2014, Vol.35 
潜流型人工湿地作为人工湿地的一种类型，因其污水处理效率高，占地面积相对较少，因而在污水处理中得到了广泛的应用[1, 2, 3]. 植物是潜流人工湿地的重要组成部分，通过吸收、 吸附、 过滤、 富集作用去除污染物[4]. 此外，植物还可以起到固定床体表面[5]、 为微生物提供良好的根区环境[6, 7]、 提高填料基质的过滤效率[8]、 抗冲击负荷[9]，为系统的稳定处理效果提供保障.
但是，从目前已有的人工湿地工程实践来看，在冬季时，除了华南温暖地区的植物没有出现由于低温致地上部枯死外，我国大部分地区的人工湿地植物都会出现地上部枯死的问题，出现这种问题的基本原因是目前应用的潜流人工湿地植物主要为芦苇(Phragmites australis)、 美人蕉(Canna indica)、 风车草(Cyperus alternifolius)、 香蒲(Typha angustifolia)、 水葱(Scirpus validus)、 水芹(Oenanthe javanica)、 姜花(Hedychium coronarium)、 菖蒲(Acorus calamus)、 梭鱼草(Pontederia cordata)等单一草本水生植物类型[10, 11, 12]，到了冬季寒冷低温季节，就必然会出现冬季时绝大多数草本植物地上部枯死的现象，由于冬季植物效应的丧失，从而影响冬季人工湿地污水处理和景观效果. 因此，寒冷气候条件下人工湿地植物的应用是湿地技术的难点，也会极大地限制了人工湿地技术的推广应用.
解决人工湿地冬季植物问题的对策主要有采用覆盖保温[13]、 强化升温[14]和筛选出冬季抗寒湿地植物[15, 16]. 从经济和景观效果的角度来看，比较理想的对策还是能够筛选出冬季抗寒植物，但从现有的研究和工程实践来看，在草本湿地植物中筛选出冬季地上部不枯死的植物非常难，根本原因是由于草本湿地植物在亚热带地区的冬季决大多数完成一年的生长周期后地上部枯死，少数抗寒性较强的草本水生植物在夏季抗高温强光能力又差[12, 17]. 为此，本研究提出在潜流人工湿地中引入木本陆生植物来解决目前冬季大部分草本水生植物地上部分枯死的问题，而且经过初步实验发现利用潜流人工湿地运行水位在表面填料的10~20 cm以下的特点，木本植物经过根系驯化诱导后可以适应潜流人工湿地环境[18, 19]，因此，本研究通过对潜流人工湿地环境下木本植物筛选与评价分析，开辟出人工湿地筛选的新思路，以期为木本植物应用于潜流人工湿地提供技术参考.
2010年4月将收集的木本植物共计24种(表1)，引入到潜流人工湿地中，观察存活率和生长状况. 经过1 a初筛，2011年4月将能够成活的植物作为实验物种16种(表2)种植在潜流人工湿地单元，湿地单元：长×宽×深=2×1×1(m)，床体深1 m包括：下部填充粒径为3～5 cm的石灰石40 cm，上面铺5 cm河沙，然后铺沸石15 cm，最上层再铺约10 cm的细沙. 16种植物沿水流方向平行排列种植在潜流湿地中，每种植物5株，植物栽植密度20 cm×20 cm. 由于水流通过布水管均匀流入,因此整个潜流人工湿地实验区具有相似的水力负荷,从而保证植物具有相似的生长环境. 经预处理后进入潜流湿地(实验)处理单元的污水主要水质指标为: COD 108.26～125.74 mg ·L-1； TN 39.53～44.47 mg ·L-1； TP 2.09～2.43 mg ·L-1. 实验期间系统在室外自然条件下连续运行，水力负荷保持为0.5 m ·d-1，水力停留时间为19 h. 经过12个月后一次性测定各项指标.
