陶正凯 陶梦妮 王印 王玥 谢婷玉 荆肇乾

摘要：植物对于人工湿地处理系统的稳定性、处理效率等都有重要影响，依照生长特性和植物种属分类列举了常见人工湿地植物。综述了人工湿地植物的适应能力、景观效应、综合利用、净化能力、根系作用、维护管理、物种搭配和丰度等方面的研究现状，以期为人工湿地植物选配提供参考。人工湿地植物选配应根据水处理需求，优先考虑湿地植物的适应能力和净化能力，同時综合考虑维护管理等其他因素。

关键词：湿地植物;植物分类;植物选择

中图分类号：X-1;X5         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）01-0044-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.01.010           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Selection and Application of Constructed Wetland Plants

TAO Zheng-kai，TAO Meng-ni，WANG Yin，WANG Yue，XIE Ting-yu，JING Zhao-qian

（School of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

Abstract： Plants have an important impact on the stability and treatment efficiency of constructed wetland treatment systems. The common constructed wetland plants are listed according to their growth characteristics and plant species. The research status of adaptability， landscape effects， comprehensive utilization， purification ability， root function， maintenance management， species matching and abundance of constructed wetland plants were reviewed， in order to provide reference for the selection of constructed wetland plants. The selection of constructed wetland plants should be based on water treatment needs， giving priority to wetland plants adaptability and purification capacity， but also on the comprehensive consideration of other factors such as maintenance management.

Key words： wetland plants; plant classification; plant selection

人工湿地是模拟自然湿地系统的水处理技术，利用基质-植物-微生物构成的生态系统完成对水的高效处理。其对富营养化水的处理技术已经非常成熟，总体上表现出投资少、能耗低、经济效益好、水质稳定、抗冲击、操作简便、美观等优点，但是也存在受气候影响大、占地面积大、基质堵塞等问题。湿地植物对景观、微生物、动物、水质等都有重要影响，其选择和应用是人工湿地研究的前沿和热点。

1  常见湿地植物分类

根据植物的生长特性，可以将湿地植物划分为水生、湿生和陆生植物（表1）。水生植物可以划分为挺水植物、浮水植物、浮叶植物、沉水植物;湿生植物和陆生植物又分为草本和木本两种。据统计，全球发现的湿地高等植物达6 700余种，但被应用于人工湿地的不过几十种。表流湿地使用的主要是水生植物;潜流湿地使用的主要是水生草本，辅以湿生草本。近年来，有研究者提出将湿生的草本植物或乔木应用到人工湿地。通过湿生草本及乔木来增加湿地生物多样性和系统稳定性，但工程应用较少。

2  湿地植物选配考虑因素

人工湿地植物的选配主要考虑要具有较强的净化能力、具有一定适应能力（抗冷热能力、抗病虫害、抗有毒物质等）、具有较好的景观效应、具有一定的综合利用价值等方面的因素[1]。

2.1  适应能力

植物对于环境的适应能力是选取人工湿地植物的重要指标。Sagga？觙等[2]研究追踪了一个植有25种湿地植物的人工湿地，经过一段时间运行，环境对植物表现出一定的选择性，由于环境限制和种间竞争，原本的25种植物最后只有7种物种存活;自然选择的植物主要是具有C4或类C4光合途径的单子叶植物;尽管物种丰度减少了72%，但对生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、总悬浮物含量（TSS）、总磷、氨和硝酸盐的去除率仍保持在高水平;存活的湿地植物依然保持了很好的处理能力，这说明环境限制是植物选择的刚性条件。只有适应环境且具备一定处理能力的湿地植物才能作为选择对象。适应能力考察的指标主要包括耐污性能、耐盐性能、耐寒能力、抗病虫害和抗有毒物质能力等。

2.2  景观效应

湿地植物是人工湿地景观的主要载体，而且人工湿地一般占地较大。因此，湿地植物景观效应是湿地植物选择的重要考虑原则。首先，湿地植物应当在满足刚性限制条件的基础上，考虑高度、色彩、层次上的搭配。夏添[3]在城市人工湿地景观植物的研究现状中提出，在进行植物配置时必须充分考虑植物在景观性、季相、颜色上的特点;其次，对当地自然湿地植物的形态、组成以及地理成分的调研极其重要，以防止人为搭配的种间关系脆弱。蒋蓓[4]在湿地公园植物选择与生态性探究中提出，物种选择应当优先选择本地物种，以防止物种入侵，同时可以通过植物混种弥补植物季节性生长差异。其强调应当减少人工干预对湿地核心区的影响，以促进湿地系统的生态稳定，实现可持续发展;再次，植物种植应当注意种植密度，一方面是植物景观美学的要求，另一方面也是植物健康生长的要求。总之，对人工湿地植物应当从群落配置、合理布局、美学价值等方面进行选择和配置，以实现较好的景观效应。

