近年来随着我国农村经济的迅猛发展，农村生活污水排放量也越来越大^[1].同时，我国农村人口数量巨大，居住分散，又缺少基本的污水收集和处理设施，大量生活污水未经处理直接排放，导致大面积地表水体富营养化污染^[2-4].人工湿地作为一种新型生态污水处理装置，由于操作管理简单、运行维护方便等特点十分适宜于我国农村生活污水的治理^[5-7].表面流人工湿地，作为一种典型的人工湿地系统，由于空气直接接触水体，存在大气复氧能力，可极大地提高湿地对有机物和铵态氮的去除效果^[8].同时表面流人工湿地的植被类型也较为丰富，包括沉水、浮水、挺水等多种水生植被类型^[9].因此，表面流人工湿地十分适合用于人工湿地植物的筛选.

湿地植物作为人工湿地最明显的生物特征，是人工湿地的重要组成部分^[10].大量研究表明不同种类的湿地植物去污能力差异明显，例如，有研究表明，菱白、芦苇、水烛、灯心草和美人蕉对铵态氮的去除效果较好^[11]；风车草和香根草在处理高浓度的养殖废水时，对有机物的去除率可达到90 %以上^[12].此外，湿地植物还能通过根系的泌氧能力、生化反应酶的释放以及改变水力传输特征等方面间接促进污染物的去除^[13-15].因此，在人工湿地的构建过程中，湿地植物的筛选显得尤为重要.

亚热带地区虽然水生植物资源比较丰富，但目前关于适宜于亚热带气候条件下人工湿地的植物种类筛选研究还较少^[16].此外，虽然亚热带地区秋、冬季温度高于北方，但在秋、冬季(冷季)，由于温度降低，湿地植物的生长受到影响或者易出现枯死现象，影响湿地净化效果和景观效果^[17-19].因此，筛选该气候条件下，尤其是秋、冬季(冷季)低温条件下，依旧具有较好去除能力的湿地植物就显得非常重要，有利于人工湿地在亚热带地区的推广和应用.

本次人工湿地植物筛选实验在具有典型亚热带气候区的福建省泉州市永春县开展.研究中选取了10种不同的湿地植物构建10座表面流人工湿地实例工程，拟从湿地植物的去污能力、生物量、氮磷累积量、景观美学效应等因素筛选出适宜于亚热带气候条件下在冷季依旧具有较好去除能力的湿地植物，为亚热带地区湿地植物的选育以及人工湿地的大规模推广应用奠定基础.

本研究地点位于福建省中部永春县吾峰镇吾西村(25°13′15″~25°33′45″N，117°41′55″~118°31′9″E)，平均海拔800 m，具有典型的亚热带季风气候，全年无霜期长达320天，霜冻出现时间为12月底至2月初，年平均气温为20.4℃，降水量在1600~2100 mm之间^[17].

共构建10座混凝土结构表面流人工湿地实例工程，每座人工湿地的规模为5 m×2 m×1 m(长×宽×深)，采用防水剂做防渗透处理，以当地红壤土为基质，深度为50 cm，水位保持在30 cm.选择梭鱼草(Pontederia cordata)、泽泻(Alisma plantago-aquatica)、水龙(Jussiaea repens)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、美人蕉(Canna indica)、再力花(Thalia dealbata)、鸭跖草(Commelina communis)、黄菖蒲(Iris pseudacorus)、铜钱草(Hydrocotyle chinensis)和水芋(Calla palustris)共10种供试水生/湿生植物.人工湿地中植物的栽种密度为4棵/m².

植物栽种时间为2014年6月，此时植物处于生长旺盛期，经过几个月的生长适应期，人工湿地从2014年6月一直运行至2015年12月.每个实验周期采用间歇运行序批式进水的方式，水力停留时间(HRT)为7 d，分别于冷季的2014年12月1日8日(初冬季，日平均气温13.5℃)、2015年1月5日12日(深冬季，日平均气温9.5℃)、2015年11月2日9日(秋季，日平均气温18.5℃)及2015年11月23日30日(深秋季，日平均气温14.5℃)各开展1次实验，考察人工湿地在亚热带地区秋、冬季(冷季)的运行情况.通过对比不同植物配置人工湿地实例工程对典型污染物净化能力，同时结合生物量和景观美学等因素，筛选出具有较强净化能力及环境适应性强的2~3种湿地植物.