植株成活率、 株高、 根长、 根系活力、 叶绿素含量、 超氧化歧化酶、 丙二醛、 脯氨酸、 过氧化物酶是反映植物适应形态与生理特性的主要指标. 株高增加值采用实验前后5株植物的最高株高的平均数差值计算，根系增加值采用实验前后5株植物的最长根平均数差值计算，根系活力、 叶绿素含量、 超氧化歧化酶、 丙二醛、 脯氨酸、 过氧化物酶含量的测定方法参照文献[20].
植物生长量的测定： 植物生长量是反映植物吸收N、 P能力的重要指标之一. 每种植物在种前称重，经过12个月的生长以后再称重，将待测样品在 80℃烘箱中烘至恒重后称重，计算单株平均生长量.
植物氮磷积累量的测定：植物氮磷积累量表示植物从湿地系统中带走的氮磷量，是直接反映植物的净化潜力的重要指标. 将植物样品用H2SO4-H2 O2消煮制备成溶液,总氮含量用过硫酸钾氧化吸光光度法测定[21]； 总磷用钒钼蓝法测定[22]. 植物氮磷积累量(PA)的计算公式为:
文中数据采用统计之林(Forstat)2.0软件进行处理[23].
由表1可以看出，24种通过1 a在潜流式人工湿地的生长，有些植物由于不适应该地区温度、 水生环境等各种因素出现死亡现象，而有些植物却可以适应成活下来，1 a后笔者统计了成活率(表1). 由表1可以看出能够在潜流人工湿地环境下成活的植物有：夹竹桃、 小叶迎春、 大叶冬青、 常春藤、 金森女贞、 金叶女贞、 金边七里香、 七里香、 木槿、 桂花、 六月雪、 龟甲冬青、 栀子花、 十大功劳、 红叶石楠、 棕榈共16种. 第二年将这16种植物引入潜流型人工湿地进行适应能力与生理特性、 生长量和氮磷积累量、 聚类分析与净化潜力的评价研究.
 | 表1 24种木本植物在潜流人工湿地中的成活率比较 Table 1 Comparison of the survival rate of the 24 woody plant species |
植物的成活率、 株高增幅、 根长增幅是湿地植物的适应能力强弱的形态学特性指标之一，是植物适应能力强弱的最直接的反映. 16种植物种植在生活污水中生长12个月后，各项指标情况见表2. 从中可知，16种植物的成活率与第一年的初筛结 果基本一致，说明了实验具有较好的重复性. 16种植物中具有较高成活率的有：夹竹桃、 金森女贞、 金叶女贞、 木槿、 六月雪、 龟甲冬青. 从株高增加值来看，增幅最多的有：木槿、 金叶女贞、 夹竹桃这3种，增幅都在90 cm以上； 株高增幅较小，在10 cm以内的有：七里香、 六月雪、 大叶冬青、 金边七里香、 十大功劳、 红叶石楠、 小叶迎春、 桂花、 龟甲冬青这9种. 从根长增幅来看，16种植物根长增幅最多的有：夹竹桃、 木槿这2种，增幅都在70 cm以上； 增幅较小，在10 cm以内的有：常春藤、 十大功劳、 七里香、 龟甲冬青、 红叶石楠、 桂花、 六月雪这7种. 整体趋势来看，植物的成活率、 株高增幅、 根长增幅这3个指标都较强是夹竹桃、 木槿这2种植物，并出现较好的一致性.
| 表2 16种木本植物在潜流人工湿地中的适应形态特性比较 Table 2 Comparison of the physiological characteristics of the 16 plant species |
根系活力、 叶绿素含量、 超氧化歧化酶、 丙二醛、 脯氨酸、 过氧化物酶的变化是植物适应能力强弱的生理表现指标之一[16, 24]. 16种木本植物在潜流人工湿地中的适应生理特性指标情况见表3. 从中可以看出，根系活力、 叶绿素含量这2个指标中夹竹桃、 木槿、 栀子花、 棕榈都较高，且有较好的一致性； 超氧化歧化酶、 丙二醛、 脯氨酸、 过氧化物酶这4个生理特性反应指标总体上没有很明显的规律性，但是个别指标也有较强的一致性，如棕榈同时表现出较高的脯氨酸、 过氧化物酶含量，这与棕榈较强的适应能力一致.
