大型植物在人工濕地中的角色

于 艷

(吉林建筑大學城建學院，長春 130000)

0 引言

水生大型植物的存在與否是界定濕地的特征之一.在美國凈水法案中，濕地被定義為“在正常情況下都被淹沒或有持續(xù)時間與頻率充足的不飽和地面或地下水，并擁有能夠支持常見植物適合生長的充足土壤條件的區(qū)域”.因此，包括人工治理濕地的濕地植物是濕地的一種內(nèi)在特征.

生長在濕地中的較大的水生植物通常被稱作大型植物.這些包括維管植物(被子植物和蕨類植物)、水苔類和一些較大的有可見組織的藻類.其中蕨類植物如槐葉萍、紅萍和大型藻類如剛毛藻等廣泛分布在濕地中，并且開花植物(被子植物)占主導地位.大型植物與所有的光能自養(yǎng)生物一樣，利用光能從大氣中吸收無機碳來制造有機物，隨后向異氧生物(動物)提供能量來源.由于濕地的充分陽光、水分和營養(yǎng)供應，使得由濕地植物主導能量提供的生態(tài)系統(tǒng)的主要生產(chǎn)力保持著較高水平.與這種高效的生產(chǎn)力相聯(lián)系的常常是高效的異養(yǎng)活動，以及很高的遷移分解有機物或其他物質(zhì)的能力.

濕地生態(tài)系統(tǒng)可以作為營養(yǎng)物質(zhì)和碳的源、匯或遷移介質(zhì)，這種能力導致天然濕地或人工濕地廣泛地應用于水質(zhì)凈化.污水可以被排放到濕地中，對于水質(zhì)保障來說具有重要的發(fā)展意義.與污水處理系統(tǒng)一樣，在大多數(shù)人工濕地系統(tǒng)中最重要的遷移轉(zhuǎn)化作用都是基于物理和微生物作用，所以人們對大型植物在污水處理過程中扮演的角色提出疑問.本文旨在概括大型植物如何通過其物理及新陳代謝作用影響濕地中的處理過程.

1 物理作用

濕地中植物的存在是分散的，并且降低了水體的流通速率.這種情況建立了更好的懸浮顆粒的沉降條件，降低侵蝕和再懸浮的風險，并增加了水和植物表面區(qū)域的的接觸時間.大型植物對濕地土壤的穩(wěn)定性也起到了非常重要的作用，其稠密的根系系統(tǒng)組織阻止了侵蝕渠道的形成.在垂直流系統(tǒng)中，大型植物的存在聯(lián)合一個間歇進水體制幫助阻止介質(zhì)堵塞，植物的運動是風等作用的結(jié)果，保持表面空曠，根系在過濾介質(zhì)中的生長能幫助分解有機物和防止堵塞.

覆蓋在濕地表面的植物，可以看作是介于大氣和濕地土壤或水表面之間的不同環(huán)境間具有重要梯度意義的存在參量的一層薄生物膜.風在土壤和水表面的速度與在植物之間的速度相比明顯降低，由此降低了沉積物的再懸浮，從而提高了懸浮物質(zhì)通過沉淀去除的效率.

在水生植物覆蓋的水界面下，光被削弱從而阻礙了藻類的生產(chǎn)活動.這種性質(zhì)經(jīng)常存在以浮萍為主的系統(tǒng)中，即浮萍覆蓋表面下的藻類將死亡并沉降.植物的另外一個重要作用:在冬天，特別是溫和的區(qū)域通過覆蓋來保溫.當枯萎的植物體依然存在時，它將被雪覆蓋并提供一個合適的隔離環(huán)境來保持土壤免于結(jié)凍.凌亂的枯枝落葉同樣幫助土壤在冬天免于結(jié)凍，但從另一方面說它同樣讓土壤在春天溫度更低.

2 土壤的水力傳導性

人工濕地中，植物密度會影響水流的運動速度［1］.應用廣泛的潛流人工濕地(見圖1)，水流更加傾向于流向由土壤氣孔中存在的根和根狀莖組成并擁有巨大表面積的渠道.隨著大型植物根和根狀莖的生長，其攪動增加了土壤的疏松度，減小了土壤的封閉性，進一步加強了土壤的水力傳導能力.此外，當根和根狀莖死亡并腐爛后，它們將留下那些被認為能夠穩(wěn)定并增強土壤的水力傳導性的管狀氣孔或凹槽(巨大的氣孔)，這些擁有氣孔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)取決于大型植物的種類和生長環(huán)境，并且能非常有效地在土層中傳輸水分.有研究者主張在經(jīng)歷3年(3個完整的生長周期)后任何土壤都會達到10－3m/s的水力傳導速率，并且一旦形成，水力傳導速率將會自動穩(wěn)定并保持.在澳大利亞、丹麥和英國已經(jīng)開展關(guān)于一種以土壤為基質(zhì)的蘆葦床的水力傳導性的數(shù)據(jù)研究，但研究者并沒有驗證這種觀點.相反，水力傳導率經(jīng)常降低并經(jīng)常穩(wěn)定在10－5m/s～10－6m/s的水平.

