人工湿地中植物的地位和作用研究进展

人工湿地中植物的地位和作用研究进展吴海明1, 张建1*, 李伟江2, 张波1, 谢慧君1（1. 山东大学环境科学与工程学院，济南250100； 2. 青岛理工大学，青岛266033）摘要：对国内外有关人工湿地系统中水生植物在污水净化过程中的地位和作用的相关研究成果进行了综述和评价，归纳了水生植物在人工湿地中的作用、去污机理和筛选人工湿地植物的一般原则，分析了人工湿地植物筛选研究中存在的问题，提出了进一步开展人工湿地植物相关研究的一些建议，为人工湿地系统中植物的选择提供参考。

关键词：人工湿地, 水生植物, 选择Review on the Research of Aquatic Plants Selection in Constructed W etlandWU Hai-ming1 , ZHANG Jian1* , LI Weijiang2, ZHANG Bo1, XIE Huijunj1(1. School of Environment Sci & Eng, Shandong University, Jinan 250100 2. Qingdao Technological University, Qingdao 266033)Abstract: The effects and selection of aquatic plants in constructed wetlands during the process of wastewater purification were reviewed in detail in this paper. The paper summarized the roles and removal mechanism of aquatic plants in constructed wetland, the principles of aquatic plants selection for constructed. The issues on aquatic plants in the constructed wetland system were analyzed to offer helpful reference for selection of aquatic plants in constructed wetland.Key words: Constructed wetland; Aquatic plant; Selection随着科技发展和人们生活质量的提高以及构建和谐社会的需要，环境污染问题受到越来越多的重视，特别是水环境污染治理问题对提高人民生活质量中有着举足轻重的地位[1-4]。

20 世纪60 年代末兴起的人工湿地研究与应用的热潮，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术正式进入水环境污染控制领域[5,6]。

人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术，与传统工艺相比，具有去除氮磷效果好、基建及运行费用低、管理方便等特点[7,8,9,10]。

不但可以去除和减少污染物，同时还能再造生态景观，改善区域气候，补充地下水，促进生态环境的良性循环[11,12]。

本文通过对前人研究工作的分析比较，重点阐述了国内外人工湿地植物作用及其筛选研究现状和存在的问题，并提出一些改进设想，为人工湿地系统中植物的选择提供参考。

1 人工湿地系统中植物的地位和作用美国湿地研究设计与管理专家Hammer将人工湿地定义为：为了满足人类的利用和利益，模拟自然湿地，人工设计建造的由饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体[13]。

人工湿地的基本组成由水体、基质、植物和微生物等部分构成的[14]。

其中，水生植物是其特点所在，它是人工湿地的最主要组成部分之一，在人工湿地去污系统其中起着重要作用。

人工湿地按不同水流方式分为表面流人工湿地、潜流人工湿地系统、垂直流人工湿地系统[15-24]。

湿地系统中的水生维管束植物有33科、124属、1000余种。

按生态类型,可分为湿生植物、挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物[25]。

如人工湿地中常见的芦苇、宽叶香蒲和灯心草等[26,27]。

*项目：NSFC-JST重大国际合作项目（50721140117），国家自然科学基金面上项目（50508019）。

通讯作者：张建，教授，主要研究方向为生态工程，Email:zhangjian00@。

1.1 植物在人工湿地中的作用（1）湿地植物对废水中营养物质吸收利用及对重金属和有害物质的吸附和富集作用。

废水中的氮以有机氮和无机氮两种形式存在，其中无机氮作为植物生长过程中不可缺少的营养物质，能以离子形式被植物吸收利；部分有机氮被微生物分解成氨氮后，也能被植物吸收利用。

当植物从污水中吸收氮元素后，将氮元素合成植物蛋白质等有机氮，最后通过对植物的收割将它们从湿地系统中去除。

废水中的无机磷在植物吸收及同化作用下可转化成植物的A TP、DNA、RNA等有机成分，然后通过植物的收割而移去[28]。

徐德福等[29]的研究表明，种植美人蕉、菩提子、凤眼莲和芦苇的湿地，对氮、磷去除率分别是10.91%～59.32%和50.13%～87.26%。

湿地植物还能吸附、富集一些有毒有害物质，如重金属铅、镉、汞、砷、钙、铬等[30]；还能与微生物共同作用去除有机物[31]。

Ellis 等(1994) 的研究结果显示湿地中宽叶香蒲和黑三棱能较好地摄取同化、吸附富集高速公路径流油类、有机物、铅和锌[32]。

（2）湿地植物的输氧作用。

人工湿地中植物能将光合作用产生的氧气通过气道输送至根区，通过改变根区的氧化还原电位影响基质中的生物地球化学循环[33]。

有研究表明,水生植物的输氧速率远比依靠空气向液面扩散速率大，植物的输氧功能对人工湿地降解污染物好氧的补充量远大于由空气扩散所得氧量[34]。

这种根区有氧区域和缺氧区域的共同存在为根区的好氧、兼性和厌氧微生物提供了适宜的根际微环境，使不同的微生物生长和繁殖，发挥相辅相成的作用。

例如：氮营养盐通过在好氧区的硝化过程将污水中的氨氮氧化为硝酸氮，而在缺氧区将硝酸盐，通过反硝化菌的作用，还原为亚硝酸盐，最终还原为氮气除去；磷营养盐则在还原区以磷酸盐的形式释放到流动相中，而在好氧区除磷菌有过度吸收磷酸盐的能力，将磷吸收去除。

