人工濕地植物的選擇與應(yīng)用

陶正凱 陶夢妮 王印 王玥 謝婷玉 荊肇乾

摘要：植物對于人工濕地處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性、處理效率等都有重要影響，依照生長特性和植物種屬分類列舉了常見人工濕地植物。綜述了人工濕地植物的適應(yīng)能力、景觀效應(yīng)、綜合利用、凈化能力、根系作用、維護(hù)管理、物種搭配和豐度等方面的研究現(xiàn)狀，以期為人工濕地植物選配提供參考。人工濕地植物選配應(yīng)根據(jù)水處理需求，優(yōu)先考慮濕地植物的適應(yīng)能力和凈化能力，同時綜合考慮維護(hù)管理等其他因素。

關(guān)鍵詞：濕地植物;植物分類;植物選擇

中圖分類號：X-1;X5? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）01-0044-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.01.010? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Selection and Application of Constructed Wetland Plants

TAO Zheng-kai，TAO Meng-ni，WANG Yin，WANG Yue，XIE Ting-yu，JING Zhao-qian

（School of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

Abstract： Plants have an important impact on the stability and treatment efficiency of constructed wetland treatment systems. The common constructed wetland plants are listed according to their growth characteristics and plant species. The research status of adaptability， landscape effects， comprehensive utilization， purification ability， root function， maintenance management， species matching and abundance of constructed wetland plants were reviewed， in order to provide reference for the selection of constructed wetland plants. The selection of constructed wetland plants should be based on water treatment needs， giving priority to wetland plants adaptability and purification capacity， but also on the comprehensive consideration of other factors such as maintenance management.

Key words： wetland plants; plant classification; plant selection

人工濕地是模擬自然濕地系統(tǒng)的水處理技術(shù)，利用基質(zhì)-植物-微生物構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)完成對水的高效處理。其對富營養(yǎng)化水的處理技術(shù)已經(jīng)非常成熟，總體上表現(xiàn)出投資少、能耗低、經(jīng)濟(jì)效益好、水質(zhì)穩(wěn)定、抗沖擊、操作簡便、美觀等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在受氣候影響大、占地面積大、基質(zhì)堵塞等問題。濕地植物對景觀、微生物、動物、水質(zhì)等都有重要影響，其選擇和應(yīng)用是人工濕地研究的前沿和熱點(diǎn)。

1? 常見濕地植物分類

根據(jù)植物的生長特性，可以將濕地植物劃分為水生、濕生和陸生植物（表1）。水生植物可以劃分為挺水植物、浮水植物、浮葉植物、沉水植物;濕生植物和陸生植物又分為草本和木本兩種。據(jù)統(tǒng)計，全球發(fā)現(xiàn)的濕地高等植物達(dá)6 700余種，但被應(yīng)用于人工濕地的不過幾十種。表流濕地使用的主要是水生植物;潛流濕地使用的主要是水生草本，輔以濕生草本。近年來，有研究者提出將濕生的草本植物或喬木應(yīng)用到人工濕地。通過濕生草本及喬木來增加濕地生物多樣性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，但工程應(yīng)用較少。

2? 濕地植物選配考慮因素

人工濕地植物的選配主要考慮要具有較強(qiáng)的凈化能力、具有一定適應(yīng)能力（抗冷熱能力、抗病蟲害、抗有毒物質(zhì)等）、具有較好的景觀效應(yīng)、具有一定的綜合利用價值等方面的因素[1]。

2.1? 適應(yīng)能力

植物對于環(huán)境的適應(yīng)能力是選取人工濕地植物的重要指標(biāo)。Sagga？觙等[2]研究追蹤了一個植有25種濕地植物的人工濕地，經(jīng)過一段時間運(yùn)行，環(huán)境對植物表現(xiàn)出一定的選擇性，由于環(huán)境限制和種間競爭，原本的25種植物最后只有7種物種存活;自然選擇的植物主要是具有C4或類C4光合途徑的單子葉植物;盡管物種豐度減少了72%，但對生化需氧量（BOD）、化學(xué)需氧量（COD）、總懸浮物含量（TSS）、總磷、氨和硝酸鹽的去除率仍保持在高水平;存活的濕地植物依然保持了很好的處理能力，這說明環(huán)境限制是植物選擇的剛性條件。只有適應(yīng)環(huán)境且具備一定處理能力的濕地植物才能作為選擇對象。適應(yīng)能力考察的指標(biāo)主要包括耐污性能、耐鹽性能、耐寒能力、抗病蟲害和抗有毒物質(zhì)能力等。

2.2? 景觀效應(yīng)

