人工濕地不同植被群落及配置對城市污水的凈化作用及優化方案

吉林省生態環境監測中心 王璐

一、研究背景

人工濕地是由天然濕地發展而來的，通過模擬天然濕地的結構和功能，選擇一定的地理位置與地形，根據人們的需要人為設計和建造的濕地生態系統。復合生態濕地是人工濕地技術的一種形式，多見于野外湖庫周邊富營養化水體的治理。

本研究旨在揭示人工濕地不同植被群落及配置對城市污水的凈化作用，并針對城市污水組成特點，優化人工濕地的植被配置方案，期待通過水質監測及植被生長情況，揭示人工濕地不同植物群落的污水凈化能力，從而為優化濕地功能提供科學參考依據。在此基礎上，提升北湖濕地公園生態服務價值，完善長春市水系統的自我調節能力，提供良好的人居環境，為打好水污染防治攻堅戰作出貢獻。

二、研究方法

（一）植被調查

本研究確定研究對象為長春北湖濕地公園。先進行預調查，進而設置樣點，確立研究區域。本研究的植被調查采樣點與水質采樣點相同，每個水質采樣點周圍設植被調查樣方3處，GPS確認樣方地點經緯度，對樣方內植被群落組成進行調查。為使后期數據分析更加精確，原則上取水點、植被樣方應盡可能均勻分布于調查區域。

最后收集植被調查區域的遙感影像進行解析，基于調查數據結果對公園植被群落進行分類。通過實地調查，確定監督分類的種類為荷花加睡蓮，蘆葦加蒲草，沼柳、水域這四類。

（二）水質采樣

由于本研究主要研究濕地植被群落對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日進行了四次采樣工作，每次采樣30個，共計采樣120個。

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這四種水質參數作為監測指標。

（三）遙感解譯分析

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

本研究采取復合指數法進行監督分類，生成植被分類圖。

基于水質采樣結果，生成北湖濕地公園污染物濃度分布圖，并通過對長春市污水污染物成分特點的分析，探討濕地公園的凈化植物配置方案。

三、結果

（一）植被調查結果與植被分類圖

1.植被調查結果

現場調查可知，北湖濕地公園為天然濕地系統中的草本沼澤類型，植物群落類型以挺水植物為主，沉水植物、浮水植物種類及分布均較少。

北湖濕地公園中濕地植物的優勢物種為蘆葦、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、沼柳作為監督分類的四種類型。

2.植被分類圖

通過NDVI軟件進行監督分類后，生成了北湖濕地公園植被分類圖如圖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圖

（二）水質采樣結果

1.濃度分布圖

通過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污染物數值全局的濃度分布。具體見圖2。

2.分析

從圖2可較為清晰地看到整個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。各類污染物的空間分布存在較大的差異，各類污染物相對高濃度的分布區也存在較大差異，但是不同年份的同種污染物分布具有相對的一致性。各類污染物空間分布特征顯著，不同區域主要污染物的分布特點明顯。

圖2 2019年及2021年夏季COD、NH3-N、TN、TP 濃度分布圖

（三）數字模型分析及植被配置優化方案結果

1.數字模型分析結果

使用SPSS軟件進行分析后，得到了長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性分析，具體見表2。

表2 長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性分析一覽表

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

2.植物配置優化方案

加強濕地公園植物配置的研究，積極推進科學種植，對于改善濕地的生態環境質量，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。在實際應用中，應該根據不同植物、不同污染物類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出濃度較高的態勢，因此，在入水口附近適當增加有顯著吸附效果的植被種植量，更有利于對北湖濕地水質污染物的治理。以降低水體TP污染物濃度為目的時，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，建議多采用荷花加睡蓮的配置；以改善水體COD為目的時，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，經過實地調查分析，目前北湖濕地植被種類少，設置存在單一現象，浮水植物和沉水植物少，水生態系統很難構成垂直結構。對此，提出三點優化配置方案：

（1）長春北湖濕地公園應加大種植區域面積，增加水生植物生物量，可以更好地提高污染物吸附率，有效降低水中有機污染物含量。通過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，更有利于發揮其人工濕地凈化水體的作用。

（2）除了增加水生植物數量，達到更好的吸收、利用、消化、分解水體污染物的能力之外，還應增加浮水植物、沉水植物種植數量，與挺水植物構成水生態系統，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，建立健全的水生態系統。

（3）長春北湖濕地公園作為一個具有濕地保護與利用、科普教育、濕地研究、生態觀光、休閑娛樂等多種功能的社會公益性生態公園，植被配置方面應考慮觀賞性。

從本研究得出的植被分類圖可以看出，在北湖濕地公園南部，沼柳種植面積很少，應在南部岸邊加大沼柳種植面積，除了可增強水中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，作為游人的游憩場所。