作物湿地: 一种多功能人工湿地

刘叶叶, 赵亚乾, 沈澄, 卫婷

刘叶叶, 赵亚乾, 沈澄, 卫婷. 作物湿地: 一种多功能人工湿地[J]. 水生生物学报. DOI: 10.7541/2025.2024.0453
引用本文: 刘叶叶, 赵亚乾, 沈澄, 卫婷. 作物湿地: 一种多功能人工湿地[J]. 水生生物学报. DOI: 10.7541/2025.2024.0453
LIU Ye-Ye, ZHAO Ya-Qian, SHEN Cheng, WEI Ting. CROP-WETLAND: A KIND OF CONSTRUCTED WETLAND OWNING MULTI-FUNCTIONS[J]. ACTA HYDROBIOLOGICA SINICA. DOI: 10.7541/2025.2024.0453
Citation: LIU Ye-Ye, ZHAO Ya-Qian, SHEN Cheng, WEI Ting. CROP-WETLAND: A KIND OF CONSTRUCTED WETLAND OWNING MULTI-FUNCTIONS[J]. ACTA HYDROBIOLOGICA SINICA. DOI: 10.7541/2025.2024.0453
刘叶叶, 赵亚乾, 沈澄, 卫婷. 作物湿地: 一种多功能人工湿地[J]. 水生生物学报. CSTR: 32229.14.SSSWXB.2024.0453
引用本文: 刘叶叶, 赵亚乾, 沈澄, 卫婷. 作物湿地: 一种多功能人工湿地[J]. 水生生物学报. CSTR: 32229.14.SSSWXB.2024.0453
LIU Ye-Ye, ZHAO Ya-Qian, SHEN Cheng, WEI Ting. CROP-WETLAND: A KIND OF CONSTRUCTED WETLAND OWNING MULTI-FUNCTIONS[J]. ACTA HYDROBIOLOGICA SINICA. CSTR: 32229.14.SSSWXB.2024.0453
Citation: LIU Ye-Ye, ZHAO Ya-Qian, SHEN Cheng, WEI Ting. CROP-WETLAND: A KIND OF CONSTRUCTED WETLAND OWNING MULTI-FUNCTIONS[J]. ACTA HYDROBIOLOGICA SINICA. CSTR: 32229.14.SSSWXB.2024.0453

作物湿地: 一种多功能人工湿地

基金项目: 国家自然科学基金(42377086和42403056)资助
详细信息
    作者简介:

    刘叶叶(1999—), 女, 硕士研究生; 研究方向为基于人工湿地的水生态修复。E-mail: 1436690411@qq.com

    通信作者:

    赵亚乾, E-mail: yzhao@xaut.edu.cn

  • 中图分类号: X171.5

CROP-WETLAND: A KIND OF CONSTRUCTED WETLAND OWNING MULTI-FUNCTIONS

Funds: Supported by the National Natural Science Foundation of China (42377086 and 42403056)
    Corresponding author:
  • 摘要:

    作物湿地是一种融合人工湿地与农业生产的复合生态系统, 通过充分利用湿地的水文特性和生物净化功能, 在污水处理与作物生长之间实现了优化平衡, 从而缓解传统农业对生态环境的压力, 推动农业与环境的可持续发展。研究系统分析了相关文献, 对作物湿地的植被类型、设计方式及污染物去除效率进行了深入探讨。结果显示, 水稻是作物湿地中最常见的植物, 而湿地类型主要表面流(51.9%)、水平流(33.3%)和浮岛(11.1%)设计, 垂直流的应用较少(3.7%)。作物湿地在水质净化、养分回收、综合农业等方面展现出多重功能, 更适用于低浓度污水的处理, 其处理性能与传统表面流相当。尤其在营养元素回收利用和农业综合发展方面, 作物湿地具有更显著的优势。未来研究应进一步优化作物湿地的设计与管理, 重点关注病原微生物、新污染物和重金属等潜在风险, 确保食品安全和环境健康, 从而更好地实现农业与生态系统的协调发展。

    Abstract:

    Crop wetlands represent an integrated ecological system that combines the principles of constructed wetlands with agricultural production. By leveraging the hydrological characteristics and bioremediation functions of wetlands, crop wetlands achieve an optimized balance between wastewater treatment and crop growth. This approach mitigates the environmental pressures associated with traditional agriculture, thereby promoting sustainable development in agriculture and environmental management. This study systematically analyzed related publications, focusing on vegetation types, wetland configurations, and pollutant removal efficiencies in crop wetlands. The results indicate that paddy field is the most commonly crop wetland while rice is the largely cultivated in such systems. The predominant wetland configuration includes surface flow (51.9%), horizontal flow (33.3%), and floating treatment (11.1%), with vertical flow being less frequently employed (3.7%). Crop wetlands exhibit multiple functionalities, including water quality improvement, nutrient recovery, and integrated agricultural benefits. They are particularly suitable for treating low-concentration wastewater and perform comparably to traditional surface flow constructed wetlands. Notably, crop wetlands demonstrate a significant advantage in nutrient recycling while exhibit the development of integrated agricultural systems. Future research should focus on optimizing the design and management of crop wetlands, with particular emphasis on addressing the potential risks posed by pathogenic microorganisms emerging pollutants and heavy metal. Ensuring food safety and environmental health will be critical to achieving harmonious development between agriculture and ecosystems.

