗(yàn)的污水水質(zhì)2010年4月將收集的木本植物共計(jì)24種(表1),引入到潛流人工濕地中,觀察存活率和生長(zhǎng)狀況.經(jīng)過(guò)1a初篩,2011年4月將能夠成活的植物作為實(shí)驗(yàn)物種16種(表2)種植在潛流人工濕地單元,濕地單元:長(zhǎng)×寬×深=2×1×1(m),床體深1m包括:下部填充粒徑為3~5cm的石灰石40cm,上面鋪5cm河沙,然后鋪沸石15cm,最上層再鋪約10cm的細(xì)沙.16種植物沿水流方向平行排列種植在潛流濕地中,每種植物5株,植物栽植密度20cm×20cm.由于水流通過(guò)布水管均勻流入,因此整個(gè)潛流人工濕地實(shí)驗(yàn)區(qū)具有相似的水力負(fù)荷,從而保證植物具有相似的生長(zhǎng)環(huán)境.經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入潛流濕地(實(shí)驗(yàn))處理單元的污水主要水質(zhì)指標(biāo)為:COD108.26~125.74mg·L－1;TN39.53~44.47mg·L－1;TP2.09~2.43mg·L－1.實(shí)驗(yàn)期間系統(tǒng)在室外自然條件下連續(xù)運(yùn)行,水力負(fù)荷保持為0.5m·d－1,水力停留時(shí)間為19h.經(jīng)過(guò)12個(gè)月后一次性測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo).1.2測(cè)量1.2.1植物物酶活性測(cè)定植株成活率、株高、根長(zhǎng)、根系活力、葉綠素含量、超氧化歧化酶、丙二醛、脯氨酸、過(guò)氧化物酶是反映植物適應(yīng)形態(tài)與生理特性的主要指標(biāo).株高增加值采用實(shí)驗(yàn)前后5株植物的最高株高的平均數(shù)差值計(jì)算,根系增加值采用實(shí)驗(yàn)前后5株植物的最長(zhǎng)根平均數(shù)差值計(jì)算,根系活力、葉綠素含量、超氧化歧化酶、丙二醛、脯氨酸、過(guò)氧化物酶含量的測(cè)定方法參照文獻(xiàn).1.2.2單株生長(zhǎng)量和總氮含量的測(cè)定植物生長(zhǎng)量的測(cè)定:植物生長(zhǎng)量是反映植物吸收N、P能力的重要指標(biāo)之一.每種植物在種前稱重,經(jīng)過(guò)12個(gè)月的生長(zhǎng)以后再稱重,將待測(cè)樣品在80℃烘箱中烘至恒重后稱重,計(jì)算單株平均生長(zhǎng)量.植物氮磷積累量的測(cè)定:植物氮磷積累量表示植物從濕地系統(tǒng)中帶走的氮磷量,是直接反映植物的凈化潛力的重要指標(biāo).將植物樣品用H2SO4-H2O2消煮制備成溶液,總氮含量用過(guò)硫酸鉀氧化吸光光度法測(cè)定［21］;總磷用釩鉬藍(lán)法測(cè)定［22］.植物氮磷積累量(PA)的計(jì)算公式為:式中,PA為植物氮磷積累量,PC為植物氮磷濃度,PB為植物生長(zhǎng)量.1.2.3數(shù)據(jù)處理方法文中數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)之林(Forstat)2.0軟件進(jìn)行處理［23］.2結(jié)果與分析2.1潛流型人工濕地植物應(yīng)用現(xiàn)狀由表1可以看出,24種通過(guò)1a在潛流式人工濕地的生長(zhǎng),有些植物由于不適應(yīng)該地區(qū)溫度、水生環(huán)境等各種因素出現(xiàn)死亡現(xiàn)象,而有些植物卻可以適應(yīng)成活下來(lái),1a后筆者統(tǒng)計(jì)了成活率(表1).