通常人工湿地的输氧能力在5～45g O2/(m2·d) 之间,一般为20g O2/(m2·d)。

Achintya等[35]在研究芦苇根区氧含量的过程中证明芦苇在湿地中的输氧作用。

也有研究表明[36]，宽叶香蒲根系释放氧气的速率为0.12～0.20 mmol/(g·h)。

（3）湿地植物为微生物提供适宜生境。

微生物是人工湿地中另一重要组成部分。

在人工湿地中微生物的种类和数量极其丰富，因为人工湿地植物发达的根系通常形成一个网络状的结构，扩大了可供微生物吸附着生的表面积[8]；并且植物根系附近能形成好氧、缺氧和厌氧的不同微环境，为各种不同类型微生物的生长代谢提供了良好的生存环境，进而为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。

研究表明[29]，有植物的湿地系统，细菌数量显著高于无植物系统，且植物根部的细菌比介质处高1～2个数量级，植物的根系分泌物还可以促进某些嗜磷、氮细菌的生长，促进氮、磷释放、转化，从而间接提高净化率。

（4）湿地植物可加强和维持人工湿地良好运行。

维持人工湿地系统良好运行的首要条件就是保证湿地系统稳定的水力传输，湿地植物在其中起到非常重要的作用。

植物根和根系对介质具有穿透作用，能在介质中形成众多微小的气室或间隙，减小了介质的封闭性，增强了介质的疏松度，使得介质的水力传输得到加强和维持[37,38]。

植物的生长能加快天然土壤的水力传输程度，且当植物成熟时，根区系统的水容量增大[39]。

当植物的根和根系腐烂时，剩下许多的空隙和通道，也有利于土壤的水力传输[40 ]。

此外，湿地植物的种植密度也在一定程度上影响水力传输。

成水平研究发现，经过3～5 个月的污水处理后，不种植物的对照土壤介质板结，发生淤积，而种有水烛和灯芯草的人工湿地渗滤性能好[41]。

据报道[42]，即使较板结的土壤，在2～5 年之内，经过植物根系的穿透作用，其水力传输能力仍可与砂砾、碎石相当。

此外，湿地植物还具有抑藻效应[43]、景观效应，调节气候作用[44]，并且收割的湿地植物可用作造纸原料、编织材料、牲畜的饲料[45]。

1.2 人工湿地植物筛选的通用原则由于不同植物种类在吸收富集能力、根系伸展深度、传氧能力、生物量和抗逆性等方面存在差异，导致在人工湿地中的净化效果并不相同。

所以，筛选适合的人工湿地植物种类就成为建造人工湿地过程中至关重要的部分。

根据国内外研究经验，人工湿地中植物的选取可以遵循以下原则：（1）遵循当地气候特征和植被的分布状况以及人文景观条件，优先选用移栽后成活率高的本土植物，慎重引入外来植物，避免引发生物安全性问题[46]。

（2）选择去污能力强、净化效果好的的植物，一方面是植物在一个生理周期内的生物量较大，另一方面是植物体内储存的污染物浓度较高。

特别是重金属的去除应针对性地选择超累积植物种类。

（3）选用根系发达、生物量大的植物种类。

污水中的BOD5、COD、TN、TP主要是靠附着生长在水生植物根区表面及附近的微生物去除的，因此应选择根系比较发达的物种[47]。

（4）选择具有抗逆性的植物，即耐污能力，耐盐能力，抗冻、抗热能力，抗病虫害能力强的物种，有助于人工湿地生态系统的健康稳定发展[48]。

①耐污能力。

大多数植物对于污染这种特殊的逆境有一定的适应性，会产生一定的抗性，这种抗性在一定程度上具有遗传性，从而可以进行代间传递。

②耐盐能力。

根据实际情况的需要，如在盐沼地区若需要选用人工湿地技术，那么必须考虑选择耐盐能力强的植物物种。

③抗冻、抗热能力。

由于污水处理系统是全年连续运行的，故要求水生植物即使在恶劣的环境下也能基本正常生长，而那些对自然条件适应性较差或不能适应的植物都将直接影响净化效果。

如北方地区湿地植物应具有较强的耐寒能力。

④抗病虫害能力。

污水生态处理系统中的植物易滋生病虫害，抗病虫害能力直接关系到植物自身的生长与生存，也直接影响其在处理系统中的净化效果。

（5）选择有景观作用或一定经济价值（如生物质能）的植物[49]。

目前，发达国家的人工湿地污水处理系统在治污的同时引入园林设计的理念，将治污与营造生态公园融为一体，使保护环境与美化人们的生活相辅相成，产生非常好的效果。

目前，多数能源植物的研究尚处于实验和示范阶段。

（6）合理搭配不同植物物种。

多物种的生态系统比单一物种的系统要稳定，但也要考虑到不同种类的植物生长一起，不仅污染物净化能力和景观效果差异较大，而且存在着相互之间的作用[50]。