城市水体净化中水生植物的选择及应用研究

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　　摘要：为充分发挥水生植物改善水质和营造生态景观的双重作用，通過对人工湖泊和相对静止水体水质进行分析研究后，选择11种水生植物在沧州市南湖公园、千童公园、荷花池公园、新华公园设立试验基地，采取自然式栽植及生态浮岛等多种方法，通过观测水生植物对水体pH值、化学需氧量、氨氮、总磷等指标的影响变化，分析水生植物净化水质的作用，筛选出耐污性强、净化水质效果好、适宜沧州市区生存环境的9种水生植物品种，以及2种对水体的综合净化率和稳定性较高水生植物组合配置方式，为利用水生植物对污染水体进行净化修复作出了有益探索。
　　关键词：水生植物;水质净化;合理配置;景观效果
　　目前，我国城市水体的环境容量和生态承载力因人口剧增而不堪重负，生态系统遭到破坏，公园、居住区等的水体都遭到不同程度的污染。据统计，我国90%以上公园的水体化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、总氮（TN）、总磷（TP）和非离子氨等指标大多超过国家地面水环境质量四类标准。在城市涉水景观工程建设过程中，改善水质和营造相应的生态景观是两个基本的功能取向。水生植物在构成美丽多彩的自然景观的同时，还在保持水体系统生态平衡、净化水质方面起着独特的作用，其重要性也日益为人们所重视。
　　通过结合园林造景应用，以芦苇、千屈菜、水生美人蕉等11种水生植物为试验材料，在相对静止水体研究水生植物对水质净化作用，从而筛选出具有水体净化功能，净化率更高更稳定，并能展现良好景观效果的水生植物品种，旨在为城市水体净化中水生植物的选择及应用提供参考依据。
　　1材料与方法
　　1.1试验地概况
　　沧州市位于河北省东南部的渤海湾畔，地跨北纬37°29’～38°57’，东经115°42’～117°50’。暖温带大陆季风气候，四季分明，温度适中，光照充足，雨热同季，降水集中，灾害性天气常有发生。年平均气温12.0～12.6℃，最冷月份（1月）平均气温-4.1～5.0°C，极端最低气温-24.8°C，最热月份（7月）平均气温26.5～26.9°C，极端最高气温达43°C。年平均降水量510～610mm，分配极不均匀，多集中在夏季，占年降水量的68%～75%。沧州市地表水整体水质较为恶劣，整体河道水质基本为劣V类，部分河道呈现黑臭水体，主要污染物指标为COD、NHa-N、TP，主要污染源为生活污水、初期雨水、垃圾、畜禽废水以及部分工业废水。景观水体主要为公园内的人工湖泊以及排干渠，较其他河道水质略好，普遍为V类。但由于相对封闭，富营养化现象较为严重，并有生活污水排入。
　　1.2试验材料
　　根据来源广、易繁殖、病虫害少和美观等原则，确定了千屈菜、水生美人蕉、水生鸢尾、旱伞草、荷花、再力花、水葱、梭鱼草、芦苇、香蒲、睡莲11种供试水生植物。芦苇采于野外，千屈菜、水生美人蕉、水生鸢尾等试验品种均于2017年3月从山东青州引进。
　　1.3试验方法
　　以沧州市南湖公园、千童公园、新华公园、荷花池公园的4处景观水体作为试验水域，采用单种栽植、组合栽植、生态浮岛3种方式开展试验。试验过程中，根据水生植物配置情况设置分别在规定的水域进行9组处理（表1）。每隔20天对试验水体的水质进行检测，就水中的PH值、COD、氨氮、总磷的数值进行测定，并测量水生植物的生长量，观测其生长状况。
　　2结果与分析
　　2.1水生植物对水质净化效果分析
