周旭丹，孫曉剛，趙春莉，王薇，楊紅立

吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130118

人工濕地是土壤、河砂、爐渣和粉煤灰等按一定比例構(gòu)成的選擇性地植入植被的自適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)（Zhang等，2010；Faulwetter等，2013；Xiong等，2011），包括水體、基質(zhì)、水生植被和微生物等四大基本要素，該系統(tǒng)四大基本要素通過一系列理化、生物途徑能夠?qū)μ囟ㄎ廴疚锔咝У娜コ╖hang等，2010；Faulwetter等，2013；Xiong等，2011）。人工濕地是20世紀(jì)70年代才蓬勃興起的一種處理污水的方式，具有低投資、低運(yùn)行費(fèi)用、低耗能和美觀等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類不同水體的水質(zhì)凈化和水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化的防治中，已有不少地區(qū)取得了良好的環(huán)境效果和經(jīng)濟(jì)效益（Bavor等，2011；Zhang 等，2012；Elsaesser等，2011）。隨著城鎮(zhèn)化水平的加快，我國(guó)水質(zhì)污染和水資源浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)年排廢水量越400億t以上，生活污水排放量日益增多，大部分未經(jīng)任何處理直接排入生態(tài)系統(tǒng)，加重了水資源的短缺，合理開發(fā)利用水資源及凈化水質(zhì)具有現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義（Gleick，2014；Kneese，2013）。目前關(guān)于人工濕地凈化水質(zhì)的研究主要集中在生物量較大的水生植被方面，大多數(shù)局限于單一濕地類型和缺乏長(zhǎng)期的效應(yīng)分析（Zhang等，2010；Faulwetter等，2013；Xiong等，2011），并且人工濕地植被土壤微生物學(xué)動(dòng)態(tài)研究尚不多見。潛流式人工濕地面積較小、凈化水質(zhì)能力強(qiáng)、操作和運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)臐竦刂脖皇菢?gòu)建人工濕地和恢復(fù)重建自然濕地的關(guān)鍵措施（Zhang等，2010；Faulwetter等，2013；Yue，2013；Abe等，2014）。有鑒于此，本試驗(yàn)構(gòu)建潛流型人工濕地，通過對(duì)比研究人工濕地植被根區(qū)土壤微生物數(shù)目及酶活性及其生活污水中 BOD5、CODCr、NH4+-N、TN、TP的去除能力的季節(jié)效應(yīng)，探討人工濕地植被凈化水質(zhì)的機(jī)理和過程，為恢復(fù)濕地植被、構(gòu)建人工濕地、控制水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化提供理論依據(jù)和實(shí)踐措施。

1 材料與方法

1.1 人工廢水的配置

人工廢水配置，TN：8.13 mg·L-1，TP：0.15 mg·L-1，CODCr：315.5 mg·L-1，BOD5：98.7 mg·L-1，NH4+-N：6.13 mg·L-1；高錳酸鉀指數(shù)：9.50 mg·L-1；pH值為7.04。

1.2 人工濕地設(shè)計(jì)與流程

垂直流人工濕地結(jié)構(gòu)：試驗(yàn)區(qū)位于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院的大棚內(nèi)，共設(shè)3個(gè)人工濕地結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)單元長(zhǎng)×寬×深=25 m×3.0 m×1.0 m，單元之間用1 m寬的土埂隔開，底部為集水區(qū)，其上鋪放尼龍網(wǎng)，防止填料下漏，每個(gè)單元沿對(duì)角線埋入直徑為12 mm的PVC管，使人工濕地中的循環(huán)水能夠流入PVC管，以便于實(shí)驗(yàn)樣品的采集。

人工濕地填料：底層大粒徑礫石作為排水層，上部填砂，其主要成分為SiO2，基質(zhì)鋪設(shè)相同，底層均選用礫石，直徑為1～3 cm，厚度為18 cm，中層選用當(dāng)?shù)剌^好的爐渣，直徑為0.8 cm，厚度為20 cm，上層選用當(dāng)?shù)氐哪嗌常睆綖?.5 cm，厚度為18 cm。

