人工湿地的植物选择和净化效果评价

杜 超 吴 昊

（瓦地工程设计咨询（北京）有限公司，北京 100022)

人工湿地具有良好的净化水质功能，相比二级污水处理技术，人工湿地具有资金投入少、易于管理的优点（张朝明,2017）。通过人工湿地植物的吸收、富集和吸附作用，可有效去除污水中的氮、磷等元素。人工湿地将营养元素的载体从水体转移到植物，以达到目标元素的去除，同时植物根系分泌物和根系微生物形成的生物膜也可以吸附污染物质。目前，芦苇（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）、水葱（Scirpus validus）等水生植物已广泛应用在人工湿地中（Vymazal,2013）。

人工湿地植物和微生物生长繁殖需适宜的条件，才能更好地发挥人工湿地的作用，但有些区域不能满足植物和微生物生长的条件，例如，在低温条件下，出水的水质要比温暖条件下更差（童昌华等,2003）。单一植物配置的人工湿地这种现象更加明显，冬季大量不耐寒的植物枯萎，导致人工湿地的净水能力下降。这就要求人工湿地中需搭配不同种类的水生植物，既满足景观的层次性、植物的多样性要求，也可以维持人工湿地的净水能力。本文通过文献调查和植物评价手段，评价不同湿地植物组合在表流人工湿地中的应用效果，为人工湿地植物的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 植物选择与配置组合

人工湿地一般选择耐污能力和适应性强、根系发达且具有观赏价值和经济价值的湿地植物。本研究以芦苇、香蒲、水葱、美人蕉（Canna indica）4 种挺水植物，凤眼莲（Echhornia crassipes）、浮萍（Lemna minor）2 种浮叶植物，眼子菜（Potamogeton distinctus）、金鱼藻（Ceratophyllum demersum）、穗状狐尾藻（Myriophyllum spicatum）3 种沉水植物为材料。按照沉水植物—浮叶植物—挺水植物的景观配置原则，构建24 种植物组合。

1.2 植物组合分析和评价

根据植物的生长特性、生产应用及市场价值等文献调查（张依然等,2012;慕哲哲,2022;Oren et al.,2013;项伟等,2016;涂燕,2007;刘颖等,2014;李紫光,2017），运用层次分析法将水生植物在表流人工湿地中应用潜力评价的标准分为两级标准，一级指标包括植物特性、水质净化功能和经济功能和景观功能4 个指标，二级指标包括耐污性、耐寒性、氮、磷、COD 的去除率和植物维护管理等15 项指标（表1）。

表1 湿地植物选择评价体系Table 1 Evaluation system of selection for wetland plants use in constructed wetlands

湿地植物耐污性、水质净化功能指标、经济功能指标评分标准设为5级 ：优（0.8～1）、良（0.6～0.8）、中（0.4～0.6）、差（0.2～0.4）、极差（0～0.2）（表2）。耐淹性、耐寒性、土壤厚度要求、景观功能、开花时间和枯萎时间评分标准设为3 级：适宜（0.67～1）、一般（0.33～0.66）、不适（0～0.32）。观赏特性评分标准设为4 级：优（0.75～1）、良（0.5～0.75）、中（0.25～0.5）、差（0～0.25）（表2）。

表2 湿地植物选择评价分级标准Table 2 Evaluation standards of selection for wetland plants use in constructed wetlands

根据9 种植物对应不同指标的数据，按照二级指标的评分标准给其打分，按照下面计算方式分别计算每项一级指标的总分（S）。

式中：Sn为每项一级指标的总分，Ci为每项指标的评分，Wi为二级指标的权重。根据专家问卷和生态评价体系得出各个指标的权重(张依然等,2012)（表3）。

表3 各项二级指标权重Table 3 Weights for secondary indicators

根据目标决策分析法（Multiple Criteria Analysis），净化不同水质水体所选一级标准的权重不同（慕哲哲,2022）。在污染严重的情况下，要求植物正常存活并发挥其净化作用，植物特性以及净化功能所占比重较高。结合专家问卷，4 个一级指标植物生长特性、净化功能、经济功能和景观功能的比重分别为0.32 : 0.55 : 0.04 : 0.09。而在污染轻微的情况下，植物生长特性和净化功能的比重较污染严重时有所下降，但相较其他一级指标比重依旧很高。为保证湿地植物的正常生长及湿地出水水质，同时提升湿地植物景观功能，确保湿地在净水的同时，可满足其观赏价值(吴树彪,2016)，4个一级指标的比值为0.3 : 0.41 : 0.06 : 0.23。总的评分用下列算式计算：

