污水什么情况能直排河涌 [十种湿地挺水植物净化广州河涌污水的生理生态效应分析]

　　摘要：为探讨在河涌污水培养条件下湿地植物对污水的净化效果及其生理机制，以海芋（Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚｏｓ）、风车草（Ｃｙｐｅｒｕｓ ａｌｔｅｒｎｉｆｏｌｉｕｓ）、水葱（Ｓｃｉｒｐｕｓ ｔａｂｅｒｎａｅｍｏｎｔａｎｉ）等１０种挺水植物为试验材料，研究了不同污染类型河涌污水生长条件下湿地挺水植物的抗逆、光合等生理指标及净化污水的能力。结果表明，湿地挺水植物具备一定净化河涌污水的能力，其中以海芋、花叶美人蕉（Ｃａｎｎａ ｇｅｎｅｒａｌｉｓ）、花叶芦竹（Ａｒｕｎｄｏ ｄｏｎａｘ）效果最明显；污水胁迫条件下，黄花鸢尾（Ｉｒｉｓ ｐｓｅｕｄａｃｏｒｕｓ）、水葱等植物叶片细胞质膜透性和膜脂过氧化水平加剧，叶绿素含量下降，从而降低植物叶片抗逆性；光合参数方面，黄花鸢尾、水葱等净光合速率（Ｐｎ）、气孔导度（Ｇｓ）和蒸腾速率（Ｔｒ）均明显降低，而细胞间隙ＣＯ２浓度（Ｃｉ）增大，表现出生长不良甚至枯死，而相同条件下，海芋、花叶美人蕉、香根草（Ｖｅｔｉｖｅｒｉａ ｚｉｚａｎｉｏｉｄｅｓ）和翠芦莉（Ｒｕｅｌｌｉａ ｂｒｉｔｔｏｎｉａｎａ）的生理活性却明显增强。海芋、花叶美人蕉、翠芦莉、风车草、花叶芦竹等挺水植物为适宜的广州河涌水体净化和景观美化植物材料。
　　关键词：挺水植物；河涌；污水净化；生理效应
　　中图分类号：Ｑ９４８；Ｘ１７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：0439－８114（２０11）09－1776-05
　　
　　Eco-physiological Characteristics and Environmental Effects of Ten Wetland Emerged Plant Species on Purifying the Rivulet Sewage in Guangzhou
　　
　　ＮＩＥ Ｌｅｉ１，２，ＨＥ Ｍａｎ－ｍｅｉ２，ＤＡＩ Ｓｅ－ｐｉｎｇ２
　　（１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔal Engineering， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｃｉｔｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０４０５， Ｃｈｉｎａ；
　　２． Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌａｎｄｓｃａｐｅ Ｇａｒｄｅｎｉｎｇ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０４０５， Ｃｈｉｎａ）
　　
　　Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｓｅｗａｇｅ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ １０ ｗｅｔｌａｎｄ ｅｍｅｒｇｅｄ ｐｌａｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｅｔｌａｎｄ ｅｍｅｒｇｅｄ ｐｌａｎｔｓ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ Ａｌｏｃａｓｉａ mａｃｒｏｒｒｈｉｚｏｓ， Ｃａｎｎａ ｇｅｎｅｒａｌｉｓ ａｎｄ Ａｒｕｎｄｏ ｄｏｎａｘ ｃｏｕｌｄ ｐｕｒｉｆｙ ｔｈｅ ｒｉｖｕｌｅｔ ｓｅｗａｇｅ ｔｏ ｓｏｍｅ ｅｘｔｅｎｔ． Ｉｎ ｓｅｗａｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｌｅａｆ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｃｏｎｔｅｎｔｓ， ｄａｉｌｙ ｍｅａｎ ｎｅｔ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒａｔｅ （Ｐｎ）， ｓｔｏｍａｔａｌ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ（Ｇｓ） ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ （Ｔｒ） ｏｆ Ｉｒｉｓ ｐｓｅｕｄａｃｏｒｕｓ ａｎｄ Ｓｃｉｒｐｕｓ ｔａｂｅｒｎａｅｍｏｎｔａｎｉ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ； while ｔｈｅ ｃｙｔｏｐｌａｓｍ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｐｉｄ ｐｅｒｏｘｉｄａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｏｆ ｔｈｅｍ increased， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｃｅｌｌｕｌａｒ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ （Ｃｉ） ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， Ｐｎ， Ｇｓ ａｎｄ Ｔｒ ｏｆ Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚｏｓ， Ｃａｎｎａ ｇｅｎｅｒａｌｉｓ， Ｖｅｔｉｖｅｒｉａ ｚｉｚａｎｉｏｉｄｅｓ ａｎｄ Ｒｕｅｌｌｉａ ｂｒｉｔｔｏｎｉａｎａ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ； ｗｈｉｌｅ Ｃｉ ｏｆ ｔｈｅｍ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ． Ｔｈｅｓｅ ｒｅｓｕｌｔs ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚｏｓ， Ｃａｎｎａ ｇｅｎｅｒａｌｉｓ， Ｒｕｅｌｌｉａ ｂｒｉｔｔｏｎｉａｎａ， Ｃｙｐｅｒｕｓ ａｌｔｅｒｎｉｆｏｌｉｕｓ ａｎｄ Ａｃｏｒｕｓ ｃａｌａｍｕｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｒｉｖｕｌｅｔ ｓｅｗａｇｅ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌａｎｄｓｃａｐｉｎｇ ｉｎ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ．
　　Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｍｅｒｇｅｄ ｐｌａｎｔ； ｕｒｂａｎ ｒｉｖｕｌｅｔ； ｓｅｗａｇｅ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ； ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