2.3  综合利用价值

人工湿地植物将会积累大量的生物质，部分湿地植物须进行及时处理[5]，以便保持湿地合理的种植密度，改善溶氧、pH、底部光照条件等。此外，冬季及时收割枯败湿地植物可以防止二次污染，提高水体净化效果。对于收获后湿地植物综合利用的研究较少，常见的利用方式包括能源化利用（制取固体能源材料、制取沼气、制取乙醇燃料等）、工業原料（有机肥料、生物制碳等），此外还可以用作动物饲料或者种植观赏类植物、水生蔬菜等。

人工湿地植物资源化利用是有效解决二次污染的重要途径。何明雄等[6]系统评估了再力花（Thalia dealbata）、水葫芦（Eichhornia crassipes）等15种人工湿地植物生物质资源能源化利用潜力。结果显示，15种湿地植物的纤维素含量为19.78%～36.9%，半纤维素含量为4.51%～19.67%，木质素含量为10.79%～20.47%，热值为14.002～17.839 MJ/kg，是理想的来源;预处理并压缩后可以作为替代燃料，燃烧灰烬还可以作为钾肥改善土壤;水生湿地植物大多为低木质素植物，适宜作为产乙醇原料。张小玲等[7]研究表明，60～80目的香蒲（Typha orientalis）是酸水解的最优粒径，该最优粒径可以广泛应用于其他人工湿地植物的前处理。针对不同湿地植物的特性，有针对性地进行工业利用是一个重要的研究方向。将湿地植物进行堆肥处理后可以作为一种优质的有机肥料，有研究表明在污泥中生长的皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）是含钾丰富的有机肥料[8-10]。王丽芬等[11]利用污泥与凤眼莲（Eichhornia crassipes）渣按质量比1∶3混合堆肥，腐熟度符合要求，堆肥效果较好。刘海[12]对湿地植物基活性炭的制备和改性研究表明，湿地植物是理想的活性炭基质;湿地植物制备的活性炭样品内部总体呈现微孔、中孔结构且具有高比表面积的特性;其中莲（Nelumbo nucifera）杆基、菰草（Zizania latifolia）基活性炭吸附性能尤其突出。孙勇等[13]使用芦苇[Phragmites australis （Cav.） Trin. ex Steud.]黑液木质素制备活性炭，SEM电镜扫描发现活性炭多孔生成，吸附性能良好。Liu等[14，15]研究发现莲花茎制备的活性炭对Cd（II）具有良好的吸附性能，是理想的湿生植物基活性炭。

此外，人工湿地还可以种植一些具备其他价值且具有理想吸附性能的湿地植物。例如，香蒲幼茎可以食用，全草是良好的造纸原料，且香蒲花粉具有镇痛、促凝等作用[16]。水生蔬菜型湿地植物，空心菜（Ipomoea aquatica Forssk.）能够适应任意浓度的水体净化;韭菜（Allium tuberosum）适合高氮、磷水平的水体净化，适宜作为水体修复先锋植物;生菜（Lactuca sativa L. var. ramosa Hort.）适合低氮、磷水平的水体净化;芋头[Colocasia esculenta （L）.Schott]、生菜等几种蔬菜植物都对氨氮有很好的吸收效果[17，18]。但用来食用的湿地植物须严格审查其毒理性，因此针对目标处理水体存在一定限制。景观效应较好的植物，如大薸（Pistia stratiotes）、睡莲（Nymphaea tetragona）、薄荷（Mentha haplocalyx Briq.）、花叶芦竹（Arundo donax var. versicolor）、三白草[Saururus chinensis （Lour.） Baill.]等观叶类;睡莲（5—8月）、水鳖（Hydrocharis dubia）（8—10月）、黄菖蒲（Iris pseudacorus）（5—6月）、美人蕉（Canna indica L.）（3—12月）、久花（Monochoria korsakowii）（7—8月）、梭鱼草（Pontederia cordata L.）（5—10月）、再力花 （4—7月）、白掌（Spathiphyllum kochii Engl. & K. Krause）（5—8月）、姜花（Hedychium coronarium Koen.）（6—7月）等观花类[19]。人工湿地可以种植具备较好景观效应的湿地植物用以出售，从而提高其经济和社会效益。

