洱海低污染水處理濕地中應(yīng)用海菜花的可行性

陳書琴， 胡社榮， 儲(chǔ)昭升

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) (北京)地球與測繪科學(xué)學(xué)院,北京 100083; 2. 安慶師范學(xué)院 資源環(huán)境學(xué)院, 安慶 246011； 3. 中國環(huán)境科學(xué)研究院 湖泊研究中心,北京 100012)

洱海(N25°25′～26°16′,E99°32′～100°27′)是云南大理白族自治州主要的飲用水源，自20世紀(jì)90年代以來，湖泊水質(zhì)日趨下降。1996年和2003年，洱海兩度爆發(fā)了藍(lán)藻水華[1]，被國家“十一五”水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)定位為“富營養(yǎng)化初期湖泊”[2]。近年來，在云南省、大理州政府與“十一五”水專項(xiàng)課題組的共同努力下，洱海水質(zhì)惡化趨勢得到了遏制。2011年，環(huán)保部、財(cái)政部將洱海列入“國家良好湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)專項(xiàng)”名單，引導(dǎo)洱海建立生態(tài)環(huán)境保護(hù)長效機(jī)制[3]。當(dāng)前，對洱海繼續(xù)保持“良好湖泊”構(gòu)成較大威脅的是以農(nóng)田退水、村落污水為主的低污染水。為降低洱海水質(zhì)下降風(fēng)險(xiǎn)，治理低污染水已經(jīng)刻不容緩。然而，相對于其他污水，低污染水水量較大、水質(zhì)水量波動(dòng)性強(qiáng)、污染物濃度及碳氮比相對較低，若使用傳統(tǒng)污水深度處理方法治理，存在著技術(shù)及成本上的雙重瓶頸。人工濕地凈水系統(tǒng)投資省、運(yùn)行費(fèi)用低，對低污染水的治理效率較高，兼之洱海地處高原，四季溫差不大，有利于濕地凈化系統(tǒng)持續(xù)發(fā)揮作用[4,5]。

然而，人工濕地占地面積較大[6]，在洱海建設(shè)或恢復(fù)濕地必將占用農(nóng)田，從而影響流域內(nèi)占總?cè)丝?7%的農(nóng)業(yè)人口的生活。幸運(yùn)的是，濕地系統(tǒng)并不單純是水處理系統(tǒng)，它還兼有產(chǎn)出濕地產(chǎn)品(主要是植物)的功能，只要選擇好具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的濕地植物，為農(nóng)戶創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，就能減少濕地(人工濕地)凈水系統(tǒng)建設(shè)阻力，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和持續(xù)性。海菜花(Otteliaacuminata(Gagnep.) Dandy)屬水鱉科(Hydrocharitaceae)沉水植物，為中國特有種，它營養(yǎng)豐富、外形優(yōu)美，具有較高的食用、藥用和觀賞價(jià)值，市場潛力較大[7]，若能應(yīng)用到濕地(人工濕地)凈水系統(tǒng)中，必可取得環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益的雙豐收。本文從技術(shù)、環(huán)境、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)4個(gè)方面，系統(tǒng)論述了將海菜花應(yīng)用到低污染水處理濕地中的可行性，以期總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而為洱海環(huán)境保護(hù)“一湖一策”提供具有啟示性的理論依據(jù)。

1 海菜花應(yīng)用到洱海低污染水處理濕地中的技術(shù)可行性

20世紀(jì)60年代—80年代初，洱海仍廣布有海菜花，最大分布水深可達(dá)6 m，最大群落總蓋度可達(dá)80%[8]，但自80年代中后期起，洱海海菜花開始退化，指示湖泊沼澤化的微齒眼子菜群落(P.maackianu)開始占據(jù)優(yōu)勢。1994年，中國設(shè)立了蒼山洱海國家級自然保護(hù)區(qū)，加強(qiáng)了對包括海菜花在內(nèi)的清水物種的保護(hù)。近年來，洱海流域又陸續(xù)開展了濕地建設(shè)、 “三退三還”和58 km湖濱帶生態(tài)修復(fù)工程等水環(huán)境保護(hù)和修復(fù)措施，使洱海水體環(huán)境得到了較大的改善，但海菜花天然群落在1996年消失后，再未能恢復(fù)。最近幾次沉水植物調(diào)查表明，洱海內(nèi)仍無海菜花天然群落的身影[9]。

