摘要

天然的濕地植物在形態(tài)和解剖學(xué)上均能適應(yīng)氧含量較低的生態(tài)環(huán)境，因此，它們可用于人工濕地系統(tǒng)中處理污水。而人工濕地中的植物不僅將人工濕地與穩(wěn)定塘區(qū)分開，同時(shí)為污染物的去除創(chuàng)造適合的條件。人工濕地中的植物不僅能減弱強(qiáng)光與風(fēng)力對(duì)濕地的影響，為濕地基質(zhì)提供保溫作用，滿足根區(qū)微生物生長對(duì)氧氣和其他營養(yǎng)成分的需求，還能截留部分污染物預(yù)防濕地堵塞，并具有其特有的美學(xué)價(jià)值，在不同類型的人工濕地中發(fā)揮不同程度的作用。最常見的人工濕地植物有漂浮植物如鳳眼蓮、浮萍；沉水植物如狐尾藻屬、金魚藻屬；挺水植物如蘆葦、香蒲屬。而國內(nèi)人工濕地除了常見以上這些植物外，還常用一些其他的沉水植物，比如蘆竹、再力花、風(fēng)車草以及美人蕉等。

Jan Vymazal (1955- ) ，捷克生命科學(xué)大學(xué)環(huán)境科學(xué)學(xué)院 教授，研究方向?yàn)槿斯�濕地污水處理�?/span>

0 1

濕地植物概述

濕地植物根據(jù)生活形態(tài)不同可分為四種：挺水、漂浮、浮葉根生和沉水植物（見表1 ）。從形態(tài)學(xué)上看濕地植物適于生長在水體底泥中，一方面由于其具有龐大的根系，因而能借助發(fā)達(dá)的通氣組織向根和根莖輸送氧氣，輸送至根系的部分氧氣在周圍缺氧的環(huán)境中創(chuàng)造了氧化條件，從而促進(jìn)了有機(jī)物的分解以及硝化細(xì)菌的生長；另一方面由于植物本身的形態(tài)，物理和行為特性及其可再生性等特點(diǎn)，均使植物適合在缺氧/厭氧的土壤和沉積物中生長。

表1 濕地植物種類

類型	常見品種
漂浮植物	鳳眼蓮, 水芙蓉, 浮萍
沉水植物	狐尾藻, 金魚藻, 眼子菜類
浮葉根生植物	荇菜, 歐亞萍蓬草,蓮
挺水植物	蘆葦，虉草，香蒲, 傘草, 蘆竹, 美人蕉, 再力花, 燈芯草, 藨草屬, 茭白

漂浮植物極具多樣性，無論從其形態(tài)還是生長環(huán)境來看，不同種類之間的差異非常大。有的漂浮植物植株高大，枝葉叢生呈蓮狀或漂浮在水面且根系于水中非常發(fā)達(dá)，例如水葫蘆；而有的漂浮植物卻很簡(jiǎn)單，不管是漂在水面的枝葉還是長在水里的根部，形態(tài)上均看起來非常短小，例如浮萍。自然條件下，漂浮植物喜歡生長于富含養(yǎng)分的流動(dòng)水域，它們從水中汲取養(yǎng)分后快速生長繁殖，非常容易覆蓋整個(gè)水體表面，破壞水生生態(tài)平衡，為水體帶來災(zāi)難，因此它們?cè)跓釒Ш蛠啛釒У貐^(qū)也是臭名昭著的水生害草。

浮葉根生植物的根部或莖扎于水底底泥中，莖葉漂浮于水面。為適應(yīng)風(fēng)浪，其葉柄通常柔韌細(xì)長，長度可達(dá)3 m 。水面上莖葉的壽命很短（30~50 d ），因此到了生長季，水面上的枝葉一年會(huì)換4~8次。這些根莖的生物量相對(duì)較大，沉到水底使得水底有機(jī)物沉積速度加快，抬升湖底高度。

沉水植物一般生長在水面下大約10 m 的透光區(qū)內(nèi)，其植物體完全沉于水汽界面以下，根扎于底泥中。通常認(rèn)為沉水植物從水底底泥中吸收營養(yǎng)物質(zhì)，但特別的是他們從水體中吸收磷源。很多沉水植物主要是以二氧化碳作為主要的甚至唯一碳源，但也有研究顯示，大量沉水植物在自然環(huán)境中可以利用HCO 3-作為碳源。沉水植物在水下吸收CO 2，經(jīng)過光合作用后釋放出氧氣，同時(shí)使得水中的化學(xué)成分被改變。

