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随着中国社会经济的快速发展，大量的废水排放到水体中，对水资源造成了严重的污染，影响了人们的正常生产活动。在许多废水治理的方法中，利用水生植物修复被污染的水体是一项经济、高效和低成本的技术[1]。人工湿地是一种很有发展潜力的废水处理技术，这种技术是利用土壤、植物、微生物与污染物发生生物化学反应来降解废水中的污染物质[2]。人工湿地具有投资少、建设运行的成本低、处理效果稳定可靠和便于维护等优点而被广泛应用于各种各样的废水处理中，不少地区建设的人工湿地已经取得了良好的环境经济效益，证明了这项新技术是一项非常有前景的废水处理技术[3-6]。湿地植物种类很多，各种植物对废水的净化能力有所不同，可以通过去除率来研究不同植物及其组合后对不同浓度富营养化水体的修复能力[7]。
微咸水湖指的是湖水矿化度为1.0～35.0 g/L[8]的湖泊。我国西高东低的地势直接制约了降水空间分布。青藏高原的隆升对水汽输送起着屏障作用，使来自印度洋西南季风无法抵达青藏高原内部，而东南季风在从沿海向西北方向推进过程中，受东西向山地的层层阻挡，也难以深入西北内陆，距海愈远，空气中的水汽含量愈少，降水量也相应递减。由于受上述气候格局的影响，形成西北的内陆湖，在干旱气候条件下，湖水被强烈地蒸发浓缩，含盐量都很高。根据湖泊矿化度的高低，一般有自南向北、自东向西呈现[9]。此类湖泊pH值较高，四季温差较大且风力普遍较强[10]。新疆地区的湖泊由于天然或人为因素导致水体的盐碱化加剧，面积较大的微咸湖包括赛里木湖、博斯腾湖等，博斯腾湖从新疆最大的淡水湖变为微咸水湖[11]。在干旱区高性能人工湿地废水水资源化处理系统很少，对于微咸湖中湿地植物对污染物的去除鲜有研究。基于此，本研究选取了新疆地区常见湿地植物水葱和香蒲为研究对象，通过模拟人工湿地试验，筛选出在微咸水的条件下处理污水厂尾水或进行原位净化的过程中，对特定污染物质净化能力较强的湿地植物，为新疆湿地修复及人工湿地建设提供科学依据。
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供试植物为水葱（Scirpus validus Vahl）和香蒲 (Typha orientalis Presl)。试验所用植物均采自乌鲁木齐柴窝堡湿地。采样时间为2018年9月25日，供试植物采集后在实验室内通过模拟人工湿地栽植。
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矿化度：参考博斯腾湖近几年来的水质(矿化度约为1.4 g/L)[12]，设定本实验微咸水矿化度为2 g/L，用NaCl和NaHCO.*?>=>3来配置，pH为8.2。
N和P的浓度：根据《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002)》的二级标准[13]，N的排放浓度为30 mg/L，P的排放浓度为3 mg/L。设定本实验微咸水N的浓度为30 mg/L，P的浓度为3 mg/L，分别用(NH.*?>=>4) .*?>=>2SO.*?>=>4和KH.*?>=>2PO.*?>=>4来配置。
重金属Cd、Pb的浓度：根据《污水综合排放标准(GB 8978—1996)》的第一类污染最高允许排放浓度[14]，Cd的排放浓度为0.1 mg/L，Pb的排放浓度为1.0 mg/L。设定本实验微咸水中Cd的浓度为0.1 mg/L，Pb浓度为1.0 mg/L，分别用CdCl.*?>=>2和Pb(NO.*?>=>3).*?>=>2来配置。
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试验在新疆农业大学农科楼温室内进行，室温为15～30 ℃，自然光照。模拟人工湿地装置：采用长70 cm、宽30 cm、高35 cm的大塑料盆，在其中加入配置的微咸水，在每个大盆中放置3个半径15 cm、高30 cm的小塑料盆。小盆底侧边及中部打有12小孔，在底部铺设一层防虫网，每小盆装5 kg土壤，这样既保证了大小盆中水分的流通，减低模型内外浓度差，又不致使土壤流失。将2种湿地植物设置为2个处理，在每个大塑料盆内装3个小塑料盆，并重复3次，即每处理9小盆植物，每小盆种植3株，共27株。选择植株生物量、植株大小相近的植株进行种植，以无植物栽培的同种装置为CK。
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植物采回实验室后先用矿化度为2 g/L的微咸水对2种植物进行驯化。2019年4月1日开始在大盆中加入人工配置的废水20 L，该水位可使土壤的表面有一层水膜。由于水分蒸发，每隔3 d需用矿化度为2 g/L但不含N、P和重金属的溶液补充到初始水位（20 L）。2019年5月初至6月底定期取水样进行分析测试，每30 d采集一次水样，共采集水样3次。采样日期分别是5月1日（以4月1日至5月1日为第1周期）、5月31日（以5月2日至5月31日为第2周期）和6月30日（以6月1日至6月30日）为第3周期）。每次采样前用矿化度为2 g/L但不含N、P和重金属的溶液添加至初始水位。采样后将大盆内的水样全部排空，然后再加入配置好的人工废水20 L。