  • 人工湿地作为基于自然的解决方案(Nature-Based Solutions)的代表性技术, 综合具有污水净化、生物多样性保、涵养水源、蓄洪抗旱、回收资源等多种生态功能, 对于加强水生态环境保护修复、促进区域再生水循环利用和推进生态文明建设具有重要意义[1, 2]。自然资源利用和环境保护息息相关, 然而, 传统农业在追求高产的同时, 对生态系统也造成了显著的压力, 包括水体富营养化、土壤质量下降以及生物多样性丧失等问题[3, 4]。因此, 如何在农业生产中融入生态保护理念, 平衡经济效益与环境可持续性, 已成为当前研究和实践的重要课题。

    在此背景下, 作物湿地应运而生, 并成为一种将人工湿地技术与农业生产相结合的复合生态系统模式。作物湿地利用湿地的水文特性、生态功能以及植物的净化作用, 不仅能够实现对污水的高效净化, 还能通过种植经济作物, 如水稻、芦苇、香蒲, 各种花卉, 莲藕或水生蔬菜, 以提供经济收益[5, 6]。这种技术的核心在于优化湿地和农田系统的协同效应, 实现生态功能与生产功能的兼容。例如, 作物湿地能够在处理生活污水或农业径流的同时, 提供优质灌溉水源, 从而降低农业用水对环境的影响[7]。作为一种可持续发展的创新模式, 作物湿地为农业生产与生态保护的协同发展提供了新思路, 充分体现了绿色经济和生态文明建设的理念。

    然而, 目前关于作物湿地的研究多集中于作物的生长, 而对其湿地功能的研究相对不足。本文基于湿地功能的视角, 通过在Web of Science、 Google Scholar和知网平台上, 以“crop wetland”“vegetated wetland”“constructed wetlands vegetation”“作物湿地”和“稻田湿地”等为关键词进行文献检索, 共筛选出23篇相关研究文献。通过对这些文献的分析, 重点统计了进水水质、植被类型、污染物去除率等指标, 并系统梳理了作物湿地的特征、应用范围及功能特点。

    作物湿地是人工湿地的一种特殊形式, 融合了传统农业与生态工程的优势, 在湿地结构设计和运行模式上展现出独特特征。作物湿地是指在人工湿地系统中种植经济作物, 以提升水质净化效果为目的, 同时实现资源回收利用的复合型生态工程。基于表 1的统计数据, 从植物类型、湿地构造及其适用的水质处理范围等方面, 对作物湿地的特点进行了详细探讨。

