芹泽由衣《植物在人工湿地中的作用及物种选择》由会员分享，可在线阅读，更多相关《植物在人工湿地中的作用及物种选择（15页珍藏版）》请在人人文库网上搜索。

　　1、 生态环境 收稿日期 :2005206202作者简介 :傅伟军 (1980- , 男 , 浙江绍兴人 , 四川大学 2003级建筑与环境学院环境科学系硕士研究生 , 研究方向为生态环境。植物在人工湿地中的作用及物种选择傅伟军 , 唐 亚(四川大学建筑与环境学院 , 四川 成都 610065 摘要 :本文主要阐述了植物在人工湿地中的作用和选取植物的一些原则 , 并分析了今后所研究的重点 。植物在人工湿地中起着非常重要的作用 , 不但可以去除污染物质 , 而且具有生态美学和经济价值 ; 选择植物应考虑植物的净化能力 、适应性等因 素 。 最后提出了植物研究需要加强的地方 。 关 键 词 :人工湿地

　　5、处于水陆交接相的复杂生态体系 , 由水 、永久性或间歇性处于水饱和状态下的基质以及水生生 物组成 , 它具有较高的活性与生产能力 ; 人工湿地 (Constructed Wetlands 是为处理污水而人为设计建造 的 、 工程化的湿地系统 , 通常由人工基质和生长在其 中的水生植物组成 , 是一个独特的水 土壤 植物 微生物生态系统 , 其物理 、化学 、生物的协同作用可 以有效处理污水 1。采用该技术处理污水最早出现在 德国 。 研究发现 , 种植芦苇的人工湿地能有效地去除 有机物和无机污染物 , 并进一步研究其机制 , 提出了 根际理论 , 该理论推动了对人工湿地污水处理的实验 研究 ;

　　6、 根际理论的提出推动了对人工湿地的研究与应用 , 标志着人工湿地作为一种新型污水处理技术正式 进入环保领域 2。 该技术具有投资省 、运行费用低和 处理效果好等优点 , 在我国具有广泛的应用前景 。植 物是人工湿地的核心 , 通过植物及其生理活动不但有 助于去除污染物 , 还可以促进污水中营养物质的循环 和再利用 , 同时人工湿地还能绿化环境 , 改善区域小 气候 , 促进生态环境的良性循环 。本文主要阐述了人 工湿地中植物的作用和选择植物的原则 , 为人工湿地 建设提供理论依据 。2 植物在人工湿地中的作用植物是湿地最重要的组成部分 , 是湿地发挥作用 的灵魂 。 人工湿地中植物的功能和特点

　　7、包括 :利用自 身的光合作用为净化过程提供能量和载体 、通过根系 向其周围的基质输送氧气 、根系能分泌多种供微生物 生长的有机物 (碳源 、 能富集污染物 、 具有美观可欣 赏性 、 可以收割而实现植物的经济价值 。这些特点使湿地处理污水的系统显著区别于其他处理方法和技术 , 并且还能有助于净化污水和生态环境的改善 。211 对污染物的吸收 、 吸附和富集植物通过吸收 、吸附和富集作用去除水体及污泥 中的污染物 。 植物的生长和繁殖需要营养物质 , 而污 水中相当部分的污染物就是植物所需的养分 。成水 平 3等人的研究发现 , 在种植了水烛与灯心草的人工 湿地基质中氮 、 磷的含量分别比无植物

　　9、收能力 。 普遍认为漂浮植物吸收能力强于挺水植物 , 而沉水植 物的吸收能力最差 。与木本植物相比 , 草本植物对污 水中污染物具有较高的去除率 , 如有芦苇 (Phrag 2 mites aut ralis 的湿地对氨氮的去除率接近 100%, 而 种有杉木的湿地仅为 40%75%6。 Collins 等人 7指 出 , 湿地植物吸收营养物的能力与植物的根系深度及 生活形态相关 , 那些根系易暴露于污水中的植物比根 系深但分布于基质中的植物具有更好的吸收能力 。不 同种类的植物富集重金属和有毒有害物质的能力亦不 同 , 许多陆生植物具有超强的富集重金属的能力 , 植 物体内的金属含量可达 0

　　10、11%1%。现今正从自然界 中寻找具有超高积累能力 (即对污染物主要是重金属 的富集大大超出一般植物的能力 , 一般认为重金属在 植物叶片的含量超过 011%就可称该植物对该重金属 有超强富集能力 的植物 , 陈同斌领导的科研小组率 先开发了利用蜈蚣草去除砷污染的植物修复技术 , 其 叶片的砷含量高达 018%。同时正在利用转基因工程 开发具有超高积累能力的新品种 8, 美国乔治亚州大 学的研究者利用转基因树 (主要是三叶树 去除重金 属汞 , 加州伯克利分校的研究者用印度芥菜植物的转 基因技术来吸收危险性极强的含硒灌溉水 , 都取得了 显著效果 。另一方面 , 植物根系释放到土壤中的酶等物质

