湿地植物对污水的吸附能力及耐性评价综述

摘 要：人工湿地除污率高，出水水质好，成本低，便于管理，可美化环境，亦可做园林景观，受到国内外广泛关注。近年来湿地植物与污水相互作用的报道较多，笔者综述了近年来湿地植物净化污水的影响因素及其对污水的响应，探讨湿地植物对污水的吸附能力及耐性评价。植被净化污水能力的主要影响因素是植株所处的环境、植株种类和配置、污水的浓度、基质的物理化学性质、植株种植密度、管理措施。关于人工湿地植物净化污水的研究还需不断深入研究和探索，根系微生物的净化机制还需进一步研究，人工湿地植株轮作的研究以及植物各器官吸附金属元素特别是重金属元素的相关研究还有待深入，同时应加强湿地植物资源化的后续研究工作。

关键词：湿地植物；吸附能力；耐性评价

中图分类号：X173 文献标志码：A 论文编号：2014-0450

0 引言

近年来，环境污染越演越烈，一些未正当处理的工业废水、化肥农药的残留物渗透到地下，造成水体污染，尤其是包括镉、砷、汞等的重金属污染，严重威胁着人类健康，甚至威胁着全球生态系统。人工湿地不仅可较好地去除污水中的营养物质，还可去除废水中部分重金属离子。通过物理、化学和生物三重效果共同作用，植物吸收、微生物代谢以及植物根部微环境基质的吸附、过滤、沉淀均发挥重要作用[1-2]。人工湿地系统作为一种新型生态污水处理技术，是污水处理技术的最佳选择，其主要优势有：除污率高，出水水质好，成本低，便于管理，可美化环境，亦可做园林景观等[3-5]。不同人工湿地系统去污能力存在显著差异，主要与植物根系发达程度、植物吸收能力及微生物活性密切相关[5-6]。近年来，利用水生植物净化污水已在国内外得到广泛关注[7-8]，笔者针对近几年来湿地植物与污水相互影响的研究报道进行综述，探讨其研究进展。

1 人工湿地植物净化污水的主要影响因素

1.1 环境因子的影响

影响植物净化污水的环境因素主要有pH、水力负荷、出水口位置。不同植物因生活型差异对这些因子的敏感度不同。在适宜条件下，植物生长速度快，需要更多的营养元素，则去污效果越明显。

在适宜pH范围的污水中，植物能够迅速生长，有利于吸收污水环境中的营养元素[9-11]。在废水中，pH 6.5～7.5时，水葫芦对COD、TN、TP的净化率最高，生长速率最大，并随pH升高，水葫芦对N、P等污染物的净化率降低[11]，这可能是高pH会导致水体中营养物失去有效性或植物根系遭破坏，而影响植物的正常生长，阻碍植株吸收N、P。

连续观察6个月由再力花和菖蒲构建的湿地床的净化污染河水效果，表明再力花和菖蒲在水力负荷为0.24 m3/（m2·d）的存活率均高于93%，2种植株均适宜生长在低污染负荷的无土培养环境[12]。研究秋茄人工湿地水力条件表明，水力负荷增至0.20 m3/（m2·d）时，秋茄对COD、BOD5、NH4+-N、TN等指标的去除率均显著下降（P<0.05），因为水力负荷增大，污水在湿地基质床中的停留时间相应缩短，微生物降解、基质过滤、植物吸收等过程无法充分发挥作用，从而降低系统的净化能力[13]。

研究垂直流人工湿地表明，随着出水口位置的降低，NH4+-N的去除率显著增加，NO3--N与COD的去除率则显著减少；与中、低出水口处理相比，高出水口的TN去除率提高22.5%～27.6%，TP去除率则降低20.6%～28.9%[14]，说明出水口位置对植物的净化效果存在显著影响。在水力负荷为0.125 m3/（m2·d）时，中出水口位置的TN、SS、COD比底部出水口的去除率高，NH4+-N、TP则分别下降了26.25%、21.21%[15]。出水口位置对植物净化各指标的影响较为复杂。

湿地植物生长受到水体中pH的影响，pH接近中性时，大多数营养元素是有效的，各种营养离子均衡供给会促进植物的生长。此外，最适宜的水力负荷和最佳出水口位置有利于植物净化污水。

1.2 植物种类与配置的影响

适宜的植物种类组合有利于发挥植物优势互补，丰富景观层次，且多种植物的合理组合比单一植物具有更好、更稳定的净化效果。不同植物群落人工湿地对生活污水净化效果表明，沉水植物配置比例适当增加可提高净化效果[16-18]，这与植株生长速率和根系发达程度有关。而汪殿蓓[19]研究认为植物组合的效果并不一定比单种植株好，主要与植物生长期的活性相关。筛选湿地植物的标准主要是生物量大、耐污能力强、适应性强、根系发达、具有抗逆性[6]。各植物对生活污水的综合净化能力呈显著差异[20-22]，与植物的生长特性相关。可能植物的生长速率快，通气组织越发达，可输送大量氧气至根部，使根部微生物数量增加，进而提高植物对污水的去除能力。