2.4  净化能力

净化能力是湿地植物选择的基本条件。在选择湿地植物时，要求植物对污染物的去除率尽可能高。植物去除污染物的指标主要有COD、总氮、氨氮、总磷、重金属盐等。

郭杏妹等[20]研究翠芦莉（Ruellia brittoniana）、花叶芦竹、水葱（Scirpus tabernaemontani）3种挺水植物对水中污染物的去除率，结果表明对氨氮的去除率从大到小依次为翠芦莉（94.6%）、水葱（91.9%）、花叶芦竹（91.4%），对总磷的去除能力从大到小依次为水葱（93.8%）、翠芦莉（92.0%）、花叶芦竹（91.3%）;对COD的去除能力从大到小依次为翠芦莉（89.8%）、花叶芦竹（81.7%）、水葱（78.7%）;翠芦莉对污水中氨氮、总磷、COD 总体表现出较高的去除效能。周玥等[21]研究表明湿地植物在高浓度污水中对COD、总磷、总氮等去除效果优于在低浓度污水中的去除效果;香蒲、浮萍（Lemna minor L.）、金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）组合对总氮的去除率最高;高浓度污水净化总磷适合单种挺水植物，低浓度污水除磷则适合多种植物组合;菖蒲（Acorus calamus）、香蒲组合在高浓度污水中时COD去除率达96%，效果较好，菖蒲、浮萍、金鱼藻组合在低浓度污水中COD去除率达94.8%，效果较好。刘文杰等[22]研究表明，香蒲在垂直下行流湿地去除COD效果最好（去除率达85.55%），在垂直上行流湿地中去除总磷效果较好（去除率达84.28%）;在垂直上行流湿地中，水葱去除总氮效果较好（去除率达57.52%）。Hernandezcrespo等[23]研究了芦苇、香蒲、黄菖蒲对西班牙巴伦西亚湖（Albufera）富营养化水的处理效果，结果表明黄菖蒲是一个适合用于人工湿地的物种，可与香蒲和芦苇混合培养，以支持湿地的生物多样性。Lv等[24]研究表明芦苇是去除除草唑和戊唑醇两种农药的理想修复植物，植物修复包括转移输送和代谢两个方面。有研究表明芦苇、菖蒲组合可较好去除总氮，鸢尾（Iris tectorum）、芦苇组合可较好去除氨氮和总磷，芦苇、菖蒲可较好去除硝氮[25]。范远红等[26]研究表明，风车草[Clinopodium urticifolium （Hance） C. Y.]、再力花组合的挺水植物对总磷和总氮的去除率较高，其次是苦草（Vallisneria natans）和黑藻（Hydrilla verticillata）组合。而紫叶美人蕉（Canna warszewiczii A. Dietr.）、粉花美人蕉（Canna glauca L.）组合及风车草、再力花组合去除效果较差。

选择湿地植物应当针对目标水体实际特征进行比选，加强典型工程案例的理论分析，以提高理论的指导意义。

2.5  维护管理

在去除效率相同、耐受力相仿的条件下，优先选择生长量小的物种有助于管理和减小二次污染[27]。生物量较大或者易于枯败的植物容易引起吸收的生物质及营养盐等回渗到污水中，甚至引起污水水质进一步恶化。因此，除了及时处理出现问题及随季节更替枯败的植物外，应当优先选择易于管理的植物品种，以减少人工维护的成本，提高湿地的经济效益。

2.6  根系作用

植物在人工湿地中的作用机理主要包括直接吸收污染物质、分泌植物激素和改善介质水力条件等。有研究表明，根区的丰度、表面积、生物量、季节变化等对污水处理有重要影响[28]。

