劉洋 王瑋* 李法云 周純亮

（1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)生態(tài)技術(shù)與工程學(xué)院，上海 201418；2. 上海城市路域生態(tài)工程技術(shù)研究中心，上海 201418；3. 美麗中國(guó)與生態(tài)文明研究院上海高校智庫，上海 201418）

1 引言

隨著我國(guó)重點(diǎn)流域水污染防治的開展，城市黑臭水體和農(nóng)村污染水體治理等行動(dòng)不斷推進(jìn)，水污染生態(tài)修復(fù)技術(shù)成為水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。人工濕地由天然濕地演化而來，是一種由基質(zhì)、植物組成的低成本、生態(tài)化的污水處理系統(tǒng)，通過利用物理、化學(xué)和生物協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)污水凈化［1-3］。水生植物作為濕地系統(tǒng)的重要組成成分，具有生長(zhǎng)周期短、成活率高和功能多樣性的特點(diǎn)，可以促進(jìn)水體氧循環(huán)、吸收有機(jī)物、抑制浮游藻類繁殖、控制富營(yíng)養(yǎng)化及增強(qiáng)水體自清潔能力等［4-7］。植物通過光合作用和呼吸作用使得水體含氧量周期性變化，影響其根系周圍的氧濃度，從而影響微生物的氧化還原作用，促進(jìn)污染物的轉(zhuǎn)化［8］。

石菖蒲（Acorus tatarinowii）是一種典型的挺水植物，自西漢開始就作為皇家園林觀賞植物進(jìn)行栽培種植，在我國(guó)有著兩千多年的栽培應(yīng)用史［9］。石菖蒲根系發(fā)達(dá)，對(duì)污染物有較好的去除效果，且兼具觀賞性等優(yōu)點(diǎn)，通常被作為城市景觀建設(shè)的重要植物材料。本文歸納了石菖蒲的生態(tài)習(xí)性及其在人工濕地水質(zhì)凈化中的應(yīng)用，重點(diǎn)分析了石菖蒲對(duì)不同水環(huán)境污染物的凈化機(jī)理以及影響其對(duì)水質(zhì)凈化效果的因素，在此基礎(chǔ)上，對(duì)今后石菖蒲在人工濕地水污染控制等多領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

2 石菖蒲的生態(tài)習(xí)性

石菖蒲是菖蒲屬禾草狀多年生挺水植物，常綠而具光澤，耐低溫，能適應(yīng)濕潤(rùn)特別是較陰的條件，適合濕地的生態(tài)環(huán)境?！对娊?jīng)》中載有，“彼澤之陂，有蒲與荷”，石菖蒲多產(chǎn)于黃河以南，濕地或溪旁石上，可露地生長(zhǎng)，有獨(dú)特的景觀觀賞作用，是常見的盆景植物和園林植物［10］。石菖蒲植株叢生、根系發(fā)達(dá)，其根系可在基質(zhì)中向各個(gè)方向生長(zhǎng)延伸，形成微小縫隙，增加填料的疏松度，從而提高基質(zhì)的水利疏導(dǎo)能力，促進(jìn)污廢水的過流［11］。此外，石菖蒲的根也常作藥用，具有祛濕解毒、開竅豁痰的功效［12］。

3 石菖蒲在人工濕地中的應(yīng)用

石菖蒲在人工濕地水質(zhì)凈化中發(fā)揮著重要的作用，其發(fā)達(dá)的根系可分泌大量的糖、醇和有機(jī)碳等物質(zhì)，可作為微生物的能源物質(zhì)，根系生長(zhǎng)延伸可以增加基質(zhì)填料的空隙率，改善基質(zhì)氧濃度，為微生物提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，提高其代謝活性，進(jìn)而增強(qiáng)濕地系統(tǒng)的水質(zhì)凈化效果［13-14］。

3.1 對(duì)氮的去除

石菖蒲人工濕地脫氮機(jī)理見圖1。

圖1 石菖蒲人工濕地脫氮機(jī)理

3.2 對(duì)磷的去除

污水中的磷主要以有機(jī)磷礦化、基質(zhì)吸附沉淀、植物和微生物吸收等方式去除［21］。石菖蒲可以通過吸收有機(jī)磷以提供其生命活動(dòng)所需要的能量，磷元素在植物體內(nèi)被轉(zhuǎn)化為ATP，DNA，RNA，石菖蒲莖葉磷含量明顯高于根部，能夠通過收割莖葉除磷［22］。植物根際環(huán)境中的磷酸酶有催化磷酸酯和磷酸酐水解的作用。濕地植物的生長(zhǎng)可通過影響其根際環(huán)境和根際土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響磷酸酶的豐度、活性以及分泌情況，有研究表明石菖蒲對(duì)總磷去除率為44.38%～76.35%［20，23］。

