高等水生植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體治理中的作用

鄭 鶯　(福州市環(huán)境科學(xué)研究院,福建福州 350011)

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高等水生植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體治理中的作用

鄭 鶯(福州市環(huán)境科學(xué)研究院,福建福州 350011)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)干擾日益嚴(yán)重，我國(guó)湖泊(水庫(kù))水環(huán)境質(zhì)量日趨富營(yíng)養(yǎng)化，富營(yíng)養(yǎng)化水體的控制治理成為迫待解決的問(wèn)題。富營(yíng)養(yǎng)化水體治理有物理、化學(xué)、生物等修復(fù)手段。由于生物修復(fù)在成本、原料來(lái)源、生態(tài)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益等方面具有物理、化學(xué)修復(fù)所不具備的優(yōu)點(diǎn)[1]，因此水體生物修復(fù)研究成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，生物修復(fù)的研究范圍包括利用藻類(lèi)、微生物、基因、高等植物、水生動(dòng)物等治理富營(yíng)養(yǎng)化水體[2]。高等水生植物修復(fù)是生物修復(fù)的一種。由于高等水生植物獨(dú)特的環(huán)境生物學(xué)特征和生態(tài)功能，其在水體生物修復(fù)中具有重要的地位，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其抑藻凈水機(jī)制及應(yīng)用進(jìn)行了廣泛深入的研究，并取得了一定的成果。

1高等水生植物修復(fù)

高等水生植物修復(fù)是指通過(guò)植物的吸收、吸附作用和代謝功能，將水體中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸附、沉淀、分解和吸收[3]。其基本思想是通過(guò)人工控制浮葉植物、沉水植物、挺水植物、漂浮植物等高等水生植物的比例，降低水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，起到修復(fù)水體的作用。成功的高等水生植物修復(fù)需具備以下條件：一是植物對(duì)污染物具有強(qiáng)的耐受性及潔污凈化能力。林連升等研究發(fā)現(xiàn)，不同富營(yíng)養(yǎng)化的水體中，植物修復(fù)能力存在差異，選擇適應(yīng)性強(qiáng)的水生植物對(duì)修復(fù)效果至關(guān)重要[4]。二是水生植物代謝產(chǎn)物不會(huì)產(chǎn)生二次污染。有研究發(fā)現(xiàn)，鳳眼蓮等植物若收割不及時(shí)，植物腐爛后會(huì)釋放出大量的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽，造成水體二次污染[5]。因此，在利用水生植物進(jìn)行水體富營(yíng)養(yǎng)化治理時(shí)，要管理恰當(dāng)，避免抑制了藻類(lèi)但又影響了環(huán)境。三是將環(huán)境景觀效益和經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合。目前水生植物修復(fù)研究多注重環(huán)境景觀效益，經(jīng)濟(jì)效益方面涉及較少。黃海平研究了水蕹菜浮床在精養(yǎng)魚(yú)池中的應(yīng)用，結(jié)果表明，建植水蕹菜浮床的池塘利潤(rùn)是沒(méi)有設(shè)立水蕹菜浮床池塘利潤(rùn)的1.74倍[6]。因此，利用經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的水生植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，具有環(huán)境、經(jīng)濟(jì)雙重效益。四是投資、維護(hù)等費(fèi)用低。

2修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的高等水生植物種類(lèi)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是一種水質(zhì)生態(tài)惡化的水體效應(yīng)，主要是水中輸入過(guò)量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽引起。能否有效地去除過(guò)量的氮磷，成為修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的關(guān)鍵。已報(bào)道的能去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷的高等水生植物有挺水植物(如菖蒲、燈心草、水田芥、蘆葦、香蒲、水蔥、梭魚(yú)草、茭白、美人蕉、鴨跖草、短葉茳芏、風(fēng)車(chē)草、鳶尾、旱傘草、紅掌對(duì)葉草、薄荷草、大柳、水白菜、寶塔草、香根草、再力花、花葉蘆竹、水蔥、蜘蛛蘭、蒲草、三棱草、水芹菜等)、沉水植物(如金魚(yú)藻、菹草、輪藻、微齒眼子菜等)、漂浮及浮葉植物(如水蕹菜、睡蓮、空心蓮子草、水葫蘆、荷花、莼菜、黃花水龍等)[5-14]。不同種類(lèi)高等水生植物的凈化能力不同。劉燕等研究表明，挺水及沉水植物對(duì)氮磷吸收富集能力較強(qiáng)，浮葉和漂浮植物較低[14]。根部是挺水植物吸收底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽的主要器官，浮葉植物和漂浮植物一般通過(guò)根、莖吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，沉水植物的根莖葉能較好地去除污染物[15]。