| 表3 16种木本植物在潜流人工湿地中的适应形态特性比较 Table 3 Comparison of the physiological characteristics of the 16 plant species |
植物氮磷积累量表示植物从湿地系统中带走的氮磷量，是直接反映植物的净化潜力的重要指标之一，其大小由生长量大小和植物内氮磷浓度决定. 从16种湿地植物的氮磷积累量比较(表4)来看，16种植物平均生长量与氮磷积累量有很好的一致性，生长量较大的依次为：夹竹桃、 栀子花、 金叶女贞、 木槿、 棕榈、 六月雪、 大叶冬青，都在80 g ·株-1以上； 由于植物氮磷平均含量差异较大，导致植物氮磷积累量也有较大差异，但是基本规律一致，生长量较强的7种植物也具有很强的植物氮磷积累量，尤其是夹竹桃、 栀子花、 金叶女贞、 木槿、 大叶冬青这5种表现出平均生长量与氮磷积累量有很好的一致性. 而且有很多研究显示，生物量与氮、 磷积累量的相关性优于植物体内氮、 磷浓度[4, 25]，说明要提高植物对污染物的直接吸收功能，主要是依靠提高植物的生长量来增加植物氮磷积累量. 本实验也反映了氮、 磷的积累能力与生长量具有很好的相关性.
| 表4 16种湿地植物的氮磷积累量比较
Table 4 Compartment on N and P accumulation quantity of the 16 plant species
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从实验植物上述的单一指标强弱可看出，不同指标间的强弱排名有一定相关性，但也存在着显著的差异，其说明采用单一的指标不能科学客观地反映植物的抗寒能力与污水净化潜力. 因此，本研究对反映植物净化潜力的适应形态与生理特性(成活率、 株高增幅、 根长增幅、 根系活力、 叶绿素含量、 超氧化歧化酶、 丙二醛、 脯氨酸、 过氧化物酶)和去污能力(植物生长量、 植物氮平均浓度、 植物磷平均浓度、 植物对氮的积累能力、 植物对磷的积累能力)两方面共14项指标对16种植物进行聚类分析(图 1).
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图 116种植物采用净化潜力评价指标聚类Fig.1Clustering of purification potential evaluation indicators of the 16 kinds plant |
本研究采用了8种系统聚类方法进行分析，分析结果表明：平均距离法、 类平均距离法、 最长距离法、 离差平方和法、 可变法这5种系统聚类分析的效果是一样的，结果可以将植物分为3大类：最强有1(夹竹桃)、 9(木槿)，中等的有：16(棕榈)、 2(小叶迎春)、 13(栀子花)、 11(六月雪)、 12(龟甲冬青)，较弱有3(大叶冬青)、 4(常春藤)、 5(金森女贞)、 6(金叶女贞)、 7(金边七里香)、 8(七里香)、 10(桂花)、 14(十大功劳)、 15(红叶石楠).
本研究中的木本植物相对一般水生草本植物而言具有更好的抗寒性，可以较好地解决人工湿地冬季草本植物地上部枯死而造成污水处理与景观效果较差的问题，但是，木本植物相对水生草本植物而言，最大的困难是木本植物很难适应人工湿地水生缺氧的环境，要解决木本植物适应潜流人工湿地环境，取决于两方面因素，一方面是潜流人工湿地运行水位调节(外因)，也就是说必须将潜流人工湿地的水位调节到正常水位(运行水位在表面填料的10~20 cm以下)，避免长时间超水位运行，这样可以保障木本植物有适应潜流人工湿地的生存缓冲空间(表面填料的10~20 cm)； 另一方面是植物的适应能力的强弱(内因)，也就是说取决于木本植物对潜流人工湿地相对缺氧环境的适应能力，一般水生植物具有很强的耐缺氧的湿地环境的能力，木本植物大部分品种不耐缺氧的湿地环境.
