程麗芬，張 欣，樊蘭英，韓莉春，馮麗娟

(1.山西省林業(yè)科學研究院，山西 太原 030012； 2.山西省林木育種研究中心，山西 太原 030031)

·綜 述·

人工濕地水生植物根系研究進展

程麗芬1，張 欣1，樊蘭英1，韓莉春2，馮麗娟1

(1.山西省林業(yè)科學研究院，山西 太原 030012； 2.山西省林木育種研究中心，山西 太原 030031)

人工濕地是一種被廣泛使用的新型污水處理技術。筆者闡述了構建人工濕地常用的水生植物種類及根系類型，從根系生物量及其變化研究、根系分布及根系表面積研究兩方面綜述了濕地水生植物根系生長情況的研究現(xiàn)狀；從水生植物根系去除污染物的研究、水生植物根系泌氧的研究兩方面綜述了水生植物根系對濕地水體凈化作用的研究現(xiàn)狀，并對該領域今后的發(fā)展提出了一些思考和展望。

人工濕地；濕地植物；根系；生長情況；凈化作用

人工濕地是人工模仿自然濕地系統(tǒng)的一種新型污水處理技術[1]。國外關于濕地系統(tǒng)的研究始于20世紀60年代，德國的Seidel K發(fā)現(xiàn)蘆葦?shù)戎参镉腥コ兄亟饘俚淖饔肹2]。隨后，美國、英國、丹麥、新西蘭等許多國家的學者都開始了對濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究，并結合實際建立起許多人工濕地工程，將人工濕地廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、生活廢水的處理中[3,4]。我國對于人工濕地的研究始于“七五”期間[5]，到20世紀末，天津、北京、深圳、成都等地都建成了較大規(guī)模的人工濕地工程，并取得了良好的污水凈化效果和生態(tài)效益[6-10]。濕地植物作為人工濕地系統(tǒng)的重要組成部分，其根系生理生態(tài)特征的研究一直是該領域的前沿與熱點。

1 人工濕地常用水生植物種類

人工濕地主要通過非生物(土壤、人工介質等)和生物(植物、微生物等)的物理、化學、生物循環(huán)作用來凈化污水[11]。濕地植物作為人工濕地污水處理系統(tǒng)的基本構成要素之一，在人工濕地凈化污水的過程中起著非常重要的作用[12]。

1.1 常用水生植物種類

借鑒外國的經驗[13,14]，我國人工濕地常用的植物多為水生植物。根據水生植物在人工濕地系統(tǒng)中的生長特點，可以將其分為挺水植物、浮水植物和沉水植物3類。

1.1.1 挺水植物

目前，國內外人工濕地常用的水生植物種類主要為挺水植物[15]，其生長特點是：植物根莖生長在底泥之中，莖、葉高出水面。挺水植物去除氮、磷的能力優(yōu)于沉水植物[16]。代表植物有蘆葦(PhragrnitascommunisTrin.)、茭白(ZizaniaaquaticaLinn.)、香蒲(TyphaorientalisPresl.)、水燭(TyphaangustifoliaLinn.)和藨草(ScirpustrigueterL.)等。

1.1.2 沉水植物

沉水植物的生長特點是：植物全部位于水層下面，扎根于底泥中或懸浮于水中。其根、莖、葉可以較好地吸收污染物，抑制藻類生長，具有較為理想的凈化水體作用[17]。代表植物有金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、眼子菜(PotamogetondistinctusA. Benn.)和黑藻(Hydrillaverticillata)等。