式中：S为某种植物净化效果的评价分数，Sn为每项一级指标的总分，Qn为一级指标的权重。

2 结果与分析

2.1 单种湿地植物的表现

根据文献调查（李峰平,2017;童昌华等,2003;张清,2011;吴建强等,2006;涂燕,2007），得到9 种湿地植物的生长特性、净化能力、经济功能和景观功能等信息。根据二级指标的权重，计算得到每种植物对应的一级指标的分数。由表4 可见，浮萍的植物特性评分最高（0.96），说明浮萍在表流湿地中可以很好地生长，其次是芦苇（0.86）。穗状狐尾藻的水质净化功能评分最高（0.88），其次是芦苇（0.87），说明这两种植物对水质净化的能力优于其他植物。浮叶植物和沉水植物的经济指标评分较高，可能是这些植物种植或移植采用野生植株引种的方式，不需要额外投入。眼子菜的景观功能评分最高（0.64），其次是芦苇（0.5），说明这两种植物的景观效果较为出色。总体来讲，这9 种湿地植物在景观功能方面的得分要低于其他指标，由此可见，通常湿地所采用的这9种植物更多考虑其生长与净化特性，这也符合人工湿地净化水质的主要功能（张清,2011）。

表4 湿地植物一级指标得分以及在两种进水水质情况下的表现Table 4 Primary scores of 9 kinds of wetland plants and scores of two scenarios with different water quality

9 种湿地植物在水质污染严重和轻微污染情况下的净水能力如表4 所示。在水质污染严重的情况下，芦苇和穗状狐尾藻表现最好（0.81），评分均高于0.8，属于“优”等级，这与王萌等（2010）在芦苇人工湿地中的应用研究和向律成（2010）对穗状狐尾藻在富营养化水质净化的研究结果相符。在水质污染轻微的条件下，穗状狐尾藻的表现最好（0.76），其次是芦苇（0.75），在湿地植物种类单一的情况下，芦苇和穗状狐尾藻净水能力要优于其他7 种植物。

2.2 湿地植物组合的表现

在进水水质污染严重的情况下，芦苇—浮萍—穗状狐尾藻（169）组合评分最高，为0.8，属于“优”级；香蒲—凤眼莲—金鱼藻（258）组合评分最低，为0.698，属于“良”级（表5）。最优组合芦苇—浮萍—穗状狐尾藻（169）净化功能的平均分达到0.826（表4），属于“优”级，对氨氮、TN、TP 和COD 有很好的去除效果。芦苇—浮萍—穗状狐尾藻（169）组合的植物特性的平均分达到0.86，也属“优”级，说明其在污染严重的水体中及寒冷的地方可正常生长。芦苇—浮萍—穗状狐尾藻（169）组合社会经济和景观功能的平均分分别为0.63 和0.44，分别属于“良”和“中”。在进水水质差的情况下，对水质净化和植物生长的要求较社会经济和景观功能高，所以经济与景观功能的评分对整体的评分不造成影响。

表5 湿地植物组合在两种进水水质情况下的评分Table 5 Evaluated grades of 24 kinds of plant groups on two scenarios with different water quality

