基质增强了芦苇（Phragmites australis）的异速生长，从而提高了人工湿地的尾水净化效率

《Ecological Engineering》：Substrate-enhanced allometric growth of Phragmites australis improved tailwater purification efficiency in constructed wetlands

垂直流人工湿地（VFCWs）在亚热带地区处理尾水时，基质类型（砾石vs沸石）对芦苇（Phragmites australis）生物质积累及氮磷去除效率的影响显著。研究发现：1）芦苇地上与器官特异性生物质均呈现“先增后降”的年度季节动态，峰值出现在11月；2）砾石基质下芦苇叶生物量及总地上生物量显著高于沸石基质（p<0.01）；3）生物质总量是影响地上氮磷积累的主因，器官氮磷浓度季节波动协调但无显著差异；4）砾石基质系统氮磷去除率分别达29.1%和24.7%，优于沸石组（16.2%和16.8%）。中性pH基质协同亚热带气候条件，显著提升VFCWs长期运行效能。

　　在当今全球面临水资源紧张与环境污染双重压力的背景下，湿地生态系统作为一种生态友好的水处理技术，逐渐受到重视。特别是垂直流人工湿地（VFCWs）因其低能耗、低碳排放、紧凑的占地面积以及与环境的兼容性，被广泛应用于城市污水处理。然而，尽管VFCWs在实际应用中展现出良好的前景，其在不同气候条件和基质类型下的表现仍存在一定的不确定性。因此，本研究聚焦于探讨在亚热带气候条件下，VFCWs系统中植物生长与污染物去除效率之间的协同关系，以及基质对植物生长和系统性能的影响。

研究背景表明，亚热带地区的城市水环境受到快速城市化带来的污染物累积和季风气候引起的水文变化的双重影响。这种双重压力导致了水质量和水量的耦合性压力，使得城市污水处理成为一项复杂的任务。虽然污水回用被视为缓解水资源短缺的重要策略，但即使经过严格处理的污水，其排放标准（如总氮TN < 15 mg/L，总磷TP < 0.5 mg/L）仍可能超过自然水体的自净能力。因此，如何提高污水处理后水质与自然水体标准之间的匹配度，成为保障区域水生态系统安全和可持续水资源管理的关键挑战。

当前的先进污水处理技术，如传统的物理化学方法和新兴的超临界水氧化、光催化降解等，虽然在去除污染物方面表现出色，但往往伴随着较高的能耗、运营成本以及二次污染（如消毒副产物）。这些限制表明，亟需开发既能实现成本效益又具备生态可持续性的新型污水处理系统。VFCWs作为一种生态可持续的污水处理技术，被认为具有解决这些问题的潜力。然而，传统的研究往往低估了植物在其中的作用，认为植物吸收对污染物去除贡献不大，主要是因为高污染负荷条件下植物生长受到抑制，以及污染物稀释效应的存在。然而，近年来的研究表明，在低污染负荷条件下，植物系统的贡献显著增加，特别是在亚热带地区，其独特的水热条件与尾水输入形成了显著的协同效应，从而大幅提升了湿地植物的年净生产力。

植物在VFCWs系统中的作用主要体现在两个方面：间接效应和直接效应。间接效应包括根系释放氧气促进微生物活动，以及冬季根系保温提高处理效率。直接效应则涉及植物从水体中吸收和固定营养物质。研究发现，植物的生长与基质特性之间存在密切的相互作用。基质不仅是污染物吸附的关键场所，还通过调节溶解氧（DO）和pH等关键参数，影响植物的生长和系统性能。然而，目前对于亚热带地区VFCWs系统中植物与基质协同机制的研究仍存在显著的知识空白。现有的研究多集中于污染物浓度动态变化，忽视了系统性评估尾水营养物质的固定，以及植物生长指标与污染物去除效率之间的定量联系。

