人工濕地 (Constructed Wetland) 是指人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統(tǒng)，其設計和建造是通過對濕地生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學和生物作用等優(yōu)化組合來進行污水處理。它一般由人工基質和生長在其中的水生植物組成，是一個獨特的生態(tài)系統(tǒng)。該技術1987年引入中國，20世紀90年代快速增長，到2006年全國有200多個人工濕地系統(tǒng)在運行, 這還不包括專門用于研究的試驗系統(tǒng) (Liu&Ge, 2009) 。植物是人工濕地的重要組成部分，不但可以去除水體中的污染物, 加速營養(yǎng)物質的循環(huán)和再利用, 還能維持及美化濕地環(huán)境, 改善區(qū)域氣候, 促進生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。本文主要闡述人工濕地中植物的功能和選擇植物的原則, 為人工濕地地構建提供理論參考。

1 濕地植物的功能

1.1 吸收凈化功能

濕地植物根系能吸附、吸收和利用污水中的營養(yǎng)物質，在去氮除磷方面發(fā)揮重要的作用, 并能富集重金屬和一些有毒有害物質 (陳玉成, 2003) 。

1.1.1 去氮

污水中的氮以有機氮和無機氮2種形式存在, 其中無機氮 (主要是NH4+和NO3-) 被植物吸收利用, 作為生長過程中不可缺少的營養(yǎng)物質;部分有機氮被微生物分解成氨氮后, 也能被植物吸收利用, 植物將吸收的氮素合成蛋白質等有機氮。有研究表明, 與未種植植物的人工濕地相比, 種植了植物的人工濕地硝化作用較強, 顯示出更強的去氮能力 研究發(fā)現，在處理輕度富營養(yǎng)化水的人工濕地中，植物吸收對氮的去除起著主要作用；氮素積累主要集中在植物的地上部分， 所以通過對植物地上部分的收割可有效地將氮從濕地系統(tǒng)中去除。

1.1.2 除磷

無機磷也是植物必需的營養(yǎng)元素，廢水中的無機磷被植物吸收及同化，轉化成腺嘌呤核苷三磷酸 (ATP) 、脫氧核糖核酸 (DNA) 和核糖核酸 (RNA) 等有機成分，然后通過植物的收割而移除。對有植物和無植物濕地系統(tǒng)進行比較，有植物濕地系統(tǒng)春夏季磷的平均去除率在60%以上，即使在冬季也能達到40%以上，出水水質穩(wěn)定，而無植物濕地系統(tǒng)磷的去除率僅為28%，且植物的生長狀況直接影響去除效果；Cui等 (2011) 用種植風車草 (Cyperus alternifolius) 的垂直流人工濕地系統(tǒng)處理生活污水，風車草的生物量每增加1 000 g，其地上部分TP積累量增加4.9 g；宋英偉等 (2009) 針對太湖富營養(yǎng)化進行的人工濕地試驗表明，人工濕地種植植物后對TN、TP的去除率比無植物狀態(tài)時分別提高13.6%和19.5%。

1.1.3 凈化有機污染物

人工濕地中有機污染物的凈化是植物和微生物共同作用完成的，其降解機制主要有3方面：轉化、結合和分離。在潛流人工濕地系統(tǒng)中，與未種植植物的系統(tǒng)相比，植物生長越茂盛的系統(tǒng)對COD的去除率越高，且旺盛的植物還消除了由于水深引起的COD去除率變化 (Villasenor et al, 2011) 。研究表明, 水蔥 (Schoenoplectus lacustris) 可使食品廠廢水的COD降低70%~80%，使BOD降低60%~90%， 而茭白 (Zizania latifolia) 和慈姑 (Sagitarria sagittifolia) 對城市污水的BOD去除率可達80%以上，蘆葦 (Phragmites australis) 、香蒲 (Typha latifolia) 、眼子菜 (Photamogeton distinctus) 和鳳眼蓮 (Eichhornia crassipes) 等對石油廢水的有機物去除率可達95%以上；藨草 (Scirpus triqueter) 也能有效處理采油廢水，吸附多種難降解的有機污染物 。

