人工濕地不同植被群落及配置對(duì)城市污水的凈化作用及優(yōu)化方案

吉林省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 王璐

一、研究背景

人工濕地是由天然濕地發(fā)展而來(lái)的，通過(guò)模擬天然濕地的結(jié)構(gòu)和功能，選擇一定的地理位置與地形，根據(jù)人們的需要人為設(shè)計(jì)和建造的濕地生態(tài)系統(tǒng)。復(fù)合生態(tài)濕地是人工濕地技術(shù)的一種形式，多見(jiàn)于野外湖庫(kù)周邊富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理。

本研究旨在揭示人工濕地不同植被群落及配置對(duì)城市污水的凈化作用，并針對(duì)城市污水組成特點(diǎn)，優(yōu)化人工濕地的植被配置方案，期待通過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)及植被生長(zhǎng)情況，揭示人工濕地不同植物群落的污水凈化能力，從而為優(yōu)化濕地功能提供科學(xué)參考依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，提升北湖濕地公園生態(tài)服務(wù)價(jià)值，完善長(zhǎng)春市水系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力，提供良好的人居環(huán)境，為打好水污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)作出貢獻(xiàn)。

二、研究方法

（一）植被調(diào)查

本研究確定研究對(duì)象為長(zhǎng)春北湖濕地公園。先進(jìn)行預(yù)調(diào)查，進(jìn)而設(shè)置樣點(diǎn)，確立研究區(qū)域。本研究的植被調(diào)查采樣點(diǎn)與水質(zhì)采樣點(diǎn)相同，每個(gè)水質(zhì)采樣點(diǎn)周?chē)O(shè)植被調(diào)查樣方3處，GPS確認(rèn)樣方地點(diǎn)經(jīng)緯度，對(duì)樣方內(nèi)植被群落組成進(jìn)行調(diào)查。為使后期數(shù)據(jù)分析更加精確，原則上取水點(diǎn)、植被樣方應(yīng)盡可能均勻分布于調(diào)查區(qū)域。

最后收集植被調(diào)查區(qū)域的遙感影像進(jìn)行解析，基于調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)公園植被群落進(jìn)行分類(lèi)。通過(guò)實(shí)地調(diào)查，確定監(jiān)督分類(lèi)的種類(lèi)為荷花加睡蓮，蘆葦加蒲草，沼柳、水域這四類(lèi)。

（二）水質(zhì)采樣

由于本研究主要研究濕地植被群落對(duì)于城市污水的凈化作用，在北方，夏季7月份左右是植物生長(zhǎng)旺季，因此選擇在2019年7月9日至10日、2021年7月21日至22日進(jìn)行了四次采樣工作，每次采樣30個(gè)，共計(jì)采樣120個(gè)。

考慮到北湖濕地公園的水體污染主要為城市污水污染，本研究采取了COD、NH3-N、TN、TP這四種水質(zhì)參數(shù)作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

（三）遙感解譯分析

本研究選取與水質(zhì)采樣季相一致的7月17日“吉林一號(hào)”光譜星數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)遙感反演，年份為2020年(受數(shù)據(jù)源限制)，進(jìn)行了幾何精校正、大氣校正和水體提取。

本研究采取復(fù)合指數(shù)法進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，生成植被分類(lèi)圖。

基于水質(zhì)采樣結(jié)果，生成北湖濕地公園污染物濃度分布圖，并通過(guò)對(duì)長(zhǎng)春市污水污染物成分特點(diǎn)的分析，探討濕地公園的凈化植物配置方案。

三、結(jié)果

（一）植被調(diào)查結(jié)果與植被分類(lèi)圖

1.植被調(diào)查結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，北湖濕地公園為天然濕地系統(tǒng)中的草本沼澤類(lèi)型，植物群落類(lèi)型以挺水植物為主，沉水植物、浮水植物種類(lèi)及分布均較少。

北湖濕地公園中濕地植物的優(yōu)勢(shì)物種為蘆葦、蒲草、荷花、蓮花等，伴有少量菱等浮水植物及木本植物沼柳等。因此選中蘆葦加蒲草、荷花加蓮花、水域、沼柳作為監(jiān)督分類(lèi)的四種類(lèi)型。

2.植被分類(lèi)圖

通過(guò)NDVI軟件進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)后，生成了北湖濕地公園植被分類(lèi)圖如圖1。北湖濕地公園四種植物群落面積配置的占地面積見(jiàn)表1。

表1 北湖濕地公園四種植物群落面積一覽表 單位：km2

圖1 北湖濕地公園植被分類(lèi)圖

（二）水質(zhì)采樣結(jié)果

1.濃度分布圖

通過(guò)ArcGIS?的空間分析插值功能——自然鄰近法生成2019年及2021年夏季COD、NH3-N、TN、TP污染物數(shù)值全局的濃度分布。具體見(jiàn)圖2。