　　广州市河涌密布，水系发达，原有自然形态的河塘水网系统，是城市环境生态的重要组成部分。然而随着经济和城市建设的急速发展，河涌污染已成为不仅是广州，更是全国城市河网的一个普遍现象。大部分河涌主要污染物的非离子氨、生化需氧量（ＢＯＤ）、化学耗氧量（ＣＯＤ）、挥发酚１００％超标，河涌水质污染日趋恶化。市区现有的２３１条（段）河涌，相当数量的水质为劣五类水。众多河涌的黑水臭水，如同城市的条条伤疤，严重影响了城市发展与市民生活［１］。利用水生植物净化污水作为一种成本低廉、节约能源、效益明显的简便易行方法，已成为各地改善水质的关注热点。目前，国内外有关部门正大力提倡应用植物处理措施净化污水［２］。本文以对河涌自然景观营造起关键作用的挺水植物为研究对象，开展人工湿地环境下，不同污染类型的河涌污染物质对海芋（Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚｏｓ）、花叶美人蕉（Ｃａｎｎａ ｇｅｎｅｒａｌｉｓ）、翠芦莉（Ｒｕｅｌｌｉａ ｂｒｉｔｔｏｎｉａｎａ）、风车草（Ｃｙｐｅｒｕｓ ａｌｔｅｒｎｉｆｏｌｉｕｓ）、菖蒲（Ａｃｏｒｕｓ ｃａｌａｍｕｓ）等１０种挺水植物光合生理特性和净污能力的影响，以期为修复美化城市河涌生态环境提供技术依据。
　　１材料与方法
　　１．１材料
　　试验于２００９年８～１０月在广州市园林科学研究所苗圃进行。供试材料主要有１０种（表１）。
　　１．２人工湿地处理方法
　　１．２．１人工模拟河涌湿地采用塑料桶（上口直径２６．５ ｃｍ，桶底直径２０．０ ｃｍ，桶高３４．５ ｃｍ，装水深度３１．５ ｃｍ）构建微型潜流人工湿地，湿地基质为碎石（碎石直径平均在１～２ ｃｍ）。在装入碎石时，在每个湿地桶内放入长短不一的两根塑料管（内径３ ｃｍ），其中一管长度与湿地桶高度相近，另一管长只为桶高的一半。将两管埋入湿地桶中，使之上端与碎石表面相平，下端分别达湿地桶底部和中部，便于直接抽取桶内底部和中部的水样。每一桶内栽一株植物，每种植物做５次重复，２个对照。每种栽种植物选大小、生长状况一致的４５株，每桶种１株。栽种前，先用自来水清洗植株根部，并对其进行修剪，只保留少量的叶片和根，种于桶中央。灌污水前对所有植物进行水培处理，使其适应湿地生境，１５ｄ后灌入污水开始净污试验。
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　　１．３测定方法
　　１．３．１水样测定水样采集后在最短时间内带回实验室进行相关污染物指标的测定（测定的指标为ＴＮ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＰ、ＳＳ、ＢＯＤ５、ＣＯＤ、ｐＨ值），首先测定ＢＯＤ５，因该指标中涉及溶解氧，所取水样应尽量避免空气的混入，然后再在１ ｄ内完成ＴＮ、ＴＰ、ＳＳ的测定，对ＮＨ３－Ｎ的测定需待次日沉淀充分完成后，ＣＯＤ的测定一般亦需在２ ｄ内结束。测定方法参照文献［３］： ＣＯＤ采用重铬酸钾法；ＴＮ的测量为取样５０ ｍＬ，碱性过硫酸钾分解―紫外分光光度法；ＴＰ的测量为取样５０ ｍＬ，过硫酸钾氧化―钼蓝比色法；ＮＨ３－Ｎ采用钠氏试剂光度法；ＢＯＤ５采用稀释接种法。
　　１．３．２植物生理指标测定方法叶片光合色素含量按照文献［４］的方法测定；叶片丙二醛（ＭＤＡ）含量的测定采用硫代巴比妥酸法［５］；细胞膜透性用相对电导率表示，采用电极法测定［４］；根系活力采用氯化三苯基四氮唑法测定［６］。
　　光合参数的测定：污水处理后第３天起对试验标记的叶片进行测定，利用美国Ｌｉ－ＣＯＲ ６４００便携式光合测量系统的标准叶室，在自然条件下测定上数第３片叶片的净光合速率（Ｐｎ）、大气ＣＯ２浓度（Ｃａ）、细胞间隙ＣＯ２浓度（Ｃｉ）、气孔限制值（Ｌｓ为１２Ｃｉ／Ｃａ计算所得）、蒸腾速率（Ｔｒ）、气孔导度（Ｇｓ）等光合指标。测定时间在２００９年９月２０日至１０月３０日进行，每周选取晴朗的２～３ ｄ于早上９∶００～１１∶００测定。
　　数据统计分析采用ＤＰＳ数据处理系统进行Ｄｕｎｃａｎ’ｓ多重比较检验，试验结果为平均值±标准差。