挺水植物是世界范圍內(nèi)最主要的濕地植物類型。他們的生長范圍非常廣，耐水深度為0.5~2 m 甚至更多。其細(xì)胞壁含有的纖維素使其具有一定的韌性。挺水植物的根部從底泥中吸收營養(yǎng)物質(zhì)后再傳遞給莖葉，待其生長季結(jié)束后，再將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到根部，其上部的莖葉部分衰老后，腐殖質(zhì)又浸入水中，營養(yǎng)物質(zhì)重新回到水中或水底底泥。

0 2

植物在人工濕地中的作用

大型水生植物的存在是人工濕地最顯著的特征之一，也是人工濕地有別于天然的土壤過濾器或泄湖的主要原因。植物本身所具有的許多性質(zhì)與污染物的去除有著密切的聯(lián)系，因此在設(shè)計(jì)人工濕地時(shí)，必須要考慮植物的部分。在不同類型的濕地結(jié)構(gòu)中植物所起的作用如表2所示，植物在人工濕地系統(tǒng)中的多重功能如圖 1所示。

表2 植物對(duì)不同類型人工濕地的作用

	潛流型 (SSF)	自由表面流型 (FWS)
	水平流	垂直流	挺水型	漂浮型	沉水型
遮光作用			+	+	+
保溫作用	+	+
降低風(fēng)速			+	+	+
攝取/ 儲(chǔ)存營養(yǎng)物	+	+	+	+	+
過濾作用	+	+	+	+	+
產(chǎn)氧作用	+	+		+	+
釋放有機(jī)物	+	+		+
生物附著面			+	+	+
細(xì)菌附著面	+	+	+	+	+
預(yù)防堵塞		+
美學(xué)價(jià)值	+	+	+	+

圖1 植物在人工濕地中的作用示意

2.1 遮光作用

對(duì)于自由表面流人工濕地來說，植物對(duì)光線的衰減起到了很大的作用，而對(duì)于潛流人工濕地的影響較小。浮游生物作為懸浮固體的指示生物，光線的減弱會(huì)抑制其生長，然而，浮游植物是水中氧氣的主要生產(chǎn)者，因此光衰減抑制浮游植物的生長的同時(shí)，也使得水中含氧量降低。這一點(diǎn)尤其體現(xiàn)在自由表面流人工濕地中的鳳眼蓮（水葫蘆）或浮萍屬（浮萍）。

2.2 保溫作用

在寒冷條件下，尤其是溫帶和寒冷氣候的地區(qū)，植物對(duì)人工濕地濾床的保溫作用非常明顯。即使在北緯68 °的挪威地區(qū)，同時(shí)利用植物和雪層，對(duì)人工濕地系統(tǒng)也會(huì)有很好的保溫作用。一般在春天霜重或深秋時(shí)收割植物，收割后的濕地植物覆蓋在濕地表面對(duì)其填料基質(zhì)起到了保溫效果。這樣才能保證人工濕地全年時(shí)間對(duì)污染物去除效果和運(yùn)行的穩(wěn)定性。許多人研究了垂直流人工濕地一整年的處理性能，其中還有些對(duì)氨氮和總氮處理性能的研究，這些研究分別來自于瑞士、挪威、德國、捷克、美國和韓國。

2.3減弱風(fēng)速

種植密集的大型水生植物可以大大降低濕地表面的風(fēng)速。這種作用在垂直流人工濕地中尤為重要，因?yàn)樗鼮閼腋」腆w的沉積創(chuàng)造了適宜的條件，并防止其因?yàn)轱L(fēng)吹再次懸浮，從而提高了懸浮固體的去除率。密集種植的漂浮植物如鳳眼蓮便可以達(dá)到類似的效果。

2.4去除氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)