由表1可以看出能夠在潛流人工濕地環(huán)境下成活的植物有:夾竹桃、小葉迎春、大葉冬青、常春藤、金森女貞、金葉女貞、金邊七里香、七里香、木槿、桂花、六月雪、龜甲冬青、梔子花、十大功勞、紅葉石楠、棕櫚共16種.第二年將這16種植物引入潛流型人工濕地進(jìn)行適應(yīng)能力與生理特性、生長(zhǎng)量和氮磷積累量、聚類分析與凈化潛力的評(píng)價(jià)研究.2.2在潛流的人工濕地環(huán)境中，選擇和評(píng)估了16種植物2.2.1種植物生長(zhǎng)情況.植物的成活率、株高增幅、根長(zhǎng)增幅是濕地植物的適應(yīng)能力強(qiáng)弱的形態(tài)學(xué)特性指標(biāo)之一,是植物適應(yīng)能力強(qiáng)弱的最直接的反映.16種植物種植在生活污水中生長(zhǎng)12個(gè)月后,各項(xiàng)指標(biāo)情況見表2.從中可知,16種植物的成活率與第一年的初篩結(jié)果基本一致,說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)具有較好的重復(fù)性.16種植物中具有較高成活率的有:夾竹桃、金森女貞、金葉女貞、木槿、六月雪、龜甲冬青.從株高增加值來(lái)看,增幅最多的有:木槿、金葉女貞、夾竹桃這3種,增幅都在90cm以上;株高增幅較小,在10cm以內(nèi)的有:七里香、六月雪、大葉冬青、金邊七里香、十大功勞、紅葉石楠、小葉迎春、桂花、龜甲冬青這9種.從根長(zhǎng)增幅來(lái)看,16種植物根長(zhǎng)增幅最多的有:夾竹桃、木槿這2種,增幅都在70cm以上;增幅較小,在10cm以內(nèi)的有:常春藤、十大功勞、七里香、龜甲冬青、紅葉石楠、桂花、六月雪這7種.整體趨勢(shì)來(lái)看,植物的成活率、株高增幅、根長(zhǎng)增幅這3個(gè)指標(biāo)都較強(qiáng)是夾竹桃、木槿這2種植物,并出現(xiàn)較好的一致性.2.2.2適應(yīng)生理特性根系活力、葉綠素含量、超氧化歧化酶、丙二醛、脯氨酸、過(guò)氧化物酶的變化是植物適應(yīng)能力強(qiáng)弱的生理表現(xiàn)指標(biāo)之一［16，24］.16種木本植物在潛流人工濕地中的適應(yīng)生理特性指標(biāo)情況見表3.從中可以看出,根系活力、葉綠素含量這2個(gè)指標(biāo)中夾竹桃、木槿、梔子花、棕櫚都較高,且有較好的一致性;超氧化歧化酶、丙二醛、脯氨酸、過(guò)氧化物酶這4個(gè)生理特性反應(yīng)指標(biāo)總體上沒(méi)有很明顯的規(guī)律性,但是個(gè)別指標(biāo)也有較強(qiáng)的一致性,如棕櫚同時(shí)表現(xiàn)出較高的脯氨酸、過(guò)氧化物酶含量,這與棕櫚較強(qiáng)的適應(yīng)能力一致.2.2.3氮磷積累量的測(cè)定植物氮磷積累量表示植物從濕地系統(tǒng)中帶走的氮磷量,是直接反映植物的凈化潛力的重要指標(biāo)之一,其大小由生長(zhǎng)量大小和植物內(nèi)氮磷濃度決定.從16種濕地植物的氮磷積累量比較(表4)來(lái)看,16種植物平均生長(zhǎng)量與氮磷積累量有很好的一致性,生長(zhǎng)量較大的依次為:夾竹桃、梔子花、金葉女貞、木槿、棕櫚、六月雪、大葉冬青,都在80g·株－1以上;由于植物氮磷平均含量差異較大,導(dǎo)致植物氮磷積累量也有較大差異,但是基本規(guī)律一致,生長(zhǎng)量較強(qiáng)的7種植物也具有很強(qiáng)的植物氮磷積累量,尤其是夾竹桃、梔子花、金葉女貞、木槿、大葉冬青這5種表現(xiàn)出平均生長(zhǎng)量與氮磷積累量有很好的一致性.