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植物

鹦鹉蕉种进污水处理盆,佩奇布里的15周试验

浅色直立苞片之间有黄色筒状花,周围为绿色叶片,新加坡植物园记录为Pearl栽培品种。
浅色直立苞片间可见黄色小花。

鲜艳花序很容易让人把鹦鹉蕉只看作观赏植物。2020年,研究者在泰国佩奇布里府的 Laem Phak Bia 环境研究与开发项目(LERD)里,把 Heliconia psittacorum 放进一组盆栽的垂直流人工湿地单元,与 Canna indica 对比。研究把关注点放在规定的进水、基质、淹水与干燥循环下:两种植物所在单元的水质和植物组织记录有什么差别?

这项试验的地点在班兰县 Laem Phak Bia 分区,距佩奇布里市约18公里,位于沿泰国湾泥滩的次生红树林之后。LERD 项目使用自然过程、较简单的技术和当地材料研究社区垃圾与污水处理。论文记录的是项目内的试验盆和其中的进出水样品。

先看试验盆里放了什么

研究者为每种植物设置三个盆栽单元。混凝土盆高50厘米、内径100厘米,底部接PVC管通向出水收集器以控制水位;盆顶留出10厘米排水空间。盆内依次铺5厘米砾石、5厘米砂和30厘米土层,砾石粒径为1.0至1.5厘米。两种植物的根茎先育苗,长出约30厘米的新芽后移入试验盆;种植密度为每平方米10株。水穿过颗粒层、土壤和根区后汇入出水收集器,表中记录的是这个单元的结果。

进水来自佩奇布里市政污水,经18.5公里HDPE管线送至LERD;论文将这段输送过程描述为主要经历厌氧消化。每个盆按7天一个周期运行:先淹水5天,再干燥2天。研究从2020年1月至4月进行;研究者每周采集进出水,检测生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、总氮、铵态氮、总磷、铅和镉,并测量株高。到第15周,单元里的植物被收获,地上和地下部分分别用于生物量和重金属组织浓度分析。水质检测按APHA(1998)等文献列出的标准方法进行。

表1的进水均值界定了这次比较的负荷:生化需氧量(BOD)31.2±13.9 mg/L、总氮22.7±5.3 mg/L、NH4+-N 19.5±5.8 mg/L、总磷4.0±0.1 mg/L。试验土壤是砂质黏壤土,含63%砂、16%粉砂和21%黏土,pH为7.0,有机质1.4%。

同一张表的pH为7.8±0.3,并列标准范围为5.5至9.0。表格还列出生活污水处理系统的BOD小于20 mg/L、TN小于20 mg/L、TP小于2 mg/L。论文比较的是进入实验单元前后的样品。

统计上,作者将植物种类与污染物去除效率放入完全随机区组设计,采用ANOVA、Student’s t检验和Duncan多重范围检验;当p值达到0.05显著水平时计算最小显著差异。文中的显著性判断均来自这套盆栽数据分析。

5天淹水与2天干燥,比较的是整个系统

论文把这种装置称为垂直流人工湿地,或 VFCW。交替运行的关键不只是“给植物浇水”:淹水期间单元大多处在厌氧条件,干燥时基质孔隙重新进气。作者在引言中说明,干燥期有利于硝化,淹水期有利于反硝化;结果讨论也把氮、磷的变化放在根区、土壤和微生物共同参与的框架里。

论文没有逐盆测量每一种微生物或根系氧释放。作者列出的系统过程包括过滤、沉降、微生物活动、植物吸收和土壤吸附。5天淹水时,实验单元大多处于厌氧条件;讨论部分把氮矿化列为植物生长期间的主要微生物过程,并提到铵的生成和氮同化。干燥期转为好氧条件后,作者将硝化视为主要过程,并把根周的氧和碳化合物释放列作支持微生物生长的解释。表3的“去除率”由根区、基质和这些过程共同形成。砾石和砂会截留颗粒,土壤可发生吸附。讨论还提到,两种植物都有纤维根;根系生物量和结构会影响氨、总溶解磷和COD的过滤,根区微生物也参与决定营养盐去除率。文中还把两种植物根长的差别与叶绿素荧光和光合特性联系起来。

研究记录到两种植物在系统中都生长。美人蕉的株高显著高于鹦鹉蕉,但两者相对生长率没有统计显著差异。比较针对相同盆栽条件下的两种处理。前三张图片分别拍于新加坡植物园、印度尼西亚井里汶酒店停车场和巴西巴伊亚海岸,均非佩奇布里LERD试验现场,用来观察花序与叶片形态。