2011年3月，“十一五”國家重大水專項(xiàng)實(shí)施了“洱海湖濱帶生物多樣性恢復(fù)示范工程”，在大理鎮(zhèn)才村小邑莊開展了規(guī)模為54 m×32 m的海菜花種植實(shí)驗(yàn)，其相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 海菜花種植相關(guān)參數(shù)[10]

在采取了人工輔助定植、除草等措施后，2011年10月，該實(shí)驗(yàn)區(qū)海菜花幼苗成活率達(dá)60%，成苗成活率達(dá)80%。但在人工干預(yù)措施停止約1年后，筆者于2013年5月現(xiàn)場調(diào)查表明，由于風(fēng)浪干擾及種間競爭，此地海菜花僅有零星分布，其群落衰敗明顯。據(jù)此可以判斷，在自然條件下恢復(fù)海菜花并使之保持穩(wěn)定，仍存在一定的難度。

人工濕地與天然湖泊不同，其環(huán)境相對封閉，水流速度相對較慢，可以克服天然湖泊中很難避免的風(fēng)浪干擾。另外，人工濕地有常設(shè)的管理機(jī)構(gòu)，配備有管理人員，其人工干預(yù)規(guī)范而又穩(wěn)定。在大理州洱源縣，有許多運(yùn)行良好的海菜花種植水田，海菜花的人工種植技術(shù)及管理技術(shù)較為成熟。舒樹森等[11]從選地整地、繁殖、種植及日常管理等方面對海菜花人工種植技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，指出該類技術(shù)簡單而便于掌握，在人工濕地中進(jìn)行日常管理和產(chǎn)品采收十分方便。

因此，雖然海菜花的野外自然恢復(fù)未獲成功，但在洱海低污染水處理濕地這樣一個(gè)半人工系統(tǒng)中應(yīng)用海菜花，其種植及管理技術(shù)則較為成熟，不存在技術(shù)方面的瓶頸。

2 海菜花應(yīng)用到洱海低污染水處理濕地中的環(huán)境可行性

從環(huán)境角度看，水生植物通過向基質(zhì)中釋放氧氣、改變水力傳導(dǎo)能力、刺激根系微生物生長、直接吸收營養(yǎng)鹽和圈定污染區(qū)等作用在人工濕地凈水系統(tǒng)中扮演著重要的角色[12,13]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水生植物可以傳輸約90%的氧到根系周圍，為微生物分解轉(zhuǎn)化有機(jī)物提供氧分。由于植物根和根系對介質(zhì)的穿透作用，還能在介質(zhì)中形成許多微小氣室或間隙，減小介質(zhì)的封閉性，增強(qiáng)介質(zhì)的疏松度，從而使得介質(zhì)的水力傳輸?shù)玫郊訌?qiáng)和維持。成水平在人工濕地處理污水的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3—5 個(gè)月的污水處理后，不種植物的對照土壤介質(zhì)板結(jié)，發(fā)生淤積，而種有水燭和燈心草的人工濕地滲慮性能好，污水能很快地滲入介質(zhì)[14]。另據(jù)研究，水生植物塘在生長旺季，氨氮去除率為80%～98%，總磷去除率為60%～96%；蘆葦床(Phragmitascommunis)總磷去除率為75.6%，比空白床高26.9%；兩棲榕(Ficussp.)人工濕地凈水系統(tǒng)對生活污水的總氮、總磷有較好的凈化效果，與未種植物的系統(tǒng)相比，總氮、總磷去除率分別提高了17%和12%[15]。

因此，從理論上講，只要具備一定的水質(zhì)凈化能力，任何水生植物都可以作為濕地(人工濕地)凈水系統(tǒng)的重要構(gòu)件。然而，在中國大部分地區(qū)，水生植物生長具有明顯的季節(jié)性，人工濕地的污水凈化能力受氣溫影響較大[16]。

洱海地區(qū)四季氣候比較平穩(wěn)，氣溫波動(dòng)不大，海菜花一年四季皆可生長，這就使海菜花在洱海低污染水凈水系統(tǒng)中的應(yīng)用具備了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。同時(shí)，海菜花還具有抑藻凈水功能，李杰等[17]使用海菜花種植水培養(yǎng)浮游藻類，發(fā)現(xiàn)種植水比例越高，浮游藻類生長越慢，這表明海菜花在生長過程中能產(chǎn)生抑制浮游藻類生長的生化物質(zhì)。蔣嵐嵐等[18]在長江中下游使用復(fù)合型人工濕地工藝處理城鎮(zhèn)污水處理廠尾水時(shí)，曾經(jīng)報(bào)道第3級表面流濕地種植有海菜花，這是海菜花應(yīng)用到濕地凈水系統(tǒng)的一次嘗試。