    表  1  作物湿地的特征及运行效果
    Table  1.  Characteristics and operational effects of crop wetlands
    污水类型
    Sewage type
    湿地类型
    Wetland type
    湿地作物
    Wetland crop
    填料
    Substrate
    进水方式
    WFP
    水力停
    留时间
    HRT(d)
    水力负荷
    HLR [m3/(m2·d)]
    湿地面积
    Wetland
    area (m2)
    作物产量
    Crop yield
    (kg/ha)
    进水水质
    TN (%)
    去除率
    TP (%)
    参考文献
    Reference
    Influent quality
    TN (mg/L)
    Removal rate
    TP (mg/L)
    农村生活污水 表面流 水稻 土壤 间歇流 20 9000 8.45 69.30 [8]
    20 8500 2.3 62.90
    20 8300 4.5 66.00
    受污染河水 表面流 饲料水稻 石头、沙子、粉沙、黏土 连续流 0.28 0.20 30 2.53 39.92 [9]
    污水厂尾水 表面流 水稻 土壤 间歇流 13.45 0.72 55.63 86.98 [10]
    农业废水 表面流 黑藻、茭白、荷花、菱角 土壤 间歇流 7—14 2500 4.5 0.13 31.11 22.20 [11]
    农村生活污水 表面流 水稻 土壤 间歇流 20 8648 0.41 65.40 [12]
    间歇流 20 8353 0.21 60.30
    间歇流 20 9324 0.59 71.40
    市政污水 表面流 水稻 土壤 间歇流 25 0.03 1.50 4900 15 2 64.00 40.00 [13]
    0.02 1.50 4700 17.2 3.40 82.60 95.28
    农村生活污水 水平流 香蒲、芦竹、滨海藜 砾石、沙子 连续流 8.00 0.04 5600 22.4 1.70 57.30 76.30 [14]
    农村生活污水 表面流 水稻 土壤 间歇流 20 30.20 65.70 [15]
    20 27.50 71.40
    20 32.70 60.30
    市政污水 表面流 野茭白 土壤 连续流 2-5 0.04 500 20 1.95 48.50 51.30 [16]
    市政污水 表面流 野生稻 土壤 1.95 58.10 64.50 [17]
    受污染河水 表面流 水稻、荷花、金鱼藻 土壤 连续流 2.00 0.09 1,900,000 521.42 0.5 45.61 [18]
    农业废水 表面流 水稻 土壤 间歇流 0.42 0.67 312 9740 1.9 0.17 44.90 43.00 [19]
    农业废水 表面流 海水稻 土壤 间歇流 0.83 0.51 0.76 91.00 [20]
    农村生活污水 表面流 水稻 土壤 间歇式 25 0.02 250 8085 2.1 0.41 [21]
    农村生活污水 潜流 西红柿 砾石、
    沙子
    连续流 1.80 0.22 6.8 7,300 6.7 10.00 [22]
    市政污水 水平流 甘蔗 砖块碎片 连续流 0.99 107000 30 10.6 60.00 77.00 [23]
    甘蔗 碎石灰石 连续流 0.99 67000 30 10.6 58.00 68.00
    市政污水 水平流 甘蔗 建筑骨料、砖块、椰糠 间歇流 2.00 0.05 0.56 20.69 79.93 [24]
    市政污水 水平流 荠菜 砾石、陶粒、黏土 连续流 1.25 0.20 0.75 45 2.03 76.53 79.89 [25]
    芹菜 砾石、陶粒、黏土 连续流 1.25 0.20 0.75 40.345 2.03 71.73 71.95
    水芹 砾石、陶粒、黏土 连续流 1.25 0.20 0.75 43.914 2.03 73.41 80.95
    污水厂
    尾水
    浮岛 韭葱 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 0.75 30.1 2.86 47.89 [26]
    水平流 茄子 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 0.75 30.1 2.86 21.47
    浮岛 空心菜 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 0.75 30.1 2.86 35.38
    水平流 辣椒 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 0.75 30.1 2.86
    市政污水 浮岛、水平流 黄秋葵 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 1.50 28.12 2.27 45.10 68.50 [27]
    浮岛、水平流 茄子 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 1.50 28.12 2.27 33.60 53.60
    浮岛、水平流 辣椒 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 1.50 28.12 2.27 36.30 59.80
    市政污水 水平流、垂直流 黑麦草 砾石 间歇流 3 0.03 8.48 8 25.80 [28]
    冬小麦 砾石 间歇流 3 0.05 8.48 4 37.90
    农村生活污水 水平流 空心菜 砾石 连续流 3.25 0.30 1.88 14.9 1.10 76.60 78.90 [29]
    农业废水 表面流 水稻 土壤 间歇流 8100 [30]
    注: TN指污水中总氮浓度; TP指污水中总磷浓度; WFP指进水方式; HRT指水力停留时间; HLR指水力负荷; 下同Note: TN refers to the total nitrogen concentration in sewage; TP refers to the total phosphorus; WFP refers to Water flow pattern; HRT refers to hydraulic retention time; HLR refers to the hydraulic loading rate. The same applies below
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    通过对文献的统计分析发现, 作物湿地中以稻田湿地为主, 占比达42.9% (图 1a)。基于此, 本文将作物湿地分为两类: 一类是用于粮食生产的稻田湿地, 另一类是种植蔬菜或能源作物的其他类型湿地。稻田湿地由水稻、土壤、微生物和水体构成, 占全球湿地总面积的18%, 是当前规模最大的人工湿地形式[31]。近年来, 种植蔬菜的作物湿地研究逐渐增多。例如, 在埃塞俄比亚等地, 利用湿地开展城市农业不仅改善了环境, 还为居民提供了经济收益, 种植作物包括玉米、土豆、胡萝卜、番茄等[32]。此外, 其他作物湿地植物如番茄、水菠菜、生菜和辣椒等也被广泛研究。

    图  1  作物湿地
    a. 植物类型; b. 湿地类型; c. 水质类型
    Figure  1.  Crop wetlands
    a. Plant/crop types; b. Types of wetlands; c. Type of water in crop wetlands

    传统人工湿地植物主要包括香蒲、芦苇、菖蒲和美人蕉等, 其具有较强的耐水性和抗逆性, 主要用于水质净化和生态修复[32, 33]。相比之下, 作物湿地植物如水稻、荷花、茭白、芹菜等, 除了适应湿地环境, 还具备显著的食用或经济价值[11, 34]。传统湿地植物主要侧重于维持水质和生态平衡, 而作物湿地植物则兼具提供作物和经济收益的功能。作物湿地植物体现了多功能湿地管理的特点, 兼具生态与经济效益。

