7種北方園林綠化常用灌木對污水凈化效果的研究

蘆 靜, 馬 穎, 楊 波, 楊 琳

(1. 吉林省速生豐產(chǎn)林工作站, 吉林 長春 130022; 2. 長春世界雕塑公園, 吉林 長春 130022; 3. 吉林農(nóng)業(yè)科技學院, 吉林 吉林 132101; 4. 吉林省林業(yè)技術(shù)推廣站, 吉林 長春 130022)

利用植物凈化水質(zhì)、保持水土、過濾緩沖、防止坡面沖刷、調(diào)節(jié)氣候、美化環(huán)境、提高生物多樣性等生態(tài)功能,對河岸緩沖帶進行生態(tài)修復(fù),在河岸、湖濱、人工濕地等地帶得到了廣泛應(yīng)用。植物凈化污水治理措施不僅具有成本低、處理效率高、維護方便等優(yōu)點,還能最大限度地發(fā)揮植物的生態(tài)效益與觀賞價值。不同植物間的合理搭配能提高植物凈化水體污染物的能力,還能為鳥類、蝶類等動物提供食物和棲息地,達到良好的景觀效果。

對于人工濕地、河岸緩沖帶的植物生態(tài)修復(fù)措施,以往研究多集中在菖蒲、蘆葦、慈菇、香蒲、水蔥、再力花、鳳眼蓮等水生植物[1-5]。近年來,多數(shù)學者把目光從水生植物轉(zhuǎn)向了喬木和陸生草本、花卉植物。在已有的研究中,學者們似乎對楊、柳、稠李、水杉、合歡、兩棲榕、白骨壤、紅樹等喬木[6-12],以及高羊茅、白三葉、百幕大、早熟禾、黑麥草、紫花苜蓿、美人蕉、狗牙根等陸生草本與花卉植物[13-20]更感興趣,而對種類眾多、花色艷麗、季相豐富、效益各異的灌木,相關(guān)研究較少。

在經(jīng)濟相對發(fā)達的地區(qū),其濕地、河岸緩沖帶的規(guī)劃和建設(shè),除應(yīng)考慮凈化污染、生態(tài)修復(fù)功能外,還應(yīng)從社會效益出發(fā),著重考慮休閑游憩、景觀觀賞等功能,而灌木在濕地與河岸緩沖帶建設(shè)中起著舉足輕重的作用。本文以東北地區(qū)園林綠化建設(shè)中常用的紫穗槐、金山繡線菊、胡枝子、小葉女貞、紅瑞木、東北連翹、小葉丁香7種灌木為研究對象,采用模擬栽植法,探討灌木對污水中總磷(TP)、總氮(TN)、化學需氧量(COD)的凈化能力,并結(jié)合供試材料的生態(tài)習性與觀賞特性,為其在河岸緩沖帶建設(shè)、濕地修復(fù)等生態(tài)工程建設(shè)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選擇7種東北地區(qū)園林綠化常用的多年生灌木,見表1。選取株高、冠幅接近的1～2年生幼苗,采用盆栽法,5月初植。經(jīng)過約60 d的生長調(diào)整,待供試材料生長穩(wěn)定后,7—8月取樣檢測,中途不修剪。

表1 供試材料的主要習性與用途

1.2 試驗裝置

栽植容器選用直徑30 cm、高28 cm的塑料花盆,花盆底部用濾網(wǎng)隔出2 cm高的集水空間收集水樣,用于檢測水污染物質(zhì)量濃度。在每個盆中放置經(jīng)多次清水沖洗并晾干的蛭石2 kg作為基質(zhì)[21],避免其他污染物及病蟲害對試驗產(chǎn)生影響。試驗裝置擺放在室外,上方布置遮雨棚。

1.3 試驗方法

在不考慮重金屬及其他污染物影響的前提下,用KHCO3、KH2PO4、CH3COONa、NH4Cl、葡萄糖等試劑及自來水配制TP、TN、COD原水,緩慢向裝置中過量澆灌。供試材料7 d的生長期為1個取樣測試周期,重復(fù)操作。以無植物與清水澆灌為對照(CK),每個處理進行3次重復(fù)。原水污染物質(zhì)量濃度見表2。