人工濕地植被：選取株型大小、生物量基本一致的美人蕉（Canna indica）作為人工濕地植被，2012年 3月均勻在人工濕地中進(jìn)行培植，密度為9～12 株/m，每個(gè)單元3個(gè)重復(fù)，植被栽上后，加自來水至砂子基質(zhì)飽和，地下水培養(yǎng)1個(gè)月，并保持其上2～3 cm薄水層，穩(wěn)定半個(gè)月，其間換水5次，同時(shí)將污水經(jīng)配水池緩慢放入人工濕地（水深80 cm），由于水流通過水管均勻流入人工濕地，污水通過布設(shè)在人工濕地的布水管流入，緩慢向下滲濾，放水12 h后，停止注水，水力負(fù)荷控制0.75 m3·m-2·d-1，控制每個(gè)單元具有相似的生長(zhǎng)環(huán)境。進(jìn)水為上述配置的污水，經(jīng)過人工濕地處理后的水從底部 PVC管排出，在人工濕地不同季節(jié)分別取進(jìn)水口和出水口的水進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)分析，計(jì)算其對(duì)各指標(biāo)的去除率。具體公式如下（Sharma等，2013）：

不同季節(jié)取出水口水質(zhì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定分析，各指標(biāo)的去除率=(進(jìn)水口值-出水口值)/出水口值×100%。

1.3 測(cè)定方法

人工濕地運(yùn)行一年后，分別于2013年4個(gè)季度（3月、6月、9月、11月）進(jìn)行水樣采集與測(cè)試，統(tǒng)計(jì)每種人工濕地1 m2樣方中植株數(shù)目、株高等生長(zhǎng)性狀，并將其收割分為地上和地下部分烘干測(cè)定其生物量，分別對(duì)地上和地下植被樣品粉碎后用H2SO4-H2O2消煮制備成溶液，植被TN用過硫酸鉀氧化吸光光度法測(cè)定，TP用釩鉬藍(lán)法測(cè)定，同時(shí)在每個(gè)單元選擇健壯植株取根區(qū)土壤測(cè)定微生物數(shù)目及酶活性。

植被N、P積累量(PA)=植被體內(nèi)N、P質(zhì)量濃度(PC)×植被生物量(PB)。

土壤微生物數(shù)量（Van等，2012）：采用平板梯度稀釋法，其中細(xì)菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，真菌培養(yǎng)基為馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)基為高氏一號(hào)瓊脂培養(yǎng)基。

土壤酶活性參照文獻(xiàn)（Faulwetter等，2013；Xiong等，2011；German，2011）：土壤酶活測(cè)定用分光光度計(jì)進(jìn)行比色法測(cè)定，測(cè)定酶活種類為蔗糖酶（1 g土樣24 h內(nèi)分解產(chǎn)生1 mg蔗糖所需的酶量）、轉(zhuǎn)化酶（1 g土樣24 h內(nèi)分解產(chǎn)生1 mg葡萄糖所需的酶量）、脲酶（1 g土樣24 h內(nèi)分解產(chǎn)生1 mg氨基氮所需的酶量）和酸性磷酸酶（1 g土樣24 h內(nèi)分解產(chǎn)生1 mg P2O5所需的酶量）。

水質(zhì)指標(biāo)：BOD5采用稀釋接種法；CODCr采用重鉻酸鉀氧化法；NH4+-N采用納氏試劑分光光度法；TN采用過硫酸鉀-紫外分光光度法；TP采用鉬銻抗分光光度法；高錳酸鹽指數(shù)采用酸性KMnO4法（Zhang等，2010；Faulwetter等，2013；Xiong等，2011）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示（mean±SE），SPSS 18.0和Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，單因素方差分析（One-way ANOVA），LSD法（最小顯著性差異法）比較其差異顯著性，Origin 9.2作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工濕地植被根區(qū)土壤微生物數(shù)量季節(jié)變化（代表1 g土壤中所含微生物數(shù)目）

