人工湿地因具有运行成本低和去污效率高及生态效益显著等优点(王加鹏等, 2014)，已被成功应于城市污水和工业废水的处理，主要用于净化生活污水、农业废水和工业废水等低盐水体(高锋等, 2012; 陈家长等, 2007; Lin et al, 2003)，而对高盐度的废水处理则较为少见。人工湿地利用基质、微生物和植物相互作用来去除水体污染物，其中，植物是人工湿地的重要组成部分，在污水净化过程中起着重要的作用(Liu et al, 2012; Stefanakis et al, 2012; Dunne et al, 2005)。研究表明，植物不仅自身摄取湿地系统中氮磷等污染物，而且还为湿地微生物(氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和厌氧氨氧化细菌等)提供生存环境，促进氮磷等污染物的迁移转化等(张洪刚等, 2006)。

由于盐胁迫效应，大多数植物对海水的高盐胁迫适应能力差，因此，选择适合的耐盐植物是人工湿地处理高盐度水产养殖外排水的关键。王静等(2009)研究表明，芦苇(Phragmites australis)和互花米草(Spartina alterniflora)耐盐性较高，能在较高盐度环境条件下生长，可作为人工湿地净化海水养殖外排水的植物。本研究选用耐盐性较强的芦苇和互花米草为湿地植物，对比分析这2种挺水植物在人工湿地系统中对污染物去除效果的差异，以期为人工湿地系统中高效耐盐植物的筛选提供参考。

人工湿地植物的选择一般依据如下原则：适应当地气候条件，耐污净化能力强，抗病害能力强，根系发达、茎叶繁茂，观赏价值、经济价值较高(梁雪等, 2012; 吴建强等, 2005)。

对于海水人工湿地系统，植物选择要遵循耐盐性较强的原则。我国主要的耐盐植物有芦苇、碱蓬(Suaeda glauca)、碱蒿(Artemisia anethifolia)、盐角草(Salicornia spp.)及大米草(Spartina anglica)等(尚克春等, 2014)。一般而言，挺水植物、浮水植物和沉水植物中，挺水植物因根系发达、茎叶繁茂，净化水质能力较强。互花米草和芦苇均为禾本科挺水植物，二者均具有较强的耐盐和净水能力，基于本实验室前期的筛选结果，选取芦苇和互花米草为实验植物。

植物耐盐性比较实验，在5、10、15、20、25、30和35盐度条件下，对比2种植物的生长状况，实验周期为14 d。

2套海水复合垂直流人工湿地系统，人工湿地系统剖面见图 1，构建材料为亚克力。湿地系统由下、上向流池串联而成，规格为50 cm×50 cm×75 cm，进水口高于出水口10 cm，下、上向流池均设3排具孔水管用于进出水，系统底部设排污口。下、上向流池基质填充深度均为55 cm，由上至下依次为细沙层、蛭石层和珊瑚石层，基质的粒径及填充厚度见图 1。

图 1(Fig. 1)

图 1 复合垂直流人工湿地系统剖面 Figure 1 Profile of integrated vertical flow constructed wetland 1：细沙(粒径：0~2 mm，填充厚度：30 cm)； 2：蛭石(粒径：1~4 mm，填充厚度：15 cm)； 3：珊瑚石(粒径：20~50 mm，填充厚度：10 cm)； 4：进水口；5：出水口；6：反冲洗口 1: Fine sand (Grain diameter: 0~2 mm, Thickness: 30 cm); 2: Vermiculite (Grain diameter: 1~4 mm, Thickness: 15 cm); 3: Corallite (Grain diameter: 20~50 mm, Thickness: 10 cm); 4: Water inlet; 5: Water outlet; 6: Backwashing outfall