表2 原水污染物質(zhì)量濃度

TP采用鉬酸銨分光光度法檢測[22],TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法檢測[23],COD采用快速消解分光光度法檢測[24]。

各污染物凈化率的計算公式[25]為:

凈化率=[(C0-C)/C0]×100 %。

式中:C0為原水污染物質(zhì)量濃度/mg·L-1;C為取樣污染物質(zhì)量濃度/mg·L-1。

2 結(jié)果與分析

植物凈化污染物的降解和去除機制主要有3個方面[9,26]:一是通過光合作用,直接吸收利用污染物中的氮、磷等物質(zhì);二是通過根系將氧氣輸送到種植基質(zhì)中,在根系周邊形成氧區(qū)和缺氧區(qū)穿插存在的微處理單元,滿足根區(qū)微生物生長、繁殖和降解對氧的需求;三是植物根系對污染物,特別是重金屬的攔截和吸附作用。本試驗中,植物對污染物的凈化功能主要表現(xiàn)在第一個作用上。采用蛭石作為種植基質(zhì),既抑制了植物根際好氧、缺氧和厭氧微生物由于硝化、反硝化等作用對植物凈化污水效果的影響,也排除了土壤基質(zhì)中本底氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)及土壤pH對試驗觀測的影響,可以真實反映出7種供試材料凈化污水的能力。

2.1 對TP的凈化效果

從圖1中可以看出,各供試材料對TP均有較高的凈化率且高于對照,隨著植株生長期的延長,凈化率呈先下降后趨于穩(wěn)定的趨勢。其中,金山繡線菊對TP的凈化效果最好,凈化率達到61.79 %,紫穗槐的凈化效果也較好,達到60.54 %,其余幾種植物的凈化效果次之。各植物對TP的凈化率間存在顯著差異(P< 0.05),從凈化率的總體變化趨勢來看,金山繡線菊>紫穗槐>紅瑞木>小葉女貞>胡枝子>小葉丁香>東北連翹。

圖1 各供試材料對TP的凈化率

2.2 對TN的凈化效果

從圖2中可以看出,各供試材料對TN有明顯的凈化作用且均好于對照,凈化率隨植株生長期的延長呈先下降后穩(wěn)定的趨勢。其中,紫穗槐對TN的凈化效果最好,凈化率為33.28 %,金山繡線菊的凈化效果也較好,達到29.12 %,其余幾種植物的凈化效果次之。各材料對TN的凈化率間存在顯著差異(P<0.05),從凈化率的總體變化趨勢來看,紫穗槐>金山繡線菊>胡枝子>小葉女貞>紅瑞木>東北連翹>小葉丁香。有研究表明,紫穗槐為固氮植物[27-29],本研究的幾種供試材料中,紫穗槐對TN的凈化效果也是最好。

圖2 各供試材料對TN的凈化率

2.3 對COD的凈化效果

從圖3中可以看出,各供試材料對COD均有較好的凈化作用且明顯好于對照,凈化率隨植株生長期的延長呈先下降后穩(wěn)定的趨勢。其中,金山繡線菊對COD的凈化效果最好,凈化率達到40.34 %,紅瑞木的凈化效果也較好,達到38.59 %,其余幾種植物的凈化效果次之。各植物對COD的凈化率間存在顯著差異(P<0.05),從凈化率的總體變化趨勢來看,金山繡線菊>紅瑞木>小葉丁香>紫穗槐>胡枝子>小葉女貞>東北連翹。

圖3 各供試材料對COD的凈化率

2.4 污水對植物生長的影響

本試驗把抗逆性優(yōu)、病蟲害少作為選擇供試材料的重要指標。通過對各供試材料的觀察,在試驗期內(nèi)沒有發(fā)生倒伏、萎蔫、枯黃等癥狀,生長狀況基本良好,可見其對污水均有一定的抗逆性與適應(yīng)能力。在生長過程中,污水中的污染物作為養(yǎng)分不斷被灌木所吸收、利用或轉(zhuǎn)化。記錄灌木在澆灌清水和污水條件下的植株葉片變化情況,對葉片數(shù)量進行統(tǒng)計,同種灌木取均值進行比較(見表3)。