濕地植物的成長和繁殖均需要營養(yǎng)物質(zhì)，有根的大型水生植物主要靠根系來攝取營養(yǎng)。由于濕地植物生長密集且生物量大，故其生物量中營養(yǎng)物質(zhì)所占比重是相當(dāng)大。物質(zhì)在特定隔室中的總儲(chǔ)存稱為“蘊(yùn)藏量”，通常將植物組織中的營養(yǎng)物濃度乘以每單位面積的植物生物量進(jìn)行計(jì)算，并以單位面積質(zhì)量（通常為g/m2或kg/hm 2）表示，計(jì)算植被中的養(yǎng)分積累量。人工濕地植物營養(yǎng)物質(zhì)的蘊(yùn)藏量與自然濕地相似。對(duì)于常見的蘆葦和寬葉香蒲等體型高大的挺水植物來說，其地上氮含量通常為30~50 g/m 2，磷含量通常為2~5 g/ m 2。然而，植物體的地上營養(yǎng)物質(zhì)蘊(yùn)含量即使達(dá)到最高，但相對(duì)于每年流入人工濕地系統(tǒng)的市政污水的負(fù)荷量來說也是微不足道的，濕地植物的生物量中所螯合的營養(yǎng)物質(zhì)含量還不到進(jìn)水氮負(fù)荷的10 ％、磷負(fù)荷的5％。Vymazal和Kröpfelová的研究表明，水平流人工濕地進(jìn)水的氮和磷平均負(fù)荷分別為1158 gN/m 2和262 gP/m 2。當(dāng)然，在熱帶和亞熱帶地區(qū)，濕地植物每年可收割多次，通過多次收割植物便可以去除大部分的進(jìn)水污染物負(fù)荷。在低負(fù)荷人工濕地中，植物本身螯合所需要的營養(yǎng)物質(zhì)量便可以去除水中大部分負(fù)荷。如果濕地中碳源不足，那么植物生物量中的營養(yǎng)物質(zhì)被分解再返回到水中。在地上生物量分解過程中，所釋放的有機(jī)化合物可作為反硝化的碳源。特別是在低負(fù)荷人工濕地系統(tǒng)中，這種碳源也許就顯得尤為重要。

2.5去除懸浮固體

在水平流人工濕地中，較大粒徑的懸浮固體會(huì)被大型挺水植物的莖葉過濾掉，而小粒徑的懸浮固體則會(huì)附著在周叢生物（附著在水生植物體表或水底各種基質(zhì)表面上的微型生物群落）或濕地基質(zhì)的生物膜上。有些水平流人工濕地表面有漂浮植物，如鳳眼蓮或者可以形成漂浮在水面上的草墊型的挺水植物，這些漂浮植物密集的根系便可以過濾掉固體懸浮物。在潛流人工濕地系統(tǒng)中，當(dāng)污（廢）水從植物根部流過時(shí)，根系會(huì)過濾掉其中的懸浮固體。

2.6產(chǎn)氧作用

由于水面以下的濕地基質(zhì)中缺乏氧氣，生長在基質(zhì)中的植物的根和根莖必須通過植物體的氣腔從其空中器官中獲得氧氣。從解剖學(xué)上看，濕地植物的主要特征是就是其具有發(fā)達(dá)的氣腔組織，即“通氣組織”。在植物的葉，莖，根部等不同部位，都有通氣組織的存在，約占植物總組織體積的60％。濕地植物的生長形態(tài)本身傾向于盡量減少根際的氧氣損失，但是根部的通氣組織仍然會(huì)從根部釋放氧氣。在一些文獻(xiàn)中，已經(jīng)給出了不同植物的氧釋放速率。蘆葦屬植物為0.02~12 gO 2/ （m2•d ），沉水植物為0.5~5.2 gO2/(m2•d) ，漂浮植物為0.25~9.6 gO 2/ （m2•d）。氧氣的釋放范圍具體是由于物種差異、季節(jié)變化以及研究中使用的不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)共同決定。但是，可氧化區(qū)域卻僅限于與根相鄰的薄土壤層中。

2.7分泌有機(jī)物

植物的根系不僅能釋放氧氣，還能產(chǎn)生一些其他物質(zhì)。常見的為有機(jī)化合物，例如厭氧代謝產(chǎn)物、有機(jī)酸、植物營養(yǎng)素、肽（比如植物螯合素）、生物堿以及酚類、萜類化合物和類固醇。這些物質(zhì)具體能釋放出多少的比例至今還未有研究結(jié)果，但有報(bào)告給出了大致范圍，通常在光合固定碳的5%~25 ％以內(nèi)。由植物根系產(chǎn)生的這種有機(jī)碳可以作為脫氮?jiǎng)┑奶荚矗瑥亩�增加硝酸鹽去除效果。雖然根系產(chǎn)物有很多種類和功能，但是在人工濕地污水處理系統(tǒng)中，最重要的有可能是抗菌化合物，例如單寧酸和沒食子酸的釋放以及參與重金屬循環(huán)與去除的植物營養(yǎng)素和植物螯合素。