　　11、可 直接降解污染物 。 美国一个实验室从淡水沉积物中分 离鉴定出脱卤酶 、 硝酸还原酶 、过氧化物酶 、植物漆 酶和氰酶等五种酶 , 这些酶均来自于植物 , 对降解污 染物有重要作用 9。 吴振斌等人 10的研究也发现 , 尿 酶活性与人工湿地总氮的去除率有极显著的相关性 。 因此 , 研究植物特有酶的降解过程能够为人工湿地系 统的净化潜力提供有力的证据 。212 输氧作用湿地环境对许多生物而言是恶劣的 , 最不利的一 点就是土壤缺氧 。在缺氧条件下 , 多种生物不能进行 正常的有氧呼吸 。 水生植物则具有适合在缺氧条件下 生存的结构和特征 , 包括茎肥大 , 茎和根具有较大的 通气组织 ,

　　12、茎中空 , 具浅根系等 。植物的这种特殊结 构 , 有利于氧气在其体内传输 , 不仅满足植物在缺氧 环境下的呼吸作用 , 而且促进了根区的氧化还原反应 与好氧微生物的活动 。研究表明 , 由于挺水植物的输 氧作用形成氧化态的根区 , 有植物的湿地底质中氧化 -还原电位明显高于无植物区域底质 , 因此 , 种有植 物的湿地出水水质中的总铁 、 总锰含量下降 11; 成水 平等人 3的研究发现香蒲的存在有利于微生物在人工 湿地基质中纵深的扩展 , 水生植物植株和根系的输氧 作用促进了深层基质中微生物的生长和繁衍 。213 经济和生态价值人工湿地作为一种污水处理系统 , 过去的研究侧重 去除污染物

　　13、, 而所用植物的经济价值常常被忽略。 近年 来 , 人们在应用人工湿地的同时 , 开始注重被选植物的 经济价值。 黄时达等 12在利用人工湿地系统处理四川 黔江地区白岩煤矿酸性污水和生活污水的研究中指出灯 心草是合适的湿地植物 , 不但因为灯心草具有较高的污 染净化能力 , 而且是当地农民经常栽种的经济作物 , 可 以用来编织草席出售 , 具有一定的经济价值。经过几十年的发展 , 人工湿地的内涵有了很大的 扩展 , 已集多种功能和价值于一体 , 其中生态美学价 值也是该技术的一大特色 。而湿地的清洁性 、愉悦性 和可观赏性等特性主要是通过湿地植物来体现的 。陈 飞星等 13在利用水生植物改善北

　　14、京动物园水环境的研 究中指出 , 荷花 、 睡莲等水生植物不仅本身具有较高 的观赏价值 , 而且种有这类植物的湿地水域也为鱼群 和水禽创造了适宜的生存环境 。成都活水公园人工湿 地塘床系统中的大型水生植物群落不但是人工湿地生 态系统的骨架 , 同时还发挥着美化 、 绿化环境的作用 。 Mark Nelson 等人 14在研究中也指出 , 种有百合 、风 信子的人工湿地使人们联想到的是水上花园而非污水 处理设施 , 同时也为壁虎 、蜥蜴等环境有益动物提供 栖息场所 。214 为微生物提供生存的环境淹没于水中的水生植物的茎和叶形成的生物膜 , 为大量的光合细菌 、原生微生物等在植物组织上的生 长提

　　15、供了一定空间 , 埋藏于土壤中的根系表面也为微 生物的活动提供了巨大的物理活动场所 6。同时湿地 植物能将光合作用产生的氧气释放到根区 , 在植物的 根区形成氧化态的微环境 , 这种根区有氧区域 、缺氧 区域 、 厌氧区域的共同存在为根区的好氧 、兼性和厌 氧微生物提供了各自适宜的小生境 , 使不同的微生物 各得其所 , 发挥相辅相成的作用 。废水中的有机物大 部分是在根区的有氧区被好氧微生物降解 , 氨则被这 一区域的硝化细菌硝化 , 在根区稍远的区域氧浓度降 低 , 反硝化细菌将氮素物质以氮气的形式释放到大气 中 15。 张鸿等 16的研究表明 , 在种植水芹 、凤眼莲 的湿地中 , 硝化