    作物湿地主要采用表面自由流(51.9%)、水平流(33.3%)和浮岛(11.1%)的结构设计, 而较少使用垂直流(3.7%; 图 1b), 这是因为前者更适合作物的生长需求和系统功能的综合实现。表面流和水平流提供了稳定的水层和缓慢的流动环境[35, 36], 作物根系可以充分接触水体中的水分和养分, 适合如水稻、莲藕等湿生或水生植物的生长[37, 38]。浮岛则通过植物根系悬浮于水中直接吸收养分, 避免了基质对根系扩展的限制, 特别适合种植水生蔬菜或观赏植物[39, 40]。这些设计不仅能维持适宜的水文条件, 还利于作物的长时间种植和稳定产出。而垂直流的水流以垂直方向快速渗透, 导致水分和养分在系统中的停留时间较短, 不利于大多数农作物根系的持续生长和养分吸收[41, 42]。此外, 表面流、水平流和浮岛的操作和维护更为简便, 便于种植、管理和收获经济作物, 且灵活性更高, 能够适应多样化的生产需求。相比之下, 垂直流的复杂布水系统和以高效污染物去除为核心的设计目标, 限制了其在作物湿地中的应用[43]。因此, 表面流、水平流和浮岛设计在兼顾生态功能和经济效益方面更具优势, 成为作物湿地的首选形式。

    作物湿地可用于处理农村废水、生活污水、农业废水、受污染河水和污水厂尾水(图 1c), 并不合适工业废水。作物湿地主要适用于低浓度到中浓度的污水处理(图 2), 稻田湿地和其他作物湿地处理的TN、TP存在显著性差异(P<0.05)。稻田湿地处理的污水中, TN浓度范围为2—20 mg/L(中位数5 mg/L),TP浓度范围为0—4 mg/L(中位数1.5 mg/L); 而其他类型作物湿地处理的污水中, TN浓度为4—46 mg/L (中位数30 mg/L), TP浓度为1—11 mg/L(中位数3mg/L)。(根据中国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)及相关参考, 低浓度污水TN≤20 mg/L, TP≤1 mg/L; 中浓度污水20 mg/L<TN≤100 mg/L, 1 mg/L<TP≤10 mg/L[44])。与其他作物相比, 稻田湿地常用于低浓度污水处理(图 2), 主要是因为作物的耐污能力和对污染物的适应性不同。水稻作为主要粮食作物, 对水质要求较高, 高浓度污水中的污染物可能会对其生长产生毒害作用, 影响产量和品质, 因此更适合用于处理经过初步处理或浓度较低的污水[10, 45]。而蔬菜类湿地多种植如水芹、空心菜等耐污性强的作物, 它们对污水中污染物的耐受力较高, 能够适应并利用中高浓度污水中的营养成分如氮、磷[26, 46]

    图  2  稻田和其他作物湿地处理污水浓度
    a. 总氮; b. 总磷
    Figure  2.  Concentration of treated wastewater in paddy and other crop wetlands
    a. total nitrogen; b. total phosphorus

    污水处理原理  作物湿地去除污染物的主要原理是生物、物理和化学过程的综合作用[47]。尽管管理措施能够增强植物对氮的直接吸收[48], 但氮的去除仍以微生物过程为主[49]。磷的去除则依赖于植物吸收、土壤吸附和微生物活动的协同作用, 最终通过植物收割实现有效去除[50]。植物根系为根际微生物群落提供适宜的栖息环境, 这些微生物通过促进养分释放和调控细菌活性显著提升净化效率[51]。此外, 湿地中的生物膜在养分同化、固氮以及磷活化过程中也起到了重要作用[52]。这些多重机制共同保障了作物湿地在污染物削减与生态修复中的高效表现。

    处理污水效率及影响因素  作物湿地和传统人工湿地在氮磷污染物的去除方面均具有显著的净化能力, 但其机制和效率存在一定差异。稻田和其他作物湿地在TN、TP去除上无显著性差异(P>0.05; 图 3)。稻田湿地TN和TP去除率的四分位距(IQR)相对较小, 这一数据特征意味着其去除效率的波动幅度较为有限, 体现出较高的稳定性。与之形成对比的是, 其他作物湿地的去除率波动较为显著, 离散程度较高。这一现象可归因于其他作物湿地类别涵盖了更为丰富多样的作物类型, 不同作物种类对湿地运行效能的影响存在较大差异, 进而导致该类别湿地在 TN 和 TP 去除率上呈现出较大的离散性。整体而言, 作物湿地在TN去除与传统表面自由流湿地(40%—60%)相当, 低于水平潜流湿地(60%—80%)的去除效率, TP去除低于潜流湿地(70%—90%)[53, 54]。此外, 作物湿地在实现污染物去除的同时, 还能兼顾生态功能与经济效益, 为水质改善提供了更具综合优势的选择。

