人工湿地不同植被群落及配置对城市污水的净化作用及优化方案

吉林省生态环境监测中心 王璐

一、研究背景

人工湿地是由天然湿地发展而来的，通过模拟天然湿地的结构和功能，选择一定的地理位置与地形，根据人们的需要人为设计和建造的湿地生态系统。复合生态湿地是人工湿地技术的一种形式，多见于野外湖库周边富营养化水体的治理。

本研究旨在揭示人工湿地不同植被群落及配置对城市污水的净化作用，并针对城市污水组成特点，优化人工湿地的植被配置方案，期待通过水质监测及植被生长情况，揭示人工湿地不同植物群落的污水净化能力，从而为优化湿地功能提供科学参考依据。在此基础上，提升北湖湿地公园生态服务价值，完善长春市水系统的自我调节能力，提供良好的人居环境，为打好水污染防治攻坚战作出贡献。

二、研究方法

（一）植被调查

本研究确定研究对象为长春北湖湿地公园。先进行预调查，进而设置样点，确立研究区域。本研究的植被调查采样点与水质采样点相同，每个水质采样点周围设植被调查样方3处，GPS确认样方地点经纬度，对样方内植被群落组成进行调查。为使后期数据分析更加精确，原则上取水点、植被样方应尽可能均匀分布于调查区域。

最后收集植被调查区域的遥感影像进行解析，基于调查数据结果对公园植被群落进行分类。通过实地调查，确定监督分类的种类为荷花加睡莲，芦苇加蒲草，沼柳、水域这四类。

（二）水质采样

由于本研究主要研究湿地植被群落对于城市污水的净化作用，在北方，夏季7月份左右是植物生长旺季，因此选择在2019年7月9日至10日、2021年7月21日至22日进行了四次采样工作，每次采样30个，共计采样120个。

考虑到北湖湿地公园的水体污染主要为城市污水污染，本研究采取了COD、NH3-N、TN、TP这四种水质参数作为监测指标。

（三）遥感解译分析

本研究选取与水质采样季相一致的7月17日“吉林一号”光谱星数据进行水质遥感反演，年份为2020年(受数据源限制)，进行了几何精校正、大气校正和水体提取。

本研究采取复合指数法进行监督分类，生成植被分类图。

基于水质采样结果，生成北湖湿地公园污染物浓度分布图，并通过对长春市污水污染物成分特点的分析，探讨湿地公园的净化植物配置方案。

三、结果

（一）植被调查结果与植被分类图

1.植被调查结果

现场调查可知，北湖湿地公园为天然湿地系统中的草本沼泽类型，植物群落类型以挺水植物为主，沉水植物、浮水植物种类及分布均较少。

北湖湿地公园中湿地植物的优势物种为芦苇、蒲草、荷花、莲花等，伴有少量菱等浮水植物及木本植物沼柳等。因此选中芦苇加蒲草、荷花加莲花、水域、沼柳作为监督分类的四种类型。

2.植被分类图

通过NDVI软件进行监督分类后，生成了北湖湿地公园植被分类图如图1。北湖湿地公园四种植物群落面积配置的占地面积见表1。

表1 北湖湿地公园四种植物群落面积一览表 单位：km2

图1 北湖湿地公园植被分类图

（二）水质采样结果

1.浓度分布图

通过ArcGIS®的空间分析插值功能——自然邻近法生成2019年及2021年夏季COD、NH3-N、TN、TP污染物数值全局的浓度分布。具体见图2。

2.分析

从图2可较为清晰地看到整个北湖湿地公园污染物COD、NH3-N、TN、TP在2019年夏季及2021年夏季的分布状况。各类污染物的空间分布存在较大的差异，各类污染物相对高浓度的分布区也存在较大差异，但是不同年份的同种污染物分布具有相对的一致性。各类污染物空间分布特征显著，不同区域主要污染物的分布特点明显。

图2 2019年及2021年夏季COD、NH3-N、TN、TP 浓度分布图

（三）数字模型分析及植被配置优化方案结果

1.数字模型分析结果

使用SPSS软件进行分析后，得到了长春北湖湿地公园三种植被配置与水中污染物浓度变化的相关性分析，具体见表2。

表2 长春北湖湿地公园三种植被配置与水中污染物浓度变化相关性分析一览表

由表2可以看出，荷花加睡莲对COD、TN、TP都有非常显著的净化效果，芦苇加蒲草对TP有非常显著的净化效果，沼柳对COD有显著的净化效果，对TP有有非常显著的净化效果。三种植被类型配置对NH3-N无净化效果。

2.植物配置优化方案

加强湿地公园植物配置的研究，积极推进科学种植，对于改善湿地的生态环境质量，提升湿地的功能都将起到重要作用。水生植物是人工湿地的重要组成部分，在人工湿地废水处理中具有举足轻重的作用。在实际应用中，应该根据不同植物、不同污染物类型及浓度选择不同的植物单种或配置方式，充分利用植物的净化作用。

从图2可知，所有污染物在入口处基本都呈现出浓度较高的态势，因此，在入水口附近适当增加有显著吸附效果的植被种植量，更有利于对北湖湿地水质污染物的治理。以降低水体TP污染物浓度为目的时，荷花加睡莲、芦苇加蒲草、沼柳等配置均可考虑；以降低水体TN污染物浓度为目的时，建议多采用荷花加睡莲的配置；以改善水体COD为目的时，建议多选用荷花加睡莲的配置，也可增加沼柳的配置。

在湿地植物配置方面，经过实地调查分析，目前北湖湿地植被种类少，设置存在单一现象，浮水植物和沉水植物少，水生态系统很难构成垂直结构。对此，提出三点优化配置方案：

（1）长春北湖湿地公园应加大种植区域面积，增加水生植物生物量，可以更好地提高污染物吸附率，有效降低水中有机污染物含量。通过本研究得出的北湖湿地公园植被分布图可以看出，公园南部的湿地植物种植量少于北部，可以在南部适当增加湿地植物种植量，使北湖湿地公园的湿地植物空间分布均一，更有利于发挥其人工湿地净化水体的作用。

（2）除了增加水生植物数量，达到更好的吸收、利用、消化、分解水体污染物的能力之外，还应增加浮水植物、沉水植物种植数量，与挺水植物构成水生态系统，形成更加自然的多层次水生植物景观，使水体微生物在水中有附着温床，建立健全的水生态系统。

（3）长春北湖湿地公园作为一个具有湿地保护与利用、科普教育、湿地研究、生态观光、休闲娱乐等多种功能的社会公益性生态公园，植被配置方面应考虑观赏性。

从本研究得出的植被分类图可以看出，在北湖湿地公园南部，沼柳种植面积很少，应在南部岸边加大沼柳种植面积，除了可增强水中TP污染物吸附作用外，还可以丰富公园整体景观效果，使湖岸形成林荫，作为游人的游憩场所。