1.1.4 去除重金屬

植物可通過根部直接吸收水溶性重金屬，還能通過改變根際環(huán)境來改變污染物的化學形態(tài)，達到降低或消除重金屬污染物化學毒性和生物毒性的作用。Cheng等 (2001) 通過垂直流人工濕地處理低濃度重金屬污水的試驗證明，風車草能吸收富集水體中大約1/3的銅和錳，對鋅、鎘和鉛的富集也在5%~15%；陳明利等 (2008) 研究發(fā)現，種植鳳眼蓮和水蕹 (Ipomoea aquatica) 的濕地與對照組相比，對Cd2+去除率可以提高65.3%，Zn2+去除率可提高43.7%，明顯提高2種重金屬的去除效率。

1.2 維持濕地環(huán)境

人工濕地系統(tǒng)中的植物在維持濕地環(huán)境方面也發(fā)揮著重要作用，它降低了水流速度, 為懸浮物沉淀創(chuàng)造了良好條件，減少基質侵蝕和污染物再懸浮的風險，增加了水流和植物表面的接觸時間 。植物能防止?jié)竦乇挥偃?，由于植物根和根系對介質的穿透作用，增強了介質的疏松度，使得介質的水力傳輸得到加強和維持  。根在根區(qū)死亡腐爛后， 留下的管形孔或溝，在一定程度上增加和穩(wěn)定了土壤的水力傳導性。植物在表面流人工濕地冬季運行時起支撐冰面的作用 ， 當枯死的植物殘體被雪覆蓋后，植物則對基質起到很好的保護作用，避免濕地基質結霜、凍結, 使?jié)竦叵到y(tǒng)在冬季仍具有一定的凈化能力 ，但另一方面，在春季它也使土壤溫度相對較低 。另外，濕地中植物覆蓋使光線比較稀疏，阻礙了植物覆蓋下水中藻類的生產，這種特性在浮萍系統(tǒng)中較為常見 。植物的生長能調節(jié)濕地周圍的小氣候，美化生態(tài)環(huán)境，為鳥類和爬行類動物等提供棲息地 。同時，它還能夠阻滯沙塵、清新空氣、降低噪聲，為人們提供更舒適的生活環(huán)境 。

1.3 傳輸氧氣和分泌化感物質

濕地植物根系的輸氧作用促進了深層基質中微生物的生長和繁殖，有利于擴大凈化污水的有效空間，在人工濕地污水凈化中起著十分重要的作用。人工濕地水生植物的根系常形成一個網狀結構，它能傳輸約90%的氧到根系周圍 ，從而在根區(qū)形成一種好氧環(huán)境，這一環(huán)境能刺激有機物質的分解和硝化細菌的生長 ；而植物未伸展區(qū)域和微生物的呼吸作用形成缺氧環(huán)境。這種根區(qū)有氧區(qū)域和缺氧區(qū)域的共同存在為根區(qū)各種微生物的吸附和代謝提供了適宜的生存生境，加強了根區(qū)微生物的生長和繁殖，為人工濕地污水處理系統(tǒng)提供了足夠的分解者。有植物的濕地系統(tǒng), 細菌數量顯著高于無植物系統(tǒng)，且植物根部的細菌比介質處高1~2個數量級 。系統(tǒng)的耗氧和供氧與植物凈化水質和降解污染物也密切相關 。有研究表明, 處理床中溶氧量影響著硝酸鹽的去除。研究表明，不同種類濕地植物系統(tǒng)中，水體溶解氧濃度與植株重金屬積累量之間存在顯著正相關關系，說明濕地植物對廢水及底泥中重金屬的吸收積累能力在相當大的程度上取決于其根系的泌氧能力。植物的通氣量大小還直接關系到其生長的深度和根系在底泥中的擴展程度 。

