水體富營養(yǎng)化及其植物修復技術(shù)研究進展

孫向輝，李 力

(1.麗江師范高等?？茖W校，云南麗江 674100;2.麗江市環(huán)境監(jiān)測站，云南麗江 674100)

水體富營養(yǎng)化是指生物所需要的氮和磷等營養(yǎng)鹽大量進入水體，引起藻類大量繁殖、水體溶解氧下降、水質(zhì)惡化的現(xiàn)象［1］。隨著我國工業(yè)化及城市化進程的加快，工業(yè)廢水及生活污水的排放不斷增加，水體富營養(yǎng)化程度日趨嚴重，已成為影響當?shù)厣鐣?、?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的突出問題。

富營養(yǎng)化水體治理技術(shù)按照治理手段可分為化學處理(殺藻劑、氧化劑)、物理處理(人工曝氣、調(diào)水沖污)和生物處理方法(植物修復、微生物制劑)等［2］。在富營養(yǎng)化水體修復的各種手段中，植物修復主要是通過水生植物對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收來進行代謝活動，從而使氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)得到去除，它是一種耗能低、效果好的新技術(shù)，具有生態(tài)環(huán)保特性，已經(jīng)引起國內(nèi)外學者的高度重視。筆者對近年來國內(nèi)外水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀及植物修復富營養(yǎng)化水體方面的研究成果進行了較為系統(tǒng)的總結(jié)，期望為今后富營養(yǎng)化水體植物修復技術(shù)的開發(fā)應用提供理論參考。

1 國內(nèi)外水體富營養(yǎng)化狀況

20世紀初，水體富營養(yǎng)化問題就引起了一些國際組織、國家政府及社會各界人士的關(guān)注與重視。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的一項水體富營養(yǎng)化調(diào)查結(jié)果表明，全世界大約有30%～40%的湖泊和水庫發(fā)生不同程度的水體富營養(yǎng)化［3］。歐洲、非洲、北美洲和南美洲分別有53%、28%、48%和41%的湖泊水庫存在不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，亞太地區(qū)有54%的湖泊水庫處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，世界各國正面臨著嚴重的淡水危機［4］。美國環(huán)保署一直認為，在過去幾十年里，水體富營養(yǎng)化是造成美國河流水質(zhì)退化的最重要原因，美國的許多湖泊，如Erie湖、Okeechobee湖、City Park湖、Washington湖、Apopka湖等均出現(xiàn)不同程度的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象［5-9］。水體富營養(yǎng)化也是目前許多歐洲湖泊面臨的最大問題［10］，據(jù)對96個湖泊的統(tǒng)計結(jié)果顯示，80%的湖泊不同程度地受到氮、磷污染，呈現(xiàn)出富營養(yǎng)化狀態(tài)，希臘西北部地區(qū)的Pamvotis湖在過去的40年間一直遭受人為富營養(yǎng)化的困擾［11］。

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，人口的急劇增加，我國眾多的河流、湖泊、水庫等水體的污染也日益嚴重，水體環(huán)境現(xiàn)狀令人擔憂。調(diào)查結(jié)果表明，近20年來，我國湖泊富營養(yǎng)化發(fā)展趨勢十分嚴峻，富營養(yǎng)化湖泊個數(shù)占調(diào)查湖泊的比例由20世紀70年代末至80年代后期的41%發(fā)展到80年代后期的61%，至20世紀90年代后期又上升到77%［12］。根據(jù)2012年中國環(huán)境狀況公報，全國地表水國控斷面總體為輕度污染，62個國控重點湖泊(水庫)，除密云水庫和班公錯外，其他60個湖泊(水庫)開展了營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測，其中，4個為重度富營養(yǎng)狀態(tài)，占6.7%;11個為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，占18.3%;37個為中營養(yǎng)狀態(tài)，占61.7%;8個為貧營養(yǎng)狀態(tài)，占13.3%;同時總氮、總磷也為我國內(nèi)陸漁業(yè)水域的主要污染指標［13］。