实验海水养殖外排水由人工模拟而成，主要成分为饵料、NH₄Cl、KH₂PO₄、NaHCO₃、Na₂HPO₄、葡萄糖和海水。主要水质指标为磷酸盐浓度为0.40~ 0.50 mg/L，总磷(Total phosphorus，TP)浓度为0.70~ 0.80 mg/L，COD_Mn浓度为7.00~8.00 mg/L，NH₄-N浓度为0.37~0.40 mg/L。实验期间，出水温度为(28.60± 0.71)℃，pH为7.60±0.04，DO为(5.32±0.45) mg/L，芦苇系统盐度为20.21±0.73，互花米草系统盐度为30.71±0.37，种植密度均为60株/m²。2套人工湿地系统构建完成后，进行操作条件的优化，直至系统运行一定时间至稳定，期间对2种植物进行盐度驯化，驯化完成后进行去污实验。

实验进水方式为循环连续进水，由下向流池4号进水口均匀洒入人工湿地，经人工湿地系统上、下向流池净化处理后，经上行池5号出水口收集于贮水单元中，再由水泵经4号口输送回人工湿地系统，实现海水养殖外排水的循环处理；水力停留时间约2 h。人工湿地系统运行2个月，系统达到稳定后开始实验，实验为期14 d。每天09:00从2种人工湿地系统5号出水口收集水样，每个水样500 ml，测量NH₄-N、NO₂-N、NO₃-N、COD_Mn、磷酸盐和TP浓度，并用Excel 2016计算污染物的去除率。植物株高和干重测量方法：在实验前后分别采集长势相同的2种挺水植物，每种植物采集10株。

根据《海洋监测规范》(GB17378.4-2007)测定水质指标，其中，NH₄-N采用次溴酸盐氧化法，NO₂-N采用萘乙二胺分光光度法，NO₃-N采用锌镉还原法，无机氮(DIN)浓度为NH₄-N、NO₂-N和NO₃-N浓度之和，磷酸盐采用磷钼蓝分光光度法，TP采用过硫酸钾氧化法，COD_Mn采用碱性高锰酸钾法(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等, 2008)。植物的株高和干重分别采用钢尺测量和105℃条件下烘至恒重后测量。盐度、温度、pH与DO等水质指标采用YSI多参数水质分析仪。

数据结果采用Excel和OriginPro 2015分析作图，t检验分析2种植物湿地去除率之间的差异显著性(SPSS 20.0)。实验结果为平均值±标准差(Mean±SD)。

植物耐盐性比较显示，芦苇在盐度为20以下生长良好，盐度超过20则会出现不同程度的枯萎和死亡；互花米草在不同盐度下均生长良好(表 1)。实验前后，2种人工湿地植物的株高和干重见表 2。从表 2可以看出，芦苇和互花米草株高分别增加0.73 cm和2.93 cm，干重分别增加0.06 g和0.40 g。在盐胁迫条件下，互花米草的生长状况要明显好于芦苇。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同盐度下芦苇和互花米草的生长状况 Table 1 The growth performance of P. australis and S. alterniflora under different salinity 植物Plant 盐度Salinity 5 10 15 20 25 30 35 芦苇P. australis ++ + + + - - - 互花米草S. alterniflora ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++：正常生长；+：生长慢；-：基本不生长 ++: Normal growth; +: Slow growth; -: Poor growth

表 1 不同盐度下芦苇和互花米草的生长状况 Table 1 The growth performance of P. australis and S. alterniflora under different salinity

表 2(Tab. 2)

表 2 芦苇、互花米草的株高和干重 Table 2 The plant height and dry weight of P. australis and S. alterniflora 植物Plant 实验前Before test 实验后After test 株高Plant height (cm) 干重Dry weight (g) 株高Plant height (cm) 干重Dry weight (g) 芦苇P. australis 38.01±5.43 4.92±0.91 39.74±1.40 4.98±1.24 互花米草S. alterniflora 38.12±2.23 5.13±1.25 41.05±2.61 5.53±1.46

表 2 芦苇、互花米草的株高和干重 Table 2 The plant height and dry weight of P. australis and S. alterniflora