人工濕地植被根區(qū)土壤微生物數(shù)量季節(jié)變化如圖1所示，圖1的結(jié)果表明，人工濕地植被根區(qū)土壤微生物數(shù)量以細(xì)菌最多，占到90%以上，其次是放線菌，真菌數(shù)目最少，其中細(xì)菌數(shù)目的變化范圍為 3.4×105～7.3×105，放線菌數(shù)目的變化范圍為2.1×104～9.5×104， 真 菌 數(shù) 目 的 變 化 范 圍 為3.6×103～7.8×103，微生物總數(shù)目的變化范圍為3.5×03～9.2×103；人工濕地植被根區(qū)土壤各微生物數(shù)目隨季節(jié)呈“倒V型”變化規(guī)律，依次表現(xiàn)為：秋季>夏季>冬季>春季，與春季相比，夏季、秋季和冬季細(xì)菌數(shù)目增加了 91.18%、114.71%和38.24%，真菌數(shù)目增加了 300.00%、352.38%和152.38%，放線菌數(shù)目增加了100.00%、116.67%和47.22%，微生物總數(shù)目增加了 108.57%、162.86%和45.71%。

2.2 人工濕地植被根區(qū)土壤酶活性季節(jié)變化

人工濕地植被根區(qū)土壤酶活性季節(jié)變化如圖2所示，圖2的結(jié)果表明，人工濕地植被根區(qū)土壤脲酶活性的變化范圍為 3.71～6.58 mg·g-1·24 h-1，酸性磷酸酶活性的變化范圍為 2.56～7.38 mg·g-1·24 h-1，轉(zhuǎn)化酶活性的變化范圍為 1.52～4.52 mg·g-1·24 h-1，蔗糖酶活性的變化范圍為 0.78～2.35 mg·g-1·24 h-1；人工濕地植被根區(qū)土壤酶活性隨季節(jié)呈“倒V型”變化規(guī)律，基本表現(xiàn)為：秋季>夏季>冬季>春季，與春季相比，夏季、秋季和冬季脲酶活性增加了40.97%、77.36%和4.85%，酸性磷酸酶活性增加了178.13%、188.28%和 67.58%，轉(zhuǎn)化酶活性增加了148.68%、197.37%和 95.39%，蔗糖酶活性增加了174.36%、201.28%和 32.05%；酸性磷酸酶和蔗糖酶活性夏季和秋季差異并不顯著（P>0.05），春季和冬季差異不顯著（P>0.05），而夏季和秋季均顯著高于春季和冬季（P<0.05）；脲酶活性春季和冬季差異不顯著（P>0.05），但顯著低于夏季和秋季（P<0.05），脲酶活性夏季和秋季差異顯著（P<0.05）；轉(zhuǎn)化酶春季顯著低于夏季、秋季和冬季（P<0.05），夏季和秋季轉(zhuǎn)化酶活性差異并不顯著（P>0.05）。

2.3 人工濕地TN、TP和NH4+-N季節(jié)變化及去除率

圖3為人工濕地不同季節(jié)TN、TP和NH4+-N出水質(zhì)量濃度及去除率變化，由圖可知，人工濕地出水TN、TP和NH4+-N質(zhì)量濃度總體變化為春季最高、夏季和秋季降低，冬季則有回升的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季，呈“V字型”變化規(guī)律，人工濕地出水 TN質(zhì)量濃度變化范圍為2.14～6.32 mg·L-1，TP質(zhì)量濃度變化范圍為0.08～0.25 mg·L-1，NH4+-N 質(zhì)量濃度變化范圍為2.13～4.56 mg·L-1；人工濕地對(duì)TN、TP和NH4+-N去除率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異，隨季節(jié)呈“倒V型”變化規(guī)律，基本表現(xiàn)為：秋季>夏季>冬季>春季，人工濕地TN去除率變化范圍為43.5%～82.3%，TP去除率變化范圍為 38.7%～73.5%，NH4+-N去除率變化范圍為21.7%～42.3%，與春季相比，夏季、秋季和冬季 TN去除率增加了 67.36%、89.20%和29.66%，TP去除率增加了80.36%、89.92%和13.95%，NH4+-N去除率增加了77.88%、94.93%和17.05%；人工濕地不同季節(jié)對(duì) TN去除率差異均顯著（P<0.05）；人工濕地夏季和秋季TP和NH4+-N去除率差異不顯著（P>0.05），春季和冬季TP和NH4+-N去除率差異不顯著（P>0.05），而春季和冬季TP和NH4+-N去除率顯著低于夏季和秋季（P<0.05）。