2 水生植物對富營養(yǎng)水體的修復效果

水生植物包括挺水植物、浮水植物、浮葉植物以及沉水植物等類型，不同的水生植物對富營養(yǎng)水體修復具有不同的效果。目前在水體富營養(yǎng)化修復技術(shù)中廣泛應用的有蘆葦、水蔥、香蒲、菖蒲、鳳眼蓮、眼子菜、菹草等。

樊開青等選取蘆葦、水蔥、水花生、香蒲和慈姑5種挺水植物為研究對象，分析比較了其對重度富營養(yǎng)化水體氮磷指標的去除效果，研究表明，5種挺水植物對受試水體氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)均有不同程度的凈化效果，其中水花生對于水體中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷類營養(yǎng)物質(zhì)均具有較好的去除效果，處理10 d后，其去除率可分別達92.24%、91.10%、91.60%、95.10%［14］。汪懷建等研究了3種浮水植物對富營養(yǎng)水體中營養(yǎng)鹽的去除能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮和槐葉萍對水體中總氮和總磷的去除效果最好，尤其對于總氮的去除率可分別達到70%和61%［15］。田琦等通過室內(nèi)模擬、實驗室測定，分析了太湖流域常見的5種沉水植物對富營養(yǎng)化水體的凈化能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5種沉水植物均有一定能力去除水體中總磷、總?cè)芙鈶B(tài)磷、總氮、葉綠素a，改善水體中溶解氧條件，其中金魚藻在各方面能力均較強［16］。

3 水生植物修復富營養(yǎng)化水體的作用機制

3.1 水生植物的吸收同化作用 植物吸收是水體中氮、磷營養(yǎng)鹽去除的重要途徑之一。由于植物在其生長過程中需要大量吸收氮、磷等營養(yǎng)元素，而這些元素正是水體富營養(yǎng)化的物質(zhì)基礎(chǔ)，富營養(yǎng)化水體中的無機氮作為植物自身的營養(yǎng)成分，可用于合成植物蛋白等有機氮，銨態(tài)氮作為植物生長中不可或缺的物質(zhì)被植物直接吸收合成蛋白質(zhì)和有機氮，無機磷在植物吸收及同化作用下可轉(zhuǎn)化成為ATP、DNA和RNA等有機物質(zhì)、礦化的營養(yǎng)鹽包括磷酸鹽等，有利于植物的吸收并參與光合作用，因此，植物可通過吸收同化作用從污染水體中將營養(yǎng)物質(zhì)帶走，從而既達到了改善水質(zhì)的目的，又促進了植物的生長［17-19］。研究發(fā)現(xiàn)，植物的吸收是氮去除的主要途徑，紅樹植物能吸收水中超過65%的總氮［20］，香根草通過根系的吸收作用，也可以大幅度地去除富營養(yǎng)化水體中的主要養(yǎng)分氮、磷元素［21］。周真明等也認為，植物的吸收同化作用是銨態(tài)氮去除效果的主要原因，植物去除磷的主要途徑則是植物對溶解性磷的吸收［22］。

3.2 水生植物的化感作用 化感作用是一種植物通過向環(huán)境釋放化學物質(zhì)而對另一種植物(包括微生物)所產(chǎn)生的有害或有益的作用。大量研究表明，水生植物一方面能吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，另一方面能夠分泌抑制有害藻類生長的化感物質(zhì)，從而起到修復、凈化富營養(yǎng)化水體的作用［23-25］。如金魚藻、茨藻、水王藻、水葫蘆等大型水生植物可通過與藻類競爭陽光、礦物質(zhì)營養(yǎng)以及分泌化學物質(zhì)抑制富營養(yǎng)化水體中絲狀藻類的生長［26］。狐尾藻、馬來眼子菜、苦草對衣藻、銅綠微囊藻、纖細席藻、四尾柵藻、小球藻這5種富營養(yǎng)化淡水藻類也均有不同程度的抑制作用，特別是馬來眼子菜對銅綠微囊藻、四尾柵藻和小球藻有明顯的抑制作用［27］。

3.3 水生植物與微生物的協(xié)同作用 植物被引入富營養(yǎng)化水體后，一方面會從水體中吸收氮磷等營養(yǎng)元素，另一方面根系也向水體分泌氧、氨基酸、糖類等物質(zhì)，從而刺激根際微生物活性，增加微生物種類，而這些微生物活性的增強可大大增加水體中的一些有機態(tài)物質(zhì)向植物有效態(tài)轉(zhuǎn)變，從而影響植物吸收，這是養(yǎng)分去除與轉(zhuǎn)化的重要途徑，并可能是主要途徑。