　　2.1.1植物株高、根系长度与数量比较。从植物株高变化来看，增长量以水葱、芦苇、旱伞草、香蒲、水生美人蕉最大，水葱为11.33倍，芦苇为10倍，旱伞草为10倍，香蒲为9.67倍，水生美人蕉为6.67倍。
　　从根系长度来看，根系较长的植物包括水生美人蕉、旱伞草、再力花、梭鱼草、芦苇、睡莲，这6种水生植物的根系长度都在35cm以上;根系较短的包括千屈菜、水生鸢尾、荷花、水葱、香蒲，这5种植物的根系长度基本都在30cm以下。
　　植物根系数量与长度是植物适应能力强弱最直接的形态学表现。从根系数量来看，根系较多的包括荷花、再力花、梭鱼草、香蒲、水生美人蕉、芦苇、旱伞草，这7种植物的根系数量都在28条以上;根系较少的包括水葱、千屈菜、水生鸢尾，都不超过20根。
　　由表2可以看出，挺水植物的根系相比较为发达，且生长良好，说明挺水植物均能适应试验中的污水环境，并且有较好的净化效果。
　　2.1.2耐性表现比较。脯氨酸和丙二醇含量能在一定程度上反映植物耐污染能力的强弱。从水生植物耐性生理特性来看（表3），11种水生植物种植在生活污水中生长210d后，水生植物在污水中的脯氨酸、丙二醇含量与清水中的含量相比，并不是都呈一致的上升趋势，而是有些升高，有些降低。结合这11种植物对污水的净化能力和植物在等浓度污水条件下的生长情况表现考虑，植物生长衰败，污水中脯氨酸、丙二醇含量降低，说明这类植物耐污染适应性能力弱，不适宜在污染重的水中生长;植物生长良好，污水中脯氨酸、丙二醇含量升高，说明这类植物具有一定耐污染适应性能力，在高污染的水环境中，能通过调节自身脯氨酸、丙二醇含量适应逆境;植物生长良好，但污水中脯氨酸、丙二醇含量降低，说明该类植物耐污染适应性能力强，适宜在污染较重，营养物质含量多的水环境中生长。
　　从脯氨酸含量来看，水生鸢尾、旱伞草、荷花、再力花、水葱、梭鱼草在污水条件下与清水相比，脯氨酸含量是呈一致的上升趋势，说明这6种植物在污水环境下产生适应性抗逆反应，通过调节自身脯氨酸含量以适应污水环境。
　　从丙二醇含量来看，水生鸢尾、旱伞草、荷花、再力花、水葱、梭鱼草、睡莲在污水条件下与清水相比，丙二醇含量呈上升趋势，说明这7种植物在污水环境下产生了适应性抗逆反应。但是，梭鱼草和再力花初期生长势较弱，可能是在高浓度污水里初期生长表现出不适应性，后期逐渐转好。水生鸢尾的生长势也稍次于水生美人蕉等。 　　从清水对照与污水处理之间的变化规律来看：千屈菜、蘆苇、睡莲、香蒲、水生美人蕉这5种水生植物对污水表现出一定的净化能力，在栽培中植物也没有出现生长不适性，甚至长势更好，指标含量下降可能是由于这3种植物与在清水中生长相比，更适应污水这种养分含量相对充足的生长环境，清水环境反而成为一种相对的逆境，因而清水下的脯氨酸含量反而较高。
　　因此，结合水生植物生长状况和植物体内脯氨酸、丙二醇含量的变化情况，可以判断梭鱼草、再力花耐污染适应性能力弱;荷花、水生鸢尾耐污染能力中等;千屈菜、芦苇、旱伞草、水葱、香蒲、水生美人蕉、睡莲耐污能力强。
　　2.1.3净化水质效果。水生植物对污水中的化学需氧量、氨氮、总磷有明显的去除效果，去除率均显著高于无植物空白对照处，显示出了水生植物显著的净化效果。按不同水生植物配置系统对污染物的去除率排序为：T2（千屈菜+水生鸢尾+水生美人蕉+旱伞草）>T1（水生美人蕉+旱伞草+再力花+水葱+梭鱼草）>T3（荷花）>T4（芦苇）>Tg（千屈菜）>T8（睡莲）>T5（香蒲+芦苇）=T7（梭鱼草）>T6（香蒲）>空白对照。特别是对COD和氨氮的去除率较高，显示出了水生植物对COD和氨氮的净化优势。而且，试验表明，不同配置的水生植物组合对水体的净化作用总体效果更优于单种植物。这可能是由于不同水生植物不同时期的生长速率及代谢功能不同，导致其对营养物质的吸收特性不同，而这种吸收差异性可以形成优势互补，并利用根际周围微生物组成人工复合系统的群体效应，保持对营养元素及有机物有较好的净化效果，充分发挥它们的生态功能。
