磷的環(huán)境效應(yīng)及水生植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

秦巧燕，朱建強(qiáng)

(長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025)

磷的環(huán)境效應(yīng)及水生植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

秦巧燕，朱建強(qiáng)

(長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025)

分析了水中磷的來源、形態(tài)及環(huán)境效應(yīng)，綜述了水生植物對(duì)富營養(yǎng)化水體中磷的修復(fù)技術(shù)，展望了該技術(shù)的發(fā)展前景。

富營養(yǎng)化；限磷；水生植物；修復(fù)技術(shù)

1 磷的環(huán)境效應(yīng)

磷在自然界的循環(huán)是人們極為關(guān)注的問題，這是因?yàn)榱滓环矫媸巧鷳B(tài)系統(tǒng)中必不可少的營養(yǎng)元素，另一方面過剩的磷會(huì)導(dǎo)致水域的富營養(yǎng)化，使生態(tài)平衡遭到破壞，從而影響水資源的利用，給飲用、工農(nóng)業(yè)供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游以及水上運(yùn)輸?shù)葞砭薮髶p失，并對(duì)人體健康構(gòu)成危害[1]。一般認(rèn)為，當(dāng)水體中總磷超過0.02 mg/L，無機(jī)氮為0.3 mg/L 以上時(shí)，即可認(rèn)為水體處于富營養(yǎng)化[2]。水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象時(shí)，由于浮游生物大量繁殖，往往使水體呈現(xiàn)藍(lán)色、紅色、棕色、乳白色等，這種現(xiàn)象在江河湖泊中叫水華(水花)，在海洋中稱赤潮。2008年，我國湖泊(水庫)富營養(yǎng)化問題突出，太湖、滇池、巢湖等大型湖泊及東湖和西湖等城市內(nèi)湖均處于富營養(yǎng)化狀態(tài)[3]。富營養(yǎng)化是湖泊等天然水體面臨的最為嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，而總磷濃度是限制浮游藻類生長(zhǎng)的最重要因素，限磷可有效控制富營養(yǎng)化。挺水植物、沉水植物、浮水植物等水生植物都能有效吸收水體中的磷，有效降低水體的富營養(yǎng)化水平。

最新研究結(jié)果表明[4～8]：湖泊富營養(yǎng)化的主因是磷而不是碳和氮,只需限磷即可使富營養(yǎng)湖泊得以恢復(fù)。無論總氮濃度是高還是低,總磷濃度都是限制浮游藻類生長(zhǎng)的最重要因素,在野外條件下藻類總量決定于總磷而不是總氮，其研究結(jié)果得到北美長(zhǎng)期全湖實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。

2 水體中磷的來源

天然水體中磷的含量很低，水體中磷的來源主要有以下5個(gè)方面:

(1) 地表徑流與土地的侵蝕 對(duì)水田磷素的遷移研究表明[9～11]，地表徑流是水中磷的主要來源。我國水土流失的面積已達(dá)國土總面積的38%，每年流失的土壤有50億t。小區(qū)和大田試驗(yàn)結(jié)果表明，來自水田的總磷負(fù)荷略高于旱田(總磷負(fù)荷量：來自水田1.65～2.37 kg/hm2，旱地1.54～2.21 kg/hm2)。

(2) 農(nóng)業(yè)排水 作物對(duì)磷肥的利用率很低，通常情況下當(dāng)季作物利用率只有5%～15%，加上后效一般也不超過25%，所以占施肥總量75%～90%的磷滯留在土壤中。由于磷素投入量高于其帶出量，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的磷素盈余使得土壤中的總磷和有效磷水平不斷上升。在肥料過量施用的情況下，農(nóng)業(yè)排水是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的重要磷素來源，甚至是重要的污染源。稻區(qū)田間高水平磷肥投入促進(jìn)了土壤富磷化，增大了磷素流失風(fēng)險(xiǎn)[12]。

(3) 底泥釋放的磷 由于磷化合物的溶解性差，大部分磷化合物進(jìn)入水體后就轉(zhuǎn)入水體的底泥中。進(jìn)入沉積物的磷不只是簡(jiǎn)單堆積，隨著氧化還原等環(huán)境條件的改變，沉積磷相應(yīng)地要發(fā)生一系列變化。進(jìn)入沉積物-水界面的磷，由于有機(jī)質(zhì)的礦化分解，以溶解態(tài)形式進(jìn)入沉積物間隙水中，進(jìn)而通過擴(kuò)散作用到上覆水體重新參加循環(huán)[13]。