　　２结果与分析
　　２．１湿地挺水植物对河涌污水的净污效应分析
　　１０种植物在人工湿地系统中，对不同河涌污水的ＴＮ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＰ、ＣＯＤ、ＢＯＤ５和ＳＳ的平均去除率分别是５５％、６７％、６４％、５８％、７２％和５３％，总体而言，各挺水植物对海珠涌污水的净化效果要好于沙河涌污水。其中，针对沙河涌污水，ＴＮ去除率最高的是花叶美人蕉（８２％），其次是海芋（７８％）、翠芦莉（７４％）和菖蒲（７４％），较低的为黄花鸢尾（２４％）和再力花（３０％）；ＮＨ３－Ｎ去除率最高的是海芋（９１％），其次是花叶美人蕉（９０％）和花叶芦竹（８５％），同样黄花鸢尾和再力花表现较差；ＴＰ去除率较高的有海芋（８７％）、花叶芦竹（８２％）和花叶美人蕉（８１％）；ＣＯＤ去除率最高的是花叶芦竹（７７％），其次是香根草（７１％）；ＢＯＤ５去除率最高的是花叶美人蕉（８８％），风车草、菖蒲和花叶芦竹的去除率也较高。在ＳＳ方面，菖蒲、花叶芦竹、花叶美人蕉、风车草和海芋的清除能力较明显。总体来看，黄花鸢尾和再力花对沙河涌污水的净污效应均不理想，而海芋、花叶美人蕉、花叶芦竹的净化效果较全面而高效，香根草、翠芦莉、风车草表现出来的净污能力也较强。在这６个污水指标中，ＮＨ３－Ｎ和ＣＯＤ去除率种间差异极显著，ＴＮ、ＴＰ去除率种间差异显著。在海珠涌污水的净化效果试验方面，基本上表现出与沙河涌相似的趋势，海芋、花叶美人蕉、花叶芦竹、翠芦莉等净化效果明显，而黄花鸢尾和再力花表现不理想。与沙河涌污水试验有所区别的是：香根草和风车草表现出更好的净污效率。香根草在去除ＮＨ３－Ｎ和ＢＯＤ５方面表现优异，去除率达到８５％和８７％，而风车草在去除ＣＯＤ（８２％）和ＳＳ（８０％）方面效果较明显（图１、图２）。
　　２．２河涌污水处理对湿地挺水植物生长生理指标的影响
　　由图３可知，与对照相比，沙河涌和海珠涌污水培养下，花叶美人蕉的叶绿素含量分别增加了３２．７％和３６．３％，海芋的叶绿素含量分别增加了２１．２％和２７．０％，香根草、翠芦莉、风车草的叶绿素水平也都有不同程度的升高。黄花鸢尾、水葱和菖蒲的叶绿素含量在污水培养条件下都有所下降，其中沙河涌和海珠涌污水作用下，黄花鸢尾、水葱和菖蒲的叶绿素含量分别下降了３４．５％、２０．６％、７．５％和３６．５％、２２．５％、１０．６％。与此相似，在河涌污水培养下，香根草、海芋、风车草、花叶芦竹、花叶美人蕉的根系活力均呈上升趋势，其中海珠涌污水培养条件下，与对照相比，风车草根系活力增加了３６．５％；而水葱、黄花鸢尾根系活力均呈下降趋势（图４）。
　　从图５可见，河涌污水培养的海芋、香根草、风车草、花叶美人蕉等与对照相比，叶片组织中ＭＤＡ含量差异不显著，说明河涌污水并未通过增加活性氧自由基对叶片细胞起到破坏作用，叶片细胞仍然保持较高的稳定性。海珠涌污水培养能显著增加菖蒲叶片ＭＤＡ含量，沙河涌污水处理与对照差别不大。试验结果表明，河涌污水处理能明显增加水葱、黄花鸢尾叶片ＭＤＡ含量，从而加剧植株的污染逆境胁迫。
　　
　　恶劣的河涌污染条件下黄花鸢尾、水葱等生长不良，叶片质膜透性值偏高。在沙河涌污水处理下，黄花鸢尾、水葱叶片质膜透性显著高于对照，叶片的相对电导率为对照的１３１．４％和１４８．５％，说明河涌污水处理可破坏植物叶片细胞膜结构，加剧电解质外渗造成的质膜伤害。河涌污水培养条件对于风车草、香根草、海芋等植物叶片质膜透性影响不显著；海珠涌污水处理下翠芦莉叶片较对照下降８．５％，变化趋势与ＭＤＡ相似（图６）。
　　
　　２．３河涌污水处理对湿地挺水植物光合参数指标的影响
