大型植物在人工湿地中的角色

于 艳

(吉林建筑大学城建学院，长春 130000)

0 引言

水生大型植物的存在与否是界定湿地的特征之一.在美国净水法案中，湿地被定义为“在正常情况下都被淹没或有持续时间与频率充足的不饱和地面或地下水，并拥有能够支持常见植物适合生长的充足土壤条件的区域”.因此，包括人工治理湿地的湿地植物是湿地的一种内在特征.

生长在湿地中的较大的水生植物通常被称作大型植物.这些包括维管植物(被子植物和蕨类植物)、水苔类和一些较大的有可见组织的藻类.其中蕨类植物如槐叶萍、红萍和大型藻类如刚毛藻等广泛分布在湿地中，并且开花植物(被子植物)占主导地位.大型植物与所有的光能自养生物一样，利用光能从大气中吸收无机碳来制造有机物，随后向异氧生物(动物)提供能量来源.由于湿地的充分阳光、水分和营养供应，使得由湿地植物主导能量提供的生态系统的主要生产力保持着较高水平.与这种高效的生产力相联系的常常是高效的异养活动，以及很高的迁移分解有机物或其他物质的能力.

湿地生态系统可以作为营养物质和碳的源、汇或迁移介质，这种能力导致天然湿地或人工湿地广泛地应用于水质净化.污水可以被排放到湿地中，对于水质保障来说具有重要的发展意义.与污水处理系统一样，在大多数人工湿地系统中最重要的迁移转化作用都是基于物理和微生物作用，所以人们对大型植物在污水处理过程中扮演的角色提出疑问.本文旨在概括大型植物如何通过其物理及新陈代谢作用影响湿地中的处理过程.

1 物理作用

湿地中植物的存在是分散的，并且降低了水体的流通速率.这种情况建立了更好的悬浮颗粒的沉降条件，降低侵蚀和再悬浮的风险，并增加了水和植物表面区域的的接触时间.大型植物对湿地土壤的稳定性也起到了非常重要的作用，其稠密的根系系统组织阻止了侵蚀渠道的形成.在垂直流系统中，大型植物的存在联合一个间歇进水体制帮助阻止介质堵塞，植物的运动是风等作用的结果，保持表面空旷，根系在过滤介质中的生长能帮助分解有机物和防止堵塞.

覆盖在湿地表面的植物，可以看作是介于大气和湿地土壤或水表面之间的不同环境间具有重要梯度意义的存在参量的一层薄生物膜.风在土壤和水表面的速度与在植物之间的速度相比明显降低，由此降低了沉积物的再悬浮，从而提高了悬浮物质通过沉淀去除的效率.

在水生植物覆盖的水界面下，光被削弱从而阻碍了藻类的生产活动.这种性质经常存在以浮萍为主的系统中，即浮萍覆盖表面下的藻类将死亡并沉降.植物的另外一个重要作用:在冬天，特别是温和的区域通过覆盖来保温.当枯萎的植物体依然存在时，它将被雪覆盖并提供一个合适的隔离环境来保持土壤免于结冻.凌乱的枯枝落叶同样帮助土壤在冬天免于结冻，但从另一方面说它同样让土壤在春天温度更低.

2 土壤的水力传导性

人工湿地中，植物密度会影响水流的运动速度［1］.应用广泛的潜流人工湿地(见图1)，水流更加倾向于流向由土壤气孔中存在的根和根状茎组成并拥有巨大表面积的渠道.随着大型植物根和根状茎的生长，其搅动增加了土壤的疏松度，减小了土壤的封闭性，进一步加强了土壤的水力传导能力.此外，当根和根状茎死亡并腐烂后，它们将留下那些被认为能够稳定并增强土壤的水力传导性的管状气孔或凹槽(巨大的气孔)，这些拥有气孔系统的结构取决于大型植物的种类和生长环境，并且能非常有效地在土层中传输水分.有研究者主张在经历3年(3个完整的生长周期)后任何土壤都会达到10－3m/s的水力传导速率，并且一旦形成，水力传导速率将会自动稳定并保持.在澳大利亚、丹麦和英国已经开展关于一种以土壤为基质的芦苇床的水力传导性的数据研究，但研究者并没有验证这种观点.相反，水力传导率经常降低并经常稳定在10－5m/s～10－6m/s的水平.

图1 垂直潜流湿地结构

3 微生物生长的表面区域

人工湿地中，生物膜的生成对于污染物的净化起到关键性的作用，而生物膜的形成需要巨大的附着表面.植物对人工湿地的影响仅表现在植物组织的物理作用上，大型植物能为微生物提供巨大的物理表面，大型植物在水下部分的的茎和叶也能为生物膜的生长提供庞大的表面积(见图2)，并且很多大型挺水植物在水中的部分能附生大量的藻类［2］，对污染物的过滤、吸附、吸收和转化等起到了相当重要的作用，且植物根系表面也是重金属相有机物沉积的场所［3］.

图2 地下的植物根系为微生物的生长提供巨大表面积

植物组织使光和藻类、细菌和原生动物聚集并与之紧密联系在一起.同样，埋在湿地土壤下的大型植物的根和根状茎提供了吸引微生物生长的基质，基质一方面可以成为微生物依附的场所;另一方面也可以作为载体和营养物质.因此，和沉浸在湿地系统中基质表面的生物膜一样，不仅湿地土壤下和地表及地面部分出现植物组织的生物膜(微生物)，而且包括死亡的植物组织在湿地中都对大多数微生物的活动负责.

4 营养物质吸收

湿地植物需要营养物质来满足生长和繁殖的需要，并且可通过直接吸收的行为进行摄取.有根的大型植物主要通过其根系系统吸收营养物质，同样一些大型植物是通过被浸没的茎和叶从周围的水中吸收营养物质.