实验期间，取各人工湿地进水和出水水样，水样的测试指标主要有pH、铵态氮(NH₄⁺-N)、总氮(TN)、总磷(TP)以及COD. pH采用玻璃电极法现场测定；NH₄⁺-N浓度采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)测定；TN浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)测定；TP浓度采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法(GB 11893-1989)测定；COD浓度采用重铬酸钾滴定法(GB/T 11914-1989)测定. 2015年11月下旬实验结束后，对人工湿地植物进行收割，在每个人工湿地中，分别随机选取3个植物样方，样方面积为1 m×1 m，采用收获法收集地上植物样品，测鲜重.收集的植物样品带回实验室清洗，在70℃下烘干至恒重，计算生物量.同时将烘干的植物样品研磨，过100目筛放入自封袋保存，以备分析其氮、磷含量.植物样品用H₂SO₄-H₂O₂消化后，采用流动分析仪测全氮含量，采用钼锑抗比色法(GB 9837-1988)测定全磷含量.采用Origin 9.0(Origin Lab，USA)软件进行数据分析和作图.

人工湿地在4个实验周期的进水pH值分别为6.53、6.38、7.02和6.97，进水整体接近中性，且进水pH值的变化受季节变化的影响幅度较小.生活污水经人工湿地处理后，出水pH值相对进水pH值变化不明显，出水pH总体也接近中性(图 1).有研究表明，若出水pH值在中性范围内变化则说明人工湿地运行正常，没有出现湿地生物系统崩溃现象^[20].

图 1(Fig.1)

图 1 不同植物配置人工湿地进水和出水pH值的变化 Fig.1 The influent and effluent pH in surface flow constructed wetland systems with different vegetation species

初冬季节人工湿地(黄菖蒲人工湿地除外)均表现出较好的NH₄⁺-N处理效果，尤其是水龙(76.7 %)、狐尾藻(89.3 %)、美人蕉(87.7 %)、鸭跖草(82.3 %)和铜钱草(73.8 %).黄菖蒲人工湿地的NH₄⁺-N出水浓度比进水浓度高，其可能的原因是，植物落叶腐败，从而导致出水NH₄⁺-N浓度升高.尹连庆等^[21]的研究表明温度能够显著影响植物对NH₄⁺-N的净化效果，特别是在冬季，植物的生命活动降低，不利于对NH₄⁺-N的去除.在深冬季节，随着温度的降低，部分人工湿地对NH₄⁺-N的去除率出现下降趋势，但是泽泻(74.0 %)、水龙(42.2 %)和美人蕉(53.0 %)人工湿地依旧显示出一定的去除能力，同时，此时泽泻、水龙和美人蕉生物量虽然没有明显的增加，但是依旧长势较好，并无枯萎现象，表明这3种植物在冷季依旧具有较好的NH₄⁺-N去除能力.第2年秋季人工湿地对NH₄⁺-N的去除效能出现了较为明显的变化，所存活的植物中，人工湿地进水和出水浓度基本上相差不大，湿地植物去除NH₄⁺-N的效果不理想，只有水龙和水芋依旧显示出较好的NH₄⁺-N去除效果，去除率可维持在50 %左右.造成人工湿地在第2年运行过程中NH₄⁺-N净化效能下降的原因可能是本实验中人工湿地植物未经收割.未收割的植物生长已趋于稳定，所吸收养分已饱和，从而导致植物的NH₄⁺-N去除性能下降，进出水NH₄⁺-N变化不明显^[22].总的来看，根据第1年的运行效果，泽泻、水龙和美人蕉人工湿地实例工程在冷季具有相对较好的NH₄⁺-N净化效果(图 2).

图 2(Fig.2)

图 2 不同植物配置人工湿地进水和出水NH4+-N浓度的变化 Fig.2 The influent and effluent concentrations of ammonia nitrogen in surface flow constructed wetland systems with different vegetation species

初冬季节，栽种不同植物的所有人工湿地实例工程均对TN表现出较好的去除效果，尤其是梭鱼草(89.6 %)、美人蕉(90.1 %)和水芋(92.4 %)人工湿地去除效果最好，出水TN浓度低于0.83 mg/L，去除率达到90 %以上.深冬季节，各种植物也均表现出较好的TN去除效果，美人蕉湿地对TN去除率依旧达到80.3 %.总体而言，深冬出水TN浓度相对初冬较高，可能是由于受到气温降低的影响，湿地内部脱氮微生物数量及用于酶促含氮有机物水解的相关酶(如脲酶)活性下降，导致脱氮的主要途径受阻，从而使人工湿地的TN去除能力下降^[23]；此外，温度的降低导致植物叶片凋落，在人工湿地内堆积和腐烂，因此，低温条件下植物腐败还会引起含氮物质的释放，从而使人工湿地中TN浓度也有所升高^[24-25]..第2年秋季，水龙、狐尾藻、美人蕉、黄菖蒲和水芋人工湿地对TN依旧具有较好的处理效果.综合以上研究结果，栽种有水龙、狐尾藻、美人蕉和黄菖蒲的人工湿地实例工程在冷季对TN也具有较好的去除效果(图 3).

