2017, Vol. 29 
(2: 洪泽县清盈尾水湿地管理有限公司, 淮安 223001)
(3: 南京大学常熟生态研究院, 常熟 215500)
(2: Qingying Tail Water Wetland Management Limited Company of Hongze County, Huaian 223001, P. R. China)
(3: Nanjing University Ecology Research Institute of Changshu, Changshu 215500, P. R. China)
水生植物浮床起源于一项无土栽培技术，近年来被应用到受损或污染水体修复与治理领域[1].通过水生植物的直接吸收同化作用、根系生物膜微生物作用和根系向水体释放氧和有机质等方式进行或参与污染物的去除[2-4].相对于传统的基质栽培法，大多数的浮床植物生长在水体表面，根系直接与水体接触，植物生长环境存在显著差异[5]，这种差异会同时影响水生植物的生长状况和水质净化效果[6].当前，有关浮床优缺点的定性描述及其在水生态工程的应用与研究很多，但是，相关方面主要集中在浮床水生植物筛选[7-9]、浮床对水生态系统的影响[10]、高效基质—浮床复合体系构建[11]和相关工艺改进[12]等方面，对于浮床的特征小生境对水生植物生长和水质净化影响方面的研究却相对薄弱，特别是对于我国北方冬季，传统基质栽培法和浮床栽培法对水生植物生长和水质净化影响对照研究方面尚未见报道.
本研究以耐寒水生植物水芹(Oenanthe javanica)为供试材料，分别采用沙基种植法和浮床种植法，研究2种栽培条件下，水生植物在冬季期间的生长状况及其水质净化能力，以期为水生态工程规划设计和工艺选择，以及浮床技术在我国北方的推广应用提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 实验装置与材料实验地点位于江苏省淮安市洪泽县朱坝镇大魏村的野外实验基地.实验在9个聚乙烯塑料桶中进行(规格：190 cm×110 cm×45 cm，图 1)，在每个桶底放置10 cm厚沙子(来自洪泽湖底，细度模数为3.1~3.7)作为基质模拟人工湿地，浮床选择HCFC 500型生态浮床(规格：50 cm×50 cm，每板浮床包含9个花篮孔).实验用水取自基地附近池塘，水质条件如下：COD15 mg/L，总磷(TP)0.5 mg/L，硝态氮(NO3--N) 0.1 mg/L，铵态氮(NH4+-N) 0.3 mg/L, 通过人工添加KNO3、(NH4)2SO4、葡萄糖，获得富营养化实验用水：COD 80 mg/L，TP10 mg/L，NO3--N 5 mg/L，NH4+-N10 mg/L.整个实验期间保持水深15 cm.选取长势均一、株高30 cm的水芹幼苗，剪掉枯黄叶片并用软毛刷清洗根部.于2015年12月10日进行水芹移栽，预培养14 d后进行处理.
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图 1 小试实验装置示意 Fig.1 Diagram of the pilot scale test device |
实验设3个处理：对照组(CK)，不种植物且不加浮床；沙基种植组，水芹密度为190±5株/缸；浮床种植组，每缸放置6块浮床，水芹密度为190±5株/缸.每个处理设置3次重复.为降低干扰和后续取样方便，沙基种植组的植物种植方式采用先将植物放置在花篮中(与浮床种植组相同的花篮)，然后连同花篮一起埋入沙中的种植方式.实验采用周期性添加化学试剂的运行方式，系统共运行4个周期，每个周期开始前，根据实测每缸水体营养物质浓度，计算和添加KNO3、KH2PO4、(NH4)2SO4和葡萄糖，使得每个缸内水质浓度(COD 80 mg/L，TP10 mg/L，NO3--N 5 mg/L，NH4+-N10 mg/L)接近于实验初始时的浓度(最终以实测数据为准计算各个周期的去除率).
1.3 采样与测定依据水芹冬季不同发育阶段理论，设定实验时间.实验进行77 d，共5次采样.设定时间节点为开始处理前2015年12月24日及2016年1月4日、1月18日、2月21日和3月9日. 2016年1月18日测定水芹冬季凋落期的生长状况及人工湿地运行情况，2016年1月19日至3月9日为水芹温带气候条件下人工湿地的运行情况.采集水样和植物样本，采样时间为上午9:00.采样时用250 ml采样瓶，通过塑料桶底部的出水管采集水样.现场进行水质化学指标的检测工作，检测方法依据美国环境保护局(USEPA)标准：COD采用消解比色法；TN浓度采用过硫酸盐氧化法；TP浓度采用抗坏血酸法；利用YSI 6820U2多参数水质分析仪检测水体叶绿素a浓度；水体温度采用HOBO防水型温度光照记录仪(型号：UA-002-64)置于水体中测得，每隔15 min记录1次数据，每天记录96次，取当天所有水体温度平均数进行分析.