一些植物的根系分泌物能殺死污水中的大腸桿菌和病原菌等 ，顯著影響濕地中微生物的組成和多樣性。如燈芯草 (Juncus effusus) 可從根部釋放抗生素 ，當污水經過燈芯草植被后, 一系列細菌 (大腸桿菌、沙門氏菌屬和腸球菌) 消失。植物根系釋放到土壤中的酶等物質可直接降解污染物，且降解速度非常快，某些分泌物還可以促進某些嗜磷、氮細菌的生長，促進氮、磷的釋放和轉化，從而間接提高凈化率。一些植物能釋放復合物影響其他物種的生長, 如石菖蒲 (Acorus tartarinowii Schott) 具有克藻效應 。人工濕地在水處理過程中對碳源有著較大的需求, 植物可通過根系釋放很多有機復合物, 它們可作為濕地內部的一個重要碳源 。在某些類型處理濕地中, 由根分泌的這種有機碳可作為反硝化者的碳源，從而增加硝酸鹽的去除 。

1.4 美化景觀

經過多年的研究，人工濕地的內涵有了較大的發(fā)展，目前已經集多種功能和價值于一身，其中生態(tài)美學價值也成為該技術追求的目標之一，充分體現在濕地的清潔性、獨特性、愉悅性和可觀賞性等方面，而這些價值主要是通過植物來體現的。在考慮植物的景觀功能時，應結合社會、娛樂、美學，按照植物的形態(tài)特征，選擇人工濕地的構景種。在水平布局上要注意有花植物與無花植物、常綠植物與落葉植物等的搭配， 在空間配置上要注意喬灌草的配置和高低植物之間的搭配等，季節(jié)配置上要注意四季有花，不同季節(jié)有不同的景觀生態(tài)環(huán)境。1998年美國圣保羅市安姆斯湖 (Ames Lake) 計劃中，綜合運用了多種原生的沉水、浮水、挺水和旱生植物, 為當地居民提供了一片無需遠足便可領略的自然風光。

1.5 具有經濟價值

作為一種污水處理系統(tǒng)，人工濕地的重點是去除污染物，所以長期以來被選植物的經濟價值常常被忽視。近幾年來，人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中植物的經濟價值逐漸得到人們的重視 。在人工濕地系統(tǒng)的實際運行期間，濕地植被的管理往往成為一個難點，主要的問題是管理費用較高，如果在人工濕地建造初期植物物種的選擇方面考慮所選植物有一定的經濟價值，這個問題就會變的較為簡單。目前，對濕地植物資源化利用主要有：用作切花或切葉；用作藥材和蔬菜；制作工藝品；堆制有機肥；作為飼草或飼料  以及提供具有觀賞價值的綠化苗木和觀賞花卉。研究表明，人工濕地植物資源具有與玉米秸稈相似的熱值，可作為一種較好的生物質固體成型燃料的原料；其主要成分為纖維素等，還可作為沼氣和乙醇發(fā)酵的補充原料；由于其較高的纖維素含量和較低的木質素含量， 還是一種十分理想的燃料乙醇資源。

2 人工濕地植物的選擇原則

2.1 適地適種

不同地區(qū)具有不同的環(huán)境背景，存在地域的差異和特殊性等，這些均是人工濕地生態(tài)系統(tǒng)設計中選擇植物要考慮的重要因素，必須做到因地制宜、適地適種 。適地適種原則包括：適應當地的氣候條件、地形條件和人文景觀條件。所選植物也一定要適合具體濕地設計的要求，例如，根據植物的原生環(huán)境分析，原生于實土環(huán)境的一些植物如美人蕉 (Canna genaralis) 、蘆葦、燈芯草、風車草、皇竹草 (Pennisetum sinese) 、蘆竹 (Arundo donax) 、薏苡 (Coxi lacryma-jobi) 等，其根系生長有一定的向土性，配置于表面流濕地系統(tǒng)中，生長會更茂盛，但由于它們的根系大都垂直向下生長，凈化處理的效果不及應用于潛流式濕地中。對于一些原生于沼澤、腐殖層、草炭濕地、湖泊水面的植物，如水蔥、茭白 (Zizania latifolia Stapf) 、山姜 (Hedychium coronariom) 、藨草、香蒲、菖蒲 (Acorus calamus) 等，由于其已經適應無土環(huán)境生長，因此更適宜配置于潛流式人工濕地。對于一些塊根塊莖類的水生植物, 如荷花 (Nelumbo nucifera) 、睡蓮 (Nymphaea spp.) 、慈姑、芋頭 (Colocasia esculenta) 等則適宜配置于表面流濕地中。