    图  3  稻田和其他作物湿地污水去除效率
    a. 总氮; b. 总磷
    Figure  3.  Wastewater removal efficiency in paddy and other crop wetlands
    a. total nitrogen; b. total phosphorus

    不同作物类型对污染物去除效率存在影响, 与种植辣椒相比, 种植空心菜和茄子对氨氮的去除率更高, 韭葱对硝态氮的去除率更高[26]。与芦苇(41000 kg/ha)相比, 茭白作为湿地植物能够更好地吸收氮磷, 总生物量达到74000 kg/ha [55]。同时, 植物的生长状况直接受到季节性变化的影响。随着季节的更替, 温度、光照和降雨量的变化会影响植物的生理活动和生长速度, 从而影响其对污染物的吸收能力[56, 57]。在夏季水稻生长期, 稻田湿地对养殖污水的处理效果与非生长季节冬季(氨氮降低51.5%、亚硝酸盐氮降低40%)相比下降[20], 在夏季降雨的影响下, 高降水量会导致氮的去除效率降低 [14]

    水力负荷和水力停留时间是影响污水处理效率的重要参数, 呈现出灌溉方式、布水方式及运行水位的综合影响。稻田湿地在HLR为0.02 [m3/(m2·d)]时, 处理效果最好, 随着水力负荷的不断增加, 处理效果不会增强, 同时, 水力停留时长达到25d时达到了最好的处理效果[58], 较低的水力负荷率, 较长的水力停留时间有利于提高污染物的去除效率。在不同布水设计中, 漫流式布水对总氮去除效果最好, 沟灌渗滤对总磷的去除效果最好[21]。合理的运行水位调控可以确保湿地中植物根系的氧气供应, 维持最佳的微生物活动, 从而提高污染物的降解和吸收效率。

    填料是影响人工湿地处理效果的重要因素, 其选择直接关系到污染物去除的效率[59]。填料不仅为植物和微生物提供了附着生长的基质, 还能够通过物理吸附、化学沉淀等方式直接参与污染物的去除过程[60]。在作物湿地中, 可以结合当地的生活和生产资源, 选择适宜的填料。相比于碎石, 建筑废料碎砖在人工湿地中对总磷和总氮的平均去除效率分别达到了77%和60%, 在碎砖(107000 kg/ha)填充的湿地甘蔗的生物质产量比碎石(67000 kg/ha)高[23], 同时可以考虑在作物湿地中加入农业废弃物椰糠等有机质, 有助于微生物的生长和活性[24]

    作物湿地对氮磷的利用效率显著高于传统人工湿地。污水中的氮主要以氨氮(${\rm{NH}}^+_4 $)和硝氮(${\rm{NO}}^-_3 $)形式存在, 磷则以无机磷(${\rm{PO}}^{3-}_4 $)为主, 这些化合物是植物生长的必需养分[61, 62]。传统人工湿地植物尽管能够通过根系吸收水中的氮磷元素, 但其利用率通常较低, 仅为5%—10%[63, 64]。相比之下, 作物湿地种植目标明确, 运行管理优化, 多选择高经济价值作物(如水稻、蔬菜或饲料草), 这些作物具有更强的生长需求和更高的养分吸收能力, 从而显著提高氮磷利用效率。

    在作物湿地中, 作物能够有效吸收污水中的氮磷等营养元素(表 2)。在水稻种植中, 在相同肥力条件下, 使用农村生活污水灌溉可显著提高作物产量, 尤其是黑水和灰水灌溉, 能够有效促进作物生长, 并有助于减少化肥的使用[8] [12]。在不施加化肥的条件下, 农村生活污水能够完全满足番茄生长所需的营养需求, 且番茄的产量(7300 kg/ha)显著高于哥伦比亚传统土壤种植的产量(3700 kg/ha)[22]。在不施加化肥的条件下, 市政污水中的养分可满足作物的生长需求。泰国的研究表明, 市政污水灌溉水稻的产量与传统灌溉方式差异不显著, 其中水力停留时间为25d的市政污水灌溉水稻的产量(4700 kg/ha)仅低于传统稻田的产量(5000 kg/ha)约6%[13]。此外, 在甘蔗种植过程中, 市政污水中的养分能够充分满足甘蔗的生长需求, 在人工湿地中种植甘蔗时, 其产量(67000、107000 kg/ha)接近巴西和美国传统种植水平(65000—226000 kg/ha)[23]。在人工湿地系统中种植茭白的总生物量达到74000 kg/ha, 其氮和磷积累量分别为1708和107.6 kg/ha, 而芦苇的对应生物量仅约41000 kg/ha, 氮积累量为1197 kg/ha, 磷积累为97.4 kg/ha [55]。作物通过根系吸收氮磷, 将这些营养元素转化为生物质并持续通过收割去除积累的污染物[65]。这一过程不仅提高了湿地对氮磷的去除效率, 还改善了湿地基质的稳定性和整体环境质量(图 4)。因此, 作物湿地在实现污染物净化的同时兼具经济效益, 是传统湿地的一种重要升级模式。

