人工湿地植物生理生态及其去污机理研究

1、人工湿地植物生理生态及其去污机理研究徐大勇,徐祖信(同济大学环境科学与工程学院水环境综合整治研究所,上海200092)摘要阐述了国内外有关人工湿地植物生理生态及其去污机理的研究成果,提出了人工湿地系统植物有待进一步研究的问题。关键词人工湿地;植物;生理生态;去污机理中图分类号Q948文献标识码A文章编号0517-6611(2008)03-01144-03ResearchontheEco2physiologyCharacteristicandthePollutantRemovalMechanismofArtificialWetlandMacrophyteXUDa2yongetal(Institu

2、teofAquaticEnvironmentIntegratedRehabilitation,CollegeofEnvironmentalScienceandEngineeringofTongjiUniversity,Shanghai200092)AbstractTheeco2physiologycharacteristicandthepollutantremovalmechanismofmacrophyteinconstructedwetlandsummarizedandthefurtherresearchworkforartificialwetlandmacrophytewasanalyz

3、edinthispaper.KeywordsArtificialwetland;Macrophyte;Eco2physiology;Pollutantremovalmechanism人工湿地作为污水处理系统存在至今已有50多年历史,是一种人为地将基质、微生物和植物按一定方式配置而成的复合生态系统。在污水处理方面,少、运行费用低、1-,的特点所在10。植物在其中的吸收、,以及根系对水中污染-12;另一方面,人工湿地污水处理系统的特殊生境,决定了生长在其中的植物必然在生理生态上发生相应的变化,形成与湿地生态环境相适应的形态学和生态学上的特征,使其能够在逆境中完成生长周期,并对人工湿地污水处理效果起

4、到积极的作用13。目前国内外对人工湿地植物的研究多侧重于植物的选择、植物的去污效果及其去污机理方面1,4-6,14-28,而对人工湿地系统植物自身的生理生态研究较少。笔者综述了人工湿地污水处理系统中植物生理生态研究进展,并对植物在系统中的作用机理进行讨论,为今后人工湿地污水处理系统的优化设计、植物选择、去污效率的提高提供依据。1人工湿地系统中植物的生理生态1.1湿地植物光合作用光合作用是湿地植物生长繁殖和.湿地生态系统与海洋生态系,具有显著的初级生产功能和环境生态功能33。湿地植物的生产力接近于陆生植物,其中有些种类在比较适宜的环境条件下生产力甚至超过一般的陆生植物。牛晓军认为,在富营养条件下

5、凤眼莲可以发挥出超常的生产力,在太湖地区年生产干物质可以达到5.4kg/m2,光能利用率高达1.6%,远高于一般的农作物9。湿地植物的生长受到气候、湿地类型等的影响。石雷等采用人工模拟小试系统,研究了沙田人工湿地9种植物的长势、生物量及对污染物的去除能力,表明在深圳的气候条件下,植物生长期可贯穿全年,同时植物长势受季节等环境因素的影响非常明显2。不同运行方式湿地,植物地上部分长势也有明显差异,潜流湿地的根系生物量显著低于表面流湿地的根系生物量(P<0.05)34。赵建刚等研究发现,以象草(Pennisetumpurpureum)为优势种的潜流湿地比表面流湿地植物生长旺盛,在表面流湿地里象

6、草35月生长旺盛,6月后出现枯萎,8月份甚至死亡,而潜流湿地的象草生长正常35。人工湿地运行初期控制水位和水力负荷对植物生长非常重要。吴建强等对4种植物的表面流人工湿地系统处理新沂河河水的中试研究表明,4种植物中水葱耐淹能力最强,完全淹水22d以上依然生长良好;千屈菜耐淹能力最弱,完全淹水7d后就开始枯萎,17d后地上、地下部分全部死亡10。也有研究表明,风车草可以在COD2800mg/L、NH4+2N390mg/L以下猪场废水中生长,香根草可以在COD1300mg/L、NH4+2N200mg/L以下的猪场废水中生长19,36。1.3湿地植物的分解特性人工湿地中植物会产生大量的+污水净化的重要

