黑麦草在净化富营养化水的人工湿地生态工程中的作用牛晓音

第2卷2004湿地科学WETLANDSCIENCEVol.2SeP.,No200期月,Jg第年黑麦草在净化富营养化水的人工湿地生态工程中的作用牛晓音`,2,葛谨`,常杰’,关保华`,徐青山”(1.浙江大学生命科学学院,浙江杭州310012;2.山东理工大学资源与环境工程学院,山东淄博255049;3.杭州市环境保护局,浙江杭州310007)摘要:在人工湿地生态工程中利用黑麦草(oLziumeProneL.)净化污水,得到了较好的效果。结果表明:利用黑麦草在冬春季节的生长,可使亚热带地区人工湿地常年运行,黑麦草在3一4月份对水体就有明显的净化作用。在春夏季节,特别在5月份黑麦草可以获得较高的生物量和N、P的积累量,因而净化贡献最大。从产草量方面考虑,延长黑麦草的生长期能获得较高的生物量;从植物体所含营养物质状况和饲用价值看,增加收割次数的黑麦草N、P含量高,饲用价值高;但从黑麦草对污水中N、P的吸收和积累量方面考虑,收割次数过高则不利于黑麦草对污水的净化及N、P的累积。从上述几方面综合考虑,在黑麦草整个生长期收割次数以2一3次为宜。关键词:黑麦草;人工湿地;生态工程;净化;污水中图分类号:x17文献标识码:A文章编号:1672一5948(2朋4103一202一06植物是人工湿地生态工程中最主要的生物净化材料,它能直接吸收利用污水中的营养物质,对水质的净化有一定作用。关于植物在人工湿地中的作用问题,至今国内外学者还有一定争议仁`一’〕。目前,国外大多数研究倾向于植物在营养吸收方面的作用极小仁’,2〕,这是因为国外的人工湿地运行中对植物并不进行收割,植物枯落后吸收的物质又归于湿地,使基质中有机质积累较多,因此湿地运行寿命缩短〔“〕;也有一些研究加人了收割方法,结果表明植物会在湿地去除富营养化成分时发挥很大作用仁3一5了。实际上,植物能否发挥最大的净化潜力,关键在于植物的选择和管理〔7了。本文通过对黑麦草(Lolium尸erenneL.)在人工湿地中的生长动态和营养动态分析,探讨其在不同生长时期对湿地净化的作用,并通过收割时间和收割次数的研究来寻找提高生态工程净化能力的合理方法,找出一种适合在城乡交错地区处理富营养化水与集种植利用、景观绿化为一体的生态工程模式。1材料与方法(l)试验材料。试验用的人工湿地建于1998年5月,位于杭州西湖边,处理对象为西湖西侧龙涨涧流向西湖的人水口,该溪流汇集雨水、村民的生活污水、农田和茶园灌溉渗出水及水产养殖排出水(图1)。湿地净面积为162澎,分为A、B两池(各污水源七今\”_奚犷~弃一ùùùVV丫一V哈爪YVù缓籍{“`:石“`丫丫丫丫B池丫丫VVY向上水流丫丫丫丫丫图l杭州西湖人工湿地结构示意图Fig.1IllustartionoftheeonstruetdewetlandintheWestLake,Hangzhou为9mxgm),底部和四周以水泥墙封闭,以砾石和沙作为基质。采用自动注水装置间歇注水,水力负荷为200一1200mmd/。污水先经水箱缓冲,然后沿布水管匀速流人A池,向下沉降,经A池底部流人B池,从B池表面流出。人水中TN、TP的浓度分别为(5.84,1.97)m岁L、(0.39土0.26)m岁L,收稿日期:20()3一03一23;修订日期:2X()3一07一01每伞项早:国寥自然科学基金资助项目归叩70146)和欧盟资助项目(ERBIclsc9T60059)。作者简介:午晓首(1977一),女,山东省淄博人,硕士,讲师,主要研究方向为环境生态保护和环境工程。E一m动:[e-mail]:10.13248/j.cnki.wetlandsci.2004.03.0073期牛晓音等:黑麦草在净化富营养化水的人工湿地生态工程中的作用203出水为(3.23土2.49)mg/L、(0.14士0.12)mg/L。11月份于A、B池均种植黑麦草,次年6月收获,其生长季节为冬春季。(2)植物生长动态监测。