　　2.2影响水生植物治污、净化能力的主要因素
　　2.2.1温度。污水温度会直接影响到水生植物的治污能力。不同温度条件下，水生植物对营养盐的吸收能力也不同。在夏、秋季节，许多喜温水生植物处于生长旺期，因而表现出较高的净化效率。然而到了深秋和冬季，许多喜温水生植物已处于衰老和死亡阶段，自然会失去其净化效能。需要特别注意的是，在气温较低的冬季，部分水生植物会枯死，植物残体会对水体形成二次污染。水生植物之所以可以有效去除水体中的氨氮，温度适宜是一个重要原因。研究证明，氮去除的最适宜温度为20～25°C，当温度低于15%或高于30%时，去除效果均不理想。
　　2.2.2水深。水生植物对生存环境的水深存在一定的敏感性，不适合的水位会对水生植物形成制约，甚至会导致水生植物的死亡。一般情况下，对于挺水植物应把握2个准则，即“栽种后的平均水深不能淹没植株的第一分枝或心叶”和“一片新叶或一个新梢的出水时间不能超过4天”;浮水植物的根部生于底泥中，其种植深度一般可达数米;漂浮植物根系不固定在泥土里随水面漂流，因而可不考虑种植深度的问题。实践证明，如果采用栽植挺水植物来进行污水治理应用，污水深度为0.3～0.6m最适合。
　　2.2.3水污染程度。水生植物在不同污染程度的水体中治污能力各有区别，例如在重度富营养化污水中，选择蒸腾强度高的水生植物净化效果比较好。水生植物品类对不同水体污染程度的治污能力各异。有研究试验证明，灯芯草、萱草、菖蒲等对污水环境的营养化程度不是很敏感，重度和轻度营养化污水环境净化能力区别不大。而芦苇在轻度富营养水中净化能力较强。
　　2.3水生植物的管理
　　对水生植物的管理，要按照其生态学要求和生长习性，精心管理。水生植物的生长对温度有一定的适应范围，如芦苇在温度低于8℃时，生命活动明显降低;在夏季高温时，要及时将快要衰退腐烂的水生植物收割、清理出水体;在11月份要及时将已经干枯的芦苇、香蒲等水生植物收割、清理出水体。水生植物冬季死亡后，由于温度比较低，腐烂分解速度比较缓慢，并不会立即产生水质污染。到了翌年晚春季节，随着水温的上升，植物残体的腐烂速度加快，迅速释放出大量的有机物和营养盐，水体颜色加深，有时还伴随藻类大量生长，严重时下层水缺氧，引起鱼虾死亡。因此，必须重视对水生植物整个生长周期内的采收管理，定期对水面漂浮的腐叶枯枝及垃圾杂物进行清除，防止水生植物死亡后营养物质重新回到水体，减少自然凋落量，减轻因凋落物腐烂分解对水体造成的二次污染。
　　3结论
　　在水体生态景观的营造过程中，水生植物不仅可以满足净化水体的要求，同时还能营造优美的园林景观，并与水体周围环境有机融合，形成和谐统一的整体景观。试验结果表明，在水体净化中，不同种类的水生植物具有其独特的优势，对不同污染性质的水体具有不同程度的净化作用。并且，多种水生植物的组合有利于植物间的优势互补，对水体的净化作用总体效果更优于单种水生植物，而且净化效果更加稳定。因此，在利用水生植物对水体进行净化时，要在试验的基础上，根据污染物的化学和物理性质采取针对性的水生植物种植，以确保植物对水体的净化效果最大化。
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