水生植物石菖蒲在人工湿地水质净化中的应用

刘洋 王玮* 李法云 周纯亮

（1. 上海应用技术大学生态技术与工程学院，上海 201418；2. 上海城市路域生态工程技术研究中心，上海 201418；3. 美丽中国与生态文明研究院上海高校智库，上海 201418）

1 引言

随着我国重点流域水污染防治的开展，城市黑臭水体和农村污染水体治理等行动不断推进，水污染生态修复技术成为水处理领域的研究热点。人工湿地由天然湿地演化而来，是一种由基质、植物组成的低成本、生态化的污水处理系统，通过利用物理、化学和生物协同作用实现污水净化［1-3］。水生植物作为湿地系统的重要组成成分，具有生长周期短、成活率高和功能多样性的特点，可以促进水体氧循环、吸收有机物、抑制浮游藻类繁殖、控制富营养化及增强水体自清洁能力等［4-7］。植物通过光合作用和呼吸作用使得水体含氧量周期性变化，影响其根系周围的氧浓度，从而影响微生物的氧化还原作用，促进污染物的转化［8］。

石菖蒲（Acorus tatarinowii）是一种典型的挺水植物，自西汉开始就作为皇家园林观赏植物进行栽培种植，在我国有着两千多年的栽培应用史［9］。石菖蒲根系发达，对污染物有较好的去除效果，且兼具观赏性等优点，通常被作为城市景观建设的重要植物材料。本文归纳了石菖蒲的生态习性及其在人工湿地水质净化中的应用，重点分析了石菖蒲对不同水环境污染物的净化机理以及影响其对水质净化效果的因素，在此基础上，对今后石菖蒲在人工湿地水污染控制等多领域的应用进行了展望。

2 石菖蒲的生态习性

石菖蒲是菖蒲属禾草状多年生挺水植物，常绿而具光泽，耐低温，能适应湿润特别是较阴的条件，适合湿地的生态环境。《诗经》中载有，“彼泽之陂，有蒲与荷”，石菖蒲多产于黄河以南，湿地或溪旁石上，可露地生长，有独特的景观观赏作用，是常见的盆景植物和园林植物［10］。石菖蒲植株丛生、根系发达，其根系可在基质中向各个方向生长延伸，形成微小缝隙，增加填料的疏松度，从而提高基质的水利疏导能力，促进污废水的过流［11］。此外，石菖蒲的根也常作药用，具有祛湿解毒、开窍豁痰的功效［12］。

3 石菖蒲在人工湿地中的应用

石菖蒲在人工湿地水质净化中发挥着重要的作用，其发达的根系可分泌大量的糖、醇和有机碳等物质，可作为微生物的能源物质，根系生长延伸可以增加基质填料的空隙率，改善基质氧浓度，为微生物提供适宜的生长环境，提高其代谢活性，进而增强湿地系统的水质净化效果［13-14］。

3.1 对氮的去除

石菖蒲人工湿地脱氮机理见图1。

图1 石菖蒲人工湿地脱氮机理

3.2 对磷的去除

污水中的磷主要以有机磷矿化、基质吸附沉淀、植物和微生物吸收等方式去除［21］。石菖蒲可以通过吸收有机磷以提供其生命活动所需要的能量，磷元素在植物体内被转化为ATP，DNA，RNA，石菖蒲茎叶磷含量明显高于根部，能够通过收割茎叶除磷［22］。植物根际环境中的磷酸酶有催化磷酸酯和磷酸酐水解的作用。湿地植物的生长可通过影响其根际环境和根际土壤的理化性质，进而影响磷酸酶的丰度、活性以及分泌情况，有研究表明石菖蒲对总磷去除率为44.38%～76.35%［20，23］。

石菖蒲人工湿地除磷机理见图2。

图2 石菖蒲人工湿地除磷机理

3.3 对多环芳烃的去除

多环芳烃（PAHs）在环境中具有化学性质稳定、持久性强、难生物降解等特点，并且对人类具有致癌、致畸、致突变的“三致”效应，进而严重影响生态环境和人类健康。植物主要通过根系吸收PAHs 等有机污染物，并向上运输积累到各个组织器官。有机物首先附着于根系表面，大部分经过被动吸收和主动吸收两种途径进入植物根部细胞，其余吸附停留在植物的根际环境中。进入植物体内的污染物部分被根部的脂质吸收、固定，另一部分又经过共质体和质外体之后进入根系内部，并沿着木质部分输送到根茎叶。曲洁婷［24］研究发现，多种常见人工湿地水生植物对PAHs 都有去除效果，去除率均能达到30%以上。Alsghayer 等［25］研究结果显示，芦苇（Phragmites australis）对菲、芘和苯并［a］芘等PAHs化合物的去除率分别为83%，71%和81%，而香根草［Vetiveria zizanioides（L.）Nash］的去除率也分别达到了67%，66%和73%。袁秀泽［26］研究了不同植物对人工湿地PAHs 净化效果，发现菖蒲、水葱（Scirpus validus Vahl）、芦苇、菰（Zizania latifolia）4 种湿地植物对萘的平均去除率均达到55%以上，对菲的平均去除率均达到40%以上。

石菖蒲人工湿地对PAHs 污染物的去除机理见图3。

4 水质净化效果的影响因素

4.1 植物

植物是人工湿地重要的组成部分，人工湿地栽种植物后脱氮效果可以提升17%～65%［27］。植物不同部位对水质的净化能力存在差异，植物生物量、丰度和配置等因素都会影响人工湿地水质净化效果［28-30］。

