杜 超 吳 昊

（瓦地工程設(shè)計(jì)咨詢（北京）有限公司，北京 100022)

人工濕地具有良好的凈化水質(zhì)功能，相比二級(jí)污水處理技術(shù)，人工濕地具有資金投入少、易于管理的優(yōu)點(diǎn)（張朝明,2017）。通過人工濕地植物的吸收、富集和吸附作用，可有效去除污水中的氮、磷等元素。人工濕地將營養(yǎng)元素的載體從水體轉(zhuǎn)移到植物，以達(dá)到目標(biāo)元素的去除，同時(shí)植物根系分泌物和根系微生物形成的生物膜也可以吸附污染物質(zhì)。目前，蘆葦（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）、水蔥（Scirpus validus）等水生植物已廣泛應(yīng)用在人工濕地中（Vymazal,2013）。

人工濕地植物和微生物生長繁殖需適宜的條件，才能更好地發(fā)揮人工濕地的作用，但有些區(qū)域不能滿足植物和微生物生長的條件，例如，在低溫條件下，出水的水質(zhì)要比溫暖條件下更差（童昌華等,2003）。單一植物配置的人工濕地這種現(xiàn)象更加明顯，冬季大量不耐寒的植物枯萎，導(dǎo)致人工濕地的凈水能力下降。這就要求人工濕地中需搭配不同種類的水生植物，既滿足景觀的層次性、植物的多樣性要求，也可以維持人工濕地的凈水能力。本文通過文獻(xiàn)調(diào)查和植物評(píng)價(jià)手段，評(píng)價(jià)不同濕地植物組合在表流人工濕地中的應(yīng)用效果，為人工濕地植物的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物選擇與配置組合

人工濕地一般選擇耐污能力和適應(yīng)性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)且具有觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的濕地植物。本研究以蘆葦、香蒲、水蔥、美人蕉（Canna indica）4 種挺水植物，鳳眼蓮（Echhornia crassipes）、浮萍（Lemna minor）2 種浮葉植物，眼子菜（Potamogeton distinctus）、金魚藻（Ceratophyllum demersum）、穗狀狐尾藻（Myriophyllum spicatum）3 種沉水植物為材料。按照沉水植物—浮葉植物—挺水植物的景觀配置原則，構(gòu)建24 種植物組合。

1.2 植物組合分析和評(píng)價(jià)

根據(jù)植物的生長特性、生產(chǎn)應(yīng)用及市場(chǎng)價(jià)值等文獻(xiàn)調(diào)查（張依然等,2012;慕哲哲,2022;Oren et al.,2013;項(xiàng)偉等,2016;涂燕,2007;劉穎等,2014;李紫光,2017），運(yùn)用層次分析法將水生植物在表流人工濕地中應(yīng)用潛力評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)分為兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，一級(jí)指標(biāo)包括植物特性、水質(zhì)凈化功能和經(jīng)濟(jì)功能和景觀功能4 個(gè)指標(biāo)，二級(jí)指標(biāo)包括耐污性、耐寒性、氮、磷、COD 的去除率和植物維護(hù)管理等15 項(xiàng)指標(biāo)（表1）。

表1 濕地植物選擇評(píng)價(jià)體系Table 1 Evaluation system of selection for wetland plants use in constructed wetlands

濕地植物耐污性、水質(zhì)凈化功能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)功能指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為5級(jí) ：優(yōu)（0.8～1）、良（0.6～0.8）、中（0.4～0.6）、差（0.2～0.4）、極差（0～0.2）（表2）。耐淹性、耐寒性、土壤厚度要求、景觀功能、開花時(shí)間和枯萎時(shí)間評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為3 級(jí)：適宜（0.67～1）、一般（0.33～0.66）、不適（0～0.32）。觀賞特性評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為4 級(jí)：優(yōu)（0.75～1）、良（0.5～0.75）、中（0.25～0.5）、差（0～0.25）（表2）。

表2 濕地植物選擇評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation standards of selection for wetland plants use in constructed wetlands

根據(jù)9 種植物對(duì)應(yīng)不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)，按照二級(jí)指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)給其打分，按照下面計(jì)算方式分別計(jì)算每項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)的總分（S）。

式中：Sn為每項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)的總分，Ci為每項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分，Wi為二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)專家問卷和生態(tài)評(píng)價(jià)體系得出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重(張依然等,2012)（表3）。

表3 各項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)權(quán)重Table 3 Weights for secondary indicators

根據(jù)目標(biāo)決策分析法（Multiple Criteria Analysis），凈化不同水質(zhì)水體所選一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重不同（慕哲哲,2022）。在污染嚴(yán)重的情況下，要求植物正常存活并發(fā)揮其凈化作用，植物特性以及凈化功能所占比重較高。結(jié)合專家問卷，4 個(gè)一級(jí)指標(biāo)植物生長特性、凈化功能、經(jīng)濟(jì)功能和景觀功能的比重分別為0.32 : 0.55 : 0.04 : 0.09。而在污染輕微的情況下，植物生長特性和凈化功能的比重較污染嚴(yán)重時(shí)有所下降，但相較其他一級(jí)指標(biāo)比重依舊很高。為保證濕地植物的正常生長及濕地出水水質(zhì)，同時(shí)提升濕地植物景觀功能，確保濕地在凈水的同時(shí)，可滿足其觀賞價(jià)值(吳樹彪,2016)，4個(gè)一級(jí)指標(biāo)的比值為0.3 : 0.41 : 0.06 : 0.23?？偟脑u(píng)分用下列算式計(jì)算：