另外，濕地來水污染負(fù)荷對植物凈化處理效果有重大影響，袁東海等[19]研究表明，污染負(fù)荷越低，植物處理效果越好。洱海低污染水各項(xiàng)指標(biāo)ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(NH3-N)范圍依次為2.3～6.3 mg/L、0.25～0.75 mg/L和0.6～4.5 mg/L，幾乎與一般濕地研究所設(shè)的污染負(fù)荷的最小限值相當(dāng)。而根據(jù)筆者對現(xiàn)有海菜花田的調(diào)查，雖然海菜花田一年要施用肥料2次，畝均施用復(fù)合肥達(dá)100 kg，但養(yǎng)殖田水中ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(NH3-N)含量分別介于0.8～4.5 mg/L、0.03～0.06 mg/L和0.1～0.5 mg/L之間，遠(yuǎn)低于低污染水各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值，這說明海菜花一定存在某種獨(dú)特的凈水機(jī)制。

綜上，洱海氣候適宜，低污染水營養(yǎng)豐富，海菜花四季生長旺盛，具有一定的凈水能力，雖然其凈水作用機(jī)理尚待實(shí)驗(yàn)定量，但就環(huán)境可行性來講，海菜花完全可以應(yīng)用到洱海低污染水濕地凈水系統(tǒng)中去。

3 海菜花應(yīng)用到洱海低污染水處理濕地中的生態(tài)可行性

有研究者認(rèn)為植物在人工濕地中對營養(yǎng)鹽的去除作用其實(shí)很小[20]，姑且不論這個(gè)結(jié)論的科學(xué)性，僅從生態(tài)角度看，水生植物為濕地多種生物提供了獨(dú)特的生境，在動(dòng)植物保護(hù)方面具有重要的生態(tài)作用。具體到海菜花上，海菜花是云南湖泊的旗艦種，具有重要的生態(tài)指示意義，曾有人把云南的湖泊植物區(qū)系稱為海菜花區(qū)系[21]。使用海菜花作為濕地植物的優(yōu)勢種，是瀕危物種保護(hù)、恢復(fù)和利用的一舉三得的有益嘗試，具有多重的理論及實(shí)踐意義。

在長期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，洱海流域天然濕地大多被農(nóng)田和魚塘侵占。隨著2006年以來“三退三還”工程的開展，濱湖濕地有所恢復(fù)，但其恢復(fù)規(guī)模較小、恢復(fù)水平較低。因此，在云南洱海湖濱帶的生態(tài)恢復(fù)及湖濱緩沖帶建設(shè)研究中, 從20世紀(jì)末開始，研究者陸續(xù)提出了建立濕地凈水系統(tǒng)的建議?！笆濉币潦迹谠颇鲜?、大理州政府及國家重大水專項(xiàng)的促成下，洱海流域開展了浩大的“三萬畝濕地建設(shè)工程”，濕地植物的選擇已成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。王圣瑞等[22]認(rèn)為，必須將不同地域的差異和特殊性作為濕地凈水系統(tǒng)植物選擇中要考慮的重要因素。而在很多濕地凈水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在植物選擇上多傾向于凈水能力較大的物種，常常不考慮其與本地環(huán)境的適應(yīng)性及與本地物種的競爭性，極易造成外來物種入侵。海菜花是洱海本地種，在水質(zhì)較好的歷史時(shí)期，一度在該湖6 m水深以淺水域占據(jù)優(yōu)勢。因此，在洱海大規(guī)模濕地建設(shè)中，選用海菜花作為重要的濕地植物，符合濕地構(gòu)建水生植物選擇的“適地適種、適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、地形條件和人文景觀條件”原則，能有效避免生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

