人工濕地的植物選擇和凈化效果評價

杜 超 吳 昊

（瓦地工程設計咨詢（北京）有限公司，北京 100022)

人工濕地具有良好的凈化水質功能，相比二級污水處理技術，人工濕地具有資金投入少、易于管理的優(yōu)點（張朝明,2017）。通過人工濕地植物的吸收、富集和吸附作用，可有效去除污水中的氮、磷等元素。人工濕地將營養(yǎng)元素的載體從水體轉移到植物，以達到目標元素的去除，同時植物根系分泌物和根系微生物形成的生物膜也可以吸附污染物質。目前，蘆葦（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）、水蔥（Scirpus validus）等水生植物已廣泛應用在人工濕地中（Vymazal,2013）。

人工濕地植物和微生物生長繁殖需適宜的條件，才能更好地發(fā)揮人工濕地的作用，但有些區(qū)域不能滿足植物和微生物生長的條件，例如，在低溫條件下，出水的水質要比溫暖條件下更差（童昌華等,2003）。單一植物配置的人工濕地這種現(xiàn)象更加明顯，冬季大量不耐寒的植物枯萎，導致人工濕地的凈水能力下降。這就要求人工濕地中需搭配不同種類的水生植物，既滿足景觀的層次性、植物的多樣性要求，也可以維持人工濕地的凈水能力。本文通過文獻調查和植物評價手段，評價不同濕地植物組合在表流人工濕地中的應用效果，為人工濕地植物的應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物選擇與配置組合

人工濕地一般選擇耐污能力和適應性強、根系發(fā)達且具有觀賞價值和經(jīng)濟價值的濕地植物。本研究以蘆葦、香蒲、水蔥、美人蕉（Canna indica）4 種挺水植物，鳳眼蓮（Echhornia crassipes）、浮萍（Lemna minor）2 種浮葉植物，眼子菜（Potamogeton distinctus）、金魚藻（Ceratophyllum demersum）、穗狀狐尾藻（Myriophyllum spicatum）3 種沉水植物為材料。按照沉水植物—浮葉植物—挺水植物的景觀配置原則，構建24 種植物組合。

1.2 植物組合分析和評價

根據(jù)植物的生長特性、生產(chǎn)應用及市場價值等文獻調查（張依然等,2012;慕哲哲,2022;Oren et al.,2013;項偉等,2016;涂燕,2007;劉穎等,2014;李紫光,2017），運用層次分析法將水生植物在表流人工濕地中應用潛力評價的標準分為兩級標準，一級指標包括植物特性、水質凈化功能和經(jīng)濟功能和景觀功能4 個指標，二級指標包括耐污性、耐寒性、氮、磷、COD 的去除率和植物維護管理等15 項指標（表1）。

表1 濕地植物選擇評價體系Table 1 Evaluation system of selection for wetland plants use in constructed wetlands

濕地植物耐污性、水質凈化功能指標、經(jīng)濟功能指標評分標準設為5級 ：優(yōu)（0.8～1）、良（0.6～0.8）、中（0.4～0.6）、差（0.2～0.4）、極差（0～0.2）（表2）。耐淹性、耐寒性、土壤厚度要求、景觀功能、開花時間和枯萎時間評分標準設為3 級：適宜（0.67～1）、一般（0.33～0.66）、不適（0～0.32）。觀賞特性評分標準設為4 級：優(yōu)（0.75～1）、良（0.5～0.75）、中（0.25～0.5）、差（0～0.25）（表2）。

表2 濕地植物選擇評價分級標準Table 2 Evaluation standards of selection for wetland plants use in constructed wetlands

根據(jù)9 種植物對應不同指標的數(shù)據(jù)，按照二級指標的評分標準給其打分，按照下面計算方式分別計算每項一級指標的總分（S）。

式中：Sn為每項一級指標的總分，Ci為每項指標的評分，Wi為二級指標的權重。根據(jù)專家問卷和生態(tài)評價體系得出各個指標的權重(張依然等,2012)（表3）。