(4) 城市污水 生活污水、糞便、合成洗滌劑和食物污物都含有大量的磷。據(jù)估算我國人均體內(nèi)排出的磷為1 g/d左右。

(5) 工業(yè)污染源 食品加工企業(yè)、化肥生產(chǎn)企業(yè)等工業(yè)廢水中都含有大量的磷，當(dāng)這些工業(yè)廢水不加處理或處理不充分時(shí)，都將導(dǎo)致大量的磷化合物進(jìn)入水體。

3 水中磷的形態(tài)及循環(huán)

圖1 水中磷的循環(huán)Figure 1 The cycle of phosphorus in water

4 水生高等植物修復(fù)技術(shù)

水生植物生長(zhǎng)過程需要吸收大量氮、磷作為營養(yǎng)物質(zhì)合成自身物質(zhì)，利用植物的這一生理生化特性，在富營養(yǎng)化水體中有選擇地種植一些植物，能夠有效地吸收水體中的氮、磷元素，減輕水體的富營養(yǎng)化程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的原位修復(fù)，還能在一定階段收獲植物作為飼料，獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。近年來，國內(nèi)外研究了多種水生植物對(duì)氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果，結(jié)果表明：挺水植物、沉水植物、浮水植物都能有效吸收水體中的氮、磷，降低水體的富營養(yǎng)化水平。

4.1 沉水植物的修復(fù)技術(shù)

沉水植物的根或根狀莖生于水底泥中，莖、葉全部沉沒于水中，僅在開花時(shí)花露出水面。它們的根有時(shí)不發(fā)達(dá)或退化，植物體的各部分都可吸收水分和養(yǎng)料，通氣組織特別發(fā)達(dá)，有利于在水中缺乏空氣的情況下進(jìn)行氣體交換。這類植物的葉子大多為帶狀或絲狀，如苦草(Vallisneria)、金魚藻(Ceratophyllum)、狐尾藻(Myriophyllum)、黑藻(Hydrilla)等。沉水植物的根能吸收水底泥中的N、P，莖和葉能吸收水體中的N、P，比其他水生植物具有更強(qiáng)的富集N、P的能力。菹草(PotamogetoncrispusLinn.)、苦草、狐尾藻、金魚藻、篦齒眼子菜(Potamogetonpectinatus)、微齒眼子菜(PotamogetonmaackianusA. Bennett)、輪藻(Charophyta)、伊樂藻(Elodeacanadensis)等8種沉水植物對(duì)磷的去除速率與水體總磷(TP)濃度呈顯著正相關(guān);隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)，水體中剩余TP濃度呈負(fù)指數(shù)形式衰減;伊樂藻、菹草、苦草等具有較高的去除能力[15]。伊樂藻、金魚藻、苦草、菹草(PotamogetoncrispusL.)、馬來眼子菜(PotamogetonmalainusMiq)等常見沉水植物對(duì)太湖水體中的磷均有一定去除能力，菹草對(duì)總磷的去除能力最強(qiáng)，金魚藻次之。由菹草自身發(fā)揮的去除總磷的效率為93.11 μg/(d·g鮮重),分別是苦草和伊樂藻的1.7和1.8倍；不同植物對(duì)總?cè)芙鈶B(tài)磷的去除表現(xiàn)出與去除總磷能力相似的規(guī)律，由金魚藻自身發(fā)揮的去除總?cè)芙鈶B(tài)磷的效率最高，為42.02 μg/(d·g鮮重)，略強(qiáng)于菹草，是伊樂藻的2.0倍，苦草的2.2倍[16]。在富營養(yǎng)淺水湖泊(武漢東湖)中建立大型試驗(yàn)圍隔系統(tǒng)，沉水植物重建后水體N、P營養(yǎng)水平明顯降低；試驗(yàn)期間，季節(jié)性波動(dòng)遠(yuǎn)低于對(duì)照圍隔水和大湖水體[17]；沉水植物生長(zhǎng)過程使水體的pH、Eh以及藻類含量的變化，使鐵磷、有機(jī)磷等主要化學(xué)形態(tài)磷的釋放得到明顯的控制，同時(shí)沉水植物的生長(zhǎng)使沉積物中總磷水平也有明顯的降低。所以恢復(fù)沉水植物是控制湖泊內(nèi)源磷負(fù)荷的有效方式[18]。沉水植物不僅可以吸收富營養(yǎng)化湖水中的磷，亦可抑止沉積物和上覆水中的堿性磷酸酶活性(APA)，并可抑止沉積物的再懸浮，使上覆水中各形態(tài)磷濃度均保持在較低的水平，對(duì)于控制內(nèi)源磷釋放有抑止作用[19，20]。

