富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化研究進(jìn)展

朱麗麗+張路+李換平+謝夢(mèng)薇+江解增

摘要：指出了我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化問題的嚴(yán)重性，主要從富營(yíng)養(yǎng)化水體的概念、危害、成因、修復(fù)等方面進(jìn)行了論述，重點(diǎn)探討了其防治策略，主要包括控制減少外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、清除自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及生態(tài)修復(fù)等，其中生態(tài)修復(fù)又包括浮游動(dòng)物、細(xì)菌的投加，引種水生植物（沉水、挺水、漂浮），建立植物浮床系統(tǒng)（蕹菜、水芹、豆瓣菜）等，最后對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：富營(yíng)養(yǎng)化；凈化；生態(tài)修復(fù)；水生植物；植物浮床

1 引言

隨著人類工業(yè)化的發(fā)展以及農(nóng)田排水的面源污染不斷加劇，水體富營(yíng)養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重[1]。水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化后，水中藻類以及浮游生物的大量繁殖會(huì)造成水中溶解氧的消耗，進(jìn)而使水中魚類等其他生物缺氧死亡，水質(zhì)惡化，破壞水生生態(tài)系統(tǒng)[2]。富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化策略多樣，筆者系統(tǒng)地介紹了各種凈化修復(fù)方式，旨在為富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化提供參考。

2 富營(yíng)養(yǎng)化水體成因

氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，關(guān)于其富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)的來源可以分為兩類：第一類指的是內(nèi)因，主要指的是水體自身的深度、流速、循環(huán)周期等[3]，其中水體越淺，水體流速越慢，循環(huán)周期越長(zhǎng)則更易導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的產(chǎn)生。第二類為外因，主要指的是人為因素，且人為因素對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的形成占據(jù)主要成分，其中對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的產(chǎn)生影響最大的是農(nóng)田排水導(dǎo)致的面源污染，主要原因是化肥農(nóng)藥的盲目施用；其次，生活污水、未經(jīng)處理的工業(yè)廢水以及植被的破壞也會(huì)造成水體不同程度的水體富營(yíng)養(yǎng)化。因此，根據(jù)富營(yíng)養(yǎng)化水體多樣化的成因，可為其防控或修復(fù)提供參考。

3 防治措施

富營(yíng)養(yǎng)化水體的形成為一個(gè)不斷累積的過程，因此，可首先采取預(yù)防策略，減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的富集，避免富營(yíng)養(yǎng)化水體的形成，其措施主要包括減少外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入以及清除水體自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。其次，在已經(jīng)形成富營(yíng)養(yǎng)化的河流中可采取修復(fù)策略，主要包括物理方法、化學(xué)方法和生物方法三種，物理方法可采用更換水體、促進(jìn)水體流動(dòng)、引入外源水進(jìn)行稀釋以及河道疏浚等措施；化學(xué)方法主要指的是添加一些試劑等，可包括除臭的氧化劑高錳酸鉀、自由氯、二氧化氯和臭氧等，除藻劑硫酸銅、二氧化氯等[6]，物理方法和化學(xué)方法雖然具有一定效果，但成本較高，且易產(chǎn)生副作用，生物修復(fù)效果顯著，且副作用較小，因此被廣泛引用。

3.1 減少外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

富營(yíng)養(yǎng)化水體的成因主要分為內(nèi)因和外因兩部分，其中外因即外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入同時(shí)也是絕大部分富營(yíng)養(yǎng)化河流的成因，因此，控制或減少外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體有助于從根本上避免水體的富營(yíng)養(yǎng)化，其具體的防控策略主要包括制定相應(yīng)環(huán)保策略；控制農(nóng)田污染，提高農(nóng)藥、化肥利用率；對(duì)城市生活污水中排放的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)實(shí)行截流，減少其對(duì)水體的污染[4]。

3.2 清除水體自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在水體不斷累積的過程中，會(huì)促進(jìn)藻類等的異常繁殖，惡化水體環(huán)境，因此，可采取人工打撈富營(yíng)養(yǎng)化生物，減少水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的累積量，但其只適用在水體富營(yíng)養(yǎng)化的初期，且工作量較大，適用范圍較窄；且富營(yíng)養(yǎng)化水體的底泥中所含有的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)不斷向河水中釋放，因此，可向發(fā)生水體富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊投加鋁鹽抑制湖底的磷釋放，改善水質(zhì)，底泥疏浚，即把富含磷的湖泊底泥表層挖掉，也是一種最有效、最直接的辦法，但費(fèi)用較高[5]。