濕地植物是人工濕地景觀的主要載體，而且人工濕地一般占地較大。因此，濕地植物景觀效應(yīng)是濕地植物選擇的重要考慮原則。首先，濕地植物應(yīng)當(dāng)在滿足剛性限制條件的基礎(chǔ)上，考慮高度、色彩、層次上的搭配。夏添[3]在城市人工濕地景觀植物的研究現(xiàn)狀中提出，在進(jìn)行植物配置時必須充分考慮植物在景觀性、季相、顏色上的特點(diǎn);其次，對當(dāng)?shù)刈匀粷竦刂参锏男螒B(tài)、組成以及地理成分的調(diào)研極其重要，以防止人為搭配的種間關(guān)系脆弱。蔣蓓[4]在濕地公園植物選擇與生態(tài)性探究中提出，物種選擇應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇本地物種，以防止物種入侵，同時可以通過植物混種彌補(bǔ)植物季節(jié)性生長差異。其強(qiáng)調(diào)應(yīng)當(dāng)減少人工干預(yù)對濕地核心區(qū)的影響，以促進(jìn)濕地系統(tǒng)的生態(tài)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展;再次，植物種植應(yīng)當(dāng)注意種植密度，一方面是植物景觀美學(xué)的要求，另一方面也是植物健康生長的要求?？傊?，對人工濕地植物應(yīng)當(dāng)從群落配置、合理布局、美學(xué)價值等方面進(jìn)行選擇和配置，以實(shí)現(xiàn)較好的景觀效應(yīng)。

2.3? 綜合利用價值

人工濕地植物將會積累大量的生物質(zhì)，部分濕地植物須進(jìn)行及時處理[5]，以便保持濕地合理的種植密度，改善溶氧、pH、底部光照條件等。此外，冬季及時收割枯敗濕地植物可以防止二次污染，提高水體凈化效果。對于收獲后濕地植物綜合利用的研究較少，常見的利用方式包括能源化利用（制取固體能源材料、制取沼氣、制取乙醇燃料等）、工業(yè)原料（有機(jī)肥料、生物制碳等），此外還可以用作動物飼料或者種植觀賞類植物、水生蔬菜等。

人工濕地植物資源化利用是有效解決二次污染的重要途徑。何明雄等[6]系統(tǒng)評估了再力花（Thalia dealbata）、水葫蘆（Eichhornia crassipes）等15種人工濕地植物生物質(zhì)資源能源化利用潛力。結(jié)果顯示，15種濕地植物的纖維素含量為19.78%～36.9%，半纖維素含量為4.51%～19.67%，木質(zhì)素含量為10.79%～20.47%，熱值為14.002～17.839 MJ/kg，是理想的來源;預(yù)處理并壓縮后可以作為替代燃料，燃燒灰燼還可以作為鉀肥改善土壤;水生濕地植物大多為低木質(zhì)素植物，適宜作為產(chǎn)乙醇原料。張小玲等[7]研究表明，60～80目的香蒲（Typha orientalis）是酸水解的最優(yōu)粒徑，該最優(yōu)粒徑可以廣泛應(yīng)用于其他人工濕地植物的前處理。針對不同濕地植物的特性，有針對性地進(jìn)行工業(yè)利用是一個重要的研究方向。將濕地植物進(jìn)行堆肥處理后可以作為一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，有研究表明在污泥中生長的皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）是含鉀豐富的有機(jī)肥料[8-10]。王麗芬等[11]利用污泥與鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）渣按質(zhì)量比1∶3混合堆肥，腐熟度符合要求，堆肥效果較好。劉海[12]對濕地植物基活性炭的制備和改性研究表明，濕地植物是理想的活性炭基質(zhì);濕地植物制備的活性炭樣品內(nèi)部總體呈現(xiàn)微孔、中孔結(jié)構(gòu)且具有高比表面積的特性;其中蓮（Nelumbo nucifera）桿基、菰草（Zizania latifolia）基活性炭吸附性能尤其突出。孫勇等[13]使用蘆葦[Phragmites australis （Cav.） Trin. ex Steud.]黑液木質(zhì)素制備活性炭，SEM電鏡掃描發(fā)現(xiàn)活性炭多孔生成，吸附性能良好。Liu等[14，15]研究發(fā)現(xiàn)蓮花莖制備的活性炭對Cd（II）具有良好的吸附性能，是理想的濕生植物基活性炭。