4.1.1 植物不同部位

植物不同部位对水质净化效果不同，其主要原因是不同部位对氮、磷、有机物等的吸收速率和累积效果有差异。石菖蒲植株茎、叶和根部实施不同程度的剪除实验证明，石菖蒲的净化能力随着根和茎、叶数量的增加而提升，相比而言，其根对水质净化能力的贡献更大，根系越发达，对水质净化能力越显著［22，31］。

4.1.2 植物生物量

水生鸢尾（Iris tectorum Maxim）、石菖蒲和香蒲（Typha orientalis Presl）对比实验发现［32］，水生鸢尾因具有较大的生物量而表现出更强的脱氮除磷能力。多数植物的地下部氮磷含量高于地上部，植物生物量的增加使得植物的氮累积速率提高，因而植物氮累积与其生物量一般呈现正相关关系［33］。

4.1.3 植物丰度和植物搭配

植物丰度是影响生态系统功能稳定性的重要指标。增加人工湿地植物丰度可维持湿地生态系统的稳定性，并保障其稳定地发挥水质净化功能［34-35］。

科学合理的植物配置能明显提高人工湿地的水质净化效果。蔺芳［4］对石菖蒲、花叶芦竹（Arundo donax）、水生鸢尾进行配置对比实验，发现植物两两组合处理组氨氮去除率明显高于单一植物组。庄静静等［36］通过花叶芦竹、石菖蒲、水生鸢尾和美人蕉（Canna indica L.）的不同配置种植研究的结果表明，4 种植物混种的根系活力变化最大，且混合种植的植物叶绿素含量高于单一种植。一方面，不同湿地植物净化优势不同，按照植物的特性进行配置，使之协同互补，可保障净化过程高效稳定［37］，例如组合根系发达的菖蒲和根系浅小的西伯利亚鸢尾（Iris sibirica L.）配置种植，能促进垂直空间充分利用，提高水质净化效率［38］；另一方面，不同植物根系微生物种类不同，混合种植水生植物能一定程度上提高植物根际微生物群落的多样性。对3 种植物根际环境进行检测发现，混种3 种植物的根际微生物分属8 个纲，微生物数量和种类均不一致［39］。

4.2 环境因子

4.2.1 温度

植物的生长状况与净化效果有重要的关系。低温时，根际环境中酶的活性受到抑制，酶促反应减慢进而影响硝化与反硝化；随着温度的上升，蒸腾作用加剧，人工湿地的氨氮去除率增大；适当地提高温度，植物的蒸发蒸腾作用可以加速氨氮挥发［40-42］。石菖蒲在春季温度适宜生长良好时，对氮、磷的去除率分别为72.46%，90.36%，而美人蕉在春季温度不适宜生长时，对水环境去污能力相对较差［43］。

4.2.2 pH

pH 不仅可以影响石菖蒲对污染物的吸收，还影响其根际微生物对污染物的去除。在酸雨胁迫条件下石菖蒲对NO－N 的吸收实验结果表明，随着酸性的增加，NO－N 的吸收效果增强［44］。pH 是影响微生物活性的重要环境因子，可导致微生物生物膜的电荷变化。此外，植物营养吸收、代谢过程以及酶活性都因pH 的改变而发生变化。对于硝化细菌而言，其活性随pH 值的增加表现出先增加后减小的变化，在pH 为8 时最佳［45］。

4.2.3 光照

光照是植物进行光合作用的必要条件，可以影响植物的输氧产氧以及根部泌氧［31］，因此也间接影响根际环境中微生物的硝化、反硝化作用，进而影响污染物的去除效果。王文林等［46］在研究光照对菖蒲根系泌氧的影响时发现，幼苗根1/2 处的氧扩散能力在照光时明显大于遮光时。照光时氧扩散层厚度和最大氧饱和度分别是遮光时的1.18 倍及1.83 倍，而成株照光条件下根1/2 处的氧扩散层厚度和最大氧饱和度也分别为遮光时的1.79 倍及2 倍。

4.3 水力负荷

水力负荷是指单位时间通过单位面积湿地装置的污水量，优化人工湿地水力条件能提高其净化效果［47-48］。研究植物与水力负荷对人工湿地净化效果的影响时发现［49］，潜流人工湿地中水力负荷从0.06 t/（m2·d）上升到0.18 t/（m2·d）时，石菖蒲对总氮的去除率从63.40%下降到58.29%。水力负荷通过影响污染物在湿地中的停留时间来影响湿地的净化效果，水力负荷越大，微生物的硝化和反硝化作用的时间越短［50］。

5 结语

石菖蒲作为一种常见的代表性湿地植物，因其具有发达的根系和较强的适应能力，对氮、磷、PAHs等污染物具有较好的吸收净化能力。石菖蒲在人工湿地中的水质净化效果受温度、pH、光照等环境因子及植物配置、水力负荷等因素影响。在进行人工湿地设计时，需要综合考虑污水成分组成和特性、景观构建需要以及栽种地的气候特点，科学合理进行植物搭配，以最大程度地发挥人工湿地对水体的净化作用。

此外，石菖蒲由于具有祛湿解毒、开窍豁痰等医用功能，在医药领域具有较为广阔的应用前景。有关石菖蒲与其他植物的优化配置对水质净化的机理和效率，以及其城市水环境景观设计的生态功能评价与应用还有待进一步深入探索。