表3 澆灌清水與污水條件下葉片數(shù)量比較

從表3中可以看出,澆灌污水與清水相比,各植物生長狀況良好,長勢略快,表明試驗用污水并沒有抑制植物生長,恰恰相反,污水中的污染物富含氮、磷等營養(yǎng)元素,為灌木植物生長提供了一定養(yǎng)分,清水對照組生長相對緩慢。

3 結(jié)論與討論

本試驗中供試的灌木均對污水中TP、TN、COD有明顯的凈化效果,主要表現(xiàn)在其可直接吸收、利用污水中的營養(yǎng)物質(zhì),這也是植物材料與蛭石基質(zhì)形成的復(fù)合系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果。植物通過自身生理活動吸收、利用污水中的營養(yǎng)成分,促進少量根際微生物的繁殖并與之共生,同時蛭石亦具有較強的吸附和離子交換能力[21]。隨系統(tǒng)工作時間的增加,蛭石對污染物的吸附漸趨飽和,因此,凈化率呈下降至穩(wěn)定的趨勢。此外,由于容器空間有限,一定程度上束縛了植物根系的生長,在實際應(yīng)用中,由于土壤基質(zhì)條件或根際微生物的差異,凈化率與本試驗結(jié)果可能存在一定差異。

繡線菊品種較多,包括土莊繡線菊、珍珠繡線菊、金山繡線菊、金焰繡線菊等,不僅耐寒性與抗逆性極強,而且花期長、花色艷、造型優(yōu)美,是園林綠化中的常用灌木。本試驗中,金山繡線菊對各污染物均有較好的凈化效果,這是由于繡線菊的根際環(huán)境條件更宜于叢枝菌根真菌(AMF)的繁殖發(fā)育[27]。紫穗槐抗寒、抗風能力強,生長快、生長期長,不易發(fā)生病蟲害,由于其樹形優(yōu)美且固土保水能力強,常用于園林美化和道路護坡,同時又是蜜源和飼料植物。有資料顯示,紫穗槐為固氮植物[28,29],供試紫穗槐的生物量明顯高于其他品種,故對N需求量較高,凈化TN能力最強。紅瑞木秋葉鮮紅,小果潔白,落葉后枝干紅艷如珊瑚,是少有的觀莖植物,為常用園林景觀樹種,近年來未見其關(guān)于凈化污水中營養(yǎng)物質(zhì)的報道,而在本試驗中其對COD的凈化效果雖不及金山繡線菊,但要優(yōu)于其他供試材料。東北連翹又名迎春花,在東北地區(qū)常被用于園林綠化,但在本試驗中,東北連翹的凈化效果并不優(yōu)越。

供試植物在污水澆灌條件下生長基本良好,對污水中的TP、TN、COD具有一定的凈化作用,各材料的凈化效果存在顯著差異。結(jié)果表明:金山繡線菊、紫穗槐對TP的凈化率較高;紫穗槐、金山繡線菊對TN的凈化效果較好;金山繡線菊、紅瑞木對COD的凈化效果較佳;其他灌木植物與前者相比略顯劣勢,其中東北連翹最不理想,但均好于清水對照。隨生長期的延長,植物對污染物的凈化率呈先下降后趨于穩(wěn)定的趨勢。

由于所選植物材料均為多年生鄉(xiāng)土樹種,根系發(fā)達、生物量大、抗逆性強、抗寒性佳,生長期長、花色艷麗、季相明顯、樹形優(yōu)美,不僅對污染物的凈化效果十分顯著,其中又有飼料用及蜜源植物,栽植技術(shù)成熟,易管理,也可用于園林綠化及景觀配置。因此,在河岸緩沖帶、人工濕地生態(tài)建設(shè)等工程中,與其他喬木、灌木、草搭配應(yīng)用,可做到層次錯落豐富、生物多樣性合理,觀形、觀色、觀花、品香相輔相成,能發(fā)揮較高的生態(tài)效益與觀賞價值。