综述：建筑一体化绿化系统中的灰水植物修复

《Sustainability》：Greywater Phytoremediation in Building-Integrated Greenery Systems: A Review

　　

全球水资源短缺主要是由于气候变化、人口增长、水资源过度利用和水管理不善。在城市环境中，灰水回用等替代水源前景广阔。在此背景下，植物修复（phytoremediation），即直接利用植物去除土壤和水污染，可成为传统回用方法的一种有前景的替代性自然解决方案。虽然人工湿地（constructed wetlands, CWs）是灰水植物修复最常见的方法，但其在城市中的可行性有限，使得绿色屋顶（green roofs, GRs）和绿色墙体（green walls, GWs）成为实用的城市替代方案。本综述考察了过去20年的研究。通过植物修复处理灰水与城市绿化的结合将有助于闭合水循环，并使城市更加可持续。然而，要使该解决方案可行，必须解决若干挑战，包括与传统系统相比有限的屋顶或墙体表面积、需要管理的精确水量，以及选择适合有效植物修复的基质和植物。本工作综述了驱动人工湿地中植物修复过程的主要机制和因素，并基于此知识，深入探讨了通过建筑绿色屋顶和立面将这一过程应用于城市环境所面临的挑战。

1. Introduction
引言部分指出，气候变化、人口增长和城市化导致水资源短缺，对替代水源如灰水回用的需求日益迫切。自然解决方案（nature-based solutions, NBS）如生态模拟设计（ecomimetic design, ED）和植物修复（phytoremediation）被视为缓解气候变化和实现可持续城市水管理的关键手段。灰水回用有助于减少家庭和商业建筑的水资源压力，并提升城市可持续性。人工湿地（constructed wetlands, CWs）是常用的灰水植物修复方法，但受限于占地面积大、成本高，在建成区难以推广。因此，建筑一体化绿化系统（building-integrated greenery systems, BIG），包括绿色屋顶（green roofs, GRs）和绿色墙体（green walls, GWs），成为极具潜力的替代方案。本综述旨在识别将植物修复应用于BIG系统所面临的挑战，包括植物修复延迟、水力负荷率（hydraulic loading rate, HLR）、溶解氧（dissolved oxygen, DO）、微塑料（microplastics, MP）去除、植物生长与生物量等问题，并基于人工湿地中的机制研究，提出城市环境中绿色屋顶和立面应用植物修复的未来研究方向。

2. Methodology
研究方法基于文献综述，选取过去20年（2004-2024年）的相关研究，使用Web of Science数据库检索关键词：植物修复与人工湿地、植物修复与绿色屋顶、植物修复与绿色墙体，共获得1776篇文章。通过标题、摘要和关键词筛选，排除重复文献，并考虑引用次数。文献分类依据自然解决方案类型，即人工湿地（CWs）、绿色墙体（GWs）和绿色屋顶（GRs）。

3. Results and Discussion
3.1. Phytoremediation: The Process and the Mechanisms
植物修复过程包括七种主要机制：植物稳定化（phytostabilization）通过根系吸附、沉淀或吸收固定污染物；植物挥发（phytovolatilization）使污染物吸收后转化为气态释放；植物提取（phytoextraction）将污染物吸收并积累于地上部，利用超积累植物（hyperaccumulator plants）如玉米、烟草、向日葵等；植物降解（phytodegradation）在植物组织内通过酶分解有机污染物；植物脱盐（phytodesalination）由盐生植物（halophytes）如印度碱蓬（Bassia indica）实现；根际过滤（rhizofiltration）通过水培根系吸附和沉淀水中污染物；根际降解（rhizodegradation）利用根际微生物酶解有机污染物。在绿色屋顶中，已观察到植物提取、植物稳定化、根际降解和根际过滤四种机制。

3.2. Factors Influencing the Phytoremediation Process
影响植物修复过程的关键因素包括土壤或基质的性质（如组成、深度、盐度、pH值）、水力负荷率（HLR）、溶解氧（DO）含量、微塑料（MP）去除能力、植物生长与生物量问题，以及经济因素（如初始投资和土地成本）和环境条件（如温度、干旱、湿度）。这些因素必须被适当控制和管理，才能在人工城市环境（如建筑一体化绿化系统）中有效应用植物修复。

3.3. Benefits of Phytoremediation
植物修复作为生物修复技术之一，具有多重效益：环境效益方面，可有效去除水体和土壤中的污染物（如重金属、有机物），支持生物多样性，并通过碳封存缓解气候变化；经济效益方面，成本低、生态可接受、长期适用，且对大面积土地监测需求低；美学效益方面，通过植被种植改善景观。然而，也存在缺点，如所需土地面积大和可能产生异味。