2.4 人工濕地BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)季節(jié)變化及去除率

圖4為人工濕地不同季節(jié)BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)出水質(zhì)量質(zhì)量濃度及去除率變化，由圖可知，人工濕地出水BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)總體變化為春季最高、夏季和秋季降低，冬季則有回升的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季，呈“V字型”變化規(guī)律，人工濕地出水BOD5質(zhì)量濃度變化范圍為 53.21～95.82 mg·L-1，CODCr質(zhì)量濃度變化范圍為98.70～230.53 mg·L-1，高錳酸鉀指數(shù)質(zhì)量濃度變化范圍為5.21～9.72 mg·L-1；人工濕地對(duì)BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)去除率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異，隨季節(jié)呈“倒V型”變化規(guī)律，基本表現(xiàn)為：秋季>夏季>冬季>春季，人工濕地 BOD5去除率變化范圍為19.82%～43.10%，CODCr去除率變化范圍為12.87%～37.41%，高錳酸鉀指數(shù)去除率變化范圍為18.33%～42.56%，與春季相比，夏季、秋季和冬季BOD5去除率增加了77.78%、117.68%和7.58%，CODCr去除率增加了144.53%、192.19%和7.03%，高錳酸鉀指數(shù)去除率增加了111.48%、132.24%和 7.10%；人工濕地春季和冬季對(duì) BOD5去除率差異不顯著（P>0.05），而顯著低于夏季和秋季（P<0.05），夏季和秋季對(duì)BOD5去除率差異顯著（P<0.05）；人工濕地夏季和秋季對(duì) CODCr和高錳酸鉀指數(shù)去除率差異不顯著（P>0.05），春季和冬季對(duì) CODCr和高錳酸鉀指數(shù)去除率差異不顯著（P>0.05），而春季和冬季對(duì)CODCr和高錳酸鉀指數(shù)去除率顯著低于夏季和秋季（P<0.05）。

2.5 人工濕地植被地上地下N、P積累量季節(jié)變化

由圖5可知，人工濕地植被地上和地下N、P積累量隨季節(jié)變化具有明顯的一致規(guī)律，均表現(xiàn)為秋季>夏季>冬季>春季，隨季節(jié)呈“倒V型”變化規(guī)律。人工濕地地上 N積累量變化范圍為5.93～29.10 g·m-2，P積累量變化范圍為 0.91～3.54 g·m-2，地下 N 積累量變化范圍為 4.72～24.74 g·m-2，P積累量變化范圍為1.31～4.15 g·m-2；對(duì)于N積累量，人工濕地不同季節(jié) N積累量差異均顯著（P<0.05），并且不同季節(jié)地上部分N積累量高于地下部分N積累量，秋季地上部分N積累量極顯著高于地下部分（P<0.01），春季和冬季地上部分N積累量顯著高于地下部分（P<0.05）；對(duì)于P積累量，不同季節(jié)地上部分P積累量低于地下部分P積累量，春季和秋季地上部分P積累量極顯著低于地下部分（P<0.01），冬季地上部分P積累量顯著低于地下部分（P<0.05）。