从图 2a可以看出，2种植物湿地系统的NH₄-N浓度在实验初期均大幅降低，系统运行到第4天，NH₄-N浓度及去除率均趋于稳定，最后达到动态平衡。互花米草湿地系统运行至第3天后的NH₄-N去除率达到84.00%以上；芦苇湿地系统运行至第6天去除率达到约80.00%。NH₄-N浓度达到动态平衡后，芦苇和互花米草湿地系统中的NH₄-N平均浓度分别为0.06、0.02 mg/L，去除率分别为(85.48±0.50)%、(95.01±1.18)%。2种植物湿地系统对NH₄-N去除率的差异性显著(P < 0.05)(表 3)，互花米草湿地系统对NH₄-N去除率较芦苇高约9.53%。

图 1(Fig. 1)

图 2 2种人工湿地无机氮的浓度和去除率 Figure 2 The concentration and removal efficiency of inorganic nitrogen of the two constructed wetland

表 3(Tab. 3)

表 3 2种人工湿地对污染物净化效果比较 Table 3 Comparsion of pollutant removal efficiencies of the two constructed wetland (%) 项目Item 氨氮去除率 Removal efficiency of NH4-H 无机氮去除率 Removal efficiency of DIN CODMn去除率 Removal efficiency of CODMn 磷酸盐去除率 Removal efficiency of Phosphate 总磷去除率 Removal efficiency of TP 芦苇P. australis 85.48±0.50 50.25±0.80 57.74±4.42 34.69±2.36 49.77±0.54 互花米草S. alterniflora 95.01±1.18 58.85±1.97 72.84±2.64 41.52±3.84 52.41±1.27 P 0.04 0.08 0.001 0.07 0.07

表 3 2种人工湿地对污染物净化效果比较 Table 3 Comparsion of pollutant removal efficiencies of the two constructed wetland (%)

根据图 2b、图 2c可知，2种植物湿地系统中NO₂-N和NO₃-N浓度呈先升高后降低趋势，NO₂-N作为中间产物变化幅度较小，在0.01~0.04 mg/L之间波动；NO₃-N在实验周期的前4 d大幅升高，而后下降至实验初期水平。互花米草湿地系统的NO₂-N和NO₃-N浓度升高较芦苇湿地快。互花米草湿地系统的NO₂-N和NO₃-N浓度在实验前期达到最大值，分别约为0.05、0.37 mg/L；芦苇湿地系统的NO₂-N和NO₃-N浓度分别在第2天和第3天达到最大值，分别约为0.04、0.47 mg/L。根据图 2d可知，2种植物湿地系统在实验开始后，人工湿地系统DIN呈先升高后降低趋势，在处理10 d后趋于稳定。DIN浓度稳定后，芦苇和互花米草湿地系统的DIN分别为(0.32±0.01)、(0.26±0.01) mg/L，DIN去除率分别为(50.25±0.80)%、(58.93±1.96)%。互花米草系统的DIN去除率较芦苇系统高8.65%，差异显著(P < 0.05)(表 3)。

由图 3可知，2种植物人工湿地NH₄-N、NO₂-N和NO₃-N的DIN占比变化趋势相似。在实验初期，NH₄-N浓度占比约为41.00%，随着实验时间的增加NH₄-N占比逐渐降低，至浓度稳定时，芦苇系统NH₄-N占比最低为13.00%，互花米草系统约为3.00%。NO₂-N作为中间产物在实验初期升高，随后降低至稳定水平。NO₃-N占比随处理时间的增加达到稳定状态后，芦苇和护花米草湿地系统中NO₃-N占比分别约为84.00%和90.00%。

图 1(Fig. 1)