式中：S為某種植物凈化效果的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，Sn為每項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)的總分，Qn為一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 單種濕地植物的表現(xiàn)

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查（李峰平,2017;童昌華等,2003;張清,2011;吳建強(qiáng)等,2006;涂燕,2007），得到9 種濕地植物的生長特性、凈化能力、經(jīng)濟(jì)功能和景觀功能等信息。根據(jù)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算得到每種植物對(duì)應(yīng)的一級(jí)指標(biāo)的分?jǐn)?shù)。由表4 可見，浮萍的植物特性評(píng)分最高（0.96），說明浮萍在表流濕地中可以很好地生長，其次是蘆葦（0.86）。穗狀狐尾藻的水質(zhì)凈化功能評(píng)分最高（0.88），其次是蘆葦（0.87），說明這兩種植物對(duì)水質(zhì)凈化的能力優(yōu)于其他植物。浮葉植物和沉水植物的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)分較高，可能是這些植物種植或移植采用野生植株引種的方式，不需要額外投入。眼子菜的景觀功能評(píng)分最高（0.64），其次是蘆葦（0.5），說明這兩種植物的景觀效果較為出色。總體來講，這9 種濕地植物在景觀功能方面的得分要低于其他指標(biāo)，由此可見，通常濕地所采用的這9種植物更多考慮其生長與凈化特性，這也符合人工濕地凈化水質(zhì)的主要功能（張清,2011）。

表4 濕地植物一級(jí)指標(biāo)得分以及在兩種進(jìn)水水質(zhì)情況下的表現(xiàn)Table 4 Primary scores of 9 kinds of wetland plants and scores of two scenarios with different water quality

9 種濕地植物在水質(zhì)污染嚴(yán)重和輕微污染情況下的凈水能力如表4 所示。在水質(zhì)污染嚴(yán)重的情況下，蘆葦和穗狀狐尾藻表現(xiàn)最好（0.81），評(píng)分均高于0.8，屬于“優(yōu)”等級(jí)，這與王萌等（2010）在蘆葦人工濕地中的應(yīng)用研究和向律成（2010）對(duì)穗狀狐尾藻在富營養(yǎng)化水質(zhì)凈化的研究結(jié)果相符。在水質(zhì)污染輕微的條件下，穗狀狐尾藻的表現(xiàn)最好（0.76），其次是蘆葦（0.75），在濕地植物種類單一的情況下，蘆葦和穗狀狐尾藻凈水能力要優(yōu)于其他7 種植物。

2.2 濕地植物組合的表現(xiàn)

在進(jìn)水水質(zhì)污染嚴(yán)重的情況下，蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻（169）組合評(píng)分最高，為0.8，屬于“優(yōu)”級(jí)；香蒲—鳳眼蓮—金魚藻（258）組合評(píng)分最低，為0.698，屬于“良”級(jí)（表5）。最優(yōu)組合蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻（169）凈化功能的平均分達(dá)到0.826（表4），屬于“優(yōu)”級(jí)，對(duì)氨氮、TN、TP 和COD 有很好的去除效果。蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻（169）組合的植物特性的平均分達(dá)到0.86，也屬“優(yōu)”級(jí)，說明其在污染嚴(yán)重的水體中及寒冷的地方可正常生長。蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻（169）組合社會(huì)經(jīng)濟(jì)和景觀功能的平均分分別為0.63 和0.44，分別屬于“良”和“中”。在進(jìn)水水質(zhì)差的情況下，對(duì)水質(zhì)凈化和植物生長的要求較社會(huì)經(jīng)濟(jì)和景觀功能高，所以經(jīng)濟(jì)與景觀功能的評(píng)分對(duì)整體的評(píng)分不造成影響。

表5 濕地植物組合在兩種進(jìn)水水質(zhì)情況下的評(píng)分Table 5 Evaluated grades of 24 kinds of plant groups on two scenarios with different water quality

在進(jìn)水水質(zhì)污染較輕的情況下，如作為污水廠的三級(jí)處理或微污染景觀水的處理，對(duì)凈化能力有相對(duì)較低要求時(shí)，最高評(píng)分組合是蘆葦—鳳眼蓮—穗狀狐尾藻（159）組合，評(píng)分是0.74，屬于“良”級(jí)；最低評(píng)分組合是香蒲—浮萍—金魚藻（268），評(píng)分為0.647，屬于“中”級(jí)（表5）。最優(yōu)組合蘆葦—鳳眼蓮—穗狀狐尾藻（159）的植物特性、凈化功能、經(jīng)濟(jì)功能和景觀功能的平均得分分別為0.79、0.86、0.64、0.48，說明最高評(píng)分植物組合在輕微污染的水體中能很好地生長和凈化水體。