在实验开始前和每个周期实验结束后，对沙基种植组和浮床种植组进行植物样本采集：每个处理选择长势均一的植物样本，采取2个花篮的样本.用直尺测量出其地上部分高度、地下部分长度.测完后，用粗滤纸把沉水植物水分吸干，称取鲜重.之后，将装在信封中的植物放于烘箱，先用110℃杀青15 min，然后在75~80℃烘干48 h，测定干重[13].根系活力采用TTC法测定[14].根系泌氧采用檬酸钛比色法测定[15].
1.4 实验运行条件实验时间为2015年12月24日-2016年3月9日，2015年12月10日-12月23日为预培养时间.第Ⅰ周期(2015年12月24日-2016年1月3日)，水体温度在3.23~8.58℃之间波动；第Ⅱ周期(2016年1月4日-1月17日)，水体温度在2.74~6.76℃之间，有连续4 d温度小于3℃，在2.10~2.84℃之间；第Ⅲ周期(2016年1月18日-2月20日)，温度在0.58~12.50℃范围内波动；第Ⅳ周期(2016年2月21日-3月9日)平均温度在6.70~14.26℃之间(图 2).水体温度出现一个持续5 d(2月28日-3月3日)平均温度为12.94℃的小幅回升.结果表明，本实验经历了温带冬季最低温和第二年开始升温的初始阶段.
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图 2 实验期水温变化动态 Fig.2 The water temperature dynamic in the whole studied period |
数据分析使用Office Excel 2010软件、单因素方差分析和独立样本t检验采用SPSS19.0软件，装置图由Office Visio 2013绘制，图表绘制工作由Sigmaplot12.5和Origin 9.1软件完成.
2 结果与分析 2.1 水体污染物去除率各处理组对COD的去除率表现为，在第Ⅰ周期，沙基种植组和浮床种植组对COD去除率分别达39.17 %和40.42 %，而CK组为-21.3 %；第Ⅱ周期，沙基种植组仍然保持较高去除率(52.9 %)，而浮床种植组较CK组略有降低；第Ⅲ周期，沙基种植组迅速降低(-27.5 %)，而浮床种植组仍然保持一定的COD去除能力(10.83 %)；第Ⅳ周期，沙基种植组和浮床种植组均略低于CK组(图 3).对TP的去除表现为，第Ⅱ周期和第Ⅳ周期沙基种植组和浮床种植组去除率均显著高于CK(P=3.54E-4~0.003)，沙基种植组处理在第Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ周期表现略好于浮床种植组，而在第Ⅲ周期表现略差于浮床种植组，4个周期，沙基种植组和浮床种植组的TP去除率平均值分别为59.6 %和45.4 %.而对TN的去除率，除第Ⅱ周期浮床种植组与CK组间的差异不显著外，沙基种植组和浮床种植组的TN去除率均显著高于CK组；在第Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ周期，沙基种植组的表现显著高于浮床种植组(P=4.72E-4~0.045).结果表明，与CK组相比，在温带冬季气候条件下，沙基种植和浮床种植组的水芹均表现为较高的TP和TN去除能力.总体而言，与浮床种植方式相比，沙基种植方式其去除率更高.而对于COD的去除率周期间波动较大，浮床种植组对COD的去除率略高于沙基种植组且周期间更为稳定.
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图 3 3个实验组对水中营养物质COD、TN和TP的去除率 Fig.3 Removal efficiencies of COD, TN and TP in the three studied batches |
经过预培养后，沙基种植组和浮床种植组地上植株高度分别为28.44和24.89 cm，而地下部分高度分别为16.22和13.56 cm(图 4).在随后的Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ周期，沙基种植组地上部分均显著高于浮床种植组(P=8.44E-14~0.001)；而根系部分，沙基种植组在第Ⅱ周期表现为略高于浮床种植组，处理间差异显著(P=0.001)，而在第Ⅲ和第Ⅳ周期显著低于浮床种植组(P=6.05E-9~1.95E-6).表明，沙基种植水生植物的淹水状态可促进茎叶的伸长，提高植株高度；而浮床种植方式更有利于第二年温度回升过程中根的快速伸长.