近年，有學者研究表明，植物對氮、磷的同化吸收只占全部去除量很小一部分，約2% ～5%，微生物才是水體中污染物去除的主要執(zhí)行者［28-30］。Farahbakhshazad等研究發(fā)現(xiàn)，微生物同化作用對總磷的去除率為50%～60%，植物吸收為1% ～3%，其余為物理作用、化學吸附和沉淀作用［31］。Liang等研究也認為，人工濕地系統(tǒng)中植物的吸收作用僅去除了系統(tǒng)中5% ～10%的氮，10% ～20%的磷，污染物大多是通過微生物的轉(zhuǎn)化污染去除的，系統(tǒng)中基質(zhì)、濕地植物、微生物之間的互作是污染物去除的主要機理［32］。

3.4 水生植物的其他生態(tài)功能作用 在植物-水體系統(tǒng)中，依靠植物根系的截濾作用能去除大部分懸浮有機物，從而減少水中的氮素。有研究發(fā)現(xiàn)，在種有蘆葦?shù)乃刂?，其水中懸浮物減少30%，氯化物減少90%，有機氮減少60%，磷酸鹽減少20%，氨氮減少66%［33］。對于不同類型的水生植物，挺水植物可通過對水流的阻尼或減少風浪擾動，使懸浮物質(zhì)沉降;在易受風浪渦流底層及魚類擾動影響的淺水湖泊底層，沉水植物有利于形成一道屏障，使底泥中營養(yǎng)物質(zhì)溶出速度明顯受到抑制，同時水生植物還能通過植物殘體的沉積將部分生物營養(yǎng)元素埋入沉積物中，使其脫離湖泊內(nèi)的營養(yǎng)元素，進入地球化學循環(huán)過程。

4 影響水生植物對富營養(yǎng)化水體修復作用的主要因素

4.1 水體富營養(yǎng)化程度 水體的營養(yǎng)狀況影響著水生植物的凈化效率。一般來說，鳳眼蓮對污水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的凈化效率與污水中氮、磷營養(yǎng)的濃度負荷有很大的相關(guān)性，隨著氮、磷營養(yǎng)負荷的增加，鳳眼蓮對氮、磷的去除亦增加，但若氮、磷負荷太高，超過鳳眼蓮的吸收速率，則凈化效率反而下降［34］。

葛瀅等比較了10余種土著濕生植物后發(fā)現(xiàn)，對于重度富營養(yǎng)水體，空心菜的凈化效果最好，鳳眼蓮和鴨跖草次之，燈心草、知風草和水芹菜也有一定的效果;對于輕度富營養(yǎng)水體，鴨跖草、喜旱蓮子草最好，鳳眼蓮、空心菜、酸模葉蓼均較好，石葛蒲、燈心草、知風草、穹隆苔草、萱草略差，認為在輕度富營養(yǎng)化水體中，植物不可能獲得生長所需的足夠的氮、磷量，生長受到抑制，生物量較低，所以需要選擇既能在貧瘠條件下生長又能有較高凈化能力的植物［35］。林秋奇等研究了不同形態(tài)的氮及磷濃度對水網(wǎng)藻的生長及吸收去除氮磷能力的影響，發(fā)現(xiàn)水網(wǎng)藻在氮磷比為15左右的條件下，生長及氮、磷去除能力均為最好，并能優(yōu)先吸收氨氮，在總氮、總磷分別為4.5 mg/L和0.3 mg/L時，對總氮和總磷的3 d去除率幾乎達 100%［36］。