　　16、和反硝化细菌数量均高于没有植物的 湿地 。 Anderson 等人 17的研究表明 , 植物根际能分泌 各类有机复合物 , 为微生物的生存创造良好的条件 , 促进根际的生物降解 , 提高人工湿地的净化能力 。 215 增强和维持水体传输的作用由于植物根系对介质的穿透作用 、根系横向和纵 向的扩张作用 , 在介质中形成许多微小的间隙 , 增强 了介质的疏松度 , 使介质的水传输作用得到增强 , 成 水平等进行的人工湿地处理污水的试验发现 , 经过 3 5个月的污水处理后 , 不种植物的对照土壤板结 , 发生淤积 , 而种植水烛和灯心草的人工湿地渗透性能 好 , 污水能很快渗入介质 3。据报道 ,

　　17、 即使较板结的 土壤 , 在种植植物 25年之内 , 经过植物根系的穿透 作用 , 其水传输能力可与沙石 、碎石相当 1。同时植 物的根和根系腐烂后 , 剩下许多的空隙和通道 , 增强 了土壤的通透性 , 也有利于土壤水力传输 。因此 , 当 污水经过湿地系统时 , 可以和植物根系及基质充分接 触 , 提高湿地系统的去污效果 。3 人工湿地植物的选择原则在人工湿地建设过程中 , 植物物种的选择是决定 人工湿地能否正常运行和发挥作用的重要环节 。根据 国内外的研究 , 在应用于人工湿地的植物 , 至少应具 备如下特性 。311 净化能力强净化能力是选择人工湿地植物要考虑的一个重要 因素 。 主要

　　18、包括两方面的内容 :一方面植物的根系要 发达 , 另一方面植物生物量要大 。水生植物对污水中 的有机物 、 总氮的去除 , 主要是通过附着生长在根区 表面及附近的微生物的生物降解作用来实现的 。发达 的植物根系可以分泌较多的分泌物 , 为微生物提供适 宜的环境 ; 同时 , 植物的根系在固定处理床表面和保 持植物与微生物旺盛生命力等方面发挥着重要作用 , 对保持湿地生态系统的稳定性具有重要意义 。成水平 等指出 , 长苞香蒲和水烛等大型水生植物具有粗壮的 根系和许多发达的不定根 , 是较佳的净水植物 ; 而小 型种类 , 如小香蒲的根系发达程度无法与前者想比 , 净化污水的效果相应要差 3。

　　19、Adock 等 18研究了水冬 麦 (T riglochi n procerum 和芦苇两种人工湿地植物 的地上 、 地下和总的生物量 、生长状况和组织中营养 成分的含量 , 结果表明水冬麦具有明显发达的根系和 较高的地上 、 地下生物量 , 对氮 、磷的去除效果是芦 苇的 5倍 。312 具有抗逆性由于污水处理系统全年连续运行 , 用于处理污水 的人工湿地植物必须能在恶劣的环境下正常生长 , 而 对自然条件适应性较差或不能适应的植物都将直接影 响净化效果 。 同时 , 污水生态处理系统中的植物易滋 生病虫害 , 抗病虫害能力直接关系植物自身的生长与 生存 , 也直接影响处理系统的净化效果 。

　　20、在抗逆性因素中 , 耐污能力是选择人工湿地植物 的重要考虑 。 人工湿地中植物根系要长期浸泡在水中 , 长期接触浓度较高 、变化较大的污染物 。大多数植物 对于污染这种特殊的逆境有一定的适应性 , 会产生一 定的抗性 。 但不同植物耐污能力相差较大 , 所以构建 人工湿地时 , 应选择耐污能力强的植物 , 可以保证植 物的正常生长 , 而且也有利于提高人工湿地植物去除 污染物的能力 。 黄世玉等 19的研究发现 , 满江红 、水 莲等植物耐污能力较强 , 在水体较为严重的水体均能 存活 , 对水体中的氮和磷等营养物质有较好的去除效 果 。313 具有多种用途人工湿地是通过人工设计建造的一种新型

　　21、污水处 理工艺 , 人与环境 、生物与环境 、生物与生物 、社会 经济发展与资源环境以及生态系统与生态系统之间协 调发展是它的重要特点 , 特别是将人类作为系统的一 个组成部分而不是独立于湿地之外 , 发挥自然和人的 力量来改善和美化环境 , 是人类利用自然湿地的特性 来平衡污染处理和保护环境的重要典范 。此外 , 不同 地区具有不同的自然和社会经济背景 , 存在地域的差 异和特殊性等原因 , 这些都是人工湿地植物选择中要 考虑的重要因素 。必须做到因地制宜 , 选择合适的物种 , 使所选的植物适合当地的气候条件 , 正常生长 , 以充分发挥植物在人工湿地中的作用 。同时 , 由于设 计的人工