    表  2  作物湿地作物产量
    Table  2.  Crop wetlands crop yield
    污水类型
    Sewage type
    湿地类型
    Wetland type
    湿地作物
    Wetland crop
    湿地面积
    Wetland area (m2)
    作物产量
    Crop yield (kg/ha)
    参考文献
    Reference
    农村生活污水黑水表面自由流水稻209000[8]
    灰水水稻208500
    生活废水水稻208300
    地表水水稻208100
    农村生活污水黑水表面自由流水稻208353.3[12]
    灰水水稻209324.3
    生活废水水稻208647.9
    地表水水稻208121.9
    市政污水表面自由流水稻1.54900[13]
    受污染河水表面自由流水稻1900000521.42[18]
    农业废水表面自由流水稻3129740[19]
    农村生活废水表面自由流水稻2508050[21]
    农村生活污水潜流西红柿6.87300[22]
    市政污水水平流甘蔗0.99107000[23]
    甘蔗0.9967000
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    图  4  作物湿地氮磷去除机理及对湿地的影响
    Figure  4.  Nitrogen and phosphorus removal mechanism of crop wetland and its impact on wetland

    同时, 作物湿地的运行管理方式高度依赖于科学设计和精细化管理。通过选择适宜的作物类型(水稻、西红柿、甘蔗), 制定合理的种植密度[66]和轮作模式[67], 水力负荷根据季节变化进行调整, 可以最大化植被的生物量积累, 以提高营养元素的利用效率。因此, 作物湿地不仅在环境保护方面具备更优的处理效果, 还兼具经济效益, 有助于实现可持续发展的目标。

    作物对氮磷的有效吸收能够降低基质的饱和风险, 使得湿地基质的负荷减轻, 延长湿地基质的使用寿命, 减少基质更换的频率, 从而节省了运营和维护成本[68]。作物在吸收氮磷的同时进行光合作用, 固定大气中的二氧化碳, 这一过程不仅减少了氮循环中对微生物代谢的依赖, 还能够降低温室气体的排放。特别是通过减少反硝化作用的强度, 可以有效降低一氧化二氮(N2O)等温室气体的生成, 从而缓解湿地系统的温室效应[69]。作物吸收氮磷的增强还带来了污泥量的减少。由于污泥的形成主要源自微生物对有机物的分解, 作物吸收作用的增加能够减少湿地内污泥的生成, 减轻污泥在基质中的堆积压力[70]

    作物湿地与其他农业生产活动的结合, 能够形成多功能的综合农业模式。以稻鱼共作、稻鸭共作为代表的模式, 通过在稻田中饲养鱼类、鸭类等, 不仅增强了稻田的生态功能, 还实现了农业生产的多样化和经济效益的提升[71, 72]。与传统水稻种植模式(10000元·hm²)相比, 综合养殖模式的综合产值如稻−鸭(27750元·hm2)、稻−鱼(40000元·hm2)、稻−虾(42000元·hm2)[73]、稻−小龙虾(30000元·hm2)、稻−蟹(45000元·hm2)[74]和稻−鳖(53920元·hm2)[75]显著提高了经济效益。目前, 一种更省种、省工的综合生产模式正在推广, 在稻-再生稻-鸭[76]系统中, 综合产值为43602元·hm2, 并且氮肥使用量相比传统水稻种植减少了20%—30%。与此相比, 稻−再生稻−小龙虾[77]系统的综合产值更高, 达到102754元·hm2, 同时化肥使用量较传统水稻种植减少了37.30%。这些模式利用鱼类和鸭类控制杂草和害虫, 减少农药使用, 同时增加稻田的产出, 鱼类和鸭类的排泄物则为稻田提供有机肥, 促进水稻生长, 形成自然的营养循环[78, 79]

    此外, 作物湿地的净化与出水功能可以与其他水利设施和农业用地改造相结合, 进一步提升农业的水资源管理效率和可持续性。通过将作物湿地与灌溉塘、排水沟、蓄水池等构筑物联合使用, 能够形成综合的水资源管理系统[80, 81]。在这一系统中, 作物湿地处理后的出水可以储存在蓄水池中, 或通过排水沟回流至灌溉塘, 为干旱季节或用水高峰期提供稳定的灌溉水源, 从而实现资源的高效循环利用。

    作物湿地废水处理中存在一些不可忽视的问题和挑战。进水污水中存在的致病微生物如大肠杆菌会对作物生长造成危害[82]。另一方面, 湿地本身用于处理污水的微生物群落[83]也可能带来风险, 尤其是当这些微生物未经有效控制和管理时, 可能会对环境和人类健康产生不利影响。因此, 如何控制和降低微生物污染成为作物湿地中食品安全的重要问题。为此, 选择适宜的作物种类、优化污水处理工艺和严格监控微生物含量是确保食品安全的关键措施。在作物湿地串联紫外线消毒技术[84, 85]、小规模太阳能驱动的现场氯生成系统[86]或低成本的砂滤器[87]能够显著降低水中的病原微生物数量, 有效减少其对作物生长及食品安全的潜在威胁。