圖1 垂直潛流濕地結(jié)構(gòu)

3 微生物生長的表面區(qū)域

人工濕地中，生物膜的生成對于污染物的凈化起到關(guān)鍵性的作用，而生物膜的形成需要巨大的附著表面.植物對人工濕地的影響僅表現(xiàn)在植物組織的物理作用上，大型植物能為微生物提供巨大的物理表面，大型植物在水下部分的的莖和葉也能為生物膜的生長提供龐大的表面積(見圖2)，并且很多大型挺水植物在水中的部分能附生大量的藻類［2］，對污染物的過濾、吸附、吸收和轉(zhuǎn)化等起到了相當重要的作用，且植物根系表面也是重金屬相有機物沉積的場所［3］.

圖2 地下的植物根系為微生物的生長提供巨大表面積

植物組織使光和藻類、細菌和原生動物聚集并與之緊密聯(lián)系在一起.同樣，埋在濕地土壤下的大型植物的根和根狀莖提供了吸引微生物生長的基質(zhì)，基質(zhì)一方面可以成為微生物依附的場所;另一方面也可以作為載體和營養(yǎng)物質(zhì).因此，和沉浸在濕地系統(tǒng)中基質(zhì)表面的生物膜一樣，不僅濕地土壤下和地表及地面部分出現(xiàn)植物組織的生物膜(微生物)，而且包括死亡的植物組織在濕地中都對大多數(shù)微生物的活動負責.

4 營養(yǎng)物質(zhì)吸收

濕地植物需要營養(yǎng)物質(zhì)來滿足生長和繁殖的需要，并且可通過直接吸收的行為進行攝取.有根的大型植物主要通過其根系系統(tǒng)吸收營養(yǎng)物質(zhì)，同樣一些大型植物是通過被浸沒的莖和葉從周圍的水中吸收營養(yǎng)物質(zhì).

濕地植物是多產(chǎn)的，受生物量限制，所以營養(yǎng)物質(zhì)的總量很可觀.蔣躍平等［4］人試驗表明，營養(yǎng)物質(zhì)通過植物轉(zhuǎn)化為生物量主要集中在植物的地上部分，所以收割植物的地上部分就能有效的將營養(yǎng)物質(zhì)去除.值得提醒的是，植物的收割應在生長后期進行，這樣可避免由于成熟種子的掉落，以及植物地上部分營養(yǎng)物質(zhì)回流到植物根部影響營養(yǎng)物質(zhì)的去除率.因此挺水植物的吸收能力通過收割來轉(zhuǎn)移的營養(yǎng)物質(zhì)總量大致可以達到30kg/(ha·year)～150kg/(ha·year)P和200kg/(ha·year)～2 500kg/(ha·year)N.高產(chǎn)的水生鳳眼蓮擁有更高的吸收能力(approx.350kg P和2 000kg/(ha·year)N)，而水下的大型植物卻較低(＜100kg P和700kg/(ha·year)N).但從總體上來說，通過植物收割去除的營養(yǎng)物質(zhì)總量和排入人工濕地的污水總量是無關(guān)緊要的.如果濕地不進行收割，那么多數(shù)被植物組織吸收的營養(yǎng)物質(zhì)將通過腐爛分解重新回到水體中.

5 根系釋放

水生大型植物從根向根系周圍釋放氧(見圖3)，并且這種釋放通過影響沉積物的氧化還原電位來影響沉積物中的生物地球化學循環(huán).根表面的鐵氧化物形態(tài)的混合物呈現(xiàn)微紅色，可以很容易地使之可見，從而定性.但本底環(huán)境的氧釋放大小的定量仍然是個爭論的重點.