2.8用作微生物生長載體

大型水生植物浸沒在水下的莖和葉為生物膜的形成提供了巨大的表面積。沉水植物的組織為固著生物如光合藻類、細(xì)菌和原生動(dòng)物提供生長載體。一方面，藻類可氧化水體吸收營養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)菌分解有機(jī)物；而另一方面，由于植物組織上聚集了大量其他生物，這些密集的生物可能會(huì)吸收光合有效輻射，導(dǎo)致植物葉子表面缺乏光照作用，從而限制了沉水植物的生長，甚至導(dǎo)致植物生長衰退。

2.9為細(xì)菌生長提供底物

許多研究都表明，植物的根際具有多種多樣的細(xì)菌生物，通常認(rèn)為種植植物的濕地比未種植植物的濕地優(yōu)良，主要是因?yàn)橹参锔�系�?huì)促進(jìn)微生物群落發(fā)展。有人提出生長在植物根系表面的微生物，通過利用根系分泌物的碳化物和根系釋放的氧，從而提高其數(shù)量及生物活性。有研究指出，植物根系比表面積不同，其細(xì)菌微生物密度也隨之變化。在種植植物的濕地系統(tǒng)中，微生物密度明顯大于未種植植物的濕地系統(tǒng)。Paul 等研究了植物對(duì)特定根際其他生物群體的影響，其中距離根部距離1 mm內(nèi)的細(xì)菌總數(shù)通常比根系表面的高10倍。

2.10減輕堵塞

潛流人工濕地系統(tǒng)在處理污水過程中，堵塞是不可避免的問題。懸浮固體的沉淀、系統(tǒng)中形成的生物膜沉淀、好氧區(qū)氫氧化物的沉淀及厭氧區(qū)碳酸鹽和硫化物等均是造成堵塞問題的原因。在早期的研究中，有人提出植物根系的生長會(huì)提高水力傳導(dǎo)性，但該假設(shè)并未得到證實(shí)。在垂直流人工濕地中，通常污（廢）水首先流入濕地表面，而大型水生植物的存在有助于防止堵塞。植物在風(fēng)力作用下，其莖葉周圍會(huì)打開細(xì)孔，通過植物表面這些開放性細(xì)孔，使污水滲透下去的同時(shí)過濾掉了懸浮固體，從而減輕堵塞問題。

2.11 美學(xué)價(jià)值

近年來，隨著人工濕地污水處理系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，濕地植物的美學(xué)價(jià)值也得到了廣泛的認(rèn)可。長期以來，在景觀設(shè)計(jì)師眼中，濕地植物和水或廢水組成的系統(tǒng)是城市景觀設(shè)計(jì)和開發(fā)中可利用的絕佳元素。如果能更好地利用各種濕地植物，將會(huì)是美學(xué)上又一美好的景觀。如今，利用濕地植物進(jìn)行城市景觀設(shè)計(jì)的成功案例越來越多。

0 3

大型水生植物在人工濕地系統(tǒng)中的應(yīng)用

在水平流人工濕地中，蘆葦、香蒲類、水蔥類是目前世界范圍內(nèi)最多的植物（見圖2）， 但在某些地區(qū)，如美國、新西蘭和澳大利亞，這幾種植物屬于非本地的入侵物種，因此不推薦甚至禁止在人工濕地中應(yīng)用。對(duì)于垂直流人工濕地的植物來說，蘆葦幾乎成為了歐洲地區(qū)的專用。在中國，不管是水平流還是垂直流的人工濕地，常見的濕地植物有蘆葦、美人蕉、再力花、風(fēng)車草、蘆竹、芒草、香根草等（見圖3）。

圖2幾種應(yīng)用廣泛的人工濕地植物

A ：蘆葦（常見蘆葦）; B ：蘆葦（水蔥類）; C ：香蒲（闊葉香蒲）; D ：虉草（利甘草）（J. Vymazal攝）

香蒲和水蔥是北美州和大洋洲水平流人工濕地中最常用的挺水植物，而在歐洲和亞洲，水平流人工濕地植物最常用的是香蒲和蘆葦。其他常見的植物還有燈芯草類和荸薺類的植物，這兩種在北美洲和大洋洲更多一些。

水葫蘆、水萵苣和浮萍類植物是人工濕地中最常見的漂浮植物，但水葫蘆和水萵苣只存在于亞熱帶和熱帶地區(qū)。與其他類型植物相比，沉水植物在人工濕地中的應(yīng)用則較少，因此不屬于常用物種。也有些用到的沉水植物，基本屬于狐尾藻類（歐亞水蓍草）、金魚藻類（益氣草）和茨藻類（孔雀草）。