7、能量来源,在实际工程中,也可将植物光合作用作为湿地植物选择的重要依据之一。因此,人工湿地植物的光合作用研究有着重要的意义。黄娟等的研究表明,植物净光合速率与湿地COD、TN去除率显著正相关,而与TP去除率关系不大29。与此相似,雒维国等认为,芦苇的光合光合作用会影响植物根部泌氧,间接影响湿地中NH42N的硝化,这是一些学者认为可通过优选光合产氧输氧能力生物质,随着植物残体的分解、腐烂,释放出大量的有机物质和营养物,同时消耗水中溶解氧,致使水环境恶化6,9。因此,如果不及时对湿地植物收获利用,就有可能带来严重的二次污染问题37。植物凋落物分解是一个复杂的过程,包括动物的机械破碎、腐蚀、可溶性有机

8、物的浸出或自溶,细菌或真菌的硝化或反硝化作用等38。武海涛等对湿地草本植物枯落物分解的研究表明,影响凋落物分解的因素中,枯落物质量是本质要素,生物是分解的主导因素,环境等外部因素起到重要作强的植物或采用适当增加种植密度等方式加强供氧以强化脱氮效果的原因31-32。黄娟等认为,植物净光合速率(Pn)对湿地DO分布影响显著,湿地中段DO浓度高于两端,证明基金项目国家高技术研究发展计划(863)专项(2003AA601020)。作者简介徐大勇(1981-),男,江西上饶人,博士研究生,研究方向:生态环境工程学。收稿日期200720723136卷3期徐大勇等人工湿地植物生理生态及其去污机理研究1145

9、用37。如,Chimney等在对弗罗里达南部亚热带人工湿地植物凋落物分解研究中发现38,不同植物在相同的环境下有不同的分解速率,其中,金鱼藻(0.0568d)>水浮莲(0.0508d)>凤眼莲(0.0191d)>沉水香蒲(0.0059d)>气生香蒲(0.0008d)。凋落物夏季降解速率大于长期试验的降解率,利于各种微生物生长的微环境,湿地中异养细菌数为106107/g(土),优势菌是假单胞菌、无色杆菌、不动杆菌48。因此,植物系统较无植物系统具有更大的微生物量18。梁威等的研究表明,芦苇和香蒲具有明显的根际效应,根际微生物活性高于非根际的微生物活性。种植不同植物的湿地系

10、统根区微生物数量不同,其湿地净化效果也不同,例如,芦苇根际比香蒲更适合亚硝酸细菌的生长49-50。植物根系分布会间接影响有机污染物的降解,水生植物根系主要分布在湿地基质上层25cm区域,湿地中有机污染物的降解也主要发生在20cm以上的基质区域31。湿地植物能将光合作用产生的氧气通过根系输送到根区,有研究表明,率大,通常人工湿地的输氧能力在5g/2),20g/(m2d)51。黄娟等的研究证明,其中芦苇产氧输氧能力最强,为湿地首选植物31。同种植物不同类型根系泌氧能力也不一样。Bezbaruah等研究发现,香蒲具有两种类型的活性侧根,一种棕色的侧根和一种白色的主根,根据田间和实验室测量的数据,香蒲

11、根系平均释氧量为2.3mg/(m2d),其中71%来自白色根系52。一些公开发表的文献估计植物根系这可能与温度有关。降解速率与凋落物中的CN和CP没有相关性。2人工湿地系统中植物的去污机理2.1湿地植物的直接吸收作用植物作为湿地的初级生产者,具有吸收储存水体营养物、净化污染物、抑制低等藻类生长、促进其他水生生物代谢的作用39。大多数植物组织中N和P的含量以及它们的生物量,随着废水中N、P含量的增大而增大40。蒋跃平等研究发现,植物的吸收作用对N、P等去除十分重要,尤其是在处理轻度富营养化水的人工湿地中41。雒维国等认为,芦苇对氮的吸收占N去除总量的17.3%,植物对N径30。植物对污染物质的吸