在进水水质污染较轻的情况下，如作为污水厂的三级处理或微污染景观水的处理，对净化能力有相对较低要求时，最高评分组合是芦苇—凤眼莲—穗状狐尾藻（159）组合，评分是0.74，属于“良”级；最低评分组合是香蒲—浮萍—金鱼藻（268），评分为0.647，属于“中”级（表5）。最优组合芦苇—凤眼莲—穗状狐尾藻（159）的植物特性、净化功能、经济功能和景观功能的平均得分分别为0.79、0.86、0.64、0.48，说明最高评分植物组合在轻微污染的水体中能很好地生长和净化水体。

在这两种污染情况下，植物组合在处于进水水质污染较轻的情况下，其评分要普遍低于进水水质污染严重的情况，可能的原因是在两种情况下对植物特性和净化能力的要求大体上相差不多，但处于进水水质污染较轻的情况下，其对植物景观功能的要求要高于进水水质污染严重的情况。从表4 看来，这9 种植物的景观功能评分普遍较低，所以在进水水质污染较轻的情况对景观要求较高时，景观功能这一指标的占比高，这些植物的景观表现并不好，这对未来湿地植物的选择有更高的观赏要求。

芦苇—浮萍—穗状狐尾藻（169）组合可更好地应用于污染严重的水处理中，而芦苇—凤眼莲—穗状狐尾藻（159）组合可很好地应用在轻微污染的水处理中。在这两种情况的最优组合中，芦苇和穗状狐尾藻都被选中，因此，芦苇和穗状狐尾藻的应用范围比较广，可以处理水质范围比较广的进水。在处理污染严重的水中，浮萍被选中，而在污染较轻的水中，凤眼莲被选中。在这两种情况下，芦苇—浮萍—穗状狐尾藻组合和芦苇—凤眼莲—穗状狐尾藻相互位于第1 名和第2 名，说明这两个组合在这两种情况下均可以发挥较好的作用。

3 讨论

本研究的评价体系一级指标已涵盖了湿地植物的基本要求，如若应用于具体项目，可根据当地的现状条件与要求增加或减少二级指标。在具体的项目中，还需根据人工湿地的标准和需求，对不同的指标进行重新定义权重，得到相应的植物组合评分。

在植物选择上，要考虑当地的种植条件与环境，需遵循“适地适种”的原则。在植物特性方面，本研究仅考虑了耐污性、耐淹性、耐寒性和对土壤的要求，还有一些因素没有考虑其中，如风的影响因素、光照等因素。在净化能力方面，仅考虑营养元素和有机污染物的去除效果，没有涉及植物对重金属污染物也有一定的吸附积累效果（吴树彪,2016），由于沉水植物尚无专业的生产，沉水植物的生产投入和管理经验的数据缺乏，因此，评价指标体系还需完善。

在景观观赏效果上，仅选择了观赏特性、开花时间和枯萎时间作为评价指标。湿地公园植物评价的景观要求会相对更高，评价指标应更加丰富，同时也需考虑大众对景观的看法，需制定更加全面的景观效果评价指标。植物在人工湿地中起到重要的作用，但有研究表明通过收获植物生物量去除的氮、磷只占全部去除量的10%～16%（Vymazal,2007）。填料的过滤作用、沉淀和微生物对污染物的反应在人工湿地净化过程中也起到重要的作用，因此，需结合最优的植物搭配和最优人工湿地的其他设置，更好地发挥人工湿地净化水体的功能。

此研究只适用于表流人工湿地的植物配置。在潜流湿地中，进水流经填料层，水的深度浅或者由覆土层封闭，沉水植物不适用于潜流湿地。有研究发现，生长在表流湿地和潜流湿地中的植物根系生物量存在显著差别，对污水的净化效果也不同（赵建刚等,2006），因此，潜流湿地中的植物配置需更深入的研究。

4 结论

本研究通过建立人工湿地植物评价体系，评价不同湿地植物组合在两种不同污染水质情况下的表现。结果表明：芦苇—浮萍—穗状狐尾藻在水质较差的人工湿地中表现良好，而芦苇—凤眼莲—穗状狐尾藻在水质污染较轻的人工湿地中表现较好。此评价体系为广义的体系，对于具体项目的湿地植物评价，需更加详细并符合当地环境条件的评价指标，评价体系需进一步改进。