全康環(huán)保:天然的濕地植物在形態(tài)和解剖學(xué)上均能適應氧含量較低的生態(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定塘區分開(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光與風(fēng)力對濕地的影響，為濕地基質(zhì)提供保溫作用，滿(mǎn)足根區微生物生長(cháng)對氧氣和其他營(yíng)養成分的需求，還能截留部分污染物預防濕地堵塞，并具有其特有的美學(xué)價(jià)值，在不同類(lèi)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(yú)藻屬；挺水植物如蘆葦、香蒲屬。而國內人工濕地除了常見(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(chē)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，研究方向為人工濕地污水處理。

01 濕地植物概述

濕地植物根據生活形態(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(cháng)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?chē)毖醯沫h(huán)境中創(chuàng )造了氧化條件，從而促進(jìn)了有機物的分解以及硝化細菌的生長(cháng)；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(cháng)。

漂浮植物極具多樣性，無(wú)論從其形態(tài)還是生長(cháng)環(huán)境來(lái)看，不同種類(lèi)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，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(cháng)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(cháng)于富含養分的流動(dòng)水域，它們從水中汲取養分后快速生長(cháng)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)災難，因此它們在熱帶和亞熱帶地區也是臭名昭著(zhù)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。為適應風(fēng)浪，其葉柄通常柔韌細長(cháng)，長(cháng)度可達3 m。水面上莖葉的壽命很短（30~50 d），因此到了生長(cháng)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較大，沉到水底使得水底有機物沉積速度加快，抬升湖底高度。

沉水植物一般生長(cháng)在水面下大約10 m的透光區內，其植物體完全沉于水汽界面以下，根扎于底泥中。通常認為沉水植物從水底底泥中吸收營(yíng)養物質(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最主要的濕地植物類(lèi)型。他們的生長(cháng)范圍非常廣，耐水深度為0.5~2 m甚至更多。其細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)養物質(zhì)后再傳遞給莖葉，待其生長(cháng)季結束后，再將營(yíng)養物質(zhì)轉移到根部，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(zhù)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(zhù)密切的聯(lián)系，因此在設計人工濕地時(shí)，必須要考慮植物的部分。在不同類(lèi)型的濕地結構中植物所起的作用如表2所示，植物在人工濕地系統中的多重功能如圖1所示。

2.1 遮光作用

對于自由表面流人工濕地來(lái)說(shuō)，植物對光線(xiàn)的衰減起到了很大的作用，而對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(xiàn)的減弱會(huì )抑制其生長(cháng)，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(cháng)的同時(shí)，也使得水中含氧量降低。這一點(diǎn)尤其體現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，植物對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，同時(shí)利用植物和雪層，對人工濕地系統也會(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)間對污染物去除效果和運行的穩定性。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、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，因為它為懸浮固體的沉積創(chuàng )造了適宜的條件，并防止其因為風(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到類(lèi)似的效果。

2.4 去除氮、磷等營(yíng)養物質(zhì)

濕地植物的成長(cháng)和繁殖均需要營(yíng)養物質(zhì)，有根的大型水生植物主要靠根系來(lái)攝取營(yíng)養。由于濕地植物生長(cháng)密集且生物量大，故其生物量中營(yíng)養物質(zhì)所占比重是相當大。物質(zhì)在特定隔室中的總儲存稱(chēng)為“蘊藏量”，通常將植物組織中的營(yíng)養物濃度乘以每單位面積的植物生物量進(jìn)行計算，并以單位面積質(zhì)量（通常為g/m2或kg/hm2）表示，計算植被中的養分積累量。人工濕地植物營(yíng)養物質(zhì)的蘊藏量與自然濕地相似。對于常見(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)養物質(zhì)蘊含量即使達到最高，但相對于每年流入人工濕地系統的市政污水的負荷量來(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)養物質(zhì)含量還不到進(jìn)水氮負荷的10％、磷負荷的5％。Vymazal和Kr?pfelová的研究表明，水平流人工濕地進(jìn)水的氮和磷平均負荷分別為1158 gN/m2和262 gP/m2。當然，在熱帶和亞熱帶地區，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)水污染物負荷。在低負荷人工濕地中，植物本身螯合所需要的營(yíng)養物質(zhì)量便可以去除水中大部分負荷。如果濕地中碳源不足，那么植物生物量中的營(yíng)養物質(zhì)被分解再返回到水中。在地上生物量分解過(guò)程中，所釋放的有機化合物可作為反硝化的碳源。特別是在低負荷人工濕地系統中，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(zhù)在周叢生物（附著(zhù)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中，當污（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(cháng)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(cháng)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、季節變化以及研究中使用的不同實(shí)驗技術(shù)共同決定。但是，可氧化區域卻僅限于與根相鄰的薄土壤層中。

