水生植物在人工湿地废水净化中的应用研究
水生植物作为人工湿地废水处理系统的一个重要组成部分，在废水净化过程中起重要作用。本文对人工湿地生态工程中水生植物的作用，常用的植物种类及国内外对其选择的研究进行了综述。并在此基础上介绍了目前浙江大学生命科学学院农业生态与工程研究所利用水生植物净化养鸭场废水的研究状况。
1．引言
水生植物不仅是营造水体景观不可或缺的要素，而且在人工湿地废水净化过程中起重要作用。Shun-RenJing(2001)就认为湿地的净化能力主要是由湿地中植物的生长情况决定的。在人工湿地净化废水过程中，水生植物作用可以归纳为三个重要的方面：（1）直接吸收利用污水中可利用态的营养物质、吸附和富集重金属和一些有毒有害物质；（2）为根区好氧微生物输送氧气；（3）增强和维持介质的水力传输（成水平等，2002）。此外，有些水生植物具有美观可欣赏性，能改善周围景观，从而体现出人工湿地的生态美学价值；有些水生植物具有一定的经济价值，如选择绿化用的苗木、花卉等作为湿地植物，这就能使人工湿地在净化废水的同时，体现出它一定的经济价值。
2.常用人工湿地植物种类及筛选研究
水生植物根据其生态型可分为挺水植物、浮叶和漂浮植物、沉水植物三大类。研究和实践上常用的湿地植物是挺水植物，如芦苇（Phragmitescommunis）、香蒲（Typhalstifolia）、灯心草（Juncuseffusus）、菖蒲（Acoruscalamus）、水葱（Scirpusvalidus）等等。北卡罗来纳州的猪场废水处理主要以芦苇构建植被；丹麦、印度的人工湿地主要用芦苇和宽叶香蒲；1989年以来，捷克所建人工湿地多数用芦苇作植被；在我国，廖新悌等（2002）利用风车草（Cyperusalternifolius）和香根草（Vetiveriazizanioides）人工湿地来处理猪场废水，对废水氮和磷有不同程度的净化效果。袁东海等(2004)研究了石菖蒲、灯芯草和蝴蝶兰花3种植被类型的人工湿地来净化生活污水，观察它们对COD和总氮的去除效果。结果表明，石菖蒲植被人工湿地净化效果最好；其次为灯芯草植被人工湿地，再次为蝴蝶兰花植被人工湿地。
挺水植物通过对水流的阻尼和减小风浪扰动使悬浮物质沉降，并通过与其共生的生物群落相互作用，发挥净化水质的功能。它主要吸取深部底泥中而不是水中的营养盐，但是同时它的残体往往滞留水底，矿化分解后会污染水体，因此在人工湿地管理过程中应及时收割。Per-Anders等（2004）提出把芦苇地上部分在养分含量最高的夏季进行收割，收获部分用以发酵沼气。
然而在人工湿地中通过吸收移走养分的能力方面，挺水植物被普遍认为不如浮叶和漂浮植物，因为后者往往有极快的繁殖速度，且根系直接从水体中吸收养分与元素，并对悬浮颗粒产生过滤与吸附效果。十几年来研究结果也表明，一些浮叶和漂浮植物如水葫芦(Erichhorniacrassipes)、水花生(Alternantheraphiloxeroides)、石莲花(Hydrocotyleumbellata)、浮萍(Lemnaspp.)有很强的耐污能力，特别是净化富营养化废水，有较好的净化效果。在这些水生植物中，很多学者对水葫芦在实验室和野外进行了大量的研究，认为水葫芦能在很大程度上去除废水中的有机物(ReddyandSmith，1987)，而且它具有惊人的繁殖速度，在适宜条件下，每5天可繁殖一新植株，也能以开花结实产生种子而进行有性繁殖（吴丹等，2001）。庞金华等（1997）研究认为，水葫芦和水花生在有机废水中正常生长的上限COD高达1000mg/L。
沉水植物和湖底水生植被的存在可阻止上层水体动力扰乱湿地底部，有效地遏制底泥营养盐向水体释放。沉水植物是决定水体磷营养状态的重要因素，例如菹草(Potamogetoncrispus)兼具保持与释放磷营养的双重作用。印度静水湿地中菹草的磷营养分别来自水体和沉积物；丹麦溪流中包括菹草在内的四种沉水植物仅靠叶片的摄取即可满足对矿质营养的需求(MadsenandCedergreen，2002)。同时沉水植物通过与浮游植物竞争养分、植化相克等作用抑制浮游植物的生长（种云霄等，2002）。一般水生植物能吸附、富集一些有毒有害物质，如重金属铅、汞、砷、铬、镉、镍、铜等，其吸收积累能力为沉水植物>漂浮植物>挺水植物（吴建强等，2005）。
3.利用水生植物净化养鸭场废水
现阶段我们的研究主要是应用人工湿地生态工程处理养鸭场极富营养化水体，而水生植物是湿地发挥功能的主要因素，因此我们通过筛选水生植物来优化湿地的净化功能。本研究以浙江省德清县利虹禽业有限公司的蛋鸭养殖场为基地，它是浙江省较大的蛋鸭养殖场，占地面积达53360m2，其中水面面积为13340m2，全年饲养蛋鸭、种鸭10万只。但大量鸭粪排入到鸭放养池中，使鸭池中的水极度富营养化，这严重影响了鸭子的健康、蛋鸭的产蛋率及蛋的品质。特别是高温季节，排水量增加，过多过肥的池水又造成了水田肥害，河水的富营养化，对当地生态安全构成极大的威胁。