對(duì)常見(jiàn)的能修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的高等水生植物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)部分高等水生植物能分泌化感抑藻物質(zhì)來(lái)控制藻類(lèi)的生長(zhǎng)。邊歸國(guó)對(duì)國(guó)內(nèi)外漂浮、浮葉、挺水、沉水等62種植物化感抑藻的研究成果予以綜合評(píng)述報(bào)道，較完整地歸納了能夠產(chǎn)生化感物質(zhì)的水生植物，其中沉水植物所占的比例最大[16]。有學(xué)者對(duì)這一現(xiàn)象的原因解釋為：沉水植物與浮游藻類(lèi)在同一生長(zhǎng)環(huán)境下，對(duì)光照、營(yíng)養(yǎng)鹽的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，致使其選擇化感作用來(lái)抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng)[17]。不同類(lèi)型的高等水生植物的抑藻能力不同，如穗花狐尾藻的抑藻能力較強(qiáng)，水浮蓮的抑藻能力中等，菹草的抑藻活性較弱[17]。同一水生植物不同器官的抑藻能力也有區(qū)別，如蘆葦?shù)母?、莖抑藻能力比葉片弱，菖蒲的根比莖、葉抑藻能力強(qiáng)[18-19]。水生植物釋放的化感物質(zhì)有高抑低促的特點(diǎn)。吳湘等研究發(fā)現(xiàn)，黃花水龍化感物質(zhì)在低濃度時(shí)會(huì)促進(jìn)銅綠微囊藻的生長(zhǎng)，在高濃度下才逐漸表現(xiàn)出對(duì)銅綠微囊藻的抑制作用[20]。

3高等水生植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體生物修復(fù)中的作用

高等水生植物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有控制藻類(lèi)生長(zhǎng)，維持生物多樣性以及凈水清水，維持生態(tài)穩(wěn)定等功能。高等水生植物主要是通過(guò)物理、吸收、協(xié)同、競(jìng)爭(zhēng)、化感等作用來(lái)修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體。

3.1物理作用富營(yíng)養(yǎng)化水體的透明度較差，水生植物可以通過(guò)過(guò)濾沉淀等物理作用提高水體透明度。一方面，水生植物對(duì)水體的流速有重要影響,其對(duì)水流的緩沖及穩(wěn)定作用有利于沉積物的沉降，從而提高水體透明度[21]。朱紅均等研究了漂浮植物鳳眼蓮對(duì)水流的影響，發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮對(duì)相對(duì)水流紊動(dòng)強(qiáng)度分布影響明顯[22]。另一方面，高等水生植物，一般根系發(fā)達(dá)，接觸水體的面積大，當(dāng)水流經(jīng)過(guò)時(shí)，污染物在根系表面進(jìn)行吸附、沉淀等物理作用，其中不溶性膠體被根系粘附，懸浮性的有機(jī)物和代謝產(chǎn)物被菌膠團(tuán)沉淀下來(lái)[23]。研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物、浮葉植物、挺水植物均能通過(guò)沉淀、吸附、過(guò)濾等作用減少沉積物的再懸浮，提高水體透明度[24-26]。

3.2吸收作用大型水生植物是胡泊生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)的核心環(huán)節(jié)。水中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽可以被植物的葉片、根系等器官吸收，并被其固定在系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)化為生物量。然后通過(guò)收割植物的方式從水體中輸出，以此達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。蔣躍平等認(rèn)為，在處理輕度富營(yíng)養(yǎng)化水中，植物吸收對(duì)氮磷的去除起著主要作用，貢獻(xiàn)率達(dá)50%以上[27]。但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，通過(guò)收割植物去除的氮磷量很小，植物吸收作用不是去除氮磷的主要機(jī)制[28-30]。影響植物吸收氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的因素主要有水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、植物種類(lèi)、生物量、溫度等。此外，隨著植物的衰敗、死亡、腐爛，體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)重新釋放到水體中，只有及時(shí)組織收割，才能真正實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的凈化。