根的氧釋放速率決定于內(nèi)部的氧濃度，氧需要環(huán)境介質(zhì)和根壁的滲透性.濕地植物通過上皮組織和表皮組織的木質(zhì)層的栓化作用來保存內(nèi)部的氧.這些組織釋放了就會允許更多的氧到達根頂點的分裂組織.因此，濕地植物試圖將釋放到根系周圍環(huán)境的氧降到最低.但是，根部的泌氧速度在接近頂點的區(qū)域時幾近達到最大值，且隨著與頂點的距離增加而減小.隨著角質(zhì)層的形成及皮下植物栓化作用引起的組織年齡與減小的泌氧速率和降低的根系頂點的氣體滲透性的下降相聯(lián)系.根壁降低的氣體滲透性使氧的外滲降到了最低，允許更多的氧氣到達頂點來分裂組織.根尖的泌氧支持著氧化和解除周圍環(huán)境潛在的減少有害物質(zhì)的毒性.根狀莖和根系擁有一種內(nèi)在傳輸性的通流通氣系統(tǒng)，比那些僅僅依靠氧的擴散傳輸?shù)奈锓N擁有更高的內(nèi)部氧濃度，并且顯著地增加了能夠與氣體接觸的根系長度.有傳輸性的通氣系統(tǒng)的濕地植物與沒有通氣系統(tǒng)的植物相比，能通過其根系釋放更多的氧氣.

根系系統(tǒng)除了釋放氧外同樣也釋放其他物質(zhì).在Seidel教授［5］德國馬普學會的早期研究指出，蘆葦(燈芯草)—水蔥從根部釋放抗菌素.細菌(大腸桿菌、沙門氏菌、腸球菌)水平在通過一層水蔥后明顯的從污水中消失.許多沉水植物釋放化合物來影響著其他物種的生長，但在人工濕地中這一特性卻沒有得到實驗證實.植物同樣通過根釋放許多有機化合物，這種釋放的量仍不清楚，但報道稱之大約為光和作用固定的碳的5%～25%.這種有機碳從根部流出可能為脫氮提供碳源，從而增加各種人工濕地的氮的去除效率.

圖3 植物根系氧的釋放

6 其他角色

濕地被稱之為“地球之腎”，因為擁有大型植物的人工濕地可以作為自然和人類排放的廢水和垃圾的接收器.除此之外，在大型的濕地系統(tǒng)中，它的生物是多樣性的，濕地植物供養(yǎng)著不同的野生動植物，包括鳥類、爬行類等，為眾多的野生動物創(chuàng)造了獨有的生存環(huán)境，像“生物市場”一樣，這對于許多地區(qū)來說可能十分重要.在許多地方的自然濕地里，由于過高的流速使?jié)竦丨h(huán)境遭到破壞，但由于大型植物的存在，可以減弱水體的流動.另外一個可能也是最重要的，就是小型濕地系統(tǒng)往往只服務單一的住房、賓館等，選擇美觀的濕地植物如黃花鳶尾來使?jié)竦匚鬯幚硐到y(tǒng)擁有較好的外觀是合理的，同時可以配備噴泉等來增加濕地的充氧能力，達到污水處理與景觀兼得的效果，讓久居城市的人享受到在自然中生活的感覺，這是大型植物的美學價值所在(見圖4).

圖4 某城市大型綜合性濕地公園

7 結(jié)論

(1)大型植物在人工濕地中的生長有許多和處理過程相關(guān)聯(lián)的特性，使其成為了設(shè)計的一個基本組成部分;

(2)大型植物在水處理過程中最重要的作用，是通過其植物組織提升的物理作用(如:控制腐蝕、過濾作用，為吸引微生物提供表面區(qū)域);

(3)大型植物的新陳代謝(如植物吸收、泌氧等)影響處理過程的不同程度取決于設(shè)計;

(4)大型植物有其獨特的有價值的功能，如為野生動植物提供棲息地并給予系統(tǒng)具有審美趣味的外觀.

［1］Watson D.Hydraulic effects of aquatic weeds in U.K，rivers［J］.Regulate rivers，1987(1):211 －227.

［2］EPA.United states Environment Protection Agency.Manual Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters［D］.USPEA Cincinnati，Ohio，USA.2000.

［3］Brix H.Use constructed wetland in water pollution control:historical development，present status，and future perspectives［J］.Water Science and Techonology，1994，30(8):209 －223.

［4］蔣躍平，葛 瀅，岳春雷，常 杰.人工濕地植物對觀賞水中氮磷去除的貢獻［J］.生態(tài)學報，2004，24(8):1718－1723.

［5］Seidel CC，Sukias JPS，Upsdell MP.Relationships between loading rates and pollution removed during maturation of gravel－ bed constructed wetlands［J］.Joumal of Environmental Quality，1998(27):448 －458.