2.分析

從圖2可較為清晰地看到整個(gè)北湖濕地公園污染物COD、NH3-N、TN、TP在2019年夏季及2021年夏季的分布狀況。各類(lèi)污染物的空間分布存在較大的差異，各類(lèi)污染物相對(duì)高濃度的分布區(qū)也存在較大差異，但是不同年份的同種污染物分布具有相對(duì)的一致性。各類(lèi)污染物空間分布特征顯著，不同區(qū)域主要污染物的分布特點(diǎn)明顯。

圖2 2019年及2021年夏季COD、NH3-N、TN、TP 濃度分布圖

（三）數(shù)字模型分析及植被配置優(yōu)化方案結(jié)果

1.數(shù)字模型分析結(jié)果

使用SPSS軟件進(jìn)行分析后，得到了長(zhǎng)春北湖濕地公園三種植被配置與水中污染物濃度變化的相關(guān)性分析，具體見(jiàn)表2。

表2 長(zhǎng)春北湖濕地公園三種植被配置與水中污染物濃度變化相關(guān)性分析一覽表

由表2可以看出，荷花加睡蓮對(duì)COD、TN、TP都有非常顯著的凈化效果，蘆葦加蒲草對(duì)TP有非常顯著的凈化效果，沼柳對(duì)COD有顯著的凈化效果，對(duì)TP有有非常顯著的凈化效果。三種植被類(lèi)型配置對(duì)NH3-N無(wú)凈化效果。

2.植物配置優(yōu)化方案

加強(qiáng)濕地公園植物配置的研究，積極推進(jìn)科學(xué)種植，對(duì)于改善濕地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提升濕地的功能都將起到重要作用。水生植物是人工濕地的重要組成部分，在人工濕地廢水處理中具有舉足輕重的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)不同植物、不同污染物類(lèi)型及濃度選擇不同的植物單種或配置方式，充分利用植物的凈化作用。

從圖2可知，所有污染物在入口處基本都呈現(xiàn)出濃度較高的態(tài)勢(shì)，因此，在入水口附近適當(dāng)增加有顯著吸附效果的植被種植量，更有利于對(duì)北湖濕地水質(zhì)污染物的治理。以降低水體TP污染物濃度為目的時(shí)，荷花加睡蓮、蘆葦加蒲草、沼柳等配置均可考慮；以降低水體TN污染物濃度為目的時(shí)，建議多采用荷花加睡蓮的配置；以改善水體COD為目的時(shí)，建議多選用荷花加睡蓮的配置，也可增加沼柳的配置。

在濕地植物配置方面，經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查分析，目前北湖濕地植被種類(lèi)少，設(shè)置存在單一現(xiàn)象，浮水植物和沉水植物少，水生態(tài)系統(tǒng)很難構(gòu)成垂直結(jié)構(gòu)。對(duì)此，提出三點(diǎn)優(yōu)化配置方案：

（1）長(zhǎng)春北湖濕地公園應(yīng)加大種植區(qū)域面積，增加水生植物生物量，可以更好地提高污染物吸附率，有效降低水中有機(jī)污染物含量。通過(guò)本研究得出的北湖濕地公園植被分布圖可以看出，公園南部的濕地植物種植量少于北部，可以在南部適當(dāng)增加濕地植物種植量，使北湖濕地公園的濕地植物空間分布均一，更有利于發(fā)揮其人工濕地凈化水體的作用。

（2）除了增加水生植物數(shù)量，達(dá)到更好的吸收、利用、消化、分解水體污染物的能力之外，還應(yīng)增加浮水植物、沉水植物種植數(shù)量，與挺水植物構(gòu)成水生態(tài)系統(tǒng)，形成更加自然的多層次水生植物景觀，使水體微生物在水中有附著溫床，建立健全的水生態(tài)系統(tǒng)。

（3）長(zhǎng)春北湖濕地公園作為一個(gè)具有濕地保護(hù)與利用、科普教育、濕地研究、生態(tài)觀光、休閑娛樂(lè)等多種功能的社會(huì)公益性生態(tài)公園，植被配置方面應(yīng)考慮觀賞性。

從本研究得出的植被分類(lèi)圖可以看出，在北湖濕地公園南部，沼柳種植面積很少，應(yīng)在南部岸邊加大沼柳種植面積，除了可增強(qiáng)水中TP污染物吸附作用外，還可以豐富公園整體景觀效果，使湖岸形成林蔭，作為游人的游憩場(chǎng)所。