从鸭场排出的废水不像工业废水或其它废水含有重金属和一些有毒有害物质，它主要是富含N、P的富营养化水体，完全可以进行回收利用。2005年8月，我们在该蛋鸭养殖场内建立了面积为667m2的人工湿地，以水葫芦作为主要植物净化畜禽养殖业废水的一级处理，对其净化畜禽养殖业废水的效果和机理也进行了初步的探索。水葫芦除了具有繁殖速度快、耐污能力强、根系发达等特点外，还可以作为畜禽良好的青饲料。通过定期收获湿地中的水葫芦把它作为鸭子的青饲料，不但进一步加强了湿地的净化能力，而且实现了物质的循环利用。
水生湿地植物往往是热带或亚热带植物，大多在寒冷的环境条件下不能生存或生长不好，这样人工湿地的去污能力就会下降甚至消失。所以在湿地植物的选择中，除了考虑其耐污能力强、净化能力强、生长速度快和根系发达等因素外，还应该注意其耐寒能力。在浙江水葫芦一般在夏秋季节生长旺盛，而在冬春季节由于气温太低而不能生长，因此在冬春季节我们主要运用耐寒能力较强的黄菖蒲(Irispseudocorus)作为主要湿地植物。
但是我们发现人工湿地净化废水的能力是有限的，废水经湿地净化后，其有机物和营养物质含量仍然较高。因此在以后的研究中，我们设计运用多级人工湿地来净化鸭场养殖废水（见图1）。把水葫芦黄菖蒲人工湿地作为废水的一级处理，把经一级净化的水排入鱼塘，进行二级处理，在三级处理中主要种植一些水生经济植物，如茭白(Zinanialatifoliaturcz.)、慈姑(Sagittariatrifolia)等，经三级处理后的水可以用来灌溉水稻田，最后将净化后的水经过河道返回鸭场。
鸭场的废水氮磷含量非常高，因此水葫芦的生长极其迅速，其覆盖面积在四十天后就增加了一倍，对氮磷的去除率都在30%左右。相比之下，黄菖蒲的生长速度与净化功能都不及水葫芦，当然这与气温等条件都有一定的关系。总之，关于人工湿地水生植物的筛选问题还需要我们长期深入的研究。
4.结语
利用水生植物净化废水具有成本低，易推广应用，并具景观美化等功能，因此，随着研究的深入和技术的集成与组装，水生植物在净化废水中的应用将会越来越广。
参考文献：
Madsen Tom Vindbaek， Cedergreen Nina， 2002. Sources of nutrients to rooted submergedmacrophytes growing in a nutrient—rich stream[J]. Freshwater Biology， 47(2): 283-291.
Per-Anders H.， Hans F.. Use of summer harvested common reed (phragmites australis) as nutrient source for organic crop production in Sweden[J]. Agriculture， Ecosystems & Environment， 2004，102(3): 365-375.
Reddy， K.R.， Smith， W.H. (Eds.)， 1987. Aquatic Plants for Water Treatment and Resource Recovery. Magnolia Publishing Inc.， Orlando， FL， p. 1032.
Shun-Ren Jing， Yin-Feng Lin， Der-Yuan Lee， Tze-Wen Wang， 2001.Nutrient removal from polluted river water by using constructed wetlands[J]. Bioresource Technology， 76 (2001): 131–135.
成水平，吴振斌，况琪军，2002.人工湿地植物研究[J].湖泊科学，14(12):179-184.
廖新悌，骆世明，2002.香根草和风车草人工湿地对养猪场废水氮磷处理效果的研究[J].应用生态学报，13(6):719–722.
庞金华，沈瑞芝，程平，1997.三种植物对COD的耐受极限与净化效果[J].农业环境保护，16(5):209-213.
吴丹，望志方，冯利，2001.水葫芦繁殖过度的危害及其防治措施[J].环境科学与技术，24(增刊):35–37.
吴建强，阮晓红，王雪，2005.人工湿地中水生植物的作用和选择[J].水资源保护，21(1):1-6.
袁东海，任全进，高士祥，张洪，尹大强，王连生，2004.几种湿地植物净化生活污水COD、总氮效果比较[J].应用生态学报，15(12):2337-2341.
种云霄，胡洪营，钱易，2003.大型水生植物在水污染治理中的应用研究进展[J].环境污染治理技术与设备，4(2):36-40.
作者简介：卢剑波，1963年生，浙江大学生命科学学院农业生态研究所副教授，生态学博士，硕士生导师，主要从事农业生态、景观生态和水生生态的研究与教学。目前承担的主要科研项目为联合国粮农组织的水葫芦的综合控制与利用和国家自然科学基金的千岛湖多样性研究。在《AgriculturalSystems》、《JournalofSustainableAgriculture》、《应用生态学报》、《生物多样性》等国内外著名学术期刊发表论文30余篇，出版教材和著作6部。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