3.3協(xié)同作用協(xié)同作用是指微生物和大型水生植物通過(guò)相互作用對(duì)污水中營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)行降解[31]。水生植物群落是微生物附著基質(zhì)和棲息場(chǎng)所的提供者,其莖葉為形成生物膜提供空間，根系為微生物提供基質(zhì)。生長(zhǎng)過(guò)程中，水生植物能分泌大量的低分子有機(jī)物，促進(jìn)了根際微生物的代謝，而微生物的活動(dòng)又加快了根際有機(jī)磷、有機(jī)氮的分解及其他礦質(zhì)元素的活化，從而凈化水體[32]。研究發(fā)現(xiàn)，水體污染物的去除主要是通過(guò)植物、微生物、基質(zhì)之間的聯(lián)合作用，植物的吸收作用去除營(yíng)養(yǎng)物的貢獻(xiàn)較小[28-30]。通過(guò)微生物和植物聯(lián)合治理富營(yíng)養(yǎng)化水體，可以提高治理效果。例如，胡綿好等研究結(jié)果表明，風(fēng)眼蓮+固定化氮循環(huán)細(xì)菌聯(lián)合作用對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中總氮和銨態(tài)氮的去除率比用鳳眼蓮單獨(dú)處理時(shí)的去除率高[33]。

3.4競(jìng)爭(zhēng)作用高等水生植物與藻類(lèi)都是淺水胡泊的初級(jí)生產(chǎn)者，二者在空間、光照、營(yíng)養(yǎng)等生存條件上存在競(jìng)爭(zhēng)。特別是沉水植物，由于與藻類(lèi)的生態(tài)環(huán)境完全相同，其與藻類(lèi)的競(jìng)爭(zhēng)表現(xiàn)的最為激烈。例如，吳功果等分析了1977~2009年云南洱海水生植物與浮游植物的歷史變化，發(fā)現(xiàn)洱海從貧-中營(yíng)養(yǎng)到富營(yíng)養(yǎng)化初期，沉水植物種類(lèi)減少，水生植物分布面積縮小，浮游植物數(shù)量大量增長(zhǎng)，水體透明度降低[34]。因此，高等水生植物與藻類(lèi)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、光照的競(jìng)爭(zhēng)也是一條緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化的途徑。

3.5化感作用化感作用是指植物、藻類(lèi)等生物釋放的次生代謝產(chǎn)物對(duì)生物和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響[31]，這些次生代謝產(chǎn)物被稱(chēng)為化感物質(zhì)。化感作用被認(rèn)為是大型沉水植物抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)的有效方式。高等水生植物的化感物質(zhì)可以利用多種途徑直接或間接殺死藻細(xì)胞，從而抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng)，其主要途徑有：①降低葉綠素a含量，破壞光合系統(tǒng)；②破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)；③改變酶活性，破壞抗氧化系統(tǒng)；④細(xì)胞膜內(nèi)超微結(jié)構(gòu)受損；⑤基因表達(dá)異常[35-38]。目前，關(guān)于植物化感抑藻機(jī)理的細(xì)胞水平研究較多，還不能完全解釋高等水生植物化感機(jī)理方面出現(xiàn)的問(wèn)題。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，關(guān)于化感抑藻機(jī)理的分子或基因水平研究將有利于解決化感物質(zhì)抑藻機(jī)理出現(xiàn)的問(wèn)題。

4高等水生植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

生物浮床技術(shù)、人工濕地技術(shù)是高等水生植物應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體治理的有效途徑。生物浮床技術(shù)、人工濕地技術(shù)不僅治理效果顯著，還具備一定的觀賞價(jià)值及經(jīng)濟(jì)效益。

4.1生物浮床生物浮床技術(shù)就是應(yīng)用無(wú)土栽培技術(shù)，把水生植物等移栽到水面或移植到人工載體材料上，通過(guò)植物吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并定期將植物體進(jìn)行收集，從而提高水質(zhì)[39-40]。目前，對(duì)生物浮床去除氮磷能力的研究以組合浮床為主，已有報(bào)道的組合浮床種類(lèi)有：水生植物+陶?；|(zhì)、水生植物+水生動(dòng)物+微生物、植物吸收+濾料吸附+生物掛膜、生物凈化槽/強(qiáng)化生態(tài)浮床、微曝氣生態(tài)浮床系統(tǒng)、水生植物-生物繩組合系統(tǒng)[41]。相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，組合浮床對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果較好。例如，濮培民等在貴州貴陽(yáng)紅楓湖/水庫(kù)右二灣富營(yíng)養(yǎng)化水體通過(guò)種植一定數(shù)量的水面植物，配合運(yùn)用微生物技術(shù)進(jìn)行局部(圍隔水體面積1.33 hm2)生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)植物浮島覆蓋率超過(guò)1/5~1/3時(shí)，此生態(tài)工程可以調(diào)控浮游植物種群結(jié)構(gòu)和豐度，工程內(nèi)與工程外比較，藻類(lèi)豐度減少53.6%，生物量減少39.1%，透明度提高了10 cm以上，紅楓湖局部水體實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)改善和富營(yíng)養(yǎng)化控制[42]。