此外，人工濕地還可以種植一些具備其他價值且具有理想吸附性能的濕地植物。例如，香蒲幼莖可以食用，全草是良好的造紙原料，且香蒲花粉具有鎮(zhèn)痛、促凝等作用[16]。水生蔬菜型濕地植物，空心菜（Ipomoea aquatica Forssk.）能夠適應(yīng)任意濃度的水體凈化;韭菜（Allium tuberosum）適合高氮、磷水平的水體凈化，適宜作為水體修復(fù)先鋒植物;生菜（Lactuca sativa L. var. ramosa Hort.）適合低氮、磷水平的水體凈化;芋頭[Colocasia esculenta （L）.Schott]、生菜等幾種蔬菜植物都對氨氮有很好的吸收效果[17，18]。但用來食用的濕地植物須嚴(yán)格審查其毒理性，因此針對目標(biāo)處理水體存在一定限制。景觀效應(yīng)較好的植物，如大薸（Pistia stratiotes）、睡蓮（Nymphaea tetragona）、薄荷（Mentha haplocalyx Briq.）、花葉蘆竹（Arundo donax var. versicolor）、三白草[Saururus chinensis （Lour.） Baill.]等觀葉類;睡蓮（5—8月）、水鱉（Hydrocharis dubia）（8—10月）、黃菖蒲（Iris pseudacorus）（5—6月）、美人蕉（Canna indica L.）（3—12月）、久花（Monochoria korsakowii）（7—8月）、梭魚草（Pontederia cordata L.）（5—10月）、再力花 （4—7月）、白掌（Spathiphyllum kochii Engl. & K. Krause）（5—8月）、姜花（Hedychium coronarium Koen.）（6—7月）等觀花類[19]。人工濕地可以種植具備較好景觀效應(yīng)的濕地植物用以出售，從而提高其經(jīng)濟(jì)和社會效益。

2.4? 凈化能力

凈化能力是濕地植物選擇的基本條件。在選擇濕地植物時，要求植物對污染物的去除率盡可能高。植物去除污染物的指標(biāo)主要有COD、總氮、氨氮、總磷、重金屬鹽等。

郭杏妹等[20]研究翠蘆莉（Ruellia brittoniana）、花葉蘆竹、水蔥（Scirpus tabernaemontani）3種挺水植物對水中污染物的去除率，結(jié)果表明對氨氮的去除率從大到小依次為翠蘆莉（94.6%）、水蔥（91.9%）、花葉蘆竹（91.4%），對總磷的去除能力從大到小依次為水蔥（93.8%）、翠蘆莉（92.0%）、花葉蘆竹（91.3%）;對COD的去除能力從大到小依次為翠蘆莉（89.8%）、花葉蘆竹（81.7%）、水蔥（78.7%）;翠蘆莉?qū)ξ鬯邪钡?、總磷、COD 總體表現(xiàn)出較高的去除效能。周玥等[21]研究表明濕地植物在高濃度污水中對COD、總磷、總氮等去除效果優(yōu)于在低濃度污水中的去除效果;香蒲、浮萍（Lemna minor L.）、金魚藻（Ceratophyllum demersum L.）組合對總氮的去除率最高;高濃度污水凈化總磷適合單種挺水植物，低濃度污水除磷則適合多種植物組合;菖蒲（Acorus calamus）、香蒲組合在高濃度污水中時COD去除率達(dá)96%，效果較好，菖蒲、浮萍、金魚藻組合在低濃度污水中COD去除率達(dá)94.8%，效果較好。劉文杰等[22]研究表明，香蒲在垂直下行流濕地去除COD效果最好（去除率達(dá)85.55%），在垂直上行流濕地中去除總磷效果較好（去除率達(dá)84.28%）;在垂直上行流濕地中，水蔥去除總氮效果較好（去除率達(dá)57.52%）。Hernandezcrespo等[23]研究了蘆葦、香蒲、黃菖蒲對西班牙巴倫西亞湖（Albufera）富營養(yǎng)化水的處理效果，結(jié)果表明黃菖蒲是一個適合用于人工濕地的物種，可與香蒲和蘆葦混合培養(yǎng)，以支持濕地的生物多樣性。Lv等[24]研究表明蘆葦是去除除草唑和戊唑醇兩種農(nóng)藥的理想修復(fù)植物，植物修復(fù)包括轉(zhuǎn)移輸送和代謝兩個方面。有研究表明蘆葦、菖蒲組合可較好去除總氮，鳶尾（Iris tectorum）、蘆葦組合可較好去除氨氮和總磷，蘆葦、菖蒲可較好去除硝氮[25]。范遠(yuǎn)紅等[26]研究表明，風(fēng)車草[Clinopodium urticifolium （Hance） C. Y.]、再力花組合的挺水植物對總磷和總氮的去除率較高，其次是苦草（Vallisneria natans）和黑藻（Hydrilla verticillata）組合。而紫葉美人蕉（Canna warszewiczii A. Dietr.）、粉花美人蕉（Canna glauca L.）組合及風(fēng)車草、再力花組合去除效果較差。

選擇濕地植物應(yīng)當(dāng)針對目標(biāo)水體實(shí)際特征進(jìn)行比選，加強(qiáng)典型工程案例的理論分析，以提高理論的指導(dǎo)意義。