石菖蒲人工濕地除磷機(jī)理見圖2。

圖2 石菖蒲人工濕地除磷機(jī)理

3.3 對(duì)多環(huán)芳烴的去除

多環(huán)芳烴（PAHs）在環(huán)境中具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、持久性強(qiáng)、難生物降解等特點(diǎn)，并且對(duì)人類具有致癌、致畸、致突變的“三致”效應(yīng)，進(jìn)而嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和人類健康。植物主要通過根系吸收PAHs 等有機(jī)污染物，并向上運(yùn)輸積累到各個(gè)組織器官。有機(jī)物首先附著于根系表面，大部分經(jīng)過被動(dòng)吸收和主動(dòng)吸收兩種途徑進(jìn)入植物根部細(xì)胞，其余吸附停留在植物的根際環(huán)境中。進(jìn)入植物體內(nèi)的污染物部分被根部的脂質(zhì)吸收、固定，另一部分又經(jīng)過共質(zhì)體和質(zhì)外體之后進(jìn)入根系內(nèi)部，并沿著木質(zhì)部分輸送到根莖葉。曲潔婷［24］研究發(fā)現(xiàn)，多種常見人工濕地水生植物對(duì)PAHs 都有去除效果，去除率均能達(dá)到30%以上。Alsghayer 等［25］研究結(jié)果顯示，蘆葦（Phragmites australis）對(duì)菲、芘和苯并［a］芘等PAHs化合物的去除率分別為83%，71%和81%，而香根草［Vetiveria zizanioides（L.）Nash］的去除率也分別達(dá)到了67%，66%和73%。袁秀澤［26］研究了不同植物對(duì)人工濕地PAHs 凈化效果，發(fā)現(xiàn)菖蒲、水蔥（Scirpus validus Vahl）、蘆葦、菰（Zizania latifolia）4 種濕地植物對(duì)萘的平均去除率均達(dá)到55%以上，對(duì)菲的平均去除率均達(dá)到40%以上。

石菖蒲人工濕地對(duì)PAHs 污染物的去除機(jī)理見圖3。

4 水質(zhì)凈化效果的影響因素

4.1 植物

植物是人工濕地重要的組成部分，人工濕地栽種植物后脫氮效果可以提升17%～65%［27］。植物不同部位對(duì)水質(zhì)的凈化能力存在差異，植物生物量、豐度和配置等因素都會(huì)影響人工濕地水質(zhì)凈化效果［28-30］。

4.1.1 植物不同部位

植物不同部位對(duì)水質(zhì)凈化效果不同，其主要原因是不同部位對(duì)氮、磷、有機(jī)物等的吸收速率和累積效果有差異。石菖蒲植株莖、葉和根部實(shí)施不同程度的剪除實(shí)驗(yàn)證明，石菖蒲的凈化能力隨著根和莖、葉數(shù)量的增加而提升，相比而言，其根對(duì)水質(zhì)凈化能力的貢獻(xiàn)更大，根系越發(fā)達(dá)，對(duì)水質(zhì)凈化能力越顯著［22，31］。

4.1.2 植物生物量

水生鳶尾（Iris tectorum Maxim）、石菖蒲和香蒲（Typha orientalis Presl）對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)［32］，水生鳶尾因具有較大的生物量而表現(xiàn)出更強(qiáng)的脫氮除磷能力。多數(shù)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積速率提高，因而植物氮累積與其生物量一般呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系［33］。

4.1.3 植物豐度和植物搭配

植物豐度是影響生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。增加人工濕地植物豐度可維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并保障其穩(wěn)定地發(fā)揮水質(zhì)凈化功能［34-35］。

科學(xué)合理的植物配置能明顯提高人工濕地的水質(zhì)凈化效果。藺芳［4］對(duì)石菖蒲、花葉蘆竹（Arundo donax）、水生鳶尾進(jìn)行配置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植物兩兩組合處理組氨氮去除率明顯高于單一植物組。莊靜靜等［36］通過花葉蘆竹、石菖蒲、水生鳶尾和美人蕉（Canna indica L.）的不同配置種植研究的結(jié)果表明，4 種植物混種的根系活力變化最大，且混合種植的植物葉綠素含量高于單一種植。一方面，不同濕地植物凈化優(yōu)勢(shì)不同，按照植物的特性進(jìn)行配置，使之協(xié)同互補(bǔ)，可保障凈化過程高效穩(wěn)定［37］，例如組合根系發(fā)達(dá)的菖蒲和根系淺小的西伯利亞鳶尾（Iris sibirica L.）配置種植，能促進(jìn)垂直空間充分利用，提高水質(zhì)凈化效率［38］；另一方面，不同植物根系微生物種類不同，混合種植水生植物能一定程度上提高植物根際微生物群落的多樣性。對(duì)3 種植物根際環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，混種3 種植物的根際微生物分屬8 個(gè)綱，微生物數(shù)量和種類均不一致［39］。