從生態(tài)美學(xué)角度看，濕地凈水系統(tǒng)的清潔性、獨(dú)特性、愉悅性和可觀賞性主要是通過植物來體現(xiàn)的，陳飛星等[23]通過荷花-睡蓮系統(tǒng)不僅改善了北京動(dòng)物園的水環(huán)境，而且改善了園區(qū)景觀。岳春雷等[24]通過種植吉祥草(Reineckeacarnes)和黑麥草(LoliuwnperenneL.)構(gòu)建濕地凈水系統(tǒng)處理景區(qū)污水，不但凈水效果較好，而且也美化了周圍環(huán)境。而海菜花“長莖長葉，葉似車前葉而大，皆藏水內(nèi)。抽草作長苞，十?dāng)?shù)花同一苞，花開則出于水面；三瓣色白，瓣中凹，視之如六，大如杯，多皺而薄；黃蕊素尊, 照耀漣漪”[25]，造景效果極佳。因此，構(gòu)建海菜花濕地，能給洱海再添迤邐風(fēng)光，生態(tài)美學(xué)效果較好。

總之，將海菜花應(yīng)用到洱海低污染水濕地凈水系統(tǒng)中，不僅可以規(guī)避外來物種入侵風(fēng)險(xiǎn)，而且有利于瀕危物種的恢復(fù)，更有助于增加洱海的生態(tài)景觀效益，生態(tài)可行性較好。

4 海菜花應(yīng)用到洱海低污染水處理濕地中的經(jīng)濟(jì)可行性

人們考慮濕地經(jīng)濟(jì)價(jià)值，一般從環(huán)境容量價(jià)值、資源價(jià)值和社會(huì)價(jià)值入手。其中資源價(jià)值又分為人工濕地產(chǎn)出物(主要是植物) 和凈水價(jià)值。但在實(shí)際操作中，大都崇尚濕地凈水系統(tǒng)的自我管理，因此并不特別重視人工濕地產(chǎn)出物價(jià)值。直到近年來，人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中植物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值才開始得到重視。胡煥斌[26]報(bào)道用經(jīng)濟(jì)價(jià)值更大的木本植物作為人工濕地主要植被，其凈水效果和蘆葦接近，黃時(shí)達(dá)等[27]在將燈芯草作為處理四川黔江地區(qū)白巖煤礦坑酸性污水和生活污水的濕地凈水系統(tǒng)植物，主要也是考慮了燈芯草是四川農(nóng)民經(jīng)常栽種的經(jīng)濟(jì)作物。

根據(jù)研究，海菜花的葉和花葶蛋白質(zhì)含量與豆類相當(dāng)[28]，粗脂肪含量高，碳水化合物和粗纖維含量較低，灰分較條滸苔和海帶低，P、K含量為最高，具有較高的食用價(jià)值[29]。同時(shí)，海菜花還具有一定藥用食用價(jià)值，可治咯血、哮喘、便秘等多疾病，經(jīng)常食用具有明顯的減肥和美容效果[30]。因此，海菜花具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另外，Quan等[31]在研究拉市海人類行為對水鳥的影響時(shí)指出，由于過度開發(fā)，海菜花在其主要棲息湖泊中發(fā)生了大規(guī)模的退化，進(jìn)而導(dǎo)致了市場價(jià)格的抬高。在人工種植條件下，海菜花產(chǎn)量高而施肥量少，種植成本低。每年產(chǎn)海菜花可達(dá)7500 kg/hm2，按2007年高產(chǎn)期市場最低價(jià)5.00元/kg計(jì)算，每年每公頃水田凈經(jīng)濟(jì)收入可達(dá)到30000元以上[11]。

長期以來，洱海上關(guān)農(nóng)民就有人工培植海菜花銷售盈利的豐富實(shí)踐，將海菜花應(yīng)用到濕地凈水系統(tǒng)中，可以充分利用來水中營養(yǎng)鹽，變廢為寶，同時(shí)持續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，為失地農(nóng)民提供生活保障。

5 結(jié)論

當(dāng)前，洱海低污染水中N、P入湖量占外源入湖總量的1/3，為降低洱海水質(zhì)下滑風(fēng)險(xiǎn)，治理低污染水已經(jīng)刻不容緩。相較于其他污水，低污染水水量較大、水質(zhì)水量波動(dòng)性強(qiáng)、污染物濃度及碳氮比相對較低，若使用傳統(tǒng)污水深度處理方法治理，存在技術(shù)及成本上的雙重瓶頸。洱海地處高原，四季溫差不大，有利于濕地凈水系統(tǒng)持續(xù)發(fā)揮作用。采用濕地凈水系統(tǒng)處理低污染水時(shí)，充分發(fā)揮海菜花的作用，具有極強(qiáng)的可行性，可以取得環(huán)境效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益乃至社會(huì)效益的多重豐收，值得深入開展研究。

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