1.1.3 浮水植物

浮水植物又稱浮葉植物，生長特點是：植物完全漂浮在水面上。其水深適應范圍較大，繁殖能力強，能有效去除水體中的氮、磷及重金屬等污染物[18]。代表植物有水葫蘆(Eichhorniacrassipes)、大薸(Pistiastratiotes)和水鱉[Hydrocharisdubia(Bl.)Backer]等。劉麗和趙振國[19]為篩選適合華北地區(qū)潛流濕地生長的浮水植物，于2011年在官廳水庫黑土洼人工潛流濕地系統(tǒng)中設計了4個研究區(qū)域，以濕地單元為最小單位，并聯(lián)運行，在水生植物塘中種植不同的水生植物，對比研究了其生長狀況。結果表明，大薸的生理特征能較好地適應北方環(huán)境，水葫蘆次之，水鱉的適應性較差。

1.2 水生植物根系類型

研究表明，人工濕地系統(tǒng)中的物理、化學和生物作用主要發(fā)生在水生植物根區(qū)[20]。根系是濕地植物與污染物直接發(fā)生作用的區(qū)域，在吸收營養(yǎng)物質的同時，也可以吸附一些有毒物質，富集重金屬離子[21-23]。2004年，陳章和等將濕地水生植物的根系分為根莖型和須根型2類[24]。

1.2.1 根莖型植物

根莖型植物是指以較粗的根(包括根狀莖)為主的植物，如，水燭(TyphaangustifoliaLinn.)、蘆葦(PhragrnitascommunisTrin.)、香蒲(TyphaorientalisPresl.)等。研究表明，根莖型植物忍受缺氧環(huán)境的能力較強。

1.2.2 須根型植物

須根型植物是指以細小的根為主的植物，如，香根草(VetiveriazizanioidesNash.)、風車草(CyperusalternifoliusLinn.)、象草(PennisetumpurpureumSchumach.)等。研究表明，須根型植物凈化污水的能力較強。

1.3 人工濕地水生植物根系的作用

濕地作為陸生與水生生態(tài)系統(tǒng)間的過渡地帶，具有物質生產、減緩徑流、蓄洪抗旱、調節(jié)大氣、凈化水質、維持生物多樣性[25]等功能。植物作為人工濕地的重要組成部分，其根系在污水處理過程中有十分重要的作用。人工濕地水生植物根系的主要功能有：

1) 將植物體固定在其基質(土壤、底泥等)中。

2) 吸收和利用污水中的營養(yǎng)物質，并向植物體運輸養(yǎng)分和水分。

3) 合成植物激素及其它水生植物生長所需的有機化合物。

4) 向根際提供氧氣，以保證水生植物根系的呼吸作用[26]。

5) 吸附并去除污水中的氮、磷元素和重金屬等污染物。

6) 提高水生植物根系周圍微生物的活性。

7) 對維持濕地生物多樣性和生態(tài)平衡具有重要作用。

在人工濕地中，植物、基質、微生物和污染物相互作用，使根區(qū)成為凈化污水的主要區(qū)域。

2 水生植物根系生長情況的研究現(xiàn)狀

許多研究表明，根系生物量、分布特點、表面積及其季節(jié)和年際變化規(guī)律在不同水生植物間存在著較大差異，對污水的凈化能力有重要影響。

2.1 根系生物量及其變化研究

1998年，彭江燕等[27]利用稱量法研究得出，蘆葦、水葵具有較大的須根鮮重，美人蕉的根系重量主要由地下塊莖構成，且水生植物的地下部分重量遠高于地上部分。陳文音和陳章和等[28]2007年設計了一個水培系統(tǒng)，由黑色塑料桶(上口徑36.5 cm，桶底直徑30.0 cm，桶高34.5 cm，裝水深度31.5 cm)和用于固定植物的泡沫板(厚度2 cm，直徑與桶的上口徑接近)組成，用生活污水對4種須根型水生植物(美人蕉、風車草、象草和香根草)和4種根莖型水生植物(菖蒲、水鬼焦、蘆葦和水燭)進行培養(yǎng)，每周測定1次植物根系的根數(shù)、根長、根壽命、根生物量和根系表面積，比較不同植物根系的生長情況。結果表明，須根型植物的平均根數(shù)(1 349條/株)大于根莖型植物(549條/株)；其中，美人蕉的平均根數(shù)最多，為1 871條/株。須根型植物根系的平均生物量(11.3 g/株)大于根莖型植物(7.4 g/株)，須根型植物d<1 mm的細根生物量占根系總生物量的比(51.9%)大于根莖型植物(25.1%)，根莖型植物的根生物量與地上生物量的比值(0.2)顯著大于須根型植物(0.1)。