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图 4 4个阶段不同种植方式的水芹生长情况 Fig.4 The plant height of Oenanthe javanica using two planting methods during four periods |
经过预处理阶段，浮床种植组处理总生物量显著高于沙基种植组处理(P=4.83E-9)，到第Ⅰ周期，浮床种植组处理的凋落物迅速增加，并显著高于于沙基种植组处理(P=3.83E-5)，到第Ⅱ周期，浮床种植组总生物量开始下降，而沙基种植组总生物量仍然保持增加趋势，到第Ⅳ周期末，2个处理间总生物量差异不显著(表 1).在整个实验周期，浮床种植组的根部生物量第Ⅰ、Ⅱ周期一直高于沙基种植组处理(P=6.99E-7~0.028)，在可收集到凋落物的周期(第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ周期)，浮床种植组的凋落物生物量也一直高于沙基种植组处理.同时，在温度降低的Ⅱ、Ⅲ周期，沙基种植组茎部生物量显著高于浮床种植组(P=0.006~0.015).结果表明，浮床种植方式有利于植物总生物量的增加，特别是根系生物量的增加，同时其凋落物量也显著高于沙基种植方式，沙基种植组有利于茎部生长; 但结合2.1节的结果表明，浮床种植组处理由于植物的凋落物存在于浮床之上，对水体造成的二次污染相对较轻.
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表 1 不同种植方式植株生物量及其分配(g/m2) Tab.1 Dry biomass of Oenanthe javanica and the distribution using two planting methods |
水芹根系活性测定结果为，在第Ⅱ周期，沙基种植组处理显著高于浮床种植组处理(P=0.038)，但进入第Ⅲ周期，沙基种植组处理根系活性迅速下降，沙基种植组处理显著低于浮床种植组处理(P=1.58E-4)，第Ⅳ周期，沙基种植组处理根系活性迅速回升，而浮床种植组处理则较前期略有下降，沙基种植组显著高于浮床种植组处理(P=0.004).根系泌氧能力与根系活力结果相似：在第Ⅰ周期，沙基种植组处理显著高于浮床种植组处理(P=0.013)，进入第Ⅲ周期，沙基种植组处理根系泌氧能力迅速下降，沙基种植组处理低于浮床种植组处理，第Ⅳ周期，沙基种植组泌氧能力迅速回升，而浮床种植组处理则较前期迅速降低，沙基种植组显著高于浮床种植组处理(P=0.018)(表 2).结果表明，相对于浮床种植，传统的沙基种植法能使水芹根系在温带冬季大部分时间内保持较高的活力和泌氧能力.
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表 2 不同种植方式的水芹根系活力和根系径向泌氧 Tab.2 The radial oxygen loss and root activity of Oenanthe javanica using two planting methods |
温度是制约植物生长的重要环境因子[16]，水芹的生长与温度密切相关, 25℃以下，母茎开始萌芽生长，15~20℃生长最快，5℃以下停止生长，-10℃低温依然可以存活[17].人工湿地中栽种的水生植物对人工污水中营养物质的去除效果与植物生长的不同阶段和不同生长状态有关，植物生长旺盛对人工污水的净化效果也较好[18-19].本实验中，人工湿地中的植物采取沙基种植和浮床种植2种种植方式，2种湿地中植物的生长情况直接影响着人工湿地对污水的净化效果.第Ⅰ、Ⅱ周期，水体温度在2~10℃之间波动，水芹基本不生长.实验中，沙基种植的水芹经过预培养阶段之后，较快适应了水位胁迫，表现在水芹根系中老根逐渐脱落的同时，新生很多根芽.当嫩根开始生长，根系活力、根系泌氧也表现良好.同时，沙基种植组营养物质去除率均表现较好.与之相反，浮床种植组根系部分长度表现较好，第Ⅰ、Ⅱ周期，沙基种植组地下部分长度低于浮床种植组，差异具有统计学意义(P=1.08E-7)，说明浮床种植法更有利于水芹根系部分的伸长生长.第Ⅲ周期，时间间隔33 d, 空气温度出现0℃以下，人工湿地中的水体出现结冰现象.记录显示，表层冰块厚度在5 cm以上，至完全化开，冰水混合物时间持续8~10 d.降温期间，沙基种植组水芹被冻在冰块中，地下根系出现结冰现象.浮床种植组情况则是，水芹地上部分开始萎蔫凋落，只留少许嫩芽部位存活，停止生长，浮床种植组的地下部分根系全部被冰封.第Ⅲ周期中期之后，冰冻彻底溶化，人工湿地水体温度升高至10~15℃，沙基种植组茎叶部分脱落腐烂现象严重，在测定植物指标时清理出较多发黑脱落根系，同时根系活力没有恢复，仅有39.84 μg/(g ·h).第Ⅳ周期，温度在3.79~15.95℃之间，适宜水芹生长，沙基种植组和浮床种植组均没有凋落物产生.