湿地植物是多产的，受生物量限制，所以营养物质的总量很可观.蒋跃平等［4］人试验表明，营养物质通过植物转化为生物量主要集中在植物的地上部分，所以收割植物的地上部分就能有效的将营养物质去除.值得提醒的是，植物的收割应在生长后期进行，这样可避免由于成熟种子的掉落，以及植物地上部分营养物质回流到植物根部影响营养物质的去除率.因此挺水植物的吸收能力通过收割来转移的营养物质总量大致可以达到30kg/(ha·year)～150kg/(ha·year)P和200kg/(ha·year)～2 500kg/(ha·year)N.高产的水生凤眼莲拥有更高的吸收能力(approx.350kg P和2 000kg/(ha·year)N)，而水下的大型植物却较低(＜100kg P和700kg/(ha·year)N).但从总体上来说，通过植物收割去除的营养物质总量和排入人工湿地的污水总量是无关紧要的.如果湿地不进行收割，那么多数被植物组织吸收的营养物质将通过腐烂分解重新回到水体中.

5 根系释放

水生大型植物从根向根系周围释放氧(见图3)，并且这种释放通过影响沉积物的氧化还原电位来影响沉积物中的生物地球化学循环.根表面的铁氧化物形态的混合物呈现微红色，可以很容易地使之可见，从而定性.但本底环境的氧释放大小的定量仍然是个争论的重点.

根的氧释放速率决定于内部的氧浓度，氧需要环境介质和根壁的渗透性.湿地植物通过上皮组织和表皮组织的木质层的栓化作用来保存内部的氧.这些组织释放了就会允许更多的氧到达根顶点的分裂组织.因此，湿地植物试图将释放到根系周围环境的氧降到最低.但是，根部的泌氧速度在接近顶点的区域时几近达到最大值，且随着与顶点的距离增加而减小.随着角质层的形成及皮下植物栓化作用引起的组织年龄与减小的泌氧速率和降低的根系顶点的气体渗透性的下降相联系.根壁降低的气体渗透性使氧的外渗降到了最低，允许更多的氧气到达顶点来分裂组织.根尖的泌氧支持着氧化和解除周围环境潜在的减少有害物质的毒性.根状茎和根系拥有一种内在传输性的通流通气系统，比那些仅仅依靠氧的扩散传输的物种拥有更高的内部氧浓度，并且显著地增加了能够与气体接触的根系长度.有传输性的通气系统的湿地植物与没有通气系统的植物相比，能通过其根系释放更多的氧气.

根系系统除了释放氧外同样也释放其他物质.在Seidel教授［5］德国马普学会的早期研究指出，芦苇(灯芯草)—水葱从根部释放抗菌素.细菌(大肠杆菌、沙门氏菌、肠球菌)水平在通过一层水葱后明显的从污水中消失.许多沉水植物释放化合物来影响着其他物种的生长，但在人工湿地中这一特性却没有得到实验证实.植物同样通过根释放许多有机化合物，这种释放的量仍不清楚，但报道称之大约为光和作用固定的碳的5%～25%.这种有机碳从根部流出可能为脱氮提供碳源，从而增加各种人工湿地的氮的去除效率.

图3 植物根系氧的释放

6 其他角色

湿地被称之为“地球之肾”，因为拥有大型植物的人工湿地可以作为自然和人类排放的废水和垃圾的接收器.除此之外，在大型的湿地系统中，它的生物是多样性的，湿地植物供养着不同的野生动植物，包括鸟类、爬行类等，为众多的野生动物创造了独有的生存环境，像“生物市场”一样，这对于许多地区来说可能十分重要.在许多地方的自然湿地里，由于过高的流速使湿地环境遭到破坏，但由于大型植物的存在，可以减弱水体的流动.另外一个可能也是最重要的，就是小型湿地系统往往只服务单一的住房、宾馆等，选择美观的湿地植物如黄花鸢尾来使湿地污水处理系统拥有较好的外观是合理的，同时可以配备喷泉等来增加湿地的充氧能力，达到污水处理与景观兼得的效果，让久居城市的人享受到在自然中生活的感觉，这是大型植物的美学价值所在(见图4).

图4 某城市大型综合性湿地公园

7 结论

(1)大型植物在人工湿地中的生长有许多和处理过程相关联的特性，使其成为了设计的一个基本组成部分;

(2)大型植物在水处理过程中最重要的作用，是通过其植物组织提升的物理作用(如:控制腐蚀、过滤作用，为吸引微生物提供表面区域);

(3)大型植物的新陈代谢(如植物吸收、泌氧等)影响处理过程的不同程度取决于设计;

(4)大型植物有其独特的有价值的功能，如为野生动植物提供栖息地并给予系统具有审美趣味的外观.

［1］Watson D.Hydraulic effects of aquatic weeds in U.K，rivers［J］.Regulate rivers，1987(1):211 －227.

［2］EPA.United states Environment Protection Agency.Manual Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters［D］.USPEA Cincinnati，Ohio，USA.2000.

［3］Brix H.Use constructed wetland in water pollution control:historical development，present status，and future perspectives［J］.Water Science and Techonology，1994，30(8):209 －223.

［4］蒋跃平，葛 滢，岳春雷，常 杰.人工湿地植物对观赏水中氮磷去除的贡献［J］.生态学报，2004，24(8):1718－1723.

［5］Seidel CC，Sukias JPS，Upsdell MP.Relationships between loading rates and pollution removed during maturation of gravel－ bed constructed wetlands［J］.Joumal of Environmental Quality，1998(27):448 －458.