检测项目：TP（钼酸铵分光光度法）、TN（碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法）和重金属Pb、Cd（TAS-990型原子吸收光谱仪石墨炉装置）[15]。
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TN、TP、Pb和Cd 去除率的计算见式（1～2）。
去除率1：与进水浓度相比较，代表模拟人工湿地总去除率，包括植物吸收作用产生的去除、土壤吸收或释放、土壤微生物作用、氨氮的挥发和塑料盆吸附等。
去除率2：与无植物的CK作比较，代表植物吸收作用产生的去除。
采用ORIGIN17作图、对试验数据SPSS 19.0进行单因素统计分析，并用Duncan LSD法进行多重比较(α=0.05)。
1.1. 试验材料
1.2. 试验方法
1.2.1. 人工废水的配置人工废水中各成分浓度
1.2.2. 试验设置
1.2.3. 水样采集与分析
1.3. 数据分析
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3种湿地系统对微咸水中TN去除率1，见图1。
图1可见，各湿地系统对微咸水中TN的去除率1均较好。第1周期，水葱湿地、香蒲湿地和CK湿地的TN去除率1分别达到92.0%、78.3%和82.3%，水葱湿地对TN的去除率1显著高于香蒲湿地（P<0.05）；第2周期各植物湿地对TN的去除率1均升高，水葱湿地达95.3%，显著高于CK（P<0.05）；香蒲湿地显著好于第1周期；第3周期去除率1均下降，且3种湿地之间无显著差异（P>0.05）。CK湿地在3个周期中无显著差异。
由于去除率1显示的是模拟人工湿地系统的总去除率，不能真正反映植物本身对TN的去除效果。因此，又进行了去除率2的计算，水葱与香蒲对微咸水中TN的去除率2见图2。
图2可见，去除率2的数值均低于去除率1。第1周期水葱去除率2为最高，达到66.7%，香蒲则为负值，为−38.3%，且显著低于其他几个周期的香蒲和水葱（P<0.05）；第2周期，香蒲去除率2有显著提高，由负值变为正值，达到30.0%；第3周期，TN去除率2均降低，分别为40.7%、27.3%；总体看来，水葱对微咸水TN的去除率2优于香蒲。
在去除率2的计算中出现了负值，如第1周期香蒲的TN去除率2为−38.3%。这是因为处理出水浓度>CK出水浓度，产生这种情况的原因可能是由于春季香蒲发出新枝和返青程度低于水葱，上年度的残枝释放了一些氮。
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3种湿地对TP的去除率1见图3。
图3可见，第1周期水葱湿地TP去除率1为69.7 %，而香蒲湿地显著低于CK湿地（P<0.05）；第2周期3种人工湿地系统的TP去除率1表现为水葱湿地>香蒲湿地>CK湿地，且均显著差异（P<0.05），水葱湿地对TP去除率1高达85.3%；第3周期香蒲湿地对TP去除率1较高，显著好于CK湿地（P<0.05）。
水葱与香蒲对微咸水中TP的去除率2见图4。
图4可见，水葱和香蒲对TP的去除率2在不同周期波动较大。第1周期，水葱与香蒲去除率2均为负值，为−1.3%和−26.0%，且差异不显著（P>0.05）；第2周期水葱去除率2达到最大，达60.7%，显著好于第1周期和第3周期（P<0.05）；第3周期香蒲对TP的去除率2较高，但与水葱差异不显著（P<0.05）。
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3种湿地对微咸水中重金属Pb的去除率1，见图5。
图5可见，3种湿地系统对重金属Pb的去除率1均较好，均达到90.0%以上。第1周期去除率1表现为香蒲湿地>水葱湿地>CK湿地，香蒲湿地对Pb的去除率达97.7%，两两之间差异显著（P<0.05）；第2周期3种湿地系统无显著差异（P>0.05）。第3周期水葱湿地与香蒲湿地均显著好于CK（P<0.05），但两者之间差异不显著（P>0.05）。
水葱与香蒲对微咸水中重金属Pb的去除率2，见图6。
图6可见，第1周期香蒲对Pb的去除率2为最大，达到65.0%，显著高于第2周期香蒲（P<0.05）；第2、3周期2种植物对Pb的去除率2介于33.3%～41.7%之间，水葱与香蒲之间差异不显著。总体看来香蒲对微咸水中重金属Pb的去除较好。
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3种湿地对微咸水中重金属Cd的去除率1，见图7。