3.2 有机物去除效果污水中的有机物分为颗粒状物质和溶解性物质，颗粒物质容易被人工湿地基质截留或沉积于底部，溶解性物质通过微生物作用去除[20].本实验中，CK组在第Ⅰ周期COD增加21.3 %.同周期，CK组水体叶绿素a浓度为341.8 μg/L，显著高于沙基种植组处理(71.9 μg/L，P=3.1E-7)和浮床种植组处理(107.93 μg/L，P=2.7E-7).当温度、光照、含盐量和水体富营养程度等较适宜藻类生长，且不存在其他利用营养物质的竞争因素时，水体中易暴发藻类[21-25]水体呈现浅绿色，并且清晨有微小气泡冒出水面，说明当时温度适宜藻类生长，固定了空气中的CO2，形成了有机质，增加了水体中的COD.而在本实验中，沙基种植的水芹在第Ⅰ和Ⅱ周期对COD有较好的去除率.栽种植物的人工湿地则较好地利用了水体中的营养物质，阻止了藻类的暴发.第Ⅲ周期33 d，沙基种植组COD去除率为负值，原因是人工湿地中水芹在温度较低时结冰，温度升高后凋落物在人工湿地中脱落腐烂，致使水体中COD增加[26-27].浮床植物组在净化过程中，呈现出先降低后升高的趋势，4个周期COD去除率依次为40.42 %、11.67 %、10.83 %和29.58 %.结果表明，冬季人工湿地中种植水芹，可以有效去除水体中的COD.温度低于0℃时，水芹凋落物分解，增加了水体中的COD；与沙基培养法相比，浮床种植法尽管其凋落物增加，但浮床的存在阻止其进入水体，可降低其对水体的二次污染.
3.3 根系泌氧影响总氮去除潜流湿地中pH值一般在7~8之间，非离子态氨挥发量很少[28]，湿地植物吸收氨氮，去除水体中的氮.植物的净吸收和储存相对很少，一般不会超过总去除率的15 %，一般认为微生物反硝化脱氮产生氮气和氮氧化物被认为是主要的脱氮机制.研究表明，人工湿地中的除氮途径白天以好氧的硝化作用为主，夜间以厌氧、缺氧的反硝化作用为主[29-30].植物根系泌氧是在构造湿地中形成根际氧化—还原微生态系统的核心要素，为好氧、厌氧微生物提供了良好生存代谢环境，湿地植物根际部分是有机物降解、N、P循环及相关活动最为强烈的场所，同时，植物根系泌氧的强弱与植物的生长以及污染物的去除效果密切相关[29, 31-33].由于水体氧气浓度的限制，好氧微生物主要附着在水芹根际.硝化能力是人工湿地污水脱氮系统总效率的限制因子[34-35].实验中，采用沙基法种植的水芹在温带冬季大部时间内表现更高的泌氧能力和根系活力，从而有利于在根际形成好氧条件，与远离根际的厌氧区组合，保证硝化—反硝化过程的进行，使得传统的沙基法能够保持较高的氮去除能力.
4 结论本文针对冬季人工湿地水体净化能力严重不足的问题，在温带冬季以耐寒水生植物水芹为供试材料，研究了传统的沙基法和浮床法，对人工污水净化的效果、植物生长状况以及根系泌氧能力和活力的影响.结果表明：
1) 与CK组相比，2种种植方式下的人工湿地均表现为较强的TP和TN去除能力，总体而言，与浮床种植方式相比，沙基种植方式其去除率更高.而对于COD的去除率周期间波动较大，浮床种植组对COD的去除率略高于沙基种植组且周期间更为稳定.
2) 2种种植方式下，水芹均可安全度过温带寒冷的冬季，与沙基种植法相比，浮床种植方式更有利于植物总生物量的增加，特别是根系生物量的增加，但同时其凋落物量也显著高于沙基种植方式.
3) 相对于浮床种植，传统的沙基种植法能使水芹根系在温带冬季气候大部分时间内保持较高的活力和泌氧能力，从而有利于TN的去除.
因此，考虑到建设成本，在两种种植方式均可选择的条件下，可优选传统的沙基(或底泥)种植方式; 对深水等不能采用沙基(或底泥)种植方式的区域，可选用浮床种植的方式，也能保证耐寒水生植物的度过温带冬季和保持较高的净化能力.
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