图 3 各无机氮所占比例 Figure 3 The proportion of different inorganic nitrogen species

由图 4a、图 4d可知，人工模拟海水养殖外排水经湿地系统处理24 h后，COD_Mn浓度下降至较低浓度后保持动态平衡。芦苇湿地系统COD_Mn出水浓度为(3.21±0.33) mg/L，平均去除率为(57.74±4.40)%；互花米草湿地系统COD_Mn出水浓度为(2.04±0.19) mg/L，平均去除率为(72.84±2.64)%。互花米草湿地系统的COD_Mn平均去除率比芦苇高约15.01%。

图 1(Fig. 1)

图 4 2种人工湿地CODMn、磷酸盐和总磷的浓度和去除率变化 Figure 4 The concentration and removal efficiency of CODMn, phosphate and TP of the two constructed wetland

由图 4b、图 4c和图 4d可知，人工湿地对磷的去除在24 h后达到动态平衡后，芦苇湿地系统磷酸盐浓度为(0.30±0.01) mg/L，平均去除率为(34.69±2.36)%，TP浓度为(0.38±0.01) mg/L，平均去除率为(49.77±0.54)%；互花米草湿地系统的磷酸盐浓度为(0.28±0.02) mg/L，平均去除率为(41.52±3.84)%，TP浓度为(0.36±0.01) mg/L，平均去除率为(52.41± 1.27)%。实验期间，2种植物人工湿地的磷酸盐和TP均有突然升高现象。

卢少勇等(2006)研究表明，植物在人工湿地去污过程中起重要作用，一方面植物吸收DIN用于合成自身生长所需物质，另一方面植物向根区输送氧气并在根系表面形成好氧微区域，促进硝化细菌对氨的转化。另有研究表明，植株的抗逆性、生长状况、根系发达程度、根区泌氧能力以及根系分泌物等直接影响其净化污水能力(邓泓等, 2007; 刘志宽等, 2010)。本研究结果显示，芦苇株高和干重分别增加约0.73 cm和0.06 g，而互花米草的株高和干重分别增加约2.93 cm和0.40 g，后者株高较前者高2.20 cm，干重较前者重0.34 g (表 2)。互花米草在高盐度条件下，生长状况好于芦苇，与张爽等(2008)研究结果一致。互花米草生长量高于芦苇可能与互花米草耐盐性较强以及在盐胁迫下光合作用强于芦苇有关。鲍芳等(2007)发现，互花米草对高盐度环境的适应能力较芦苇强，在生长过程中，互花米草的SOD和POD酶活性积累呈互补趋势，而CAT酶活性基本保持稳定，有利于应对盐胁迫环境；芦苇体内SOD、POD和CAT酶活性波动幅度大，说明其适应盐胁迫的能力较差。胡楚琦等(2015)发现，在盐胁迫环境下，互花米草的净光合速率(P_n)值和光饱和点(I_sat)均呈上升趋势，而芦苇的P_n值呈下降趋势，I_sat值则无明显变化。肖燕等(2011)也发现，在生长季节互花米草的光合作用较芦苇强，净光合速率及生长量显著高于芦苇。由图 2a可知，芦苇和互花米草植物湿地对NH₄-N都具有较高的去除率，分别为(85.48±0.50)%和(95.01±1.18)%，互花米草湿地系统对NH₄-N去除率较芦苇湿地高9.53%，二者差异性显著(P < 0.05)，互花米草湿地对NH₄-N的净化效率更高(图 2a和表 3)。可能与互花米草更能适应盐胁迫环境(Lewis et al，2002)，P_n值和生长量均高于芦苇，对海水中NH₄-N吸收量高有关。另外，黄娟等(2009)发现，P_n与NH₄-N去除率显著正相关。