　　22、湿地系统是周围环境的一部分 , 因而要把人 工湿地融入其中 , 而不是独立于景观之外 , 这在植物 选择中也要加以考虑 20。同时 , 人工湿地植物的选择要考虑经济和观赏价 值 。 目前 , 发达国家的人工湿地污水处理系统在治污 的同时引入园林设计的理念 , 将治污与营造生态公园 融合为一体 , 使保护环境与美化人们的生活相映生辉 , 产生非常好的效果 。 钱晓艳等 21人的研究发现 , 水蔬 菜和水芹菜不但可以移除氮 、磷等物质 , 而且茎叶部 的重金属均处在可食用范围内 , 具有显著的环境效益 和经济效益 。314 有利于合理的种类 、 季节配置为了增强人工湿地的污染物净化能力和景观效果

　　23、, 一般在人工湿地中选择一种或几种植物作为优势种 , 同时需要搭配种植其它物种 。根据环境条件和植物群 落的特征 , 按一定的比例在空间分布和时间分布方面 进行安排 , 形成稳定可持续利用的生态系统 。在空间 分布上 , 使挺水植物 、 浮水植物和沉水植物合理组合 , 充分利用空间结构来提高处理效果 ; 在时间分布上 , 要根据不同植物的习性 , 使一年四季都有植物在发挥 作用 , 克服季节对污水处理效果的影响 。但是 , 在物 种配置中需要考虑植物之间的相互关系 , 不同种类的 植物景观效果和净化能力差异较大 , 而且存在着相互 之间的作用 。一方面是对光 、水 、营养等的竞争 , 另 一方

　　24、面是植物之间的生化作用 , 要避免具有生化拮抗 作用种类生长在一起 , Sczepanska 22发现宽叶香蒲 、 水葱 、 苔草等植物体腐烂产生的一些物质对芦苇的生 长和繁殖具有抑制作用 。因此 , 在选择植物构建人工 湿地时 , 要注重植物之间的合理组合 , 减少植物之间 的拮抗作用 , 增强它们的共生作用 , 使得各种植物顺 利生长 , 提高对污染物的净化能力 , 产生良好的观赏 价值 。对于不同类型的污水 , 应选用不同的植物 。 Pan 2 tip K lomjek 等人 23对香蒲等八种植物在处理养虾盐性 废水的研究中发现 , 香蒲和亚洲蟹草在含盐废水中对 氮和有机物的去除明显优于

　　26、:研究和应用的种类少 , 还没有开展过较为系统的物种筛选工作 ; 种类基本上 完全限于草本植物 , 而木本植物的应用缺少研究 ; 以 一个地区的植物区系为基础的物种筛选还没有开展过 。 据调查 , 全球发现的湿地高等植物多达 6700余种 , 已 被用于人工湿地且产生效果的只有几十种 。国外最常 用的植物种类是芦苇 、香蒲和灯心草 , 此外凤眼莲 、 黑三棱 、 水葱等植物也比较常用 25。在国内湿地植物 种类的应用主要借鉴国外的经验 , 最常用的植物种类 与国外基本一致 , 同时国内采用的植物还有香根草 、 茭白 、 苔草 、大米草 、小叶浮萍 、菹草 、池杉 、美人 蕉 、 水仙 、 慈姑

　　27、等 。由此可以看出 , 开展植物种类研 究具有重要的理论意义和实用价值 。由于不同植物种类在营养物吸收能力 、 根系深度 、 氧气释放量 、 生物量等方面存在差异 , 所以它们在人 工湿地中的净化作用并不相同 。开展植物净化功能的 比较研究对于种类的选择非常有必要 , 尤其是处在热 带和亚热带的发展中国家 , 有着丰富的湿地植物物种 , 但是由于科研资金的限制 , 未对当地的水生植物物种 进行系统的研究 , 只是搬用了国外所研究的物种进行 使用 , 效果差强人意 。因此 , 今后开展湿地技术研究 时 , 应选择合适的植物种类 , 特别是通过植物筛选和 系统观测研究 , 从当地的自然湿地中选取耐

　　28、污能力强 、 净化效果好 、 适宜其生存环境的植物种类 。影响水生植物去除率的因素有光照 、水温 、溶解 氧 、 p H 、 营养盐等 , 不同生活型水生植物对这些因素 的敏感性不同 , 所有植物都有其适合的季节和温度 , 在今后应用水生植物处理污水时 , 应对各环境因子进 行调查分析 , 寻求适合的水生植物 , 研究其在污水处 理过程中的生理生态特性 。参考文献 :1 刘衍君 1人工湿地在污水处理中作用极其展望 J1云南环境科 学 ,2003,22(4 :4224512 House CH 1Combining constructed wetlands and soilfilter for r

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