3.3 生態(tài)修復(fù)

水體富營(yíng)養(yǎng)化的生態(tài)修復(fù)，是通過利用特定的微生物、水生植物以及部分水生動(dòng)物對(duì)水體中的營(yíng)養(yǎng)素進(jìn)行降解、吸收和轉(zhuǎn)化，逐漸降低水體中有機(jī)物濃度，消除水體污染，最終恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)，生物修復(fù)可自發(fā)或人工設(shè)計(jì)建立并受控[7]。

3.3.1 浮游動(dòng)物

浮游動(dòng)物種類多樣，向富營(yíng)養(yǎng)化水體中投加合適的浮游動(dòng)物不僅可取食水中大量繁殖的藻類等水生植物，避免其與水中其他生物爭(zhēng)奪氧氣，減少生物因缺氧導(dǎo)致的死亡量，且浮游動(dòng)物的投加還可進(jìn)一步豐富水生生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，提高其自我恢復(fù)功能。

3.3.2 細(xì)菌

水體本身含有部分細(xì)菌等微生物可達(dá)到凈化水體的作用，但當(dāng)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較為嚴(yán)重時(shí)，其細(xì)菌數(shù)量較少或環(huán)境條件限制其大量繁殖，從而凈化能力較弱，因此，可向水體中投入人工培養(yǎng)的高效微生物，調(diào)節(jié)水體環(huán)境以促進(jìn)其大量繁殖，從而增強(qiáng)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化能力。

3.3.3 水生植物

富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)包括引入植物、動(dòng)物、微生物，其中在富營(yíng)養(yǎng)化水體中引進(jìn)植物進(jìn)行修復(fù)不僅成本低，效果顯著，且生態(tài)效益較高，值得廣泛應(yīng)用。水生植物種類豐富，按生態(tài)類型，可分為沉水植物、挺水植物、飄浮植物等，不同水生植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)中具有不同的效果，篩選適宜不同水體的水生植物具有重要的意義。

（1）沉水植物。沉水植物種類豐富，主要有金魚藻、輪藻、狐尾藻、眼子菜等，沉水植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果較為顯著主要依賴于其各部分均可以從水中吸收養(yǎng)分，因此即使水體中養(yǎng)分較少依然可以維持生命，繼續(xù)生長(zhǎng)，因此與其他植物相比具有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，且種類豐富多樣也對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的植株引種提供了較多的選擇空間，可依據(jù)不同植株的凈化效果合理選擇。

宋福等[8]研究發(fā)現(xiàn)伊樂藻、苦草、狐尾藻、菌齒眼子菜、金色藻、范草、輪藻對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中總氮、總磷均有顯著去除作用。田琦等[9]通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，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(duì)水環(huán)境質(zhì)量的改善能力，結(jié)果表明，金魚藻和馬來眼子菜對(duì)總氮的去除能力較強(qiáng)，對(duì)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，綜合來說，金魚藻對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化能力優(yōu)于其余4種。

沉水植物整株都沉于水下，對(duì)光照的接收能力較弱，其生長(zhǎng)繁殖也受到一定限制，從而就在一定程度上制約了沉水植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體中的大量廣泛的應(yīng)用。因此，在富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化中植物的選擇可采取搭配引種，避免植物的過于單一，提高其凈化效果。

（2）挺水植物。挺水植物在水體的凈化過程中應(yīng)用較為廣泛，首先取決于其較大的生物量，生長(zhǎng)繁殖需吸收大量養(yǎng)分，能有效降低水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，其次，挺水植物還具有較高的觀賞價(jià)值，不僅可凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體同時(shí)還可以美化環(huán)境，比如香蒲、水蔥、蘆葦、菖蒲、黃花鶯尾、水生美人蕉等，其合理的搭配種植可顯著提高其觀賞價(jià)值，同時(shí)，部分挺水植物還具有食用價(jià)值，如慈姑等，因此，挺水植物以其多種價(jià)值共有的特性在富營(yíng)養(yǎng)化水體中的應(yīng)用日益廣泛。