从3月开始,每隔半个月随机选取6丛黑麦草,测量株高、冠幅及分孽数,并进行收割(留茬10Cm),根据最初收割时间设置不同的处理,未收割的作为对照组(CK)。将收割的植物放人80℃的恒温箱中烘干至恒重,取出称重,测定生物量,通过株数等指标换算湿地中植物的总生物量。(3)收割试验。在经过第一次收割的地方,观察植物再生长情况,保证一定的恢复后,再定期进行第二、三次收割。到6月黑麦草有大片枯黄,于6月18日对黑麦草进行全面收割(表1)。表1黑麦草的不同收割处理情况Table1Diffeerntharvestdi3posalofLolium尹erenne收割池处理1处理2处理3处理4处理5处理6最初收割时I司A3月18日3月31日4月16日5月4日5月一5日(日/月)B3月31日4月16日4月23日5月4日5月15日5月24日A34332总收割次数B433222(4)N、P的测定。取一定量的植物样品,粉碎并再烘干,用HZSO4十HZO:法进行消化。用过硫酸钾氧化吸光光度法测总N含量〔川,用钒铝蓝法测总P含量〔’“」,以上处理样品均重复两次。2结果与分析2.1黑麦草在人工湿地生态工程中的生长和N、P吸收的动态(l)生物量。在A池,随着黑麦草的生长发育,其生物量不断增加(图Za),尤其在5月初至中旬有急剧的上升。而在B池,虽然生物量在总体上呈现出增加趋势,但很不明显,并且在生长期间有下降情况出现(图Za)。这是由于污水先进人A池,水中较高的营养物浓度能充分满足植物生长与代谢所需,当污水经过A池的净化再流人B池后,水中营养物浓度明显降低(A池入水中N、P浓度分别为(5.84士1.97)mg/L、(0.39士0.26)mg/L;而B池分别为(3.82士2.02)mg/L、(0.17士0.14)mg/)L,在营养不足的状况下,植物生长就极为缓慢甚至会出现停滞。因此,A池的最大生物量显著高出B池(尸0.05)。(2)N、P含量。随时间的推移,除B池在4月中旬有一升高外(此时水力负荷最大),两池黑麦草中的N含量均呈总体下降趋势(图Zb)。总的来说,N含量的下降与植物本身对营养物的需求有关。有资料表明,随着植物生长,对N的需求会逐步降低[’2〕。至于B池在4月中旬出现N的较高值,主要是由于4月中旬工程的水力负荷达到整个运行期中的最高值(1200mm;人水N浓度为(9.87士0.52)mg几,A池处理能力不足,B池水营养浓度(N浓度为(7.87士1.46)mg/L)较高所致。从图Zc可以看出,A池黑麦草中P含量也呈下降趋势,至生长末期降至0.14m岁g,但这也基本满足了一般植物生长所需P的含量〔`3〕,再同禾本科植物各生长期所需常量元素的一般值〔’“〕相比,发现A池黑麦草中P含量在各时期均处于良好的营养状态,但B池黑麦草中P含量却非常低。这是由于人水中P的浓度为(0.39士0.26)m梦L原本较低,在A池中就被较大程度地吸收和净化,以致B池人水中p浓度(0.20土0.14)mg/L降至更低。这正是B池黑麦草生长慢的原因。将图a2、b、C结合来看,两池中N含量差距不大,但P含量和生物量差距却很大,说明生物量更大程度上受P含量的限制。(3)N、P积累量。根据黑麦草地上部分生物量与N、P含量的乘积,可得出其地上部分的N、P积累量。从图ld、e可以看出,A池N积累量随时间推移明显增加,而B池增加趋势不明显,但两池N积累量变化趋势与生物量的变化趋势十分吻合。A池中P积累量随时间推移而增高,在4月中旬至5月有最大值,之后又有下降趋势,这种变化可能与人水中P浓度的变化有关(从3月份到6月份,A池人水中P浓度依次为(0.08士0.04)mg/L、(0.36士0.37)m扩L、(0.23士0.a7)m『L、(0.15士0.以)204湿地科学2卷6420ǎ粤旨à侧誉队厂r|!|匕00000864乙勺ǎ之.巴侧誉0,曰ǎ场喇娜巴汪456456l“产一礁、`”}Zǎ理喇暇彩ó二’2。。{d声扁“。“}产刁竺l`/皆`。