    随着新污染物(如全氟和多氟烷基物质等持久性污染物)[88]对环境和公共健康的影响日益显著, 深入理解这些污染物在湿地植物中的积累、转化及其对作物生长的影响, 变得尤为重要。与普通人工湿地致力于强化植物吸收作用, 以实现对新污染物的高效去除不同, 作物湿地则需采取弱化这一过程的策略。普通人工湿地依靠增强植物对新污染物的吸收能力, 将污染物富集于植物体内, 随后通过植物收割及焚烧等后续处理手段, 完成对污染物的去除。而作物湿地因其产出的食物作物会直接进入人类食物链, 一旦新污染物在植物中大量积累, 将对食品安全构成严重威胁。所以, 作物湿地需弱化新污染物进入植物的过程, 从而切实降低食品安全风险, 保障人类健康。目前已有研究发现通过添加富铁材料为基质填料、调控人工湿地的水位等可诱导人工湿地植物根部形成铁膜, 有效阻止新污染物进入植物[89]。作物湿地还需关注重金属的潜在风险。重金属污染不仅可能影响作物的生长发育, 还可能通过食物链累积, 对人体健康造成长期危害。针对这一问题, 可采用调控基质pH、添加稳定化材料(如生物炭、铁氧化物)及优化水力条件等方法[90], 以降低重金属的生物可利用性, 从而减少其向作物的迁移累积, 提高食品安全性。

    作物湿地是一种高效、低成本的污水处理技术, 广泛应用于农村废水、农业废水、市政污水、污染河水及污水厂尾水的净化处理中。作为作物湿地的主要形式, 稻田湿地占比42.6%, 其优势在于适合处理低污染污水, 且以其简便且低成本的维护方式, 特别适合在农业和农村地区推广。作物湿地主要采用表面流(51.9%)、水平流(33.3%)和浮岛(11.1%)等设计形式, 而垂直流的应用较少(3.7%)。作物湿地不仅在水质净化和养分回收方面表现出色, 还具备多重功能, 如促进综合农业。与传统湿地相比, 作物湿地在养分回收利用和农业综合发展方面具有显著优势。未来的研究应重点关注优化作物湿地的设计与管理, 尤其是在防治病原微生物、新污染物和重金属等潜在风险, 以保障食品安全和环境健康。通过进一步提升作物湿地的净化效率和生态功能, 可以更好地实现农业与生态系统的协调发展。

  • 图  1   作物湿地

    a. 植物类型; b. 湿地类型; c. 水质类型

    Figure  1.   Crop wetlands

    a. Plant/crop types; b. Types of wetlands; c. Type of water in crop wetlands

    图  2   稻田和其他作物湿地处理污水浓度

    a. 总氮; b. 总磷

    Figure  2.   Concentration of treated wastewater in paddy and other crop wetlands

    a. total nitrogen; b. total phosphorus

    图  3   稻田和其他作物湿地污水去除效率

    a. 总氮; b. 总磷

    Figure  3.   Wastewater removal efficiency in paddy and other crop wetlands

    a. total nitrogen; b. total phosphorus

    图  4   作物湿地氮磷去除机理及对湿地的影响

    Figure  4.   Nitrogen and phosphorus removal mechanism of crop wetland and its impact on wetland

