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人工湿地中,水生植物该如何选择如何搭配 [复制链接]

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人工湿地系统中,由植物吸收去除的N约占20~30%,由微生物作用去除的N约占60~70%。但,这并不代表植物无关紧要。实际上,植物的作用不可替代。

人工湿地是水体、基质、生物的复合体,各要素相互之间通过一系列物理化学以及生物的途径相互作用,从而完成对污染物的高效去除。

作为人为构建的湿地生态系统,人工湿地具有净化效果好、运行费用低、维护管理方便等特点,已被广泛应用于各类污水的处理。

如何根据工况条件,选择和搭配适宜的湿地植物,并将其应用在不同类型的湿地系统中,是我们在营建人工湿地前必须思考的一个问题。

湿地植物的净化本质

植物作为主体生物,在天然湿地和人工湿地的水质净化过程中均起到了重要作用。其作用可分为直接净化作用和间接净化作用两种。

直接净化较好理解,是指植物自身能够对水体中的氮、磷等污染物直接进行吸收和富集。

间接净化则是指植物通过一定途径(如提高根区氧气含量、加强水力传导)为微生物介导的污染物消减过程提供有利条件,从而间接促进污染物的降解。这一过程同时伴随着微生物的多样性和群落组成等参数的改变。

研究证明,在人工湿地中,植物直接吸收作用去除的氮仅占20%~30%,大部分(60%~70%)则是通过反硝化作用被微生物去除。

但是,这并不是说植物不重要;实际上,在污染物去除过程中,植物的作用不可替代,因为微生物的硝化和反硝化作用所需要的好氧和厌氧环境依赖于植物,只有在植物根系周围(包括近根系和远根系)才能提供这样非常有利的交替环境。

有研究发现,植物的根和根际区域是主要的氮磷去除部位,60%的污染物去除量都发生在这里。特别对于磷元素,植物吸收是最主要的去除途径,其次是沉积物和基质的吸附和沉降。

湿地植物的选择原则

植物对污水有阻挡、滞留、沉淀、过滤和吸收的作用,是人工湿地的核心,选择适合的植物对污水处理的效果有至关重要的作用。

植物选取需遵从以下原则:

1、因地制宜,适地适种

不同地区具有不同的环境背景,存在一定的地域差异和特殊性,在选择湿地植物时,必须对此加以优先考虑,做到因地制宜、适地适种。

适地适种要求包括:所选植物适应当地的气候条件、地形条件和人文景观条件等,同时也应适合具体湿地设计的要求。

比如,根据植物的原生环境分析,原生于实土环境的一些植物如美人蕉、芦苇、灯芯草、风车草、芦竹等,其根系生长有一定的向土性,配置于表面流湿地系统中,生长会更茂盛。

对于一些原生于沼泽、腐殖层、草炭湿地、湖泊水面的植物,如水葱、茭白、山姜、藨草、香蒲、菖蒲等,由于其已经适应无土环境生长,因此更适宜配置于潜流式人工湿地。

对于湿地本身,在设计时也不应过分强调为矩形、渠道等规则的几何形状,要根据不同的水文地貌等条件进行设计,植物因环境情况选布。

湿地设计的最高目标是使生物与环境、生物与生物、人文与环境、社会与资源之间协调发展。

2、抗逆性强

正所谓:打铁还需自身硬。

对于所选取的湿地植物,首先要保证植物种植后能活下去。

这就要求了植物自身具备强大的抗逆性。抗逆性代表着植物拥有的抵抗外部不利环境的某些特性,比如耐污、耐盐、抗冻、抗热、抗病虫害等。这种抗性在一定程度上具有遗传性,可以进行代间传递。

常见比较耐污的湿地植物中,对重金属抗性较强的挺水植物有旱伞草、鸢尾、灯心草,浮叶植物有水鳖、凤眼莲,沉水植物有狐尾藻、眼子菜等;

对营养盐、有机物抗性较强的挺水植物有旱伞草、慈姑、芦苇、水葱等,浮叶植物有凤眼莲、水浮莲,沉水植物有金鱼藻、黑藻等;

耐寒性挺水植物如西伯利亚鸢尾,冬季-10℃依然可以傲立风中;黄菖蒲、再力花等耐寒性效果也相对较好;沉水植物则如苦草、伊乐藻、微齿眼子菜、菹草等;

耐碱性挺水植物如互花米草、芦苇、香蒲、千屈菜;沉水植物则如川蔓藻、狐尾藻、金鱼藻、篦齿眼子菜、线叶眼子菜等;