不同水生植物的根系生物量在不同時期的變化規(guī)律也不相同。陳文音等2007年研究得出，根莖型植物根的平均壽命(46.6 d)較須根型植物(34.8 d)長，但差異不顯著。趙建剛等[29]2003年研究表明，5月象草的根系生物量較大，而8月美人蕉的根系生物量較大；5月至8月0 cm～5 cm層蘆葦?shù)母瞪锪吭黾虞^快，5 cm～15 cm層則是香根草根系生物量增加的較快。

2.2 根系分布及根系表面積研究

根的生長是決定濕地植物污水處理能力的一個重要因素[30]。2007年，陳章和等[31]設計了一種名為“網柱法”的新方法研究人工濕地植物根系的生長和分布，該方法具有操作方便、測定準確的特點。其研究表明，不同濕地植物根系的垂直分布(不同深度根系條數(shù)和根系密度)具有較大差異，蘆葦?shù)雀o型植物根系分布較深，而象草等須根型植物根系分布較淺。此外，成水平等[32]2003年研究指出，濕地植物的生長分布影響其氣體交換及根系在基質中的伸展情況。2003年，趙建剛等人通過稱重法測定華南師范大學標本園兩種人工濕地內不同植物的生物量。研究表明，潛流濕地植物生長情況比表面流濕地好；0 cm～15 cm土層的根系生物量，5月份以象草最多，而8月份以美人蕉最多；15 cm以下的土層中則是蘆葦最多。

人工濕地植物的根系表面與污水直接接觸，所以其表面積也是影響污水凈化能力的一個重要因素。水生植物根系表面積的測定多采用間接計算法，先用排水法測量出植物根系的體積[33]，再利用公式S=4V/d，求出植物根系的表面積[34]。許多前人的研究表明，須根型植物的根系表面積主要是由細根(d<1 mm)構成，所以其根系表面積明顯大于根莖型植物。陳文音和陳章和等2007年的研究表明，須根型植物的根系表面積(6 933 cm2/株)極顯著大于根莖型植物(1 897 cm2/株)。其中，美人蕉根系的平均表面積最大，為22 832 cm2/株。

3 根系凈化濕地水體作用的研究現(xiàn)狀

濕地水生植物通過直接吸收營養(yǎng)和有害物質，根區(qū)分泌氧氣和分泌物，增強和維持介質的水力傳輸能力等對濕地水體產生影響。

3.1 水生植物根系去除污染物的研究

濕地植物根系去除污染物的作用主要有兩方面：一方面吸附污水中的有害物質，富集一些重金屬，其吸附、富集能力與濕地植物根系的發(fā)達程度有關。2004年Joseph研究指出，植株的根系越發(fā)達，其污水凈化能力越大[35]。方榮杰和譚茂蘭[36]2011年在廣西省桂林市青獅潭灌區(qū)人工濕地的進出水口設置量水堰進行水質檢驗，研究浮水植物型人工濕地對水稻田排水中污染物的控制作用。結果表明：浮水植物型濕地對雙季早晚稻總氮的平均去除率分別為52.17%和62.23%，對總磷的去除率分別為45.69%和74.37%，具有較好的生態(tài)價值和觀賞價值。不同水生植物的去污能力和對重金屬離子的抗性不同。2003年，趙建剛等人研究得出，香根草去除CODCr，BOD5的效果最好，象草去除TN，TP和NH4-N的效果最好。2009年，徐德福等[37]進行室內培養(yǎng)試驗，分別向盆栽潮土中加入FeSO4及FeSO4與ZnSO4的混合物，保持水深3 cm～4 cm，培養(yǎng)3個月后，分別測定挺水植物地上部分和地下部分鐵和鋅的含量，比較研究4種挺水植物對重金屬Zn的抗性。結果表明，挺水植物地上部分鐵含量顯著低于地下部分；燈心草和菖蒲對鋅的抗性較強，而茭白和美人蕉對鋅的抗性較弱。