3 討論

人工濕地主要通過植被的截流、過濾以及微生物的新陳代謝等活動(dòng)凈化水質(zhì)，通常情況下人工濕地基質(zhì)均為孔隙度較高的礫石，為微生物提供了更多的掛膜空間（Zhang等，2010；Faulwetter等，2013；Xiong等，2011；German等，2011）。本研究中人工濕地基質(zhì)為爐渣和泥沙，爐渣和泥沙能夠避免土壤系統(tǒng)表面的短流，多孔擴(kuò)大了表面積，有利于微生物的代謝活動(dòng)，增強(qiáng)了人工濕地的去除效果（Bavor，2011；Zhang等，2012；German等，2011）。微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力，土壤酶活性和微生物數(shù)量在植被-土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)的分解、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和循環(huán)等過程發(fā)揮著重要作用（German等，2011）。本研究人工濕地植被中土壤微生物均以細(xì)菌最多，占微生物總數(shù)的90%以上，其次是放線菌和真菌，不同季節(jié)微生物菌落數(shù)目和酶活性均表現(xiàn)為秋季>夏季>冬季>春季，這種分布主要與土壤微生態(tài)環(huán)境及植被的生長(zhǎng)狀況有關(guān)，春季植被處于萌芽階段，微生物數(shù)目及酶活性偏低，夏季植被迅速生長(zhǎng)和繁殖，秋季各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)達(dá)到最大，通過微生物的作用和植被的輸氧作用為微生物提供了各自適宜的生境，有利于微生物在人工濕地縱深的擴(kuò)展，從而促進(jìn)了深層基質(zhì)中微生物的生長(zhǎng)和繁殖，土壤微生物數(shù)目和酶活性達(dá)到最大，而冬季植被處于蕭條期，微生物數(shù)目減少和酶活性降低（Bavor，2011；Zhang等，2012；German等，2011）。綜合人工濕地植被凈化污水效果來看，人工濕地凈化水質(zhì)效果存在著季節(jié)性差異，對(duì)TN、TP、NH4+-N、BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)的去除率呈單峰曲線，很大程度上依賴于植被及微生物的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化，說明人工濕地植被對(duì)不同污染物的去除效果和機(jī)理不同，并且人工濕地植被對(duì)TN和TP的去除率較高。人工濕地植被對(duì)TN和TP的吸收主要是通過植被的截流、過濾以及微生物的新陳代謝過程得以去除，這與前人的研究結(jié)果相吻合（Zhang等，2010；Faulwetter等，2013；Xiong等，2011）。從季節(jié)變化規(guī)律來看，人工濕地對(duì)TN、TP、NH4+-N、BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)的去除率在春季較小，春季植被生長(zhǎng)較為緩慢，未與基質(zhì)、土壤等形成完整的去污生態(tài)系統(tǒng)，此時(shí)人工濕地吸收作用并未表現(xiàn)出來，夏季植被迅速生長(zhǎng)和繁殖，去除效果也更加明顯，秋季各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均達(dá)到最大，這個(gè)時(shí)期對(duì)TN、TP、NH4+-N、BOD5、CODCr和高錳酸鉀指數(shù)的去除效果最為明顯，秋季以后，植被密度達(dá)到最大，缺乏有限的空間和資源，地面部分開始枯黃、根系也逐漸潰爛，凈化水質(zhì)效果緩慢下降等（Zhang等，2012；Zhao 等，2014；Vymazal，2011）。本研究中人工濕地植被美人蕉新生根系的須根較多，有利于根區(qū)微生物的著生，通過微生物途徑凈化的N數(shù)量相對(duì)較多，從長(zhǎng)期角度出發(fā)微生物作用是人工濕地凈化N的主要途徑，優(yōu)選根系發(fā)達(dá)的植被是提高該系統(tǒng)N去除率的重要措施之一（Zhang等，2012；Zhu 等，2010；Li等，2012；Bialowiec等，2012）。

本研究中人工濕地植被地上部分 N積累量高于地下部分，而地上部分P積累量低于地下部分，這種模式體現(xiàn)了N、P元素主要供給營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)部位的分配特點(diǎn)，屬于植物對(duì) N和 P內(nèi)在生長(zhǎng)特性（Zhang等，2012；Zhu等，2010；Li等，2012；Bialowiec等，2012）。人工濕地植被N、P積累量能夠反映植被對(duì)N、P的直接去除能力，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配特點(diǎn)會(huì)涉及到采取的收割方式，本研究中人工濕地植被（美人蕉）基本可以通過地上和地下部分的收割去除大部分的N、P積累量，使其移出生態(tài)系統(tǒng)。此外，人工濕地植被的凈化效果與還植被的生長(zhǎng)速度、生長(zhǎng)階段、植被的生物量、植被根區(qū)微生物作用等有關(guān)，在以后研究過程中，需結(jié)合污水狀況及當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)有針對(duì)性地選擇合適的濕地植被，最大限度地發(fā)揮濕地植被的凈化作用。

4 結(jié)論

人工濕地整合和協(xié)調(diào)了土壤基質(zhì)-微生物-植被的凈化機(jī)理，但基質(zhì)的吸附凈化容量達(dá)到飽和，并且其凈化作用隨著植被的生長(zhǎng)可能發(fā)生變化，因此人工濕地長(zhǎng)期的凈化效果仍有待進(jìn)一步研究。此外，人工濕地通過定量收獲方式可以延續(xù)其凈化能力，選擇生物量較大、富集污染元素較強(qiáng)的植被構(gòu)建各種植被組合的人工濕地是凈化水質(zhì)的關(guān)鍵措施。

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