2.5? 維護(hù)管理

在去除效率相同、耐受力相仿的條件下，優(yōu)先選擇生長量小的物種有助于管理和減小二次污染[27]。生物量較大或者易于枯敗的植物容易引起吸收的生物質(zhì)及營養(yǎng)鹽等回滲到污水中，甚至引起污水水質(zhì)進(jìn)一步惡化。因此，除了及時處理出現(xiàn)問題及隨季節(jié)更替枯敗的植物外，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇易于管理的植物品種，以減少人工維護(hù)的成本，提高濕地的經(jīng)濟(jì)效益。

2.6? 根系作用

植物在人工濕地中的作用機(jī)理主要包括直接吸收污染物質(zhì)、分泌植物激素和改善介質(zhì)水力條件等。有研究表明，根區(qū)的豐度、表面積、生物量、季節(jié)變化等對污水處理有重要影響[28]。

Kyambadde等[29]研究表明，紙莎草（Cyperus papyrus）根系發(fā)育較好，具有更好的營養(yǎng)吸收能力。閆春妮等[30]研究了7種植物根際與非根際脲酶活性分布，結(jié)果表明濕地植物根系會影響脲酶活性，但不同植物根系對脲酶活性的影響不同，生長穩(wěn)定的植物根際脲酶活性比非根際高。美人蕉、富貴竹[Disporum cantoniense （Lour.） Merr.]和菖蒲根際的脲酶活性比蘆葦?shù)绕渌茉囍参锔?菖蒲根系分泌物促進(jìn)了硝化作用。植物根系泌氧會影響根系含氧量，進(jìn)而影響物質(zhì)循環(huán)。濕地植物向處于厭氧狀態(tài)的基質(zhì)釋放氧氣，促進(jìn)了沉積物中還原性鐵和錳的氧化，改變了重金屬的陽離子形態(tài)[31]。植物根系不僅影響潛流層水系流動，還影響懸浮物的吸附沉降。植物根系可以為微生物提供活性生長面，從而形成新的生物膜。植物根系區(qū)形成微小的氣室， 增強(qiáng)了介質(zhì)疏松度，提高了水力傳輸性能。研究表明，板結(jié)土壤經(jīng)過植物修復(fù)，5年之內(nèi)可達(dá)到與礫石、碎石相當(dāng)?shù)乃鬏斈芰32]。

因此，選擇植物根系相對發(fā)達(dá)的植株品種可以改善人工濕地處理效果。植物根系可用作選擇濕地植物的指標(biāo)[28]。未來需要不斷應(yīng)用同位素追蹤等技術(shù)加強(qiáng)對根系分泌物影響的追蹤和機(jī)理研究，對比實(shí)驗室與實(shí)際工程的差異性，加強(qiáng)人工濕地植物與根系作用相關(guān)的指標(biāo)參考價值。

2.7? 適宜的物種豐度與種間搭配

適宜的物種豐度可以發(fā)揮不同物種的吸附優(yōu)勢，提高濕地處理能力。針對目標(biāo)水體的水質(zhì)選擇適宜的物種，并注意物種間的耦合作用機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)污水的高效處理。Zhang等[33]研究表明，香蒲、蘆葦?shù)瓤梢酝ㄟ^釋放根際分泌物去除布洛芬（IBU）和碘海醇（IOH），因此香蒲和蘆葦可以應(yīng)用于此類醫(yī)藥廢水的處置。Zhu等[34]研究植物組成對污染物去除率的影響，結(jié)果表明植物混合培養(yǎng)組的總氮和總磷的去除效率較高，但COD去除率較低;系統(tǒng)中的生物量隨著物種豐富度的增加而提高，而氮、磷含量主要由植物類型決定;適宜的植物種類和豐富的種類可以顯著提高城市污水中各種污染物的去除率。因此，物種豐度有一定的限度，過于豐富或者單一都不是理想的搭配方式。此外應(yīng)當(dāng)注意種間搭配問題，有研究表明，由于種間競爭或植物內(nèi)源生長因子，物種之間可能發(fā)生抑制作用，影響系統(tǒng)穩(wěn)定[35]。

3? 思考與展望

人工濕地技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，在選擇和搭配濕地植物時，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮適應(yīng)能力和凈化能力，其次也要對綜合利用價值和景觀效應(yīng)等方面進(jìn)行考察。目前，人工濕地植物研究大多停留在實(shí)驗室規(guī)模，缺乏對工程規(guī)模效應(yīng)的研究。未來濕地植物選擇工作應(yīng)當(dāng)在建立科學(xué)植物篩選評測體系、加強(qiáng)抗性植物基因選育培育工作、綜合植物利用研究與產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)、示范工程案例建設(shè)與研發(fā)、植物收割管理效應(yīng)分析、去污機(jī)理及定量分析、外來物種引入及生態(tài)安全等領(lǐng)域進(jìn)一步深入研究。

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