4.2人工濕地人工濕地是一種由人工建造和控制運(yùn)行的模擬自然濕地的人工生態(tài)系統(tǒng)，主要利用生態(tài)系統(tǒng)中的土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的協(xié)同作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的高效凈化[43]。目前，許多流域已在用人工濕地治理水體污染。例如，濟(jì)寧市在流入南四湖的重點(diǎn)流域開(kāi)展了人工濕地建設(shè)工程，其中新薛河人工濕地示范工程已種植盧竹、蓮藕、芡實(shí)等濕地植物200 hm2，香蒲、苦江草等水生植物133.3 hm2，實(shí)現(xiàn)了挺水植物帶、浮葉植物帶、沉水植物帶的優(yōu)化配置，水體中的主要污染物去除效果明顯，出水水質(zhì)達(dá)到了地表水3類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[44-45]。母國(guó)宏對(duì)重慶市杜市鎮(zhèn)飲用水源地石龍水庫(kù)人工濕地工程建成前后的水質(zhì)監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析評(píng)估，人工濕地措施凈化效果總體比較明顯，對(duì)氮、磷具有明顯的去除效果，總氮的下降趨勢(shì)好于總磷，基本達(dá)到了凈化水體的預(yù)期目標(biāo)[46]。目前，人工濕地的研究主要涉及到生態(tài)環(huán)境方面，經(jīng)濟(jì)效益研究較少?？芟槊鞯韧ㄟ^(guò)模擬濕地環(huán)境，采用“水花生+克氏原螯蝦(魚(yú))”、“水花生+水芹菜+克氏原螯蝦(魚(yú))”、“水芹菜+伊樂(lè)藻+克氏原螯蝦(魚(yú))” 3個(gè)水生動(dòng)植物群落組合進(jìn)行養(yǎng)殖效益研究，結(jié)果表明，其平均經(jīng)濟(jì)效益分別達(dá)4.662 0、5.140 5、5.529 0萬(wàn)元/hm2[43]。

5展望

利用高等水生植物控制水體富營(yíng)養(yǎng)化是一種有效的生物治理方法，其材料來(lái)源廣，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益高，因此在未來(lái)的富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)中具有廣闊的前景。雖然高等水生植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體取得一定的成果，但還有很多問(wèn)題需深入的研究和探討。高等水生植物物種豐富，但被研究且產(chǎn)生效果的僅數(shù)10種，因此，篩選和培育能夠修復(fù)污染水體的新型水生植物，尤其是當(dāng)?shù)乜刮蹚?qiáng)、凈化效果佳的植物，以及不同植物在不同生長(zhǎng)階段的凈化效果仍是優(yōu)先考慮的研究?jī)?nèi)容。相關(guān)的研究表明，植物、微生物、基質(zhì)間的協(xié)同作用是水體中營(yíng)養(yǎng)物去除的主要途徑，植物的吸收作用僅占系統(tǒng)去除氮磷的一小部分[35-37]。由于生態(tài)浮床系統(tǒng)缺少基質(zhì)的作用，因此對(duì)高等水生植物在其系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)鹽的去除途徑，轉(zhuǎn)化效率還有待深入研究。雖然由高等水生植物組建的人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)在富營(yíng)養(yǎng)化水體治理時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但目前這一技術(shù)在開(kāi)放水體中的應(yīng)用范圍有限。因此，今后要加強(qiáng)其在自然開(kāi)放水體中大規(guī)模應(yīng)用的研究，并就其大規(guī)模應(yīng)用所帶來(lái)的生態(tài)安全性、資源化利用等進(jìn)行詳細(xì)的研究，以期能夠更好地開(kāi)展水體富營(yíng)養(yǎng)化治理。

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摘要介紹了在修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體中具有重要地位的高等水生植物種類(lèi)，綜述了其在水體治理中的作用機(jī)制及高等水生植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用情況，提出了未來(lái)高等水生植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的研究方向。

關(guān)鍵詞高等水生植物；富營(yíng)養(yǎng)化水體；生物治理

Function of Advanced Aquatic Plants in Treatment of Eutrophic Water

ZHENG Ying(Fuzhou Research Academy of Environmental Sciences, Fuzhou, Fujian 350011)

AbstractThe paper reviews the important advanced aquatic plants in treatment of eutrophic water. The mechanisms and applications of advanced aquatic plants for eutrophied water treatment are summarized and the further study about advanced aquatic plants in bioremediation of eutrophic water are prospected.

Key wordsAdvanced aquatic plants; Eutrophication water; Bioremediation

收稿日期2015-10-19

作者簡(jiǎn)介鄭鶯(1982-)，女，福建福州人，助理工程師，碩士，從事水環(huán)境污染控制方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)S 181.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2015)32-104-03