12、收作用受到各种内外因素的影响。首先,植物对污染物的直接吸收受到植物生长状态的影响。当植物处于生长旺盛期时,对污染物的吸收强,去除效果佳;当植物衰老或处于冬季生长停滞期,污水的净化效果较差44。其次,植物吸收作用受水力停留时间的影响。胡勇有等的研究表明,在水力停留时间为8和24h时,植物吸收对去除N的平均贡献率分别为44.5%和40.0%,对去除P的平均贡献率分别为20.9%和25.1%45。再次,植物的吸收作用受季节的影响。Debusk研究了不同季节植物对P的吸收作用,结果表明,水葫芦对P最大的吸收率在2和7月分别为59和200mg/(m2d),浮萍在两个季节对P的吸收率相似,都为20mg/(

13、m2d)40。尹炜等的研究认为,秋冬季植物吸收N、P量比较低46。释氧在545g/(dm2),USEPA(2000年)报告的数据为03g/(dm2),这些数据相差很大53。有研究认为,植物释放的氧气不足以满足湿地全部需氧量52。植物根系能维持和加强人工湿地系统内的水力学传输54,有利于均匀布水,延长系统实际水力停留时间18。湿地植物根系的多少和分布在污染物的去除过程中发挥着重要的作用35。Abissy等在对半干旱地区两种沉水植物对废水净化效果的比较研究中发现,有植物系统维持了基质的空隙度,而无植物系统湿地冬天发生了堵塞27。据报道,即使较板结的土壤,在25年内,经过植物根系的穿透作用,其水力传

14、输能力可与砂砾、碎石相当55。对此也有相反的观点,Brix就认为植物并不会增加基质的水力传导作用25。3结论与建议通过对国内外人工湿地植物生理生态及去污机理的研究成果综合分析,笔者认为,湿地植物的生长、光合作用以及分解特性对维持人工湿地系统的稳定、提高污水处理效果有着积极的作用。植物的吸收作用及其根系对湿地土壤环境的影响是人工湿地污水处理系统中植物重要的去污机理。在我国,人工湿地的研究起步较晚,对于有关湿地植物的研究还需不断深入,尤其在人工湿地污水处理系统这样特殊生境中的植物生理生态变化及其作用机理研究,还需要各领域专家通力合作。今后我国人工湿地水生植物的研究可以着重关注以下几方面:(1)继续

15、加大对人工湿地生境条件下植物的生理生态研值得注意的是,通过植物吸收去除污染物质,只有在污染负荷较低的情况下才有效25,42,47。Gottschall等研究发现,当污水的污染负荷很高(N为16.2、P3.4kg/hm2),污水通过第一块湿地后,植物吸收占了TKN的0.7%。到第二块湿地,N和P的污染负荷都有所下降,这时植物吸收去除的污染负荷TKN、NH4和TP分别占总量的9%、21%和5%42。2.2湿地植物对土壤环境的改善作用人工湿地系统中的植物除了能直接吸收去除污染物外,在维持湿地环境方面也发挥着重要作用。主要是植物在人工湿地系统中起固定床体表面、为微生物提供良好根区环境以及冬季运行支撑冰

16、面等作用。这些作用的发挥为基质和微生物去除污染物提供了有利条件1,25,41。植物根系巨大的表面积使得大量微生物附着其上,创造究,尤其在不同水质条件下植物对逆境的响应机制、植物的抗逆性方面的研究。(2)人工湿生植物对某些污染物的特殊吸收作用,尤其对有毒有害污染废水净化作用及其相应的生理生态特征响1146安徽农业科学2008年ing,2005,25:501-509.27ABISSYM,MANDIL.Comparativestudyofwastewaterpurificationefficienciesoftwoemergenthelophytes:TyphalatifoliaandJuncuss

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25、用,了解植物根系对根际微生物、酶系统产生影响的情况,从而对整个湿地污水处理效果的影响研究。(4)人工湿地植物间的相互作用机理研究。参考文献1王圣瑞,年跃刚,侯文华,等.人工湿地植物的选择J.湖泊科学,2004,16(1):91-96.2石雷,王宝贞,曹向东,等.沙田人工湿地植物生长特性及除污能力的研究J.农业环境科学学报,2005,24(1):98-103.3成水平,况琪军,夏宜峥.香蒲、灯心草人工湿地的研究净化污水的效果J.湖泊科学,1997,9(4):351-358.4VACCAG,WANDH,NIKOLAUSZM,etal.Effectofplantsandfiltermaterials

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