另一方面，濕地植物的根系在生長過程中會穿透介質，形成許多間隙，增強介質傳輸水分的能力，從而也可增強濕地植物污水處理的能力[38]。袁東海等[39]2004年研究指出，石菖蒲、燈心草和蝴蝶花人工濕地COD和總氮的平均凈化效率均超過了66%，較無植被人工濕地高。王忖等[40](2010年)利用長8.0 m，寬0.3 m，高0.4 m的自循環(huán)式水槽模擬太湖底部真實的床面情況，分別種植沉水植物(水蕨)和挺水植物(菖蒲)，利用多普勒流速儀測量植物段紊流特性，分析種植兩種植物條件下的水流水力特性和底泥再懸浮規(guī)律。結果表明，沉水植物明渠水流的紊流強度和雷諾應力在冠層交界處出現(xiàn)最大值，挺水植物在莖桿和枝葉分叉處出現(xiàn)最大值。一定條件下，兩種植物均能抑制底泥再懸浮，但當雷諾系數(shù)達到一定值時，反而加劇底泥的再懸浮。此外，沉水植物抑制底泥再懸浮的效果較好。2014年，朱平等[41]利用人工濕地-沉水植物塘組合系統(tǒng)處理高校生活污水(人工濕地為水平潛流人工濕地，種植的植物為挺水植物；沉水植物塘內種植沉水植物)，通過調控進水量改變其水力停留時間(HRT)和水力負荷(HLR)，設計了200 mm/d，500 mm/d，1 000 mm/d 3種不同的水力負荷，并根據《水和廢水監(jiān)測分析方法》測定其對污染水體的凈化效果。結果表明，低HLR條件下，出水COD及總磷、總氮、氨氮分別達到GB 3838-2002的Ⅲ類、Ⅳ類、一級A和一級B標準；中HLR條件下，出水COD及總磷、總氮、氨氮分別達到GB 3838-2002的Ⅰ類、Ⅴ類、一級A和一級B標準；高HLR條件下，出水COD及總磷、總氮、氨氮分別達到GB 3838-2002的Ⅰ類、Ⅳ類、一級A和一級B標準，該組合系統(tǒng)去除氮、磷、COD的效果良好。除溶解性正磷酸鹽外，該組合系統(tǒng)的去污效果均隨水力負荷的增加而下降。該組合系統(tǒng)中，沉水植物塘去除氮和磷的效果較好，而人工濕地去除COD的效果較好。

3.2 水生植物根系泌氧的研究

濕地植物根系泌氧會影響根系水體的氧化還原環(huán)境，從而也會影響到濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)過程。濕地植物為應對沉積物的厭氧環(huán)境，通過根系泌氧向根區(qū)釋放氧氣[42]，既可以促進沉積物中還原性鐵和錳的氧化[43]，也可以改變根際環(huán)境中重金屬陽離子的存在形態(tài)[44]。測定植物根系泌氧的方法主要有根部鐵斑測定法[45]、檸檬酸鈦比色法、氧化-還原染色法[46]等。2013年，周林飛等[47]通過室內腐解模擬桶裝試驗研究了加底泥、不加底泥以及不同生物量沉水植物對石佛寺人工濕地水質的影響。結果表明，隨著狐尾藻、金魚藻、眼子菜和黑藻的腐解，向水中釋放的含氮、含磷物質和有機物增多，人工濕地水體中的溶解氧含量先升高后降低。歐媛[48]2015年研究得出，濕地植物的生長可提高沉積物Eh含量，降低pH值、Fe2+和TP含量。