比較不同季節(jié)富營養(yǎng)化水體的優(yōu)勢(shì)種群的去磷效果，可以篩選出分別適合在夏秋季(較高溫季節(jié))和冬春季(較低溫季節(jié))用來進(jìn)行富營養(yǎng)化水體植物生態(tài)修復(fù)工程的高效除磷植物材料，以達(dá)到常年保持高效凈化水質(zhì)之目的。高鏡清等采用人工模擬方法，選取武漢市東湖的春季優(yōu)勢(shì)種金魚藻、伊樂藻和菹草，夏季優(yōu)勢(shì)種類金魚藻、狐尾藻和苦草，在春夏兩個(gè)季節(jié)分別對(duì)東湖重度富營養(yǎng)化水體磷的去除效果進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明，金魚藻在春夏季節(jié)表現(xiàn)出較好的生長(zhǎng)和凈化水體磷的能力，且其耐污能力強(qiáng)，有可能成為以東湖為代表的重度富營養(yǎng)淺水湖區(qū)植物修復(fù)的先鋒種之一[21]。

4.2 漂浮植物修復(fù)技術(shù)

漂浮植物又稱完全漂浮植物，是根不著生在底泥中，整個(gè)植物體漂浮在水面上的一類浮水植物。這類植物的根通常不發(fā)達(dá)，體內(nèi)具有發(fā)達(dá)的通氣組織，或具有膨大的葉柄(氣囊)，以保證與大氣進(jìn)行氣體交換。如槐葉萍(Salviniacae)、浮萍(LemnaminorLinn.)、鳳眼蓮(Eichhirniacrasslpes)等。不同的漂浮植物在特定的水質(zhì)條件下對(duì)營養(yǎng)鹽的去除差異很大。鳳眼蓮是公認(rèn)的去除氮磷效果最佳的植物[22,23]。大漂(PistiastratiotesLinn.)、鳳眼蓮、紫萍(Spirodelapolyrrhiza(L.) Schleid.)等3種漂浮植物對(duì)去除富營養(yǎng)化水體中的全N和全P、增加水體中的溶解氧有明顯效果，且能有效抑制藻類生長(zhǎng)，處理效果大漂gt;鳳眼蓮gt;紫萍。大漂和鳳眼蓮均具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，但大漂生長(zhǎng)繁殖較易控制，且對(duì)富營養(yǎng)化水體治理效果佳和改善水質(zhì)，有綜合利用價(jià)值[24]。軟隔離小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果表明鳳眼蓮、黃花水龍(JussiaenrepensL.)、空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.)、水鱉(Hydrocharisdubia(Bl.) Backer.)和四角菱(TrapaquadrispinosaRoxb.) 5種不同漂浮植物對(duì)富營養(yǎng)化景觀水體都有較好的凈化效果，且易于成活，容易管理，其中鳳眼蓮、黃花水龍?zhí)幚韲鷧^(qū)的水質(zhì)凈化效果最好，對(duì)總磷的去除率超過50%；水鱉、四角菱、空心蓮子草對(duì)總磷的去除率分別為45%、 31%和22%。漂浮植物的生長(zhǎng)在一定程度上還可以減緩由于底泥釋放磷引起水體中磷含量升高的影響，尤其以鳳眼蓮的處理效果最好[25]。大漂和冬牧70(SecalecerealeL.)分別是夏秋季和冬春季對(duì)富營養(yǎng)化水體中的P素及其他污染物去除效果最好的植物材料。大漂、冬牧70、矮稈美人蕉(Cannaflaccida)、串葉松香草(Silphiumperfoliatum)等比較適合修復(fù)高磷(0.50 mg/L)污染水體；水鱉、多花黑麥草(LoliummultflorumLam.)比較適合生長(zhǎng)于低磷水體中，除磷效果較差[26]。

4.3 挺水植物修復(fù)技術(shù)