此外，季节性气候变化对这些过程也具有重要调节作用。例如，植物的季节性生长变化比组织营养浓度的变化对污染物去除效率的影响更为显著。这表明，植物的生长动态在污水处理系统中扮演着核心角色。同时，气候条件如温度和降水也显著影响这些过程，污染物去除效率与环境中的污染物浓度密切相关。基于这些发现，本研究开发了一个区域性的植物生长模型，以量化不同生长阶段中植物器官的生物量动态和营养分配模式，并提出了三个假设：（1）中性pH基质显著提升植物的生物量生产力和污染物去除效率；（2）污染物的去除能力主要由总生物量积累决定，而非组织营养浓度；（3）亚热带地区的有利水热条件提升了植物在尾水处理系统中的污染物去除效率，其修复性能随着污染物浓度的降低而增强。

研究采用了一种精确的定量方法，系统地探讨了不同基质（如砾石和沸石）在VFCWs系统中对植物生长和污染物去除的影响。研究地点位于中国福建省福州市的一座城市污水处理厂，该地区具有明显的亚热带季风气候。研究期间，月平均气温范围为8°C至25°C（极端范围：-5°C至39°C），而污水的平均温度则在14.9°C至30.4°C之间，与亚热带地区的典型气候特征相符。通过建立两个VFCWs系统（砾石基与沸石基），研究团队不仅评估了不同基质对植物生长和污染物去除的影响，还开发了一个结合植物高度（H）、基部直径（D）和生物量参数的区域所有ometric生长模型。该模型进一步与器官尺度（如叶片和茎）的氮（N）和磷（P）分析相结合，以量化植物与基质之间的耦合动态。

研究结果表明，植物的生物量在不同生长阶段表现出显著的季节性变化，其地上部分和器官特异性生物量均呈现明显的初始增长后下降趋势（P < 0.05），并在11月达到峰值。此外，基质类型对植物生长具有显著的影响，其中砾石组的叶片生物量显著高于沸石组（P < 0.05），而总地上生物量也显著更高（P < 0.01）。虽然叶片和茎的N/P浓度表现出协调的时序变化，且不同器官之间无显著差异，但生物量的变动仍然是影响地上部分N和P积累的主要因素。定量分析还表明，砾石组的植物营养物质固存能力显著优于沸石组，其中P. australis在总系统去除中的贡献分别为29.1%（N）和24.7%（P），而沸石组的贡献则分别为16.2%（N）和16.8%（P）。这些结果表明，中性pH基质能够有效促进植物的生物量积累和污染物去除效率，从而提升VFCWs在亚热带地区的长期运行性能。

研究的意义在于，它为优化设计和管理CWs提供了重要的理论基础和实践价值。特别是在当前的污水处理技术中，许多研究仍局限于小型实验室系统，而忽视了实际污水处理厂尾水的真实污染物特征。因此，本研究通过在实际污水处理厂尾水条件下，系统评估不同基质对植物生长和污染物去除的影响，填补了这一研究空白。同时，研究还强调了季节性变化对这些过程的调节作用，以及植物生物量在污染物去除中的核心地位。

此外，研究团队在实验设计、实施和数据分析等方面做出了重要贡献。Tian Lin和Lihong Chen负责实验设计，Tian Lin、Weipeng Zhou和Huanlong Bai负责现场实验，Tian Lin和Weipeng Zhou进行实验室的生化分析，Tian Lin负责数据分析，Tian Lin和Jia Niu撰写和修订了论文。研究过程中，所有团队成员都对实验的顺利进行和研究结果的准确性做出了贡献。研究团队还声明，他们没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系。

本研究的成果不仅有助于理解植物与基质之间的协同机制，还为优化VFCWs在亚热带地区的运行提供了新的思路和方法。通过建立一个结合植物生长和污染物去除的模型，研究团队为未来的污水处理系统设计和管理提供了重要的理论支持。同时，研究还强调了季节性变化和气候条件对这些过程的调节作用，为提高污水处理系统的适应性和稳定性提供了科学依据。这些发现对于推动生态友好型污水处理技术的发展，以及实现可持续水资源管理具有重要意义。