耐农药类植物如小眼子菜、水葱、菖蒲、千屈菜等。

3、净化能力强

湿地构建是为了净化污水,在保证植物能够存活的前提下,还需回归到最初的目的,即净水,尽可能选择净化能力强的植物。

研究表明,芦苇对湿地中N的吸收能力较强,鸢尾对湿地中磷的吸收能力较强。具有高生产力的凤眼莲也有较高的吸收潜能(每年每1hm2吸收kg磷和kg氮)。

谢龙等()研究发现,用花叶芦竹构建的潜流人工湿地处理生活污水,在水力停留时间(HRT)为5天时,系统对NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别可高达93%、88%和98%。

Cheng等()通过垂直流人工湿地处理低浓度重金属污水的试验证明,旱伞草能吸收富集水体中大约1/3的铜和锰,对锌、镉和铅的富集也在5%~15%。

陈永华等()对25种冬季湿地植物进行污水净化潜力筛选试验发现,水芹、灯芯草、虎耳草、鸢尾、花菖蒲的净化能力较强。

沉水植物中,金树权等()研究表明,5种常见沉水植物对N、P的去除率大小依次为:轮叶黑藻>金鱼藻>苦草>穗状狐尾藻>维持眼子菜,对N、P的去除率范围分别为63%~83%和49%~71%。

胡彦春等()对比了6种沉水植物在低温下的净化效果,发现狐尾藻、轮藻、小茨藻对N、P的去除效果较好,去除率可达到60%以上,较适宜于北方地区。

4、根系发达

较多研究认为,植物根系特征也是选取湿地植物的一项重要指标。

原因有二,其一是发达的植物根系可以分泌较多的根分泌物,为微生物的生存创造良好的条件,促进根际的生物降解;其二为发达的根系在固定床体表面、笼络土壤等方面发挥着重要作用,有助于维持湿地生态系统的稳定性。

Ge等()认为,污水中的BOD5、COD、TN和TP的去除,60%以上是靠附着生长在水生植物根区表面及附近的微生物去除,植物根系生物量与反硝化菌、脲酶,酸、碱性磷酸酶的活性都正相关。

根系发达的物种如芦苇、菖蒲、鸢尾、美人蕉等是常用的湿地植物。

成水平等()指出,长苞香蒲、水烛等大型植物具有粗壮的根系和发达的不定根,是较佳的净水植物;而小型种类如小香蒲的根系发达程度无法与前者相比拟,净化污水的效果则差一些。

Fu等()发现植物各器官对N和P的积累与根系表面积显著相关,通过比较15种湿地植物发现,具有较大根系表面积的大花美人蕉、宽叶香蒲、再力花及千屈菜,其对营养物的的吸收和存储率也高于其他种。

5、生态安全性

所选择植物需具有较好的生态安全性,不得对当地的生态环境构成隐患或威胁。请牢记,优先考虑本土物种。尤其南方、北方地区差别显著,在植物选择上要区别对待,作为一名设计师,决不能3种植物走天下。

6、价值效益性

湿地植物的选择,也应考虑一定的经济效益、文化效益、景观效益以及综合利用价值等。

比如将园林设计的理念引入人工湿地污水处理系统,实现治理污染与美化环境的统一。

再比如在经济价值方面,千屈菜、水葱等可以入药,水芹、慈姑可以做食物,香蒲则从花粉、叶到茎,全身是宝。

湿地植物的搭配

湿地植物搭配也是一门学问。

经过比选确定的植物,应该在空间、时间上怎样安排,才能使整个湿地系统高效运转,最终形成稳定可持续利用的生态系统?

一般来讲,可在湿地植物中选择1~3种优势物种,大范围布设;其他植物作为配生种,根据环境条件和群落特征进行补充。

在空间层面,可将相对低矮类植物如鸢尾、梭鱼草布设在外围水域或靠近步道一侧,将高大类植物如再力花、美人蕉、芦苇、香蒲等布设在内侧水域或较远处,以便视觉上相互衬托,形成丰富又错落有致的景致。

时间层面上,湿地植物以耐寒或常绿型为主,确保系统的整体净化效果;同时尽可能结合不同花期和群落演替特征,让湿地“四季常绿”“四季有花”“自然演替”。

值得注意的是,多品种湿地植物的配置也应考虑一定的“相生相克”。

不同植物之间存在着对光、水、营养等资源的竞争,也会通过化感作用影响周围“邻居”的生长。Sczepanska研究发现宽叶香蒲、水葱、苔草等植物体腐烂产生的化感物质对芦苇生长、繁殖具有抑制作用。

此外,一些植物的枯枝落叶经雨水淋溶或微生物的作用也会释放出化感物质,抑制植株的生长,如宽叶香蒲枯枝烂叶腐烂后会阻碍其本身新芽的萌发和新苗的生长。

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