圖3中國一些常見應(yīng)用的濕地植物

A ：美人蕉科（美人蕉）; B ：風(fēng)車草屬（傘草）; C ：巖蘭草屬(香根草）; D ：塔利亞屬（再力花）; E ：蘆竹; F ：芒草（荻） (J. Vymazal攝)

0 4

植物對(duì)人工濕地污水處理系統(tǒng)的影響

盡管人工濕地污水處理技術(shù)已經(jīng)存在有50 多年，但是利用濕地植物的生物量處理污水的嘗試仍然非常稀缺，其主要原因有：（1）植物的生長通常具有季節(jié)性；（2）植物生物量太小，不足以支持全年的系統(tǒng)運(yùn)行。

一般來說，許多發(fā)展中國家在設(shè)計(jì)人工濕地污水處理系統(tǒng)時(shí)，除了想要達(dá)成污（廢）水處理的目的外，還想尋求其他用途，在這種情況下便會(huì)嘗試使用濕地植物。例如，Zurita 等人在墨西哥的一個(gè)水平流人工濕地試點(diǎn)工程中，使用了馬蹄蓮、鶴眼鶴、安祖花和非洲鳳葵，使得濕地具有了觀賞的商業(yè)價(jià)值。該作者得出結(jié)論，在人工濕地中種植這些植物，不會(huì)降低系統(tǒng)的處理效果。此外，Brix 等人在人工濕地中應(yīng)用了泰國花卉市場(chǎng)上的植物龍蝦爪和美人蕉。

在溫帶地區(qū)和北方地帶，在人工濕地種植的大型水生植物如香蒲和蘆葦，可作為生態(tài)型建筑材料。Maddison 等人研究了由香蒲、蘆葦碎片以及棉纖維混合的一種黏土，具有很好的吸濕和解吸能力。原先的黏土吸收空氣中的水分比較慢，而石膏墻板吸水則需要更多的時(shí)間，但添加了植物油就能減少黏土砂膏的質(zhì)量，從而起到了加速吸濕的作用。

粗略的計(jì)算表明，1 hm 2的人工濕地每年可以收割大量的植物—— 植物可收割的生物量(干質(zhì)量)為0.30~1.76 kg/m2），最多可提供3 戶住宅的房屋隔熱材料。若是收割香蒲，則其纖維材料可用于25 棟房屋；若是蘆葦，則可作為兩幢屋茅屋頂?shù)脑�材料�?/span>3座房屋的隔熱板材料。然而，由于重金屬積累在香蒲根和根莖中，因此收割水面以上的植物部分是不能從濕地中去除較多的重金屬。

0 5

結(jié)語

植物是人工濕地污水處理系統(tǒng)的標(biāo)志特征，在處理污水的過程中起許多重要作用。雖然植物的直接作用很小，但卻間接創(chuàng)造了適合污染物去除的條件。植物的其他重要作用還包括了對(duì)濕地基質(zhì)的保溫，對(duì)光和風(fēng)的衰減，向根圈提供氧氣，吸收水中過多的營養(yǎng)物質(zhì)，防止基質(zhì)堵塞并具有美學(xué)價(jià)值，這些功能根據(jù)人工濕地類型的不同發(fā)揮著不同的作用效果。世界范圍內(nèi)人工濕地中最常用的植物是蘆葦和香蒲類植物，當(dāng)然，這些植物在中國也是常用的濕地植物。此外，蘆竹、再力花、馬鞭草、美人蕉等這些種類的植物也常見于中國。

本文發(fā)表于《中國給水排水》2021年第2期，作者及其單位如下：

Jan Vymazal1,2， 衛(wèi)婷3,4，趙亞乾2,3,5，Ülo Mander 2,6，F(xiàn)lorent Chazarenc2,7，劉然彬8，周敏偉2

本文標(biāo)準(zhǔn)著錄格式：

Jan Vymazal, 衛(wèi)婷，趙亞乾，等. 細(xì)數(shù)植物在人工濕地污水處理中的作用[J]. 中國給水排水，2021，37（2）：25-30.

JAN Vymazal, WEI Ting, ZHAO Yaqian, et al. Counting the role of plants in constructed wetland for wastewater treatment[J]. China Water & Wastewater, 2021, 37(2): 25-30(in Chinese).

編輯： 李德強(qiáng)

制作：文 凱