综上所述，根据植物的生长期、根系生长状况、通气组织等特性，将多种植物进行合理组合配比更有利于污水净化。

1.3 污水浓度的影响

污水浓度影响植物对污水的净化效果。在COD浓度大于200 mg/L，随污水COD浓度增加，植物人工湿地去除COD效果增强，总氮浓度大于30 mg/L时，随污水总氮浓度增加，植物人工湿地去除TN的效果增强[23]。这是因为污水系统本身具有一定的去污能力，污水浓度达到一定程度时，植物人工湿地的去污效果显著。杨集辉等[24]研究发现，菖蒲净化低浓度污水TN、TP、COD、Cr的效果最好，而周守标等[25]认为菖蒲净化中浓度污水的效果最佳。这可能是植物净化污水能力会随污水化学组成而变化。当污水氨氮浓度小于20 mg/L，pH 8±0.5时，本地绿萍生长较快；污水氨氮浓度大于20 mg/L，pH 6.5±0.5时，可防止NH4+大量转化为NH3，减少对本地绿萍的毒害作用，说明本地绿萍受到了pH的影响，且与浮萍体内的氮磷含量有关[26]。

植物具有一定的耐污性，在污水浓度的一定范围内，植株净化效果显著增加，否则将影响植物的生长速率及净化效果。

1.4 湿地基质的影响

湿地基质影响湿地植物对污水的去污能力，砂质基质种植植物对污水处理效果比土壤基质系统的效果更强。河砂基质的人工湿地系统中，COD平均去除率为14.11%[23]。不同挺水植物在砂质基质中的污水净化率研究[27]，COD的平均去除率为23.87%。目前，对于湿地系统基质的研究尚不多，可进一步研究不同湿地系统的最佳基质，使植物根系的微环境基质充分发挥吸附、过滤和沉淀污水有害物质的重要作用。

1.5 其他因素

影响去污能力的其他因素还包括植株种植密度、湿地系统的管理措施等。再力花和菖蒲的存活率在种植密度大于158株/m2时均高于93%，适宜高种植密度的无土培养[12]。种植密度10株/箱增至20株/箱时，植物氮磷去除率缓慢增加，冬天尤其明显，与植物季节性形态生理缓慢增强有关[28]。此外，植物季节性生长对污水处理也会产生影响。

2 人工湿地植物生长生理特性

植物生长指标是植物生长状况良好与否的直接体现，而植物生理指标则是反映植物生长状况是否良好的内因。研究芦苇、千屈菜、扁秆藨草、水葱和长苞香蒲5种植物在污水中的生理生长特性及去污能力，5种植物的Fv/Fm值、株高、光合生理参数和生物量净增长均高于清水培养[29]，各湿地植物对污水去除效果显著。在夏天进行植物污水耐性试验的光照、温度等条件比较充分，有利于植物进行光合作用，快速生长，增强硝化细菌活力，提高对氨氮去除速率。

2.1 人工湿地植物的生长特性

不同植物在人工湿地的生长特性存在差异[28-33]。随季节性变化，种植密度从10株/箱增至20株/箱，植物根长、茎长、叶长、分蘖数、根密度缓慢增强[28]，可能是因为植物种植密度的增加促进植物间竞争，植物生长因养分不足而相对缓慢。长苞香蒲和水葱的高度分别比清水培养植物增长1.4倍和3.1倍，长苞香蒲和水葱的总生物量分别比清水培养植物高11.8%、32.8%[29]，表明长苞香蒲和水葱抗污性强、生长快。植物地上/地下部分的氮磷含量和积累量有显著差异[28]，比对照组生长速率更快[32-33]，植株净化污水能力增强，这可能是因为植株生物量不断增大，植物在系统中的净化作用也越来越强。生长状况良好的人工湿地植物处理效果明显较好，去污力与植物生长的优劣呈正相关[34]。植物根系长度是植物适应能力强弱的最直接的形态学表现[35]，根系发达、较长的植物能够一定程度地扩展人工湿地净化污水的空间，有利于微生物特别是好氧细菌向湿地深部分布[36]。植物生物量变化程度可反映出其对环境的适应性[37]。