3.4. Greywater Phytoremediation Solutions
灰水植物修复解决方案主要分为三类：人工湿地（CWs）、绿色屋顶（GRs）和绿色墙体（GWs）。近年来还出现了“湿墙”（Wetwall）概念。在文献中，83%的研究集中于人工湿地，仅17%涉及建筑一体化绿化系统（其中绿色屋顶占9%，绿色墙体占8%），表明对建筑表皮集成自然解决方案的兴趣正在增长。

3.4.1. Constructed Wetlands
人工湿地（CWs）是模拟自然湿地生态功能的人造系统，通过紫外线照射、沉淀、营养吸收和微生物作用净化污水。根据水文特征，分为自由水面流（free water surface, FWS）和潜流（subsurface flow, SSF）两类，SSF又分为垂直流（vertical flow, VF）和水平流（horizontal flow, HF）。混合系统和改良型（如曝气人工湿地、折流人工湿地等）也被提出。人工湿地的局限性包括占地面积大、处理时间（HRT）长、季节性效果波动及可能产生异味。植物选择是影响植物修复效果的关键因素，常用植物包括芦苇（Phragmites australis）、水葫芦（Pistia stratiotes）、香蒲（Typha domingensis和Typha latifolia）。不同植物针对不同污染物：美人蕉（Canna species）主要用于去除磷酸盐，香蒲和芦苇用于去除锌（Zn）、铜（Cu）、镉（Cd）、铅（Pb）等重金属，香蒲对镍（Ni）的去除效果显著。将人工湿地经验迁移至绿色屋顶和绿色墙体时，需在设计与材料、分类、植物选择及性能方面进行调整。

3.4.2. Urban Wetlands
城市湿地包括绿色屋顶、绿色墙体及湿墙，在绿色和蓝色基础设施中发挥关键作用，如缓解热岛效应、调节温度、削减洪水、净化水质，并提供休闲空间。然而，在城市建设与运营湿地面临水文功能减弱、污染、生境破坏等挑战。灰水回用研究正从人工湿地转向城市湿地。

绿色墙体（Green Walls and Wetwalls）：
垂直绿色墙体适合城市环境，可解决水平空间受限问题。植物修复，尤其是主动（通风）绿色墙体，在空气污染治理中受到认可。相关研究均以处理灰水为目标，采用不同构造系统，如模块化植被生长系统（vegetated growth systems, VGS）对化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）去除率达92%，盆式VGS为80%，聚丙烯模块（UV防护）和PVC柱分别超过70%和70%。湿墙（Wetwall）概念由Da Cunha等人（2018）提出，采用混合流（水平流与垂直流结合）设计，利用厌氧和好氧条件改善污染物去除效果。湿墙设计强调植物选择应基于适应性、环境效益和社会接受度，基质需轻质且具有良好吸附性能，以防止堵塞并提高污染物去除效率。

绿色屋顶（Green Roofs）：
绿色屋顶（GRs）作为生物过滤器用于灰水回用近年受到关注。其结构包括植被层、基质、过滤层、排水层、防根层、保温层、防水膜等。根据基质深度分为粗放型（<15 cm）、半密集型（15-31 cm）和密集型（>31 cm）。绿色屋顶的缺点包括径流质量、渗漏、成本和维护问题，但提供多项环境经济优势，如削减峰值径流、缓解城市热岛效应、降低建筑能耗、隔音、改善空气质量、保护屋顶膜等。关于绿色屋顶中植物修复的研究仍存在争议，重点在于其是污染源还是汇，仅有两项研究直接关注灰水植物修复。未来研究应将绿色屋顶的径流质量与植物修复效果结合考虑。

4. Conclusions
气候变化加剧水资源短缺，灰水回用成为重要替代水源。植物修复过程包含七种机制，可有效处理水和基质。在人工湿地中已广泛应用，但向城市湿地（绿色屋顶、绿色墙体、湿墙）的转变面临挑战，包括可用面积有限、精确水量管理、基质与植物选择。已有30%的研究关注建筑一体化绿化系统中的植物修复，其中绿色屋顶中已实现植物提取、植物稳定化、根际降解和根际过滤。城市湿地不仅提供与人工湿地相似的净化功能，还带来能源与声学隔热、建筑材料保护、热岛缓解、径流控制、生物多样性支持等额外生态系统服务。然而，社会与文化接受度问题（如居民对自然过程异味的不适应）尚未充分解决。未来研究需聚焦于绿色墙体、湿墙和绿色屋顶中的植物修复，以提升其综合性能并促进循环经济。