4.2 環(huán)境因子

4.2.1 溫度

植物的生長(zhǎng)狀況與凈化效果有重要的關(guān)系。低溫時(shí)，根際環(huán)境中酶的活性受到抑制，酶促反應(yīng)減慢進(jìn)而影響硝化與反硝化；隨著溫度的上升，蒸騰作用加劇，人工濕地的氨氮去除率增大；適當(dāng)?shù)靥岣邷囟?，植物的蒸發(fā)蒸騰作用可以加速氨氮揮發(fā)［40-42］。石菖蒲在春季溫度適宜生長(zhǎng)良好時(shí)，對(duì)氮、磷的去除率分別為72.46%，90.36%，而美人蕉在春季溫度不適宜生長(zhǎng)時(shí)，對(duì)水環(huán)境去污能力相對(duì)較差［43］。

4.2.2 pH

pH 不僅可以影響石菖蒲對(duì)污染物的吸收，還影響其根際微生物對(duì)污染物的去除。在酸雨脅迫條件下石菖蒲對(duì)NO－N 的吸收實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著酸性的增加，NO－N 的吸收效果增強(qiáng)［44］。pH 是影響微生物活性的重要環(huán)境因子，可導(dǎo)致微生物生物膜的電荷變化。此外，植物營(yíng)養(yǎng)吸收、代謝過程以及酶活性都因pH 的改變而發(fā)生變化。對(duì)于硝化細(xì)菌而言，其活性隨pH 值的增加表現(xiàn)出先增加后減小的變化，在pH 為8 時(shí)最佳［45］。

4.2.3 光照

光照是植物進(jìn)行光合作用的必要條件，可以影響植物的輸氧產(chǎn)氧以及根部泌氧［31］，因此也間接影響根際環(huán)境中微生物的硝化、反硝化作用，進(jìn)而影響污染物的去除效果。王文林等［46］在研究光照對(duì)菖蒲根系泌氧的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，幼苗根1/2 處的氧擴(kuò)散能力在照光時(shí)明顯大于遮光時(shí)。照光時(shí)氧擴(kuò)散層厚度和最大氧飽和度分別是遮光時(shí)的1.18 倍及1.83 倍，而成株照光條件下根1/2 處的氧擴(kuò)散層厚度和最大氧飽和度也分別為遮光時(shí)的1.79 倍及2 倍。

4.3 水力負(fù)荷

水力負(fù)荷是指單位時(shí)間通過單位面積濕地裝置的污水量，優(yōu)化人工濕地水力條件能提高其凈化效果［47-48］。研究植物與水力負(fù)荷對(duì)人工濕地凈化效果的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)［49］，潛流人工濕地中水力負(fù)荷從0.06 t/（m2·d）上升到0.18 t/（m2·d）時(shí)，石菖蒲對(duì)總氮的去除率從63.40%下降到58.29%。水力負(fù)荷通過影響污染物在濕地中的停留時(shí)間來影響濕地的凈化效果，水力負(fù)荷越大，微生物的硝化和反硝化作用的時(shí)間越短［50］。

5 結(jié)語

石菖蒲作為一種常見的代表性濕地植物，因其具有發(fā)達(dá)的根系和較強(qiáng)的適應(yīng)能力，對(duì)氮、磷、PAHs等污染物具有較好的吸收凈化能力。石菖蒲在人工濕地中的水質(zhì)凈化效果受溫度、pH、光照等環(huán)境因子及植物配置、水力負(fù)荷等因素影響。在進(jìn)行人工濕地設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮污水成分組成和特性、景觀構(gòu)建需要以及栽種地的氣候特點(diǎn)，科學(xué)合理進(jìn)行植物搭配，以最大程度地發(fā)揮人工濕地對(duì)水體的凈化作用。

此外，石菖蒲由于具有祛濕解毒、開竅豁痰等醫(yī)用功能，在醫(yī)藥領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景。有關(guān)石菖蒲與其他植物的優(yōu)化配置對(duì)水質(zhì)凈化的機(jī)理和效率，以及其城市水環(huán)境景觀設(shè)計(jì)的生態(tài)功能評(píng)價(jià)與應(yīng)用還有待進(jìn)一步深入探索。