水生植物石菖蒲在人工濕地水質凈化中的應用

劉洋 王瑋* 李法云 周純亮

（1. 上海應用技術大學生態技術與工程學院，上海 201418；2. 上海城市路域生態工程技術研究中心，上海 201418；3. 美麗中國與生態文明研究院上海高校智庫，上海 201418）

1 引言

隨著我國重點流域水污染防治的開展，城市黑臭水體和農村污染水體治理等行動不斷推進，水污染生態修復技術成為水處理領域的研究熱點。人工濕地由天然濕地演化而來，是一種由基質、植物組成的低成本、生態化的污水處理系統，通過利用物理、化學和生物協同作用實現污水凈化［1-3］。水生植物作為濕地系統的重要組成成分，具有生長周期短、成活率高和功能多樣性的特點，可以促進水體氧循環、吸收有機物、抑制浮游藻類繁殖、控制富營養化及增強水體自清潔能力等［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，促進污染物的轉化［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行栽培種植，在我國有著兩千多年的栽培應用史［9］。石菖蒲根系發達，對污染物有較好的去除效果，且兼具觀賞性等優點，通常被作為城市景觀建設的重要植物材料。本文歸納了石菖蒲的生態習性及其在人工濕地水質凈化中的應用，重點分析了石菖蒲對不同水環境污染物的凈化機理以及影響其對水質凈化效果的因素，在此基礎上，對今后石菖蒲在人工濕地水污染控制等多領域的應用進行了展望。

2 石菖蒲的生態習性

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，能適應濕潤特別是較陰的條件，適合濕地的生態環境。《詩經》中載有，“彼澤之陂，有蒲與荷”，石菖蒲多產于黃河以南，濕地或溪旁石上，可露地生長，有獨特的景觀觀賞作用，是常見的盆景植物和園林植物［10］。石菖蒲植株叢生、根系發達，其根系可在基質中向各個方向生長延伸，形成微小縫隙，增加填料的疏松度，從而提高基質的水利疏導能力，促進污廢水的過流［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用

石菖蒲在人工濕地水質凈化中發揮著重要的作用，其發達的根系可分泌大量的糖、醇和有機碳等物質，可作為微生物的能源物質，根系生長延伸可以增加基質填料的空隙率，改善基質氧濃度，為微生物提供適宜的生長環境，提高其代謝活性，進而增強濕地系統的水質凈化效果［13-14］。

3.1 對氮的去除

石菖蒲人工濕地脫氮機理見圖1。

圖1 石菖蒲人工濕地脫氮機理

3.2 對磷的去除

污水中的磷主要以有機磷礦化、基質吸附沉淀、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磷以提供其生命活動所需要的能量，磷元素在植物體內被轉化為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。濕地植物的生長可通過影響其根際環境和根際土壤的理化性質，進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總磷去除率為44.38%～76.35%［20，23］。

石菖蒲人工濕地除磷機理見圖2。

圖2 石菖蒲人工濕地除磷機理

3.3 對多環芳烴的去除

多環芳烴（PAHs）在環境中具有化學性質穩定、持久性強、難生物降解等特點，并且對人類具有致癌、致畸、致突變的“三致”效應，進而嚴重影響生態環境和人類健康。植物主要通過根系吸收PAHs 等有機污染物，并向上運輸積累到各個組織器官。有機物首先附著于根系表面，大部分經過被動吸收和主動吸收兩種途徑進入植物根部細胞，其余吸附停留在植物的根際環境中。進入植物體內的污染物部分被根部的脂質吸收、固定，另一部分又經過共質體和質外體之后進入根系內部，并沿著木質部分輸送到根莖葉。曲潔婷［24］研究發現，多種常見人工濕地水生植物對PAHs 都有去除效果，去除率均能達到30%以上。Alsghayer 等［25］研究結果顯示，蘆葦（Phragmites australis）對菲、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］的去除率也分別達到了67%，66%和73%。袁秀澤［26］研究了不同植物對人工濕地PAHs 凈化效果，發現菖蒲、水蔥（Scirpus validus Vahl）、蘆葦、菰（Zizania latifolia）4 種濕地植物對萘的平均去除率均達到55%以上，對菲的平均去除率均達到40%以上。

石菖蒲人工濕地對PAHs 污染物的去除機理見圖3。

4 水質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］。植物不同部位對水質的凈化能力存在差異，植物生物量、豐度和配置等因素都會影響人工濕地水質凈化效果［28-30］。

4.1.1 植物不同部位

植物不同部位對水質凈化效果不同，其主要原因是不同部位對氮、磷、有機物等的吸收速率和累積效果有差異。石菖蒲植株莖、葉和根部實施不同程度的剪除實驗證明，石菖蒲的凈化能力隨著根和莖、葉數量的增加而提升，相比而言，其根對水質凈化能力的貢獻更大，根系越發達，對水質凈化能力越顯著［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）對比實驗發現［32］，水生鳶尾因具有較大的生物量而表現出更強的脫氮除磷能力。多數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正相關關系［33］。

4.1.3 植物豐度和植物搭配

植物豐度是影響生態系統功能穩定性的重要指標。增加人工濕地植物豐度可維持濕地生態系統的穩定性，并保障其穩定地發揮水質凈化功能［34-35］。

科學合理的植物配置能明顯提高人工濕地的水質凈化效果。藺芳［4］對石菖蒲、花葉蘆竹（Arundo donax）、水生鳶尾進行配置對比實驗，發現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勢不同，按照植物的特性進行配置，使之協同互補，可保障凈化過程高效穩定［37］，例如組合根系發達的菖蒲和根系淺小的西伯利亞鳶尾（Iris sibirica L.）配置種植，能促進垂直空間充分利用，提高水質凈化效率［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3 種植物根際環境進行檢測發現，混種3 種植物的根際微生物分屬8 個綱，微生物數量和種類均不一致［39］。

4.2 環境因子

4.2.1 溫度

植物的生長狀況與凈化效果有重要的關系。低溫時，根際環境中酶的活性受到抑制，酶促反應減慢進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；適當地提高溫度，植物的蒸發蒸騰作用可以加速氨氮揮發［40-42］。石菖蒲在春季溫度適宜生長良好時，對氮、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時，對水環境去污能力相對較差［43］。

4.2.2 pH

pH 不僅可以影響石菖蒲對污染物的吸收，還影響其根際微生物對污染物的去除。在酸雨脅迫條件下石菖蒲對NO－N 的吸收實驗結果表明，隨著酸性的增加，NO－N 的吸收效果增強［44］。pH 是影響微生物活性的重要環境因子，可導致微生物生物膜的電荷變化。此外，植物營養吸收、代謝過程以及酶活性都因pH 的改變而發生變化。對于硝化細菌而言，其活性隨pH 值的增加表現出先增加后減小的變化，在pH 為8 時最佳［45］。

4.2.3 光照

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

4.3 水力負荷

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

5 結語

石菖蒲作為一種常見的代表性濕地植物，因其具有發達的根系和較強的適應能力，對氮、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凈化效果受溫度、pH、光照等環境因子及植物配置、水力負荷等因素影響。在進行人工濕地設計時，需要綜合考慮污水成分組成和特性、景觀構建需要以及栽種地的氣候特點，科學合理進行植物搭配，以最大程度地發揮人工濕地對水體的凈化作用。

此外，石菖蒲由于具有祛濕解毒、開竅豁痰等醫用功能，在醫藥領域具有較為廣闊的應用前景。有關石菖蒲與其他植物的優化配置對水質凈化的機理和效率，以及其城市水環境景觀設計的生態功能評價與應用還有待進一步深入探索。