2.2 人工湿地植物的生理特性

不同植物的生理特性存在差异[38-39]。污水中植物的叶绿素（Chl）、类胡萝卜素（Car）、超氧化物歧化酶（SOD）、丙二醛（MDA）等生理指标发生变化，可说明植物对污水的适应性程度。全污处理时，大豆幼苗叶绿素含量显著低于对照组，与污水中有毒物质损害叶片叶绿体、抑制叶绿素生成或使叶绿素酶活性增加而有关[38]。芦苇、香蒲、芦竹、美人蕉4种植物可溶性蛋白含量与污水胁迫时间均呈负相关，MDA的含量与污水胁迫时间均呈正相关[39]。研究黄菖蒲、再力花、香蒲、梭鱼草、千屈菜5种挺水植物叶绿素（Chl）、类胡萝卜素（Car）、超氧化物歧化酶（SOD）、丙二醛（MDA）等生理指标的变化及植物对水质去除效果[40]，可知5种植物Chl和Car呈下降-上升-下降的趋势，可能由于污水胁迫初期植物应激反应的表现，但长期胁迫阻碍植物正常生长；浸淹45天后，黄菖蒲、梭鱼草、千屈菜MDA活性均升高，说明污水对植株膜系统造成一定的伤害。叶绿素组成和含量直接影响植物的光合作用效率，进而影响植物的正常生长发育。超氧化物歧化酶（SOD）是植物防御活性氧伤害的一种生理酶，植物体一般通过提高自身SOD、POD等酶的活性来清除体内产生的大量自由基，以抵抗逆境环境[41]。丙二醛（MDA）反映植物在逆境胁迫下膜脂过氧化作用强弱的一个重要指标，MDA积累量是活性氧毒害作用强弱的表现[42]。所以，污水会使植物的生理特性产生变化，是植物对环境的响应。

3 人工湿地植株元素响应

3.1 人工湿地植物的氮磷响应

植物对生活污水中氮磷的净化，主要是通过植被直接吸收和植被根系微生物的作用进行的。不同植物的生长生理特性差异，直接影响对氮磷的净化作用。有些植物的地下氮磷含量高于地上部，可能是枯萎期的植物将氮磷移至地下；部分植物地上氮磷含量较高，可能是因为取样时植物仍保持较好的长势，未到枯萎期。研究北京常见9种水生植物在人工湿地中的去污力和生活力发现[43]，植株氮磷含量主要是地下部高于地上部，地下地上生物量比大于或接近1，而有学者发现杨树‘中林2001’及红树林植物的氮磷含量地上部均较高[44-46]，说明污染物的持续增加未影响杨树‘中林2001’与红树林植物的正常生长。Xu等[47]研究认为稀释倍数6%（氨氮为52.1 mg/L，总磷为15.9 mg/L）时，浮萍生长最快，稀释倍数越低，氮磷去除率越高。污水氨氮浓度小于20 mg/L，pH 8±0.5时，本地绿萍生长较快[26]，由于绿萍可利用体内储存的氮磷在营养缺乏的水中进行快速生长，与体内的氮磷含量和pH有关。

3.2 人工湿地植物的金属元素响应

利用湿地植物处理污水过程中，植株金属元素的研究鲜有报道[48-52]。谢丹平等[48]研究发现，再力花不会明显改变河涌和湖泊中Na+、K+、Mg2+和Ca2+等离子的浓度，是因为再力花在培育中积累了合适浓度的离子，阳离子的存在有利于维持细胞内外的渗透压。用3种浓度污水模拟红树林植物湿地[50]，植株吸收污水中的镍、铜、镉主要分布于根部，与韦菊阳[20]研究梭鱼草和芦苇对重金属的去除率的结果一致。植物对重金属的去除率随时间的增加而显著增加，主要残留在植物根部[51-52]。Kasem Chunkao[51]发现水葫芦对Mn、Cd、Fe、Zn、Cu、Pb具有很高的吸收率，因为水葫芦生长速度极快，具有较强的富集重金属能力。植物对重金属具有一定的富集作用，在体内浓度达到饱和前，植物对重金属的去除率增加，体内金属浓度超过植物的耐性时，可改变植物的生理生化特性，伤害细胞结构，高浓度可导致植株死亡。

4 结语

人工湿地植物净化污水主要是通过植物与基质的吸收作用及根系生物与微环境的相互作用完成。植株所处的环境、植株种类和配置、污水的浓度、基质的物理化学性质均影响植被净化污水能力，此外植物的净化能力还与植株种植密度、管理措施等有关。

关于人工湿地植物净化污水的研究还需不断深入研究和探索，根系微生物的净化机制还需进一步研究，人工湿地植株轮作的研究以及植物各器官吸附金属元素特别是重金属元素的相关研究还有待深入，同时应加强湿地植物资源化的后续研究工作。

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