摘要：水产养殖业的迅猛发展带来了养殖水体污染、富营养化和水资源浪费等一系列问题。如何将养殖富营养化水通过简单易行的方式，处理成能够循环利用的养殖用水，将是今后一段时间水产养殖业着重解决的难题。提出构建人工湿地复合养殖生态系统方案，推广应用高效、安全、优质、种养结合的生态循环渔业模式，对推进水产养殖的可持续发展具有重要的现实意义。
关键词：人工湿地；养殖池塘；富营养化水；治理；应用
中图分类号：S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）08-378-03
我国水产养殖历史悠久，技术先进，对世界渔业发展和人民生活水平提高作出了重要贡献[1]。然而，我国的水产养殖业大都还是粗放、半精养的养殖模式，通常采用无节制的大排大换的方式，极少采用人工调控的方式，造成养殖水体日益富营养化，对周边水域环境和生态系统也构成了越来越大的危害[2-3]。我国淡水资源匮乏，池塘养殖又是我国最重要的水产养殖方式，水产养殖需要消耗大量的清洁水源，因此，对养殖用水的净化、避免污染环境和重复利用已经成为水产养殖业可持续发展的方向。
处理水质的方法主要有物理、化学和生物处理3种。物理法中常用的就是直接换水，这种方法容易操作、见效快，但对水资源浪费严重；化学法虽可达到去除水中氨氮等有害物质的目的，但处理及操作费用高，还会造成二次污染[4]；生物处理就是人为的在水体中培育出有益生物来净化水质，但在实际应用中存在运行成本高、管理不便等一系列问题[5]。人工湿地作为一种人为设计、生态工程化的废水处理技术已经越来越受到人们的重视，其作用机理综合了物理、化学和生物三重协同作用，表现为过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物代谢等多种途径[6]。人工湿地具有成本低、维护少、用途广等优点，不仅能去除水中BOD、COD、SS，而且可去除一定的N和P等营养物质，是处理富营养化养殖废水相对简单的方法[7]，在水产养殖富营养化水处理中具有很好的应用前景。
目前，我国养殖池塘结构设计中只有生产功能而缺乏有效的水体自净功能，随着池塘精养程度的提高，养殖投入品和鱼类排泄物不断增加，导致池塘养殖水质恶化和养殖场废水向外排放带来的环境负面影响愈加严重。另一方面，养殖场的水质恶化也会导致鱼类生长速度减缓，鱼病发生率高，养殖产量和品质下降，不利于池塘水产养殖的可持续发展。加强对池塘养殖水质的净化，已成为社会和养殖系统本身关注的重要问题。
1 人工湿地的设计
1.1 人工湿地的概念 人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统，由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水有控制地投配到经人工建造的湿地上，污水在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水进行处理的一种技术。人工湿地是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水净化处理与资源化再利用的最佳效果。
1.2 人工湿地的结构设计 养殖池塘与净化湿地的面积比为15～30∶1，采用串联自由表面流人工湿地结构，湿地床体底部辅设基质层，污水在基质层表面流动，并在床体表面种植具有经济价值高、成活率高、抗水性强、生长周期长、具有观赏价值的水生植物，如茭白、荷藕等。湿地单池长度为5～20 m，单池长宽比为3∶1～5∶1，水深30～60 cm，水力坡为0.1%～0.5%。
1.3 人工湿地植物的选配
1.3.1 湿地植物种类的配置。