Kyambadde等[29]研究表明，纸莎草（Cyperus papyrus）根系发育较好，具有更好的营养吸收能力。闫春妮等[30]研究了7种植物根际与非根际脲酶活性分布，结果表明湿地植物根系会影响脲酶活性，但不同植物根系对脲酶活性的影响不同，生长稳定的植物根际脲酶活性比非根际高。美人蕉、富贵竹[Disporum cantoniense （Lour.） Merr.]和菖蒲根际的脲酶活性比芦苇等其他受试植物高;菖蒲根系分泌物促进了硝化作用。植物根系泌氧会影响根系含氧量，进而影响物质循环。湿地植物向处于厌氧状态的基质释放氧气，促进了沉积物中还原性铁和锰的氧化，改变了重金属的阳离子形态[31]。植物根系不仅影响潜流层水系流动，还影响悬浮物的吸附沉降。植物根系可以为微生物提供活性生长面，从而形成新的生物膜。植物根系区形成微小的气室， 增强了介质疏松度，提高了水力传输性能。研究表明，板结土壤经过植物修复，5年之内可达到与砾石、碎石相当的水力传输能力[32]。

因此，选择植物根系相对发达的植株品种可以改善人工湿地处理效果。植物根系可用作选择湿地植物的指标[28]。未来需要不断应用同位素追踪等技术加强对根系分泌物影响的追踪和机理研究，对比实验室与实际工程的差异性，加强人工湿地植物与根系作用相关的指标参考价值。

2.7  适宜的物种丰度与种间搭配

适宜的物种丰度可以发挥不同物种的吸附优势，提高湿地处理能力。针对目标水体的水质选择适宜的物种，并注意物种间的耦合作用机制，以实现污水的高效处理。Zhang等[33]研究表明，香蒲、芦苇等可以通过释放根际分泌物去除布洛芬（IBU）和碘海醇（IOH），因此香蒲和芦苇可以应用于此类医药废水的处置。Zhu等[34]研究植物组成对污染物去除率的影响，结果表明植物混合培养组的总氮和总磷的去除效率较高，但COD去除率较低;系统中的生物量随着物种丰富度的增加而提高，而氮、磷含量主要由植物类型决定;适宜的植物种类和丰富的种类可以显著提高城市污水中各种污染物的去除率。因此，物种丰度有一定的限度，过于丰富或者单一都不是理想的搭配方式。此外应当注意种间搭配问题，有研究表明，由于种间竞争或植物内源生长因子，物种之间可能发生抑制作用，影响系统稳定[35]。

3  思考与展望

人工湿地技术已经得到了较为广泛的应用，在选择和搭配湿地植物时，应当优先考虑适应能力和净化能力，其次也要对综合利用价值和景观效应等方面进行考察。目前，人工湿地植物研究大多停留在实验室规模，缺乏对工程规模效应的研究。未来湿地植物选择工作应当在建立科学植物筛选评测体系、加强抗性植物基因选育培育工作、综合植物利用研究与产业体系建设、示范工程案例建设与研发、植物收割管理效应分析、去污机理及定量分析、外来物种引入及生态安全等领域进一步深入研究。

参考文献：

[1] 陈长太，阮晓红，王  雪.人工湿地植物的选择原则[J].中国给水排水，2003（3）：65.

[2] SAGGA？魵 M M，AINOUCHE A，NELSON M，et al. Long-term investigation of constructed wetland wastewater treatment and reuse：Selection of adapted plant species for metaremediation[J].Journal of Environmental Management，2017，201：120-128.

[3] 夏  添.城市人工濕地景观植物的研究现状[J].农技服务，2016，33（8）：145-146.

[4] 蒋  蓓.湿地公园植物选择与生态性探究[J].现代园艺，2017（16）：152.

[5] 张洋意，任良锁，陈  光，等.湿地植物刈割研究进展[J].湿地科学，2017，15（2）：293-297.

[6] 何明雄，胡启春，罗安靖，等.人工湿地植物生物质资源能源化利用潜力评估[J].应用与环境生物学报，2011，17（4）：527-531.

[7] 张小玲，赵亚芳，林  燕，等.人工湿地植物制备燃料乙醇研究进展[J].化工进展，2013，32（12）：2867-2872，2891.

[8] KOBBING J F，THEVS N，ZERBE S.The utilisation of reed （Phragmites australis）：A review[J].Mires and Peat，2013，13（1）：1-14.

[9] 周艳欣，鲁  雪，梅裴雪.人工湿地植物的选择与利用[J].资源节约与环保，2016（10）：159.

[10] 李盛结，胡  振，张  建.人工湿地植物管理与高价值利用综述[J].环境污染与防治，2017，39（4）：432-438.

[11] 王丽芬，邓辅唐，孙珮石，等.水葫芦渣与污泥混合好氧堆肥试验研究[J].科协论坛（下半月），2012（1）：117-119.

[12] 刘  海.湿地植物基活性炭制备和改性及其对重金属离子的吸附机理研究[D].济南：山东大学，2017.

