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)中進(jìn)行污水處理。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(kāi)，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(zhǎng)對(duì)氧氣和其他營(yíng)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(jiàn)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(guó)內(nèi)人工濕地除了常見(jiàn)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竦匚鬯幚怼?/p>

01 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(jiàn)表1）。從形態(tài)學(xué)上看濕地植物適于生長(zhǎng)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(zhǎng)；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(zhǎng)。

漂浮植物極具多樣性，無(wú)論從其形態(tài)還是生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)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(zhǎng)在水里的根部，形態(tài)上均看起來(lái)非常短小，例如浮萍。自然條件下，漂浮植物喜歡生長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)，長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yíng)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HCO3-作為碳源。沉水植物在水下吸收CO2，經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后再傳遞給莖葉，待其生長(zhǎng)季結(jié)束后，再將營(yíng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)重新回到水中或水底底泥。

02 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(guò)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。

2.1 遮光作用

對(duì)于自由表面流人工濕地來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)，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(zhǎng)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(lái)自于瑞士、挪威、德國(guó)、捷克、美國(guó)和韓國(guó)。

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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

濕地植物的成長(zhǎng)和繁殖均需要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有根的大型水生植物主要靠根系來(lái)攝取營(yíng)養(yǎng)。由于濕地植物生長(zhǎng)密集且生物量大，故其生物量中營(yíng)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(yíng)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/hm2）表示，計(jì)算植被中的養(yǎng)分積累量。人工濕地植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的蘊(yùn)藏量與自然濕地相似。對(duì)于常見(jiàn)的蘆葦和寬葉香蒲等體型高大的挺水植物來(lái)說(shuō)，其地上氮含量通常為30~50 g/m2，磷含量通常為2~5 g/ m2。然而，植物體的地上營(yíng)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(lái)說(shuō)也是微不足道的，濕地植物的生物量中所螯合的營(yíng)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/m2和262 gP/m2。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(guò)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被分解再返回到水中。在地上生物量分解過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)時(shí)，根系會(huì)過(guò)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(zhǎng)在基質(zhì)中的植物的根和根莖必須通過(guò)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(zhǎng)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 gO2/（m2•d），沉水植物為0.5~5.2gO2/(m2•d)，漂浮植物為0.25~9.6 gO2/（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(jiàn)的為有機(jī)化合物，例如厭氧代謝產(chǎn)物、有機(jī)酸、植物營(yíng)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?，從而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(méi)食子酸的釋放以及參與重金屬循環(huán)與去除的植物營(yíng)養(yǎng)素和植物螯合素。

2.8 用作微生物生長(zhǎng)載體

大型水生植物浸沒(méi)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(zhǎng)載體。一方面，藻類可氧化水體吸收營(yíng)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(zhǎng)，甚至導(dǎo)致植物生長(zhǎng)衰退。

2.9 為細(xì)菌生長(zhǎng)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禃?huì)促進(jìn)微生物群落發(fā)展。有人提出生長(zhǎng)在植物根系表面的微生物，通過(guò)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(guò)程中，堵塞是不可避免的問(wèn)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(wèn)題的原因。在早期的研究中，有人提出植物根系的生長(zhǎng)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(kāi)細(xì)孔，通過(guò)植物表面這些開(kāi)放性細(xì)孔，使污水滲透下去的同時(shí)過(guò)濾掉了懸浮固體，從而減輕堵塞問(wèn)題。

2.11 美學(xué)價(jià)值

近年來(lái)，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(zhǎng)期以來(lái)，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(kāi)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(lái)越多。

03 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(jiàn)圖2）， 但在某些地區(qū)，如美國(guó)、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(lái)說(shuō)，蘆葦幾乎成為了歐洲地區(qū)的專用。在中國(guó)，不管是水平流還是垂直流的人工濕地，常見(jiàn)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(jiàn)圖3）。

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(jiàn)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(jiàn)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）。

04 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(zhǎng)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(lái)說(shuō)，許多發(fā)展中國(guó)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(guó)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 hm2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牧虾?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。

05 結(jié)語(yǔ)

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(guò)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(guò)多的營(yíng)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(guó)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(jiàn)于中國(guó)。

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