同時，由于設計的人工濕地系統(tǒng)是周圍景觀的一部分，因而必須將構建的人工濕地融入其中， 而不是獨立于景觀之外。有些濕地植物種分布廣泛, 適應多個地區(qū)的環(huán)境, 濕地中的廣布種主要屬于淡水水生植物、鹽生植物和伴生植物。前2大類多屬于濕生植物, 挺水植物如蘆葦、寬葉香蒲 (Typha latifolia) 、窄葉香蒲 (Typha angustifolia) 、狹葉香蒲 (Typha angustifolia L.) , 浮生植物如浮萍 (Lemna minor) , 沉水植物如篦齒眼子菜 (Potamogeton pectinatus) 、菹草 (Potamogeton crispus) 、金魚藻 (Ceratophyllum demersum) 、輪葉狐尾藻 (Myriophyllum verticillatum) 、大茨藻 (Najas marina) 、角茨藻 (Najas graminea) 、輪葉黑藻 (Hydrilla verticillata) ，沼生植物如莎草 (Juncellus serotinus) 、藨草、燈芯草等, 均為世界廣布種。我國濕地植物種以溫帶成分為主, 這些植物廣泛分布在我國東北地區(qū)和青藏高原地區(qū)。選擇濕地植物應優(yōu)先選用本土植物, 慎重引入外來植物, 避免引發(fā)生物安全性問題。

2.2 抗逆性強

選擇具有抗逆性的植物, 有助于濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定發(fā)展?？鼓嫘约茨臀?、耐鹽、抗凍、抗熱和抗病蟲害等能力。

(1) 耐污能力。耐污染能力是選擇人工濕地植物要考慮的重要因素。大多數植物對于污染這種特殊的逆境均有一定的適應性, 并且會產生一定的抗性, 這種抗性在一定程度上具有遺傳性, 從而可以進行代間傳遞 。近期有研究表明, 刺果澤瀉 (Alisma canaliculatum) 具有處理含有染料的紡織廢水的潛力 。

(2) 耐鹽能力。如果在鹽沼地區(qū)建立人工濕地, 必須考慮選擇耐鹽能力強的植物物種。

(3) 抗凍、抗熱能力。由于污水處理系統(tǒng)是全年連續(xù)運行的, 故要求水生植物即使在惡劣的環(huán)境下也能維持正常生長, 而那些對自然條件適應性較差或不能適應的植物都將直接影響凈化效果。

(4) 抗病蟲害能力。污水生態(tài)處理系統(tǒng)中的植物易滋生病蟲害, 抗病蟲害能力直接關系到植物自身的生長與生存, 也直接影響其在處理系統(tǒng)中的凈化效果。