而且有很多研究顯示,生物量與氮、磷積累量的相關(guān)性優(yōu)于植物體內(nèi)氮、磷濃度［4，25］,說(shuō)明要提高植物對(duì)污染物的直接吸收功能,主要是依靠提高植物的生長(zhǎng)量來(lái)增加植物氮磷積累量.本實(shí)驗(yàn)也反映了氮、磷的積累能力與生長(zhǎng)量具有很好的相關(guān)性.2.2.4種植物聚類分析從實(shí)驗(yàn)植物上述的單一指標(biāo)強(qiáng)弱可看出,不同指標(biāo)間的強(qiáng)弱排名有一定相關(guān)性,但也存在著顯著的差異,其說(shuō)明采用單一的指標(biāo)不能科學(xué)客觀地反映植物的抗寒能力與污水凈化潛力.因此,本研究對(duì)反映植物凈化潛力的適應(yīng)形態(tài)與生理特性(成活率、株高增幅、根長(zhǎng)增幅、根系活力、葉綠素含量、超氧化歧化酶、丙二醛、脯氨酸、過(guò)氧化物酶)和去污能力(植物生長(zhǎng)量、植物氮平均濃度、植物磷平均濃度、植物對(duì)氮的積累能力、植物對(duì)磷的積累能力)兩方面共14項(xiàng)指標(biāo)對(duì)16種植物進(jìn)行聚類分析(圖1).本研究采用了8種系統(tǒng)聚類方法進(jìn)行分析,分析結(jié)果表明:平均距離法、類平均距離法、最長(zhǎng)距離法、離差平方和法、可變法這5種系統(tǒng)聚類分析的效果是一樣的,結(jié)果可以將植物分為3大類:最強(qiáng)有1(夾竹桃)、9(木槿),中等的有:16(棕櫚)、2(小葉迎春)、13(梔子花)、11(六月雪)、12(龜甲冬青),較弱有3(大葉冬青)、4(常春藤)、5(金森女貞)、6(金葉女貞)、7(金邊七里香)、8(七里香)、10(桂花)、14(十大功勞)、15(紅葉石楠).3木本植物篩選與評(píng)價(jià)本研究中的木本植物相對(duì)一般水生草本植物而言具有更好的抗寒性,可以較好地解決人工濕地冬季草本植物地上部枯死而造成污水處理與景觀效果較差的問(wèn)題,但是,木本植物相對(duì)水生草本植物而言,最大的困難是木本植物很難適應(yīng)人工濕地水生缺氧的環(huán)境,要解決木本植物適應(yīng)潛流人工濕地環(huán)境,取決于兩方面因素,一方面是潛流人工濕地運(yùn)行水位調(diào)節(jié)(外因),也就是說(shuō)必須將潛流人工濕地的水位調(diào)節(jié)到正常水位(運(yùn)行水位在表面填料的10~20cm以下),避免長(zhǎng)時(shí)間超水位運(yùn)行,這樣可以保障木本植物有適應(yīng)潛流人工濕地的生存緩沖空間(表面填料的10~20cm);另一方面是植物的適應(yīng)能力的強(qiáng)弱(內(nèi)因),也就是說(shuō)取決于木本植物對(duì)潛流人工濕地相對(duì)缺氧環(huán)境的適應(yīng)能力,一般水生植物具有很強(qiáng)的耐缺氧的濕地環(huán)境的能力,木本植物大部分品種不耐缺氧的濕地環(huán)境.但是,也有人研究發(fā)現(xiàn)有些木本植物也具有很強(qiáng)的耐缺氧濕地環(huán)境的能力,如柳樹［26］、水杉等木本植物［27］,但是品種有限,利用木本植物建立的人工濕地,通過(guò)合理地?fù)嵊芾砗投梯喎テ诘牟墒?