表3 各項二級指標權重Table 3 Weights for secondary indicators

根據(jù)目標決策分析法（Multiple Criteria Analysis），凈化不同水質水體所選一級標準的權重不同（慕哲哲,2022）。在污染嚴重的情況下，要求植物正常存活并發(fā)揮其凈化作用，植物特性以及凈化功能所占比重較高。結合專家問卷，4 個一級指標植物生長特性、凈化功能、經(jīng)濟功能和景觀功能的比重分別為0.32 : 0.55 : 0.04 : 0.09。而在污染輕微的情況下，植物生長特性和凈化功能的比重較污染嚴重時有所下降，但相較其他一級指標比重依舊很高。為保證濕地植物的正常生長及濕地出水水質，同時提升濕地植物景觀功能，確保濕地在凈水的同時，可滿足其觀賞價值(吳樹彪,2016)，4個一級指標的比值為0.3 : 0.41 : 0.06 : 0.23?？偟脑u分用下列算式計算：

式中：S為某種植物凈化效果的評價分數(shù)，Sn為每項一級指標的總分，Qn為一級指標的權重。

2 結果與分析

2.1 單種濕地植物的表現(xiàn)

根據(jù)文獻調查（李峰平,2017;童昌華等,2003;張清,2011;吳建強等,2006;涂燕,2007），得到9 種濕地植物的生長特性、凈化能力、經(jīng)濟功能和景觀功能等信息。根據(jù)二級指標的權重，計算得到每種植物對應的一級指標的分數(shù)。由表4 可見，浮萍的植物特性評分最高（0.96），說明浮萍在表流濕地中可以很好地生長，其次是蘆葦（0.86）。穗狀狐尾藻的水質凈化功能評分最高（0.88），其次是蘆葦（0.87），說明這兩種植物對水質凈化的能力優(yōu)于其他植物。浮葉植物和沉水植物的經(jīng)濟指標評分較高，可能是這些植物種植或移植采用野生植株引種的方式，不需要額外投入。眼子菜的景觀功能評分最高（0.64），其次是蘆葦（0.5），說明這兩種植物的景觀效果較為出色?？傮w來講，這9 種濕地植物在景觀功能方面的得分要低于其他指標，由此可見，通常濕地所采用的這9種植物更多考慮其生長與凈化特性，這也符合人工濕地凈化水質的主要功能（張清,2011）。

表4 濕地植物一級指標得分以及在兩種進水水質情況下的表現(xiàn)Table 4 Primary scores of 9 kinds of wetland plants and scores of two scenarios with different water quality

9 種濕地植物在水質污染嚴重和輕微污染情況下的凈水能力如表4 所示。在水質污染嚴重的情況下，蘆葦和穗狀狐尾藻表現(xiàn)最好（0.81），評分均高于0.8，屬于“優(yōu)”等級，這與王萌等（2010）在蘆葦人工濕地中的應用研究和向律成（2010）對穗狀狐尾藻在富營養(yǎng)化水質凈化的研究結果相符。在水質污染輕微的條件下，穗狀狐尾藻的表現(xiàn)最好（0.76），其次是蘆葦（0.75），在濕地植物種類單一的情況下，蘆葦和穗狀狐尾藻凈水能力要優(yōu)于其他7 種植物。

2.2 濕地植物組合的表現(xiàn)

在進水水質污染嚴重的情況下，蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻（169）組合評分最高，為0.8，屬于“優(yōu)”級；香蒲—鳳眼蓮—金魚藻（258）組合評分最低，為0.698，屬于“良”級（表5）。最優(yōu)組合蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻（169）凈化功能的平均分達到0.826（表4），屬于“優(yōu)”級，對氨氮、TN、TP 和COD 有很好的去除效果。蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻（169）組合的植物特性的平均分達到0.86，也屬“優(yōu)”級，說明其在污染嚴重的水體中及寒冷的地方可正常生長。蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻（169）組合社會經(jīng)濟和景觀功能的平均分分別為0.63 和0.44，分別屬于“良”和“中”。在進水水質差的情況下，對水質凈化和植物生長的要求較社會經(jīng)濟和景觀功能高，所以經(jīng)濟與景觀功能的評分對整體的評分不造成影響。

表5 濕地植物組合在兩種進水水質情況下的評分Table 5 Evaluated grades of 24 kinds of plant groups on two scenarios with different water quality

在進水水質污染較輕的情況下，如作為污水廠的三級處理或微污染景觀水的處理，對凈化能力有相對較低要求時，最高評分組合是蘆葦—鳳眼蓮—穗狀狐尾藻（159）組合，評分是0.74，屬于“良”級；最低評分組合是香蒲—浮萍—金魚藻（268），評分為0.647，屬于“中”級（表5）。最優(yōu)組合蘆葦—鳳眼蓮—穗狀狐尾藻（159）的植物特性、凈化功能、經(jīng)濟功能和景觀功能的平均得分分別為0.79、0.86、0.64、0.48，說明最高評分植物組合在輕微污染的水體中能很好地生長和凈化水體。