[13] 孙  勇，张金平，杨  刚，等.芦苇黑液木质素制备活性炭吸附废水中的硝基苯[J].中华纸业，2006（5）：65-67.

[14] LIU H，DAI P，ZHANG J，et al. Preparation and evaluation of activated carbons from lotus stalk with trimethyl phosphate and tributyl phosphate activation for lead removal[J].Chemical Engineering Journal，2013，228：425-434.

[15] LIU H，GAO Q，DAI P，et al. Preparation and characterization of activated carbon from lotus stalk with guanidine phosphate activation：Sorption of Cd（II）[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2013，102：7-15.

[16] 赵丽萍，许  卉.野生植物资源香蒲的综合开发与利用[J].中国林副特产，2007（1）：80-81.

[17] 韩璐瑶，吕锡武.水生蔬菜型湿地植物对氮、磷营养盐的吸收动力学[J].环境工程学报，2017，11（5）：2828-2835.

[18] 谢  静，吕锡武，李  洁.6种湿地植物吸收污水中氮和磷的动力学[J].环境工程学报，2016，10（8）：4067-4072.

[19] 梁  雪，贺  锋，徐  栋，等.人工湿地植物的功能与选择[J].水生态学杂志，2012，33（1）：131-138.

[20] 郭杏妹，王代容，曾春山，等.3种挺水植物对农村生活污水的净化效果比较[J].安徽农业科学，2017，45（20）：70-72，80.

[21] 周  玥，韩玉国，张  梦，等.4种不同生活型湿地植物对富营养化水体的净化效果[J].应用生态学报，2016，27（10）：3353-3360.

[22] 刘文杰，许兴原，何  欢，等.4种湿地植物对人工湿地净化生活污水的影响比较[J].环境工程学报，2016，10（11）：6313-6319.

[23] HERNANDEZCRESPO C，OLIVER N，BIXQUERT J，et al. Comparison of three plants in a surface flow constructed wetland treating eutrophic water in a Mediterranean climate[J].Hydrobiologia，2016，774：183-192.

[24] LV T，ZHANG Y，CASAS M E，et al. Phytoremediation of imazalil and tebuconazole by four emergent wetland plant species in hydroponic medium[J].Chemosphere，2016，148：459-466.

[25] 杜红霞，王  丽，湛景武，等.不同湿地植物及其组配对富营养化水体的净化效果[J].环境污染与防治，2017，39（6）：616-619.

[26] 范远红，崔理华，林运通，等.不同水生植物类型表面流人工湿地系统对污水厂尾水深度处理效果[J].环境工程学报，2016， 10（6）：2875-2880.

[27] 严  莉，李龙山，倪细炉，等.5种湿地植物对土壤重金属的富集转运特征[J].西北植物学报，2016，36（10）：2078-2085.

[28] 程丽芬，张  欣，樊兰英，等.人工湿地水生植物根系研究进展[J].山西林业科技，2017，46（2）：40-45.

[29] KYAMBADDE J，KANSIIME F，GUMAELIUS L，et al. A comparative study of Cyperus papyrus and Miscanthidium violaceum-based constructed wetlands for wastewater treatment in a tropical climate[J].Water Research，2004，38（2）：475-485.

[30] 闫春妮，黄  娟，李  稹，等.湿地植物根系及其分泌物对土壤脲酶、硝化-反硝化的影响[J].生态环境学报，2017，26（2）：303-308.

[31] 李林锋，年跃刚，蒋高明.人工湿地植物研究进展[J].环境污染与防治，2006（8）：616-620.

[32] CHENG X Y，CHEN W Y，GU B H，et al. Morphology，ecology，and contaminant removal efficiency of eight wetland plants with differing root systems[J].Hydrobiologia，2009，623（1）：77-85.

[33] ZHANG Y，LV T，CARVALHO P N，et al. Removal of the pharmaceuticals ibuprofen and iohexol by four wetland plant species in hydroponic culture：Plant uptake and microbial degradation[J].Environmental Science and Pollution Research February 2016，23（3）：2890-2898.

[34] ZHU S S，HUANG X C，HO S H，et al. Effect of plant species compositions on performance of lab-scale constructed wetland through investigating photosynthesis and microbial communities[J].Bioresource Technology，2017，229：196-203.

[35] 隗兆佳.核桃凋落葉浸提液对四种禾本科植物生长的影响[D].成都：四川农业大学，2014.