竖立的红紫色苞片间伸出橙色筒状花,周围长绿叶,后方可见酒店停车场。
橙色花从红紫色苞片间伸出,旁有长叶。

BOD与COD:先读出水,再看植物之间的比较

在鹦鹉蕉单元中,表3记录的生化需氧量(BOD)去除率为86.9%±7.3%,出水为3.8±0.5 mg/L;化学需氧量(COD)进水为49.7±20.1 mg/L,去除率为75.3%±9.0%,出水为5.7±0.7 mg/L。相同表中,美人蕉的BOD去除率为90.5%±4.8%,出水2.5±0.4 mg/L,两个植物处理的BOD差异显著(p=0.012)。

COD的读法不同。美人蕉与鹦鹉蕉的COD去除率分别为75.5%±7.9%和75.3%±9.0%,对应出水3.9±0.6和5.7±0.7 mg/L;植物种类的差异在统计上不显著(p=0.794)。两组均值并非完全相同,但该实验的统计分析没有显示植物种类造成了不同的COD表现。

这些数字来自每周的盆栽进出水比较,并与当时的进水、基质和5天加2天循环一起阅读。

氮和磷:表3比摘要更细

摘要概括两种植物对TN、NH4-N和TP的去除率都高于40%,表3的鹦鹉蕉单元却给出TN 38.7%±2.7%、NH4+-N 50.0%±9.4%、TP 49.1%±7.3%。对应出水分别为TN 13.9±3.8 mg/L、NH4+-N 10.1±4.6 mg/L、TP 2.1±0.2 mg/L;表1并列的TN和TP标准为小于20和小于2 mg/L。

把同表数值放在一起看,鹦鹉蕉单元的BOD出水3.8低于20,TN出水13.9低于20,TP出水2.1高于2 mg/L;进水pH 7.8则落在5.5至9.0范围内。美人蕉的TN、NH4+-N和TP去除率分别为44.3%±5.3%、56.9%±13.4%和56.7%±8.2%,相应出水为12.6±2.4、9.5±3.0和1.7±0.3 mg/L;三项p值为0.002、0.001和0.001。

红色直立苞片、黄色花部与长绿叶,背景为巴西巴伊亚灌丛,右上有拍摄日期。
红色直立苞片与黄色花部,长叶自基部展开。

组织里的铅和镉,不能直接读成水里少了多少

植物在开花阶段收获后,研究者把地上部分和地下部分分开,烘干、消解,再以原子吸收分光法测定铅和镉。对鹦鹉蕉,表4的铅浓度在地上部分为3.5±1.1 mg/kg、地下部分为3.5±0.3 mg/kg;镉分别为0.4±0.1和0.5±0.1 mg/kg。这里的单位是植物组织浓度,不是污水进出水的削减百分比。

收获是试验的一个明确终点:论文说15周后VFCW单元内植物的生长率为零,随后才测量生物量和组织浓度。样品先清洗、风干,再按地上和地下部分分开并记录鲜重;剪碎后装入21×29.7厘米牛皮纸信封,在80°C烘至恒重,随后计算每个试验单元的总干生物量;用于金属分析的干样研磨后取0.4克,以浓硝酸和高氯酸5:2混合酸消解,总酸量10 mL,至溶液澄清后冷却;再经Whatman No. 42滤纸过滤并定容至50 mL,最后用Perkin-Elmer Model 3300原子吸收分光光度计测定。表4记录的是经分部、干燥与实验室分析得到的组织数据。

论文结论说,两种植物之间的铅和镉积累没有显著差异;鹦鹉蕉的数值略高于美人蕉。表4的p值指同一物种地上与地下组织浓度的比较:美人蕉铅为2.6±0.4和3.2±0.6 mg/kg,p=0.002;鹦鹉蕉铅为3.5±1.1和3.5±0.3 mg/kg,p=1.000。两种植物的镉均为地上0.4±0.1、地下0.5±0.1 mg/kg,两个同物种比较的p值均为0.288。组织浓度与从水中移走的总质量不是同一个量。

地上和地下部分分开测量,让研究者比较组织内的分布。

表3的两种读法

表3要同时看去除率和出水浓度。去除率用于比较相同试验条件下两种植物单元的相对表现,出水浓度则可以和表1并列的限值逐项对照。前者说明两组之间的差异是否达到统计显著,后者说明样本在这次测量中落在哪个浓度位置;两列不能互相替代。

这些数值来自佩奇布里LERD每种植物三个盆栽单元,在2020年1月至4月、指定进水与基质、5天淹水和2天干燥的安排下取得。论文没有提供工程面积、成本或长期稳定性,所以表3均值只能用于理解这组盆栽比较,不能单独构成工程认证。

影像:属内花序形态对照

这是一段英语视频,约2分08秒起可对照园中的鹦鹉蕉属花序大小和排列,也可见园丁坐在大型花序旁。它不用于认定Heliconia psittacorum,也不记录佩奇布里 LERD 试验或论文过程。

园丁坐在大型花序旁。

资料来源

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