可以把富余的氮、磷等元素徹底從污染生態(tài)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移出,進(jìn)而進(jìn)行生物質(zhì)能源的開發(fā)利用,避免實(shí)際應(yīng)用中,由于常見水生草本濕地植物大多經(jīng)濟(jì)效益不高,在濕地運(yùn)行操作中需要持續(xù)的投入費(fèi)用,這就導(dǎo)致了很可能草本濕地植物到了秋季無(wú)人收割、植物莖葉部腐爛倒伏等問(wèn)題,這樣被草本濕地植物吸收和固定的氮、磷等元素又回到了濕地系統(tǒng)中.另外,木本植物還具有更多的優(yōu)點(diǎn),如抗寒性強(qiáng)、根系更發(fā)達(dá)、生物量更大、耐修剪等.本研究中把24種園林植物引入潛流人工濕地,擴(kuò)大了植物的篩選范圍,有利于人工濕地技術(shù)在更大范圍內(nèi)的推廣.筆者認(rèn)為在潛流人工濕地系統(tǒng)中可以合理地搭配草本植物與木本植物的空間,做到既考慮植物的適應(yīng)性,還考慮植物的凈化效果,充分發(fā)揮草本植物與木本植物的優(yōu)勢(shì),構(gòu)建一個(gè)合理的植物立體與時(shí)空植物系統(tǒng).在木本植物篩選與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中本研究重點(diǎn)考慮了植物凈化潛力的適應(yīng)形態(tài)與生理特性(成活率、株高增幅、根長(zhǎng)增幅、根系活力、葉綠素含量、超氧化歧化酶、丙二醛、脯氨酸、過(guò)氧化物酶)和去污能力(植物生長(zhǎng)量、植物氮平均濃度、植物磷平均濃度、植物對(duì)氮的積累能力、植物對(duì)磷的積累能力)兩方面共14項(xiàng)客觀數(shù)據(jù)指標(biāo),沒(méi)有考慮主觀打分賦值的指標(biāo),如:生物安全、景觀價(jià)值、生態(tài)價(jià)值等指標(biāo),從指標(biāo)體系的完整性與科學(xué)性來(lái)說(shuō),可以考慮結(jié)合主觀打分等指標(biāo),但是考慮到主觀打分的個(gè)人差異,賦值大小等主觀因素差異,因此,本研究也沒(méi)有將這些主觀指標(biāo)納入篩選與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,但是在木本植物應(yīng)用的時(shí)候還是要考慮植物的生物安全與景觀價(jià)值、生態(tài)價(jià)值等問(wèn)題.植物氮磷積累量是表示植物從濕地系統(tǒng)中帶走的氮磷量,是直接反映植物的凈化潛力的重要指標(biāo)之一,其大小由生長(zhǎng)量和植物氮磷濃度決定,一般每種植物體內(nèi)N、P含量是一定的,因此,要提高植物對(duì)污染物的直接吸收功能,主要是依靠提高植物的生長(zhǎng)量來(lái)增加植物氮磷積累量.很多研究表明,生物量的大小決定了植物植物氮磷積累量,蔣躍平等［28］的研究也發(fā)現(xiàn)植物的氮磷積累量與濃度及生物量之間均存在顯著相關(guān),可以直接以生物量為指標(biāo)選擇人工濕地植物.劉育等［29］研究蘆葦濕地不同生物量處理生活污水中三氮的研究結(jié)果也表明,在蘆葦濕地污水處理系統(tǒng)中,一般情況下濕地植物的生物量越大,其凈化污水中三氮能力就越強(qiáng).呂改云等［30］研究證明刈割可以促進(jìn)人工濕地風(fēng)車草的再生能力和分蘗能力,增加地上部分的生物量和氮磷貯存量,提高人工濕地對(duì)污水的凈化效果.本實(shí)驗(yàn)也反映了氮、磷的積累能力與生長(zhǎng)量具有很好的相關(guān)性.因此,在以后的研究中還可以進(jìn)一步加大植物的篩選范圍,爭(zhēng)取篩選出更多凈化潛力強(qiáng)的木本植物應(yīng)用到潛流人工濕地系統(tǒng).4凈化潛力評(píng)價(jià)(1)16