在這兩種污染情況下，植物組合在處于進(jìn)水水質(zhì)污染較輕的情況下，其評(píng)分要普遍低于進(jìn)水水質(zhì)污染嚴(yán)重的情況，可能的原因是在兩種情況下對(duì)植物特性和凈化能力的要求大體上相差不多，但處于進(jìn)水水質(zhì)污染較輕的情況下，其對(duì)植物景觀功能的要求要高于進(jìn)水水質(zhì)污染嚴(yán)重的情況。從表4 看來，這9 種植物的景觀功能評(píng)分普遍較低，所以在進(jìn)水水質(zhì)污染較輕的情況對(duì)景觀要求較高時(shí)，景觀功能這一指標(biāo)的占比高，這些植物的景觀表現(xiàn)并不好，這對(duì)未來濕地植物的選擇有更高的觀賞要求。

蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻（169）組合可更好地應(yīng)用于污染嚴(yán)重的水處理中，而蘆葦—鳳眼蓮—穗狀狐尾藻（159）組合可很好地應(yīng)用在輕微污染的水處理中。在這兩種情況的最優(yōu)組合中，蘆葦和穗狀狐尾藻都被選中，因此，蘆葦和穗狀狐尾藻的應(yīng)用范圍比較廣，可以處理水質(zhì)范圍比較廣的進(jìn)水。在處理污染嚴(yán)重的水中，浮萍被選中，而在污染較輕的水中，鳳眼蓮被選中。在這兩種情況下，蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻組合和蘆葦—鳳眼蓮—穗狀狐尾藻相互位于第1 名和第2 名，說明這兩個(gè)組合在這兩種情況下均可以發(fā)揮較好的作用。

3 討論

本研究的評(píng)價(jià)體系一級(jí)指標(biāo)已涵蓋了濕地植物的基本要求，如若應(yīng)用于具體項(xiàng)目，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)狀條件與要求增加或減少二級(jí)指標(biāo)。在具體的項(xiàng)目中，還需根據(jù)人工濕地的標(biāo)準(zhǔn)和需求，對(duì)不同的指標(biāo)進(jìn)行重新定義權(quán)重，得到相應(yīng)的植物組合評(píng)分。

在植物選擇上，要考慮當(dāng)?shù)氐姆N植條件與環(huán)境，需遵循“適地適種”的原則。在植物特性方面，本研究僅考慮了耐污性、耐淹性、耐寒性和對(duì)土壤的要求，還有一些因素沒有考慮其中，如風(fēng)的影響因素、光照等因素。在凈化能力方面，僅考慮營養(yǎng)元素和有機(jī)污染物的去除效果，沒有涉及植物對(duì)重金屬污染物也有一定的吸附積累效果（吳樹彪,2016），由于沉水植物尚無專業(yè)的生產(chǎn)，沉水植物的生產(chǎn)投入和管理經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)缺乏，因此，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系還需完善。

在景觀觀賞效果上，僅選擇了觀賞特性、開花時(shí)間和枯萎時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。濕地公園植物評(píng)價(jià)的景觀要求會(huì)相對(duì)更高，評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)更加豐富，同時(shí)也需考慮大眾對(duì)景觀的看法，需制定更加全面的景觀效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。植物在人工濕地中起到重要的作用，但有研究表明通過收獲植物生物量去除的氮、磷只占全部去除量的10%～16%（Vymazal,2007）。填料的過濾作用、沉淀和微生物對(duì)污染物的反應(yīng)在人工濕地凈化過程中也起到重要的作用，因此，需結(jié)合最優(yōu)的植物搭配和最優(yōu)人工濕地的其他設(shè)置，更好地發(fā)揮人工濕地凈化水體的功能。

此研究只適用于表流人工濕地的植物配置。在潛流濕地中，進(jìn)水流經(jīng)填料層，水的深度淺或者由覆土層封閉，沉水植物不適用于潛流濕地。有研究發(fā)現(xiàn)，生長在表流濕地和潛流濕地中的植物根系生物量存在顯著差別，對(duì)污水的凈化效果也不同（趙建剛等,2006），因此，潛流濕地中的植物配置需更深入的研究。

4 結(jié)論

本研究通過建立人工濕地植物評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)不同濕地植物組合在兩種不同污染水質(zhì)情況下的表現(xiàn)。結(jié)果表明：蘆葦—浮萍—穗狀狐尾藻在水質(zhì)較差的人工濕地中表現(xiàn)良好，而蘆葦—鳳眼蓮—穗狀狐尾藻在水質(zhì)污染較輕的人工濕地中表現(xiàn)較好。此評(píng)價(jià)體系為廣義的體系，對(duì)于具體項(xiàng)目的濕地植物評(píng)價(jià)，需更加詳細(xì)并符合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件的評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)體系需進(jìn)一步改進(jìn)。