但是，也有人研究发现有些木本植物也具有很强的耐缺氧湿地环境的能力，如柳树[26]、 水杉等木本植物[27]，但是品种有限，利用木本植物建立的人工湿地，通过合理地抚育管理和短轮伐期的采收，可以把富余的氮、 磷等元素彻底从污染生态系统中转移出，进而进行生物质能源的开发利用，避免实际应用中，由于常见水生草本湿地植物大多经济效益不高，在湿地运行操作中需要持续的投入费用，这就导致了很可能草本湿地植物到了秋季无人收割、 植物茎叶部腐烂倒伏等问题，这样被草本湿地植物吸收和固定的氮、 磷等元素又回到了湿地系统中. 另外，木本植物还具有更多的优点，如抗寒性强、 根系更发达、 生物量更大、 耐修剪等. 本研究中把24种园林植物引入潜流人工湿地，扩大了植物的筛选范围，有利于人工湿地技术在更大范围内的推广. 笔者认为在潜流人工湿地系统中可以合理地搭配草本植物与木本植物的空间，做到既考虑植物的适应性，还考虑植物的净化效果，充分发挥草本植物与木本植物的优势，构建一个合理的植物立体与时空植物系统.
在木本植物筛选与评价指标体系中本研究重点考虑了植物净化潜力的适应形态与生理特性(成活率、 株高增幅、 根长增幅、 根系活力、 叶绿素含量、 超氧化歧化酶、 丙二醛、 脯氨酸、 过氧化物酶)和去污能力(植物生长量、 植物氮平均浓度、 植物磷平均浓度、 植物对氮的积累能力、 植物对磷的积累能力)两方面共14项客观数据指标，没有考虑主观打分赋值的指标，如：生物安全、 景观价值、 生态价值等指标，从指标体系的完整性与科学性来说，可以考虑结合主观打分等指标，但是考虑到主观打分的个人差异，赋值大小等主观因素差异，因此，本研究也没有将这些主观指标纳入筛选与评价指标体系，但是在木本植物应用的时候还是要考虑植物的生物安全与景观价值、 生态价值等问题.
植物氮磷积累量是表示植物从湿地系统中带走的氮磷量，是直接反映植物的净化潜力的重要指标之一，其大小由生长量和植物氮磷浓度决定，一般每种植物体内N、 P含量是一定的，因此，要提高植物对污染物的直接吸收功能，主要是依靠提高植物的生长量来增加植物氮磷积累量. 很多研究表明，生物量的大小决定了植物植物氮磷积累量，蒋跃平等[28]的研究也发现植物的氮磷积累量与浓度及生物量之间均存在显著相关,可以直接以生物量为指标选择人工湿地植物. 刘育等[29]研究芦苇湿地不同生物量处理生活污水中三氮的研究结果也表明,在芦苇湿地污水处理系统中,一般情况下湿地植物的生物量越大,其净化污水中三氮能力就越强. 吕改云等[30]研究证明刈割可以促进人工湿地风车草的再生能力和分蘖能力，增加地上部分的生物量和氮磷贮存量，提高人工湿地对污水的净化效果. 本实验也反映了氮、 磷的积累能力与生长量具有很好的相关性. 因此，在以后的研究中还可以进一步加大植物的筛选范围，争取筛选出更多净化潜力强的木本植物应用到潜流人工湿地系统.
(1)16种植物可以作为亚热带地区潜流型人工湿地应用的木本植物：夹竹桃、 小叶迎春、 大叶冬青、 常春藤、 金森女贞、 金叶女贞、 金边七里香、 七里香、 木槿、 桂花、 六月雪、 龟甲冬青、 栀子花、 十大功劳、 红叶石楠、 棕榈.
(2)采用反映植物净化潜力的适应形态、 生理特性和去污能力三方面建立的净化潜力评价体系可用于亚热带地区潜流型人工湿地应用的木本植物筛选与评价，本实验的16种木本植物分为3大类，第一类为最强：夹竹桃、 木槿； 第二类为中等：棕榈、 小叶迎春、 栀子花、 六月雪、 龟甲冬青； 第三类为较弱：大叶冬青、 常春藤、 金森女贞、 金叶女贞、 金边七里香、 七里香、 桂花、 十大功劳、 红叶石楠.
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