图 3(Fig.3)

图 3 不同植物配置人工湿地进水和出水TN浓度的变化 Fig.3 The influent and effluent concentrations of total nitrogen in surface flow constructed wetland systems with different vegetation species

人工湿地除磷主要依赖湿地基质、水生植物和微生物以及三者之间的联合作用，通过一系列复杂的物理、化学以及生物途径实现磷素去除^[26].运行结果(图 4)表明，初冬季节，除狐尾藻和鸭跖草人工湿地外，其余的人工湿地均对TP显示出一定的去除效果，尤其是再力花人工湿地去除效果最优，去除率达到92.5 %，其次为水芋(82.3 %)、铜钱草(76.3 %)、黄菖蒲(70.8 %)和水龙(69.0 %)人工湿地.深冬季节人工湿地实例工程对TP的去除效果较差，只有美人蕉人工湿地实例工程仍然显示出一定的去除能力，说明温度的下降能够影响人工湿地除磷能力.由于植物和微生物的耦合作用是湿地除磷的一个重要机制，因此温度的下降可能降低了微生物活性，从而降低了人工湿地的除磷能力^[26].此外，温度的变化可能会引起基质对磷的吸附和解吸之间发生动态变化，从而使得磷的去除率出现波动.第2年秋季，总体而言，人工湿地实例工程对TP的去除效果不明显，其可能的原因是植物未经收割，生长已趋于稳定，所吸收养分已饱和^[22].

图 4(Fig.4)

图 4 不同植物配置人工湿地进水和出水TP浓度的变化 Fig.4 The influent and effluent concentrations of total phosphorus in surface flow constructed wetland systems with different vegetation species

人工湿地对COD的去除主要是依靠附着在基质和植物根系中的微生物代谢过程来完成^[27-28].初冬和深秋季节的人工湿地实例工程大部分的出水COD浓度高于进水浓度，只有初冬时美人蕉人工湿地实例工程显示出一定的COD降解能力，其原因是，温度的降低导致植物的部分叶片凋落，在人工湿地内堆积和腐烂，从而引起人工湿地中污水的COD浓度增加^[29]. 2015年1月和11月上旬人工湿地对COD具有一定的去除效果(图 5).其主要原因是永春县秋季温度相对较高，植物没有凋零和腐败，没有增加人工湿地内的COD浓度，此外，人工湿地内的微生物还能在一定程度上去除COD^[30].

图 5(Fig.5)

图 5 不同植物配置人工湿地进水和出水COD浓度的变化 Fig.5 The influent and effluent concentrations of COD in surface flow constructed wetland systems with different vegetation species

植物对污染物的吸收是人工湿地净化污染物的重要途径之一，考察人工湿地植物的生物量和植物对氮、磷的累积量等指标也是筛选适宜人工湿地植物的重要参考依据^[31].根据实验观测结果，人工湿地在运行第2年，由于虫害、自然枯萎等原因，泽泻、再力花和铜钱草3种植物在运行过程中出现了自然死亡现象，达到了天然的植物筛选结果，说明这3种植物不适合用于当地的人工湿地构建.实验过程中发现，水芋人工湿地运行前后，长势相对不好，株高、株数和生物量没有明显的增长，单位面积水芋吸收氮磷贡献率较小，因此，没有测定水芋的生物量以及水芋体内氮、磷含量. 6种人工湿地植物的鲜重均大于1.32 kg/m²，均具有较大的生物量，其中水龙(0.46 kg/m²)、美人蕉(0.30 kg/m²)和黄菖蒲(0.32 kg/m²)具有更高的干重含量，说明水龙、美人蕉和黄菖蒲人工湿地实例工程具有更大的干生物量.水龙、美人蕉和黄菖蒲相对于其他植物体内的氮、磷含量较高，其体内氮含量分别达到6.43、4.60和4.77 g/m²，而磷含量分别达到0.50、1.01和0.71 g/m²(图 6)，说明水龙、美人蕉和黄菖蒲在单位面积人工湿地中能够更好地积累氮、磷元素，从而有利于人工湿地实例工程对氮、磷元素的去除.

图 6(Fig.6)

图 6 单位面积人工湿地中植物鲜重和干重及植物体内氮、磷含量 Fig.6 The fresh and dry weight of vegetations and nutrients (N and P) content uptake by the above ground biomass per unit area of surface flow constructed wetland systems

本研究结果表明，第1年水龙和美人蕉人工湿地具有较好的NH₄⁺-N净化效果；同时，水龙和美人蕉有利于人工湿地TN的去除；初冬季节，水龙和美人蕉又具有较好的总磷去除性能；另外，水龙和美人蕉在单位面积人工湿地中还能够更好地积累氮、磷元素，从而有利于人工湿地对氮、磷元素的去除.综上所述，本实验中的水龙和美人蕉人工湿地实例工程在冷季具有较好的氮、磷去除能力，同时又具有较大的生物量以及较高的氮、磷积累能力，可选为相对适宜的人工湿地植物，适合运用于亚热带地区处理生活污水的人工湿地实例工程构建.