2.3 凈化能力強

凈化能力是選擇人工濕地植物要考慮的另一重要因素。為了提高人工濕地的去污能力, 在選擇植物時不但要選擇耐污能力強的植物, 同時也要求植物的凈化能力強, 即單位面積的污染物去除率要高, 主要從2方面考慮:一方面是植物的生物量較大;另一方面是植物體內污染物的濃度較高。有研究表明蘆葦對濕地中氮的吸收能力較強, 鳶尾 (Iris tectorum) 對濕地中磷的吸收能力較強  。具有高生產力的鳳眼蓮也有較高的吸收潛能 (大約每年每1 hm2吸收350 kg磷和2 000 kg氮) , 而沉水植物的潛力則相對較小 (每年1 hm2吸收100 kg磷和700 kg氮) (Guntenspergen, 1989;Gumbricht, 1993) 。用花葉蘆竹潛流人工濕地處理生活污水, 在水力停留時間 (HRT) =5 d時, 對NH4+-N、TN和TP的平均去除率分別可高達93%、88%和98%  對25種冬季濕地植物進行污水凈化潛力篩選試驗發(fā)現, 水芹 (Oenanthe javanica) 、油菜 (Brassica campestris L.) 、燈芯草、虎耳草 (Saxifraga stolonifera Curt.) 、德國鳶尾、桂花 (Osmanthus fragrans) 和花菖蒲 (Iris ensata var.hortensis) 的凈化能力較強。另外，在去除重金屬污染方面應用較多的超累積植物也可以應用到人工濕地中。具體應用時可根據所要處理污水中的主要污染物來選擇相應種類的超累積植物， 尤其在處理污水中的重金屬元素方面， 具有非常好的應用前景。有研究表明，當底泥中Cu、Zn含量增加時， 鳳眼蓮、Ludwigia helminthorriza和Polygonum punctatum組織內Cu、Zn的含量也相應增加，因此可以選擇這些物種處理富含Cu、Zn的廢水。

2.4 根系發(fā)達

植物具有發(fā)達的根系是被選為人工濕地植物的重要因素之一  。發(fā)達的植物根系可以分泌較多的根分泌物， 為微生物的生存創(chuàng)造良好的條件，促進根際的生物降解, 提高人工濕地凈化能力 ，研究表明， 根莖型植物的耐污能力較強，而根須植物的根須較發(fā)達。污水中的BOD5、COD、TN和TP主要是靠附著生長在水生植物根區(qū)表面及附近的微生物去除的, 植物根系生物量與反硝化菌、脲酶, 酸、堿性磷酸酶的活性都正相關, 因此應選擇根系比較發(fā)達的物種, 如蘆葦、五節(jié)芒 (Miscanthus floridulu) 、菖蒲和吉祥草 (Reineckia carnea) 等 (李貴寶等, 2003;Ge et al, 2011) 。長苞香蒲 (Typha angustata) 和水燭 (Typha angustifolia) 等大型種類具有粗壯的根系和許多發(fā)達的不定根，也是較佳的凈水植物，而香蒲根系對外泌氧速率較大 。植物各器官對N和P的積累與根系表面積顯著相關, 通過比較15種濕地植物的生長與氮磷吸附的關系表明：大花美人蕉 (Canna genaralis) 、寬葉香蒲、再力花 (Thalia dealbata) 及千屈菜 (Lythrum salicaria) 有較大根系表面積，并且它們對營養(yǎng)物的的吸收和存儲率也高于其他種，表明根系表面積可以作為植物選擇的標準之一。

2.5 觀賞價值和經濟價值高

園林設計的理念被引入人工濕地污水處理系統(tǒng)，從而實現治理污染與美化環(huán)境的統(tǒng)一。結合景觀生態(tài)學理論，巧妙運用具有較高觀賞價值的水生植物、濕生植物，營造環(huán)境優(yōu)雅的人工濕地植物景觀，在相關水生植物去污研究報道中，所涉及的植物包括挺水植物 (茭白、蘆葦、水蔥和慈姑等) 、漂浮植物 (鳳眼蓮、浮萍等) 及沉水植物 (金魚藻等) 。例如，在鄭東新區(qū)濕地公園的景觀配置中，中心游園水池沿岸選用了姿態(tài)優(yōu)美的耐水濕植物， 如柳樹 (Willow) 、水杉 (Metasequoia glyptostroboides) 、三角楓 (Acer buergerianum Miq.) 等喬木進行種植設計, 并配以低矮的灌木如海桐 (Pittosporum tobira) 、木槿 (Hibiscus syriacus) 和結香 (Daphne odora Thunb) 等, 豐富了水岸空間, 同時又營造出一種別樣的倒影美。中關村科技園濕地位于北京中關村環(huán)?？萍际痉秷@中心區(qū)，在其植物選配上，不僅通過大面積的蘆葦群與園區(qū)景觀相結合，還模擬當地原有植物群落并適當增加觀賞品種，栽植多種水生植物如：荷花、千屈菜、水蔥、澤瀉 (Alisma plantago-aquatica) 、香蒲、菖蒲等, 設置了2個景觀型濕生花園，并配套一些休息設施、霧化噴泉等, 讓人感覺仿佛置身于自然郊野之中 。