0}乙~0L...........`目``34563456时间(月)-今-A池一{}一B池图2黑麦草营养物吸收及生长动态Fig.2ThedynamicofgorwthandnutirentabsorptionofL.尸erenenmg/)L;B池中由于P浓度很低(从3月份到6月份,B池人水中P浓度依次为(0.04士0.06)mg/L、(0.05土0.07)mg/L、(0.04土0.01)mg/L、(0.03土0.03)m酬)L,所以积累量也很小。进一步对N、P含量、积累量与生物量进行相关分析,结果表明:在A池,N、P含量与生物量均有明显的负相关(;二一0.9459`、;二一0.9050`),N积累量与生物量正相关(;二0.9532`);在B池,P含量与P积累量之间有显著相关(;二0.久X辫签)。2.2收割次数对黑麦草的生物t和N、P吸收的影响(l)生物量。总体上看,两池中对照(CK)的生物量均优于多次收割的累加量(表2,表3),A池中优势更明显,说明收割不利于生物量的积累。同样,收割强度越大,生物量积累越小,前期收割生物量处于较低水平,收割也减少了光合面积,对其正常的生长发育有影响,因而不利草量的增加,从产草量来说,黑麦草一年以收割2一3次为宜,与已有表2收割对A池黑麦草中营养物含,及生物t的影响Talbe2Eff改,tofhvarestonnutrienteontentofoLliumperen、andbiomassinlPotA时间(日/月)处理氮含量(m酬g)磷浓度(m『g)每池氮积累量(g)每池磷积累量(g)一一首次收割对照(CK)首次收割对照(CK)二次收割三次收割三次收割四次收割68.8851.30725047.2247.86生物量(kg)6.6413.6654,99闷4.2579991.05401.730.057(X).610.26670.110.01727.7061.1649.2012.0716.45100180.64礴4.7446.311.522,9255340.37U.1663l419.0912.98388996l28343.2550.710.471.65570()0.230.364.,ù、ù6户5欢八16,!44/,l8’注:M为平均值,S为标准差。报道相符[,4]。(2)N、P含量。两池中二次收割的N含量总体上优于CK,收割次数越多,N含量越高;P含量表现出同样规律(表2,表3)。这说明收割可明显3期牛晓音等:黑麦草在净化富营养化水的人工湿地生态工程中的作用205表3收割对B池黑麦草中营养物含t及生物工的影响Table3Effi犯tofharvestonnutrienteontentofLolium尹erenenandbiomssainPlotB日生凰处理一-通竺里奎垒匕一一ji竺皇圣些宜生一每池氮积累量每池磷积累量生物量吸[]/月)M51才S(g)(g)(kg)164/15/511/6首次收割对照(CK)二次收割三次收割二次收割四次收割42.9547.1507627554500.1272.681.391.7519015157.473.983.34050.4833011.531.45150.4054.462.181.89201024.9239.1815.0829.09271U.411.162.320.25勺.9927.9343.152.143,448548注:M为平均值,S为标准差。提高植物中N、P的含量,从而提高了草质〔’5,’“了。因此,如果从黑麦草的饲用价值出发,可适当增加对黑麦草的收割次数。(3)N、P积累量。由表2和表3可以看出,收害J对两池N积累量的影响与生物量的变化趋势一致。收割强度越大,越不利于N的积累,但是二次收割却利于P的积累,当收割强度再增大,P的积累也又会下降。2.3不同处理对黑麦草的生物l和N、P吸收的影响对A、B池黑麦草分别设置了5、6个最初收割时间处理,收割次数一般保持在2一3次,目的在于找出最佳的收割时间和收割次数。(l)生物量。A池累积生物量