2.7 分泌有機物

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)的為有機化合物，例如厭氧代謝產(chǎn)物、有機酸、植物營(yíng)養素、肽（比如植物螯合素）、生物堿以及酚類(lèi)、萜類(lèi)化合物和類(lèi)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果，但有報告給出了大致范圍，通常在光合固定碳的5%~25％以?xún)?。由植物根系產(chǎn)生的這種有機碳可以作為脫氮劑的碳源，從而增加硝酸鹽去除效果。雖然根系產(chǎn)物有很多種類(lèi)和功能，但是在人工濕地污水處理系統中，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)養素和植物螯合素。

2.8 用作微生物生長(cháng)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(zhù)生物如光合藻類(lèi)、細菌和原生動(dòng)物提供生長(cháng)載體。一方面，藻類(lèi)可氧化水體吸收營(yíng)養物質(zhì)，細菌分解有機物；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(cháng)，甚至導致植物生長(cháng)衰退。

2.9 為細菌生長(cháng)提供底物

許多研究都表明，植物的根際具有多種多樣的細菌生物，通常認為種植植物的濕地比未種植植物的濕地優(yōu)良，主要是因為植物根系會(huì )促進(jìn)微生物群落發(fā)展。有人提出生長(cháng)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，從而提高其數量及生物活性。有研究指出，植物根系比表面積不同，其細菌微生物密度也隨之變化。在種植植物的濕地系統中，微生物密度明顯大于未種植植物的濕地系統。Paul等研究了植物對特定根際其他生物群體的影響，其中距離根部距離1 mm內的細菌總數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、系統中形成的生物膜沉淀、好氧區氫氧化物的沉淀及厭氧區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(cháng)會(huì )提高水力傳導性，但該假設并未得到證實(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?chē)鷷?huì )打開(kāi)細孔，通過(guò)植物表面這些開(kāi)放性細孔，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(zhù)人工濕地污水處理系統在世界范圍內的廣泛應用，濕地植物的美學(xué)價(jià)值也得到了廣泛的認可。長(cháng)期以來(lái)，在景觀(guān)設計師眼中，濕地植物和水或廢水組成的系統是城市景觀(guān)設計和開(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(guān)。如今，利用濕地植物進(jìn)行城市景觀(guān)設計的成功案例越來(lái)越多。

03 大型水生植物在人工濕地系統中的應用

在水平流人工濕地中，蘆葦、香蒲類(lèi)、水蔥類(lèi)是目前世界范圍內最多的植物（見(jiàn)圖2）， 但在某些地區，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用。對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的專(zhuān)用。在中國，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(chē)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(lèi)和荸薺類(lèi)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(lèi)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。與其他類(lèi)型植物相比，沉水植物在人工濕地中的應用則較少，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(lèi)（歐亞水蓍草）、金魚(yú)藻類(lèi)（益氣草）和茨藻類(lèi)（孔雀草）。

04 植物對人工濕地污水處理系統的影響

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(cháng)通常具有季節性；（2）植物生物量太小，不足以支持全年的系統運行。

一般來(lái)說(shuō)，許多發(fā)展中國家在設計人工濕地污水處理系統時(shí)，除了想要達成污（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(guān)賞的商業(yè)價(jià)值。該作者得出結論，在人工濕地中種植這些植物，不會(huì )降低系統的處理效果。此外，Brix等人在人工濕地中應用了泰國花卉市場(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(hù)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的原材料和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。

05 結語(yǔ)

植物是人工濕地污水處理系統的標志特征，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濕地基質(zhì)的保溫，對光和風(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，這些功能根據人工濕地類(lèi)型的不同發(fā)揮著(zhù)不同的作用效果。世界范圍內人工濕地中最常用的植物是蘆葦和香蒲類(lèi)植物，當然，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(lèi)的植物也常見(jiàn)于中國。