在經濟價值方面， 可以考慮推廣種植生產生物質能源的植物。生產生物質能源的植物通常指具有合成較高還原性烴的能力，可產生接近石油成分和可替代石油使用的產品的植物，以及富含油脂的植物，包括速生薪炭林、含糖或淀粉植物、可榨油或產油植物以及其他可提供能源的植物。目前，多數能源植物的研究尚處于試驗和示范階段，而我國把能源植物作為濕地植物種植的研究工作幾乎空白 (肖波等, 2006) ，今后可以加強這方面的研究。用水蕹菜和水芹處理富營養(yǎng)化水體，不僅獲得了很好的去氮除磷效果，而且可以通過收獲其莖葉部分取得一定的經濟效益。千屈菜、水蔥不但景觀效果好, 而且可以入藥;香蒲常用于花卉觀賞, 花粉、葉、莖均有較高經濟價值。

2.6 物種間搭配合理

多物種的生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定， 不僅保證了物種多樣性，而且病蟲害生物防治有非常好的效果。多種植物的搭配不僅在視覺上相互襯托，形成豐富又錯落有致的景致，對水體污染物處理的功能也能夠加以補充，有利于實現生態(tài)系統(tǒng)的完全或半完全自我循環(huán) 。在選擇植物時應根據環(huán)境條件和植物群落的特征，按一定比例在空間分布和時間分布上進行安排，使整個生態(tài)系統(tǒng)高效運轉，最終形成穩(wěn)定可持續(xù)利用的生態(tài)系統(tǒng) 。結果證明，與單一蘆葦系統(tǒng)相比，混合種不僅使?jié)竦貎艋侍岣撸覂艋Ч兊酶€(wěn)定, 并且混合種還有可能解決NO3--N的凈化問題?；煸灾参锵到y(tǒng)對硝態(tài)氮的去除效果好于單一植物系統(tǒng)。但也要考慮到不同種類的植物生長一起，不僅污染物凈化能力和景觀效果差異較大，而且存在相互作用，包括2方面：其一是對光、水、營養(yǎng)等資源的競爭;其二是植物之間通過釋放化學物質, 影響周圍植物的生長。另外, 一些植物的枯枝落葉經雨水淋溶或微生物的作用也會釋放出化感物質, 抑制其他植株的生長 。

3 展望

雖然人工濕地在我國已得到比較廣泛的運用, 但仍存在一些問題，許多研究工作仍有待深入，筆者認為以下研究方向可進行進一步探討。

3.1 防范外來濕地植物入侵

濕地植物具有高度的入侵性 ，可能會對原有的生態(tài)環(huán)境造成嚴重的威脅 。隨著人們對高效濕地植物的探索，越來越多的外來種被引入人工濕地，如何防范外來濕地植物的入侵成為一個值得關注的問題。建議在濕地的運行管理中加強預警監(jiān)測，防止其擴散，同時加強對外來濕地植物的基礎研究, 以便更好的利用和管理。

3.2 合理收獲濕地植物

多數濕地植物在冬季都會進入休眠狀態(tài)或者枯萎死亡，若對其進行合理收割，不僅可以防止植物腐爛分解造成的二次污染，而且能夠有效去除濕地系統(tǒng)中的氮磷等營養(yǎng)物。濕地植物對氮磷等營養(yǎng)物的吸收積累受植物類型、p H、養(yǎng)分負荷等多種因素的影響。在實際運行管理中，何時收割和如何收割等問題有待進一步研究。

3.3 深入研究濕地植物資源化

為解決資源浪費和二次污染等問題，已從手工藝制作、堆肥、飼料生產、新燃料開發(fā)等方面對濕地植物的后續(xù)利用開展研究，但今后應繼續(xù)開展人工濕地植物資源化的相關研究，增加人工濕地的經濟價值。