氧是微生物生存活動的一個關鍵因素，所以濕地植物根系泌氧也會影響到濕地中微生物的種類與分布[49]。研究表明，濕地植物根際的微生物種類和數(shù)量均高于非根際區(qū)域[50]，根的泌氧和呼吸共同作用，使根區(qū)周圍有氧和缺氧區(qū)域共存，各種好氧、厭氧微生物都能發(fā)揮作用[51]。此外，濕地植物的根系還會分泌出各種維生素、氨基酸、酶等促進微生物生長發(fā)育的物質，使得微生物聚集在根際，從而對微生物的種類與分布產生影響[52]。2014年，程璞等[53]采用100 cm×60 cm×90 cm(長×寬×深)的水泥池模擬垂直潛流式人工濕地，一組種植千屈菜，一組不種植物作為對照，用人工合成的污水進行試驗。保持溫度在5.9 ℃～39.9 ℃，水力負荷40 L/d，每周進水5 d，修整2 d，每2周測定1次水樣中的TOC，TN，TP，ORP，DO和pH值等指標。研究結果表明，種植千屈菜的人工濕地中微生物的Simpson和Mcintosh多樣性指數(shù)在植物成苗期均明顯高于幼苗期(p<0.05)，但Shannon指數(shù)變化不明顯(p>0.05)，而且植物在不同生長發(fā)育階段其微生物種類存在差異。

4 思考與展望

長期以來，濕地凈化水體的機理與過程被認為是“黑箱效應”[54]。隨著國內外學者不斷的研究和探索，對濕地生態(tài)系統(tǒng)以及濕地植物的作用已經有了一定程度的了解，但對機理性的探討和認識尚不充分。因此，從以下幾方面進行深入研究，對提高人工濕地凈化污水的能力十分重要。

1) 根據不同濕地植物的生長特性，進行種類選擇和合理配置，開發(fā)人工濕地的低溫運行技術，從而加快北方人工濕地的發(fā)展速度，提高北方人工濕地的凈化能力。

2) 將同位素、熒光標記技術等應用于根系泌氧及根系分泌物的研究中，從分子層面上研究其分泌機制，并進一步分析其對根際微生物種群結構的影響。

3) 通過長時間的連續(xù)觀測，研究各種環(huán)境因素(包括水分脅迫、重金屬脅迫、養(yǎng)分脅迫等不良環(huán)境)對根系泌氧和分泌物的影響。

4) 當前關于濕地及濕地植物的研究多數(shù)是在人工模擬環(huán)境下進行的，其試驗結果可能與實際環(huán)境中的存在差別，且一些研究成果仍不能運用到實際中。

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Research Progress on Roots of Wetland Plants in Constructed Wetland

Cheng Lifen1, Zhang Xin1, Fan Lanying1, Han Lichun2, Feng Lijuan1

(1.ShanxiAcademyofForestSciences,Taiyuan030012,China; 2.ShanxiResearchCenterforTreeBreeding,Taiyuan030031,China)

Constructed wetland was a new kind of wastewater treatment technology which was widely used. In this paper, the species and root types of common aquatic plants in constructed wetlands waselaborated. Research status of aquatic plant root growth situation in wetland was reviewed from root biomass and its changes, root distribution and root surface area 2 aspects. And its purification function to wetland water were expounded removal pollutants for aquatic plants and oxidization of aquatic plants 2 aspests. Some thoughts and expectations on the development in this field were put forward.

Constructed wetland; Wetland plants; Roots; Growth condition; Purification effect

2016-10-15

國家林業(yè)局“948”項目(2015-4-25)

程麗芬(1966— )，女，山西清徐人，1989年畢業(yè)于北京林業(yè)大學，高級工程師。

張 欣(1990— )，女，山西陽城人，2015年畢業(yè)于北京林業(yè)大學，助理工程師。

X703

A

1007-726X(2016)04-0040-06