图7可见，在第1周期，水葱湿地与香蒲湿地的去除率1分别为35.3%和52.7%，香蒲湿地显著好于水葱湿地（P<0.05）。第1周期与第2周期均表现为香蒲湿地>水葱湿地>CK湿地，且差异显著；第3周期香蒲湿地显著高于水葱湿地和CK湿地（P<0.05），而水葱湿地高于CK湿地，但差异不显著。香蒲湿地与水葱湿地对Cd均有一定的去除效果，其中香蒲湿地的去除效果更好。
水葱与香蒲对微咸水中Cd的去除率2，见图8。
图8可见，在3个周期中，对Cd的去除率2均表现为香蒲>水葱，以第1周期香蒲对Cd的去除率2为最高，达到52.7%。第3周期香蒲对Cd的去除率2显著好于水葱。总体看来，2种植物对Cd均有一定去除效果，但香蒲的去除效果优于水葱。
2.1. 水葱与香蒲对微咸水中TN的去除
2.2. 水葱与香蒲对微咸水中TP的去除
2.3. 水葱与香蒲对微咸水中重金属Pb的去除
2.4. 水葱与香蒲对微咸水中重金属Cd的去除
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诸多学者研究了植物湿地系统对污水中氮磷和重金属去除。李龙山等[16]研究发现，芦苇、千屈菜、扁秆藨草、水葱和长苞香蒲5种湿地植物对TN、TP的去除效果较好，在试验后期各水生植物处理组水体中TP的去除率在89.9%～97.9%之间；褚润等[17]，研究发现，菖蒲、香蒲和芦苇人工湿地对TN有较高的去除效果；刘阳等[18]研究发现香蒲与芦苇对于TP的含量，前5天的去除总量就可以达到全部进水TP的40%左右；刘晖等[19]的研究认为野茭白和水葱对Mn去除效能显著，在第7天的去除率可达90%和76%；许蒙[20]研究发现“沉砂池+植物塘+人工湿地+吸附池”组合工艺系统，对灌溉水中全量镉（Cd）的去除率在 82.88%～100.00%之间，平均去除率则高达 94.78%。这些研究均计算了整个湿地系统对污染物的去除效果（相当于本文中的去除率1），并不能代表植物本身对污染物去除。无植物栽培的CK湿地，也可能有较高的去除率。如褚润等[17]的研究，在夏季无植物栽培的CK湿地对TN的去除率均在60%以上，有些甚至可以达到85.9%。
本文计算了2种去除率。去除率1是与进水浓度相比较，代表模拟人工湿地系统总去除率，包括植物吸收作用产生的去除、土壤吸收或释放、土壤中微生物作用、氨氮的挥发好塑料盆吸附等。从本研究看，无栽培植物的CK湿地对各种污染物也有一定的去除效果。去除率2则是与无栽培植物的CK相比较，代表植物吸收作用所产生的去除。在湿地植物筛选过程中，应以去除率2的计算结果更具有说服力。
湿地植物对污染物的去除率与植物的生物量、生长季节和生长发育时期等因素有关。植物生长状况的不同会导致根系生长发育的程度不一样，这样植物对各种污染物的去除效果就会产生差异。从去除率2来看，水葱对TN、TP的去除率好于香蒲，特别是在实验的第1周期（4月），香蒲对TN、TP的去除率2呈负值，这可能与该时段香蒲尚未完全返青和抽条，上年度的植株残体释放了一些N和P有关。而水葱在整个生长期都呈现绿色，没有明显的返青期，4月份生长较旺盛，吸收了较多的N和P。香蒲则对Cd和Pb的去除效果较好。张弛等[21]通过香蒲对重金属Cd的耐性及吸收途径研究的结果表明，香蒲是一种净化重金属Cd污染的优良水生植物，具有较强的Cd耐受能力。香蒲对Cd的富集主要集中在根部，其根细胞对Cd的吸收可能是通过非选择性阳离子通道进行的。
根据陈友缘等[22]的研究，香蒲的耐盐性可达7.5‰；范真等[23]研究表明，水葱在5‰的盐度下对TN与TP的去除率可以达到35%与60%以上。本研究中水葱与香蒲对模拟人工湿地环境的适应性较好，未表现出明显的盐害，但微咸水矿化度设置仅为2‰。因此，对土壤盐分累积和植物耐盐情况还需要进一步的研究。在实际应用中，应根据不同水体的实际情况和植物的生长周期选择合适的湿地植物种植，才能让植物产生最好的净化效果。
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采用模拟人工湿地种植水葱和香蒲，研究水葱与香蒲对微咸水中TN、TP、Pb和Cd的去除率。
1）通过与进水浓度的比较（去除率1）可知，水葱湿地、香蒲湿地和无植物栽培的CK湿地对氮磷和Pb、Cd均有较好的去除。以最高的去除率来看，水葱湿地在第2周期（5月）对TN的去除率达95.3%，对TP的去除率达85.3%；香蒲湿地在第1周期（4月）对Pb和Cd的去除率分别为97.7%和52.7%；水葱湿地在第2周期（5月）对TN和TP的去除率分别为95.3%和85.3%。
2）通过与无栽培植物的CK比较（去除率2）可知，水葱在第1周期（4月）对TN的去除率达66.7%，在第2周期（5月）对TP的去除率达60.7%。香蒲在第1周期（4月）对Pb的去除率达65.0%，对Cd的去除率达52.7%。