    表  1   作物湿地的特征及运行效果

    Table  1   Characteristics and operational effects of crop wetlands

    污水类型
    Sewage type
    湿地类型
    Wetland type
    湿地作物
    Wetland crop
    填料
    Substrate
    进水方式
    WFP
    水力停
    留时间
    HRT(d)
    水力负荷
    HLR [m3/(m2·d)]
    湿地面积
    Wetland
    area (m2)
    作物产量
    Crop yield
    (kg/ha)
    进水水质
    TN (%)
    去除率
    TP (%)
    参考文献
    Reference
    Influent quality
    TN (mg/L)
    Removal rate
    TP (mg/L)
    农村生活污水 表面流 水稻 土壤 间歇流 20 9000 8.45 69.30 [8]
    20 8500 2.3 62.90
    20 8300 4.5 66.00
    受污染河水 表面流 饲料水稻 石头、沙子、粉沙、黏土 连续流 0.28 0.20 30 2.53 39.92 [9]
    污水厂尾水 表面流 水稻 土壤 间歇流 13.45 0.72 55.63 86.98 [10]
    农业废水 表面流 黑藻、茭白、荷花、菱角 土壤 间歇流 7—14 2500 4.5 0.13 31.11 22.20 [11]
    农村生活污水 表面流 水稻 土壤 间歇流 20 8648 0.41 65.40 [12]
    间歇流 20 8353 0.21 60.30
    间歇流 20 9324 0.59 71.40
    市政污水 表面流 水稻 土壤 间歇流 25 0.03 1.50 4900 15 2 64.00 40.00 [13]
    0.02 1.50 4700 17.2 3.40 82.60 95.28
    农村生活污水 水平流 香蒲、芦竹、滨海藜 砾石、沙子 连续流 8.00 0.04 5600 22.4 1.70 57.30 76.30 [14]
    农村生活污水 表面流 水稻 土壤 间歇流 20 30.20 65.70 [15]
    20 27.50 71.40
    20 32.70 60.30
    市政污水 表面流 野茭白 土壤 连续流 2-5 0.04 500 20 1.95 48.50 51.30 [16]
    市政污水 表面流 野生稻 土壤 1.95 58.10 64.50 [17]
    受污染河水 表面流 水稻、荷花、金鱼藻 土壤 连续流 2.00 0.09 1,900,000 521.42 0.5 45.61 [18]
    农业废水 表面流 水稻 土壤 间歇流 0.42 0.67 312 9740 1.9 0.17 44.90 43.00 [19]
    农业废水 表面流 海水稻 土壤 间歇流 0.83 0.51 0.76 91.00 [20]
    农村生活污水 表面流 水稻 土壤 间歇式 25 0.02 250 8085 2.1 0.41 [21]
    农村生活污水 潜流 西红柿 砾石、
    沙子
    连续流 1.80 0.22 6.8 7,300 6.7 10.00 [22]
    市政污水 水平流 甘蔗 砖块碎片 连续流 0.99 107000 30 10.6 60.00 77.00 [23]
    甘蔗 碎石灰石 连续流 0.99 67000 30 10.6 58.00 68.00
    市政污水 水平流 甘蔗 建筑骨料、砖块、椰糠 间歇流 2.00 0.05 0.56 20.69 79.93 [24]
    市政污水 水平流 荠菜 砾石、陶粒、黏土 连续流 1.25 0.20 0.75 45 2.03 76.53 79.89 [25]
    芹菜 砾石、陶粒、黏土 连续流 1.25 0.20 0.75 40.345 2.03 71.73 71.95
    水芹 砾石、陶粒、黏土 连续流 1.25 0.20 0.75 43.914 2.03 73.41 80.95
    污水厂
    尾水
    浮岛 韭葱 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 0.75 30.1 2.86 47.89 [26]
    水平流 茄子 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 0.75 30.1 2.86 21.47
    浮岛 空心菜 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 0.75 30.1 2.86 35.38
    水平流 辣椒 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 0.75 30.1 2.86
    市政污水 浮岛、水平流 黄秋葵 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 1.50 28.12 2.27 45.10 68.50 [27]
    浮岛、水平流 茄子 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 1.50 28.12 2.27 33.60 53.60
    浮岛、水平流 辣椒 砾石、
    陶粒
    连续流 1.25 0.20 1.50 28.12 2.27 36.30 59.80
    市政污水 水平流、垂直流 黑麦草 砾石 间歇流 3 0.03 8.48 8 25.80 [28]
    冬小麦 砾石 间歇流 3 0.05 8.48 4 37.90
    农村生活污水 水平流 空心菜 砾石 连续流 3.25 0.30 1.88 14.9 1.10 76.60 78.90 [29]
    农业废水 表面流 水稻 土壤 间歇流 8100 [30]
    注: TN指污水中总氮浓度; TP指污水中总磷浓度; WFP指进水方式; HRT指水力停留时间; HLR指水力负荷; 下同Note: TN refers to the total nitrogen concentration in sewage; TP refers to the total phosphorus; WFP refers to Water flow pattern; HRT refers to hydraulic retention time; HLR refers to the hydraulic loading rate. The same applies below
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    表  2   作物湿地作物产量

    Table  2   Crop wetlands crop yield

    污水类型
    Sewage type
    湿地类型
    Wetland type
    湿地作物
    Wetland crop
    湿地面积
    Wetland area (m2)
    作物产量
    Crop yield (kg/ha)
    参考文献
    Reference
    农村生活污水黑水表面自由流水稻209000[8]
    灰水水稻208500
    生活废水水稻208300
    地表水水稻208100
    农村生活污水黑水表面自由流水稻208353.3[12]
    灰水水稻209324.3
    生活废水水稻208647.9
    地表水水稻208121.9
    市政污水表面自由流水稻1.54900[13]
    受污染河水表面自由流水稻1900000521.42[18]
    农业废水表面自由流水稻3129740[19]
    农村生活废水表面自由流水稻2508050[21]
    农村生活污水潜流西红柿6.87300[22]
    市政污水水平流甘蔗0.99107000[23]
    甘蔗0.9967000
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-11-21
  • 修回日期:  2025-03-27
  • 网络出版日期:  2025-04-17

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