人工湿地通常由挺水植物、浮水植物和沉水植物3种构成。挺水植物是构建人工湿地植被系统的主要类型植物，具有同化吸收污染物和拦截、过滤的作用[8]。选择当地优势挺水植物，突出生物多样性特色是提高人工湿地净化能力的关键措施[9]；浮水植物对有机污染物的吸收具有很好的效果，浮水植物浮生水面，在光照竞争中占有绝对优势，能够高效吸收水体中的营养物质；沉水植物是水体生物多样性赖以维持的基础，沉水植物通过有效增加生态位，抑制生物性和非生物性悬浮物[10]，通过水下光合作用增加水体溶解氧，为复杂食物链的形成提供了食物和场所[11]。人工湿地植物选配的原则：成活率高，适应水湿生环境，生长周期长或多年生，生物量大，具备较强的富营养化水处理能力，具有一定的美观价值、经济（饲用、食用等）价值等。
养殖池塘富营养化主要集中在夏季高温季节，同时也是水产养殖关键的季节。夏季饲料投喂量大，产生的有机污染物多，藻类容易繁殖，这些都是造成水体富营养化的因素。因此，人工湿地植物主要选择春夏季快速生长的植物。一般配置方案：挺水植物选择黄菖蒲、茭白、再力花、鸢尾等；浮水植物选择凤眼莲、莼菜、荷藕、芡实等；沉水植物选择伊乐藻、轮叶黑藻、苦草、马来眼子菜、金鱼藻等；种植面积分别占水面的30%、20%、20%。
1.3.2 水生植物的培育与驯化。
为提高种植水生植物的成活率，可在床体介质上覆土，厚度宜为10～20 cm。人工湿地栽种水生植物后应立即充水，保证根部浸泡在水中，以促进植物根系和湿地内微生物的生长。植物成活后适时增高水面进行驯化培养。
1.3.3 水生植物种植密度。
水生植物种植密度根据养殖种类、养殖密度及养殖池塘的位置不同有所差异。一般挺水植物的种植密度为9～25株/m2，浮水植物和沉水植物为3～9株/m2。
2 人工湿地的分类
人工湿地主要有两大分类方式：植物的存在形式和水流状态。
2.1 植物的存在形式
2.1.1 挺水植物系统。以挺水植物为主，植物根系发达，可通过根系向基质送氧，使基质中形成多个好氧、兼性厌氧、厌氧小区，利于多种微生物繁殖，便于污染物的同化吸收；同时起到拦截和过滤的作用，目前人工湿地主要指挺水植物系统。
2.1.2 浮水植物系统。水生植物漂浮于水面，根系呈淹没状态，主要用于氮、磷的去除和提高稳定塘的效率。
2.1.3 沉水植物系统。水生植物完全淹没于水中，系统中水的浊度不能太高，否则会影响植物的光合作用，主要用于氮、磷、重金属及有机污染物的去除。
2.2 水流状态
2.2.1 表面流湿地。
富营养化水在填料表面漫流，形式接近于天然湿地，水深较浅（一般在0.1～0.6 m），氧通过自由扩散补给，进水中所含的溶解性和颗粒性污染物与系统介质和植物根系接触，该系统不能充分利用填料及植物根系。
2.2.2 潜流式湿地。
富营养化水在填料表面以下渗流，可充分利用填料表面生长的生物膜及丰富的植物根系，增加富营养化水与填料和植物根系的接触面积，提高处理效率。两者均包含水生植物，区别在于它们的有机负荷和水力停留时间不同，这主要是由于渗透性底质的不同[12]。潜流湿地的渗透性底质可提供较多供生物膜生长的面积而产生较多营养吸收路径[13]。
3 人工湿地对富营养化水的净化效果
3.1 不同人工湿地植物配置对污染物的去除效果 人工湿地不仅对养殖水体中的有机物、氮、磷、重金属、叶绿素a和微生物等有很好的去除效果，而且该技术易操作，运行成本低[13-16]。Lin等的研究表明，人工湿地可应用于去除水产养殖废水中所含的营养盐，TN去除达95%～98%，TP为32%～71%，使水质能够达到水产养殖的标准[13]。吴振斌等研究结果表明，人工湿地对 TSS、COD、BOD、TN和 TP去除率的变动范围分别为 80.5%～82.9%、45.2%～64.2%、61.0%～77.0%、29.1%～68.6%和72.7%～89.1%[17]。林春风等研究结果表明，金鱼藻、伊乐藻、苦草和狐尾藻对TN和 TP去除率分别为69.38%、66.19%、66.13%、57.93%和77.95%、76.74%、76.07%、70.96%[18]。王焕等研究结果表明，美人蕉、鸢尾、再力花对TN和 TP去除率分别为69.96%、69.19%、64.20%和75.59%、66.57%、58.06%[19]。吴湘等研究结果表明，黄花水龙、凤眼莲、水鳖、四角菱和空心莲子草对TN和 TP去除率分别为63%、57%、46%、42%、34%和50%、52%、45%、31%、22%[20]。