　　由图７、图８、图９和图１０可知，人工湿地污水处理使黄花鸢尾、水葱、菖蒲叶片的Ｐｎ、Ｔｒ低于对照。与此相反的是，污水处理提高了海芋、花叶美人蕉的Ｐｎ和Ｔｒ。Ｇｓ的变化趋势与Ｐｎ、Ｔｒ相似，整体上黄花鸢尾、再力花、水葱、菖蒲叶片的Ｇｓ均低于对照，且差异显著，而海芋、香根草、花叶美人蕉等则高于对照。黄花鸢尾、再力花和水葱这３种植物在污水处理下的Ｃｉ值高于对照，显示光合同化速率明显降低。Ｌｓ变化情况与Ｐｎ、Ｇｓ和Ｔｒ基本一致，黄花鸢尾、再力花、菖蒲和水葱在污水培养下叶片Ｌｓ值降低，而海芋、花叶美人蕉、风车草、香根草等叶片Ｌｓ值有所上升。
　　３讨论
　　研究显示，广州市河涌底泥受有机物、植物营养盐、石油类和重金属污染比较严重，其他污染物如硫化物、氰化物、氟化物、挥发酚等以及难降解有毒有机物，包括ＤＤＴ、六六六、ＰＣＢｓ、ＰＡＨｓ等污染并不严重，污染总体呈由老城区向外围逐步降低的态势。因此，可以主要从有机污染和无机污染两方面来划分底泥污染类型。李明光等［７］通过调查分析广州市１０个行政区、２个县级市的２４４条河涌底泥成分，将广州市分为４个河涌污染区：老城区（荔湾―东山―越秀），“重”有机―“中”无机污染区；老城南区（芳村―海珠区），“中”有机―“重”无机污染区；中心―周边区（白云―花都―天河―黄埔―番禺―南沙区），“轻”有机―“重”无机污染区；东北外周边区（从化市―增城市），“无明显”有机―“轻”无机污染区。本试验采用的河涌污水材料分别来自海珠涌（“中”有机―“重”无机污染区）和沙河涌（“重”有机―“中”无机污染区），海珠涌属于典型的重金属污染类型，重金属综合污染指数值达到５．５３；沙河涌属于较典型石油类有机污染类型，有机质污染指数值达到２．０４。按照梁伟臻［１］划分的广州市河涌的水质标准，这两条河涌水质都为４级以下，水质差，污染严重，适宜进行河涌湿地植物材料的筛选。
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　　河涌污染湿地对植物而言属于极其不利的生存环境。光合作用是植物体内重要的代谢过程，其强弱对植物生长发育及抗逆性都有重要的影响［１０］。一般认为逆境条件会导致叶片Ｇｓ下降，导致光合速率降低。影响Ｐｎ下降的原因主要有两种：一种是气孔因素，即气孔的关闭，Ｌｓ增大引起ＣＯ２供应不足；另一种是非气孔限制因素，即叶肉细胞光合活性降低引起同化力不足而限制了光合碳同化。根据Ｆａｒｑｕｈａｒ等［１１］的观点和目前国内外学者常用的光合速率降低分析方法，判断引起叶片Ｐｎ降低的原因是气孔因素还是非气孔因素的两个标准是：当Ｃｉ减小，Ｌｓ增大时，气孔的部分关闭成为光合下降的主要原因；而当Ｃｉ增加，Ｌｓ减小时，非气孔限制成为光合下降的主要原因。本试验中，人工湿地环境下黄花鸢尾、水葱、菖蒲等植物叶片的Ｐｎ、Ｇｓ均降低，而Ｃｉ增加，说明Ｐｎ降低原因是叶肉细胞同化能力的下降，而不是由Ｇｓ降低引起的光合速率的下降，即非气孔限制成了光合速率降低的主要因素。在河涌污水的污染环境下，黄花鸢尾、水葱、菖蒲等植物叶片的相对电导率和ＭＤＡ含量数值明显偏高，叶绿素含量偏低，说明植株膜脂过氧化程度加剧，细胞膜的相对透性增加，植物根系活力下降，叶色发黄，生长不良甚至枯萎。这也与这几种植物对ＴＮ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＰ、ＣＯＤ、ＢＯＤ５和ＳＳ等污染物净化能力的降低具有直接的相关性［１２］。
　　应重点指出的是，河涌污水对海芋、香根草、风车草、花叶美人蕉、花叶芦竹等植物来说，却相当于高营养水平的良好水培基质，生长效果明显好于对照，植物叶绿素含量和根系活力明显增加，光合效率大大加强［１３］。相应的，植物对河涌污水中ＴＮ、
　　ＮＨ３－Ｎ、ＴＰ、ＣＯＤ、ＢＯＤ５和ＳＳ等污染物的净化效率也显著提高［１４］。从生长情况、净化效果、景观等方面综合评价，海芋、花叶美人蕉、翠芦莉、风车草、花叶芦竹等挺水植物为适宜的广州河涌水体净化和景观美化植物材料［１５］。
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