根据图 2a可知，互花米草湿地系统对NH₄-N的去除速率和转化速率高于芦苇；在实验周期的前5 d，2种植物湿地的NO₃-N浓度均有升高，且互花米草湿地的上升速率较芦苇快；图 2表明，在实验前4 d，大部分NH₄-N通过硝化反应快速转化为NO₃-N，这可能是由于互花米草根系、通气组织以及泌氧能力均较芦苇强有关。人工湿地中除氮的关键步骤是硝化和反硝化，硝化过程也是耗氧过程，溶氧与DIN的转化及脱氮效率有直接关系，适宜的溶氧(DO)能促进NH₄-N的转化。微生物在脱氮中起主导作用，湿地植物根区的径向泌氧作用(ROL)在输氧的同时也为好氧微生物提供适宜的微环境(周强等, 2015; 杜刚等, 2013)。章振亚等(2012)研究表明，互花米草根区的细菌丰富度和多样性均高于芦苇。Chen等(2014)研究表明，水体氮的彻底去除是依靠反硝化作用或厌氧氨氧化作用将NO₃-N转化为N₂挥发出湿地系统来实现，图 2显示，NO₃-N浓度先升高后降低，可能是微生物通过反硝化作用等将NO₃-N转化为N₂，进而挥发出湿地系统所致。

植物在有机污染物去除过程中起重要作用，包括直接作用和间接作用。直接作用包括根系的拦截和吸收，间接作用主要包括根系分泌物对生化过程的影响与为微生物提供附着和生长空间。不同植物对COD_Mn的去除效果存在差异(陈永华等, 2014)。芦苇和互花米草湿地系统对COD_Mn平均去除率分别为(57.74± 4.40)%和(72.84±2.64)%，后者比前者的去除率高15.01%，差异性显著(P < 0.05)(表 3)。研究表明，溶解氧是有机污染物去除过程中决定性因素之一(吴海明等, 2010)，异养微生物在有机物去除过程中起主导作用(Cooper et al, 1996)。2种植物人工湿地对COD_Mn净化效果的差异性可能与互花米草根区泌氧高于芦苇和根区微生物较多的共同作用有关，也可能是因为互花米草密布于基质的须根系较为发达，对有机物的截留作用大于芦苇。

植物在净化轻度污水的除磷过程中起重要作用。研究表明，不同植物的除磷能力存在差异(汪文强等, 2016; 陈志超等, 2015; 王敏等, 2013; Abu-Ghararah et al, 1991)。芦苇湿地系统和互花米草湿地系统的磷酸盐平均去除率分别为(34.69±2.36)%和(41.52±3.84)%，对TP平均去除率分别为(49.77±0.54)%和(52.41± 1.27)%。互花米草湿地系统对磷酸盐和TP的去除率均较芦苇湿地高，但是二者差异性不显著(P > 0.05)(表 3)。实验期间，2种植物湿地系统磷酸盐及TP浓度突然升高，可能是植物枯萎后把磷重新释放到水体中导致(张家洋等, 2013; 李志杰等, 2012)，或者是基质对磷吸附过饱和后释放所致。本研究表明，2种植物湿地对磷的去除在短时间内效果显著，对磷酸盐和TP的去除率分别约为40.00%和50.00%(图 4)。

(1) 随着盐度的升高，2种植物的生长均受到不同程度的抑制，芦苇在盐度大于20时基本停止生长，互花米草则在盐度为35以下均能正常生长。互花米草较芦苇耐盐能力强，株高增长量和干重增加量均高于芦苇。

(2) 在短期内，2种植物对人工湿地低污染的海水养殖外排水中NH₄-N的净化效果显著，去除率均在80.00%以上，分别为(85.48±0.50)%和(95.01±1.18)%。互花米草人工湿地对NH₄-N去除率较芦苇湿地高约9.53%，差异显著(P < 0.05)。同时，互花米草人工湿地能更好的促进NH₄-N转化为NO₂-N，提高了NH₄-N转化效率。

(3) 芦苇人工湿地和互花米草人工湿地对COD_Mn平均去除率分别为(57.74±4.42)%和(72.84±2.64)%，互花米草人工湿地系统对COD_Mn的去除效果要优于芦苇人工系统，前者较后者高15.01%，差异性显著(P < 0.05)。2种植物人工湿地系统对磷酸盐和TP的去除率均在40.00%~50.00%范围内波动，差异性不显著(P > 0.05)。