孙瑞莲等研究结果表明，宽叶香蒲、茭白、黄花鸢尾、三棱草、菖蒲、水葱、水芹菜和千屈菜在水力停留时间为5 d时，菖蒲、水葱、黄花鸢尾和宽叶香蒲对COD的去除率都在90%左右；在水力停留7 d时，茭白和宽叶香蒲对TP具有较高的去除率，分别达到84.8%和84.4%；在水力停留7 d时，宽叶香蒲、黄花鸢尾和茭白对TN具有较好的去除效果，分别达到93.6%、92.4%和91.3%[21]。杨旻等研究结果表明，菖蒲对TN、TP、叶绿素a和COD的去除率分别达96.38%、98.32%、98.01%和44.4%[22]。该研究结果与前人研究结果基本一致，在岸壁种植荷藕、茭白、菖蒲、芦苇等挺水植物，池塘中间种植水花生、水芹菜、伊乐藻、轮叶黑藻、苦草等浮水和沉水植物，水草面积占塘口的1/4，在处理富营养化水的人工湿地中 ，植物吸收对氮磷的去除起着重要作用，平均贡献率分别为42.9%和50.3%。植物的氮磷积累量与浓度及生物量之间均存在显著相关。虽然不同学者因试验方法和目标湿地植物等因素的原因，对富营养化中的水质指标的去除效果有所差异，但基本都表现出人工湿地系统对养殖水体中的TSS、COD、BOD、TN、TP、有机物等有很好的去除效果。
3.2 人工湿地建植的效益分析 目前有关人工湿地建植经济效益方面相关研究很少，大部分研究围绕人工湿地对富营养化水体的净化效果及生态效益方面。黄海平对精养鱼池中建植水蕹菜浮床应用效果进行了研究，结果表明建植水蕹菜浮床池塘利润为5.63元/m2，是对照池的1.74倍。建植水蕹菜浮床鱼类对氮磷的利用率分别为39.07%和34.75%，显著高于对照池的31.64%和29.27%[23]。笔者研究了养殖池塘中通过模拟湿地环境，比较选择能够促进鱼类生长、高效减磷去氮又可做饵料的水生动植物群落组合3个：“水花生+克氏原螯虾（鱼）”、“水花生+水芹菜+克氏原螯虾（鱼）”、“水芹菜+伊乐藻+克氏原螯虾（鱼）”，其平均亩经济效益分别达到3 108、3 427和3 686元。人工湿地在治理养殖池塘富营养化水中的应用越来越受到人们的重视，人工湿地不仅具有净化水质、平衡藻相、降低养殖风险、提高鱼类成活率和增长率、提升鱼类能量转化效率的作用，更重要的是还能增加水产养殖收益。
4 结论与讨论
4.1 人工湿地是治理养殖池塘富营养化水的重要途径 通过构建人工湿地生物群落，使得养殖水体富营养化程度明显降低，大大提高了养殖水体的经济效益。利用生物，尤其是利用植物的生长吸收养殖水体中的营养物质并达到净化水体目的，已越来越受到人们的关注。人工湿地应用于富营养化养殖水体生态修复，具有高效、经济、环保等优点，为我国日益恶化的水产养殖环境提供了良好的解决途径。近年来，人工湿地在池塘养殖富营养化水的净化治理方面取得了令人满意的效果。通过构建的人工湿地-养殖池复合生态系统，不仅成功实现了水的回用，而且提高了养殖产品的质量。利用水体生态系统原理和系统工程方法，根据生物的食物链关系，集成和组合多种方法技术，开展水质净化系统和相关技术的研究和应用，人为建立多种共栖、多层次配置、多级质能种养循环的一种生态合理、技术可行、经济核算、高效、低耗、高产、无污染的生态养殖系统，是今后池塘养殖的方向，也是优质、安全水产品养殖和消费者的迫切需要。
4.2 人工湿地的构建机理和功能尚需深入研究 人工湿地在富营养化水体生态修复的应用研究虽然取得了一些进展，但还存在一些问题，主要有：人工湿地中水生植物在生态工程应用中受环境制约的因素太多；人工湿地中改善水质各要素间相互作用机理还有待进一步研究；筛选和培育适应能力强，净化高效的水生植物或植物群落结构还需要加强等。
参考文献
[1] ZHANG L X，LIU J，LI S F M，et al.Agriculture development and the opportunities for aquatic resources research in China[M].Malasia，Published by World Fish Center，2003.