4.2 植物種類的選擇 水生植物修復富營養(yǎng)化水體的效果與植物物種有很大關(guān)系，不同的植物對營養(yǎng)物質(zhì)的需求和吸收能力不同，對微生物生長的促進作用不同，因而凈化水體的能力也不同。一般認為，植物篩選原則是對氮、磷去除率高，具有一定經(jīng)濟價值，適于面源污水環(huán)境條件下生長并且種源來源方便的植物。高吉喜等在比較了7種水生植物后認為，茭草和慈姑的綜合凈化能力最強，金魚藻、水花生和滿江紅次之，菹草和菱角最差［37］。賀鴻志比較了野生稻、香根草和風車草對富營養(yǎng)化水體的凈化效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種植物對富營養(yǎng)化水體中的總懸浮物、總氮和總磷均具有良好的凈化效果，其中風車草的綜合修復能力最強，香根草次之，野生稻最弱［19］。田琦等通過室內(nèi)模擬實驗，分析了金魚藻、伊樂藻、苦草、菹草、馬來眼子菜5種不同種類沉水植物對水環(huán)境質(zhì)量的改善能力，結(jié)果表明，5種沉水植物均有一定改善水環(huán)境質(zhì)量的，對總氮的去除上，金魚藻和馬來眼子菜能力較強，對總磷、總?cè)芙鈶B(tài)磷的去除能力上，金魚藻、菹草明顯優(yōu)于其他植物，綜合去除多個污染因子的能力及對水環(huán)境質(zhì)量改善的貢獻，認為金魚藻較其他沉水植物能力更強［16］。

4.3 植物的種植方式 一般認為，適當?shù)闹参飶秃戏N植體系能產(chǎn)生比植物單一種植體系更好的凈化效果。Coleman等對香蒲、燈心草和水蔥3種植物混合種植和分別單獨種植對生活污水中磷的凈化作用進行了比較研究，發(fā)現(xiàn)三者混合種植比分別單獨種植具有更好的凈化效果［38］。然而，王春景等對菰、菖蒲及它們的復合體系對富營養(yǎng)化水體中磷的凈化效應的研究卻得到相反的結(jié)果［39］，Lauchlan等的研究也得到相似結(jié)果［40］。陳力等研究也發(fā)現(xiàn)，美人蕉和紫背萬年青的復合種植對富營養(yǎng)化水體總磷的凈化效果與二者單獨種植沒有明顯差異［41］?？梢?，植物的復合種植體系對富營養(yǎng)化水體的修復能力是否強于單一種植體系，仍需要更深入的探討。

4.4 外界環(huán)境因子 其他的一些外界環(huán)境因子如溫度、光照、微生物等，也會對植物修復富營養(yǎng)化水體的效果產(chǎn)生影響。有學者報道，低溫能導致水體微生物活性下降，植物生長緩慢，水的粘滯度增加，從而進一步降低磷的吸收和轉(zhuǎn)化［42］，王旭明等的研究也發(fā)現(xiàn)，溫度會影響水生植物對營養(yǎng)鹽的吸收，在不同溫度(15和20℃)條件下，水芹菜對營養(yǎng)的吸收率是不同的，對總氮的吸收率分別為66.67%和72.98%，對銨態(tài)氮的吸收率分別為95%和100%［43］。光照對植物生長有重要作用，沒有光照，水生植物不能進行光合作用，其生長會受到抑制，從而影響凈化效率。林連升等的研究表明，水下光照條件差時，會影響到沉水植物的存活和正常生長，從而降低其水質(zhì)凈化效果［44］。

5 小結(jié)

采用水生植物修復富營養(yǎng)化水體，具有成本低、能耗小、管理相對簡單、治理效果顯著等優(yōu)點，因此越來越受到社會的關(guān)注。近年來，在利用植物修復富營養(yǎng)化水體方面也已經(jīng)取得較大進展。但植物修復富營養(yǎng)化水體也存在其自身的局限性，如大多數(shù)水生植物生長受氣候、溫度等環(huán)境條件影響，在冬季氣溫較低時生長情況不佳，造成植物修復效果不理想;同時，采用外來植物物種修復水體時，還可能會出現(xiàn)生態(tài)入侵等問題。因此，在今后的應用中，要充分利用植物自身的機制、從凈化能力、抗逆性、管理難易、綜合利用價值和景觀美化等多方面考慮，加強對植物凈化效率、凈化機制、影響因素等方面的研究，力求做到科學設(shè)計、經(jīng)濟可行、易于推廣，使植物凈化技術(shù)在治理富營養(yǎng)化水體和環(huán)境美化中發(fā)揮巨大作用。

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