在這兩種污染情況下，植物組合在處于進水水質污染較輕的情況下，其評分要普遍低于進水水質污染嚴重的情況，可能的原因是在兩種情況下對植物特性和凈化能力的要求大體上相差不多，但處于進水水質污染較輕的情況下，其對植物景觀功能的要求要高于進水水質污染嚴重的情況。從表4 看來，這9 種植物的景觀功能評分普遍較低，所以在進水水質污染較輕的情況對景觀要求較高時，景觀功能這一指標的占比高，這些植物的景觀表現(xiàn)并不好，這對未來濕地植物的選擇有更高的觀賞要求。

蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻（169）組合可更好地應用于污染嚴重的水處理中，而蘆葦—鳳眼蓮—穗狀狐尾藻（159）組合可很好地應用在輕微污染的水處理中。在這兩種情況的最優(yōu)組合中，蘆葦和穗狀狐尾藻都被選中，因此，蘆葦和穗狀狐尾藻的應用范圍比較廣，可以處理水質范圍比較廣的進水。在處理污染嚴重的水中，浮萍被選中，而在污染較輕的水中，鳳眼蓮被選中。在這兩種情況下，蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻組合和蘆葦—鳳眼蓮—穗狀狐尾藻相互位于第1 名和第2 名，說明這兩個組合在這兩種情況下均可以發(fā)揮較好的作用。

3 討論

本研究的評價體系一級指標已涵蓋了濕地植物的基本要求，如若應用于具體項目，可根據(jù)當?shù)氐默F(xiàn)狀條件與要求增加或減少二級指標。在具體的項目中，還需根據(jù)人工濕地的標準和需求，對不同的指標進行重新定義權重，得到相應的植物組合評分。

在植物選擇上，要考慮當?shù)氐姆N植條件與環(huán)境，需遵循“適地適種”的原則。在植物特性方面，本研究僅考慮了耐污性、耐淹性、耐寒性和對土壤的要求，還有一些因素沒有考慮其中，如風的影響因素、光照等因素。在凈化能力方面，僅考慮營養(yǎng)元素和有機污染物的去除效果，沒有涉及植物對重金屬污染物也有一定的吸附積累效果（吳樹彪,2016），由于沉水植物尚無專業(yè)的生產(chǎn)，沉水植物的生產(chǎn)投入和管理經(jīng)驗的數(shù)據(jù)缺乏，因此，評價指標體系還需完善。

在景觀觀賞效果上，僅選擇了觀賞特性、開花時間和枯萎時間作為評價指標。濕地公園植物評價的景觀要求會相對更高，評價指標應更加豐富，同時也需考慮大眾對景觀的看法，需制定更加全面的景觀效果評價指標。植物在人工濕地中起到重要的作用，但有研究表明通過收獲植物生物量去除的氮、磷只占全部去除量的10%～16%（Vymazal,2007）。填料的過濾作用、沉淀和微生物對污染物的反應在人工濕地凈化過程中也起到重要的作用，因此，需結合最優(yōu)的植物搭配和最優(yōu)人工濕地的其他設置，更好地發(fā)揮人工濕地凈化水體的功能。

此研究只適用于表流人工濕地的植物配置。在潛流濕地中，進水流經(jīng)填料層，水的深度淺或者由覆土層封閉，沉水植物不適用于潛流濕地。有研究發(fā)現(xiàn)，生長在表流濕地和潛流濕地中的植物根系生物量存在顯著差別，對污水的凈化效果也不同（趙建剛等,2006），因此，潛流濕地中的植物配置需更深入的研究。

4 結論

本研究通過建立人工濕地植物評價體系，評價不同濕地植物組合在兩種不同污染水質情況下的表現(xiàn)。結果表明：蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻在水質較差的人工濕地中表現(xiàn)良好，而蘆葦—鳳眼蓮—穗狀狐尾藻在水質污染較輕的人工濕地中表現(xiàn)較好。此評價體系為廣義的體系，對于具體項目的濕地植物評價，需更加詳細并符合當?shù)丨h(huán)境條件的評價指標，評價體系需進一步改進。