挺水植物即植物的根、根莖生長(zhǎng)在水的底泥之中，莖、葉挺出水面。常分布于0～1.5 m的淺水處，其中有的種類生長(zhǎng)于潮濕的岸邊。這類植物在空氣中的部分，具有陸生植物的特征；生長(zhǎng)在水中的部分(根或地下莖)，具有水生植物的特征。常見有蘆葦(Phragmitesaustralis)、蒲草(Typhaangustifolia)、荸薺(Eleocharistuberosa)、水芹(Oenanthejavanica(Blume) DC.)、茭白(Zizanialatifolia)、蓮(Nelumbonucifera)、石菖蒲(Acorusgraminei)等。石菖蒲能增加水體的溶解氧，對(duì)氮磷的富集能力很強(qiáng)，且富集系數(shù)隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)有增加的趨勢(shì)[27]。孫瑞蓮?fù)ㄟ^室外盆栽實(shí)驗(yàn)，研究了8種挺水植物在不同水力停留時(shí)間對(duì)污染水體的凈化效果，結(jié)果表明各實(shí)驗(yàn)植物對(duì)TP的去除率隨水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。茭白和寬葉香蒲TP去除性能較好，其TP去除率分別提高10.8%和11.2%，其余6種植物的TP去除率與對(duì)照之間均無顯著差異[28]。在天然溝渠濕地中自然生長(zhǎng)著蘆葦、茭草等挺水植物，每年秋季蘆葦和茭草地上部分收割以后，可帶走103.6 kg/hm2和28.9 kg/hm2的P；蘆葦收割2個(gè)月以后，收割區(qū)0～20 cm深度底泥中的TP含量明顯低于未收割區(qū)，即收割減輕了濕地TP的污染；但由于蘆葦和茭草的利用價(jià)值低，農(nóng)民不會(huì)主動(dòng)回收，植物殘株在冬季死亡后，地上部分發(fā)生分解，造成水體和表層底泥中污染物含量上升；茭白對(duì)N、P吸收能力高，地上部分組織中的P含量為1.90 mg/L，通過人為種植茭白取代自然生長(zhǎng)的蘆葦和茭草，可有效吸收溝渠濕地底泥中富集的N、P營養(yǎng)物質(zhì)，既可減輕河流和湖泊的富營養(yǎng)化，秋季收獲的茭白可為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來可觀的收益[29]。

4.4 發(fā)展趨勢(shì)

將不同物種進(jìn)行合理搭配，去磷效果明顯。除利用水生植物外還可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際來選用生長(zhǎng)速率快，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的經(jīng)濟(jì)作物凈化富營養(yǎng)化水體[30]。將經(jīng)濟(jì)植物進(jìn)行合理搭配做成植物浮床，以凈化水質(zhì)。宋樣甫等[31]進(jìn)行的浮床水稻(Oryzasativa)試驗(yàn)表明，水稻在富營養(yǎng)化水體表面生長(zhǎng)、發(fā)育良好，同時(shí)對(duì)水體中氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)有顯著的去除效果。以植物-微生物為基礎(chǔ)的原位生物修復(fù)體系不但可以降低水體中的營養(yǎng)鹽水平，而且還同步實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改善與經(jīng)濟(jì)效益的獲得。因此，應(yīng)用營養(yǎng)生態(tài)學(xué)理論，利用高等植物實(shí)現(xiàn)污染物的資源化，同時(shí)借助固定化接種微生物的使用可以強(qiáng)化營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和轉(zhuǎn)化。

水生動(dòng)植物鑲嵌搭配，設(shè)計(jì)合理的空間布局和生物量同時(shí)適度控制大漂的覆蓋度，利用大漂、苦草和鰱魚構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的方式可有效控制三峽庫區(qū)庫灣的水體富營養(yǎng)化。含大漂的試驗(yàn)池對(duì)TP的去除效果較好，到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)大漂池和大漂-苦草-鰱魚池對(duì)TP的去除率分別達(dá)到了98.81%和97.55%[32]。

5 小結(jié)

水生植物在生長(zhǎng)期間可以增加水體中的氧氣含量，抑制有害藻類繁殖，遏制底泥營養(yǎng)鹽向水中的再釋放，有利于水體的生物平衡；有些水生植物還可以食用，如蓮藕、菱角，水芹，豆瓣菜，水蕹菜等。與其他物理、化學(xué)及工程的方法相比，利用水生植物來吸收水體中的磷，不僅可以控制水體富營養(yǎng)化，而且具有成本低、能耗小、治理效果好，對(duì)環(huán)境污染小，有利于資源化，有利于整體生態(tài)環(huán)境的改善等優(yōu)點(diǎn)。但是，水生植物的生長(zhǎng)易受季節(jié)的影響, 在不同的季節(jié)需選育不同的植物種類，且要注意在植物生物量最高時(shí)需及時(shí)收獲，將其移出水體。目前環(huán)保投入有限，而環(huán)境污染和生態(tài)破壞嚴(yán)重，種植水生植物是一項(xiàng)既行之有效又保護(hù)生態(tài)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)水體原位修復(fù)的有效途徑。

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2009-09-10

湖北省教育廳資助項(xiàng)目(Z200712002)

秦巧燕(1972-)，女，山西絳縣人，農(nóng)學(xué)碩士，副教授，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù).

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2009.04.016

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1673-1409(2009)04-S053-05