[2] 周化民，何建国，莫福，等.斑节对虾白斑综合症暴发流行与水体理化因子的关系[J].厦门大学学报：自然科学版，2001，40（3）：775-781.
[3] 相建海.海水养殖生物病害发生与控制[M].北京：海洋出版社，2001.
[4] 姚志通.人工湿地及其在水产养殖废水处理中的应用[J].河北渔业，2007，167（11）：51-53.
[5] VAN RIJN J.The potential for integrated biological treatment systems in recirculating fish culture——A review[J].Aquaculture，1996，139：181-201.
[6] 吴振斌，刘爱芬，吴晓辉，等.人工湿地循环处理的养殖水体中浮游动物动态变化[J].应用与环境生物学报，2007，13（5）：668-673.
[7] SCHULZ C，GELBRECHT J，RENNEA B，et al.Treatment of rainbow trout effluents in constructed wetland with emergent plants and subsurface horizontal water flow[J].Aquaculture，2003，217：207-221.
[8] 种云霄，胡洪营，钱易.大型水生植物在水污染治理中的应用研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2003，4（2）：36-40.
[9] BRIJ G.Natural and constructed wetlands for wastewater treatment： Potential and problems[J].Water Sci Technol，1999，40（3）：27-35.
[10] HORPPILA JUKKA，NURMINEN LEENA.Effects of submerged macrophytes on sediment resuspension and internal phos-phorus loading in Lake Hiidenvesi（southern Finland）[J].Water Research，2003，37（18）：4468-4474.
[11] 宋碧玉，王建，曹明.利用人工围隔研究沉水植被恢复的生态效应[J].生态学杂志，1999，18（5）：21-24.
[12] CRITES R W.Design criteria and practice for constructed wetlands[J].Water Sci Technol，1994，29：1-6.
[13] LIN Y F，JING S R，LEE D Y，et al.Nutrient removal from aquaculture wastewater using a constructed wetlands system[J].Aquaculture，2002，209：169-184.
[14] 赵文玉，吴振斌，成水平，等.复合垂直流构建湿地净化酞酸酯的初步研究[J].应用与环境生物学报，2002，8（4）：430-434.
[15] 刘忠翰.污水芦苇碎石床处理出水养鱼回用技术研究[J].农业环境保护，1999，18（1）：14-18.
[16] CHENG S P，GROSSE W，KARRENBROCK F，et al.Efficiency of constructed wetlands in decanted monition of water polluted by heavy metals[J].Ecol Eng，2002，18（3）：317-325.
[17] 吴振斌，李谷，付贵萍，等.基于人工湿地的循环水产养殖系统工艺设计及净化效能[J].农业工程学报，2006，22（1）：129-133.
[18] 林春风，曹国军，武鹏，等.四种沉水植物对富营养化水体的净化效果研究[J].安徽农业科学，2012，40（10）：6083-6085.
[19] 王焕，张志敏，梁浩亮，等.三种植物对富营养化水体净化效果的比较研究[J].水产科技情报，2013，40（5）：250-253.
[20] 吴湘，杨肖娥，李廷强，等.漂浮植物对富营养化景观水体的净化效果研究[J].水土保持学报，2007，21（5）：128-132.
[21] 孙瑞莲，张建，王文兴，等.8种挺水植物对污染水体的净化效果比较[J].山东大学学报，2009，44（1）：12-16.
[22] 杨旻，吴小刚，周连凤，等.菖蒲对不同程度富营养化水体的净化作用研究[J].环境科学与管理，2007，32（10）：77-80.
[23] 黄海平.水蕹菜浮床在精养鱼池中的应用效果研究[D].武汉：华中农业大学，2012.