黃時(shí)達(dá)[10]以燈心草、蘆葦和菖蒲三種植物為研究對(duì)象，探究其水體凈化能力的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)燈心草去除能力高于蘆葦、菖蒲。朱華兵[11]研究發(fā)現(xiàn)香蒲凈化系統(tǒng)對(duì)TN（總氮）、TP（總磷）的去除率分別66.0%～92.8%、77.0%～93.8%，因此，其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化能力較強(qiáng)。徐秀玲等[12]研究鳶尾、香蒲、菖蒲這3種植物對(duì)由低到高3種不同濃度的富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮、磷的去除率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這三種植物均對(duì)濃度為中等的富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化效果最好，其去除率分別為88.8%、77%、82.2%；鳶尾對(duì)由低到高不同富營(yíng)養(yǎng)化程度水體總磷的去除率鳶尾為70%、87.7%、77.5%，菖蒲為54%、80%、55.8%，香蒲為44%、60.5%、61.6%。說明3種植物對(duì)凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體均有凈化效果，且不同植株存在差異，綜合對(duì)氮磷的去除率分析得出，鳶尾對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果顯著高于香蒲。

衣十妹[13]選取7種挺水植物探究其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中全氮（TN）、全磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）高錳酸鹽指數(shù)的修復(fù)效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同種類植株對(duì)同一指標(biāo)的吸收能力存在差異，且同一植株對(duì)不同指標(biāo)的去除率也有較大差異，菖蒲和水蔥對(duì)氮的去除能力較強(qiáng)；花葉蘆竹和水生美人蕉對(duì)磷的去除能力較強(qiáng)。水生植物不僅對(duì)氮磷具有去除能力，同時(shí)其自身還具有一定的吸附功能，研究發(fā)現(xiàn)黃花鶯尾、水生美人蕉和慈菇體內(nèi)積累的氮磷量較高，說明其可以吸收富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷含量，顯著改善水體，7種植物底泥中的全磷含量始終低于對(duì)照，說明挺水植物可吸收底泥中的磷，有效避免水體環(huán)境中磷的釋放。

（3）漂浮植物。漂浮植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體也具有一定的凈化效果，其中以水葫蘆和浮萍最具代表性，一般來說，水葫蘆對(duì)污水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的凈化效率與污水中氮、磷營(yíng)養(yǎng)的濃度存在較大關(guān)聯(lián)，研究發(fā)現(xiàn)水葫蘆對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮、磷的去除效果隨著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的增加而增加，但若氮、磷負(fù)荷過高，超過其吸收速率，則凈化效率反而降低[14]。蔣艾青[15]研究發(fā)現(xiàn)，水葫蘆對(duì)城郊富營(yíng)養(yǎng)化水體魚塘中的NH3-N，NO3-N，COD，TN去除率分別為70%，88.1%，56%，73.1%，說明其對(duì)硝態(tài)氮的吸收效果最好，此外，水葫蘆對(duì)多種重金屬元素也有著較強(qiáng)的吸附能力，可有效降低水體中重金屬含量。水葫蘆浮生水面，相比其他植株具有較強(qiáng)的光照優(yōu)勢(shì)，生長(zhǎng)迅速，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收更為高效。

水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的高低同樣會(huì)影響水葫蘆的吸收效果，張春雨[16]研究發(fā)現(xiàn)放有水葫蘆的富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮、磷、鉀含量均降低，且高、中、低三種不同濃度的水體中，氮含量分別降低85%，72%，84%；磷含量分別降低94%、88%、89%；鉀分別降低了96%、95%、95%，說明水葫蘆對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度較高的富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化效果較好，且對(duì)磷、鉀的凈化效果優(yōu)于氮。因此，可根據(jù)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的種類合理選擇植株。

富營(yíng)養(yǎng)化水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的種類以及各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度均會(huì)影響浮萍對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果，研究發(fā)現(xiàn)：在水體中氮素較高時(shí)，浮萍優(yōu)先選擇吸收的是氨氮（NH+4），當(dāng)?shù)睾枯^低時(shí)，浮萍會(huì)選擇吸收其他形式的氮，如硝態(tài)氮等，蔣躍平等[17]研究同樣發(fā)現(xiàn)浮萍對(duì)氨氮和硝態(tài)氮的最大吸收速率和親和力存在顯著差異，其對(duì)氨氮的親和力和吸收能力都優(yōu)于硝態(tài)氮等其他形式的氮。然而，水體中氮濃度過高也會(huì)抑制其對(duì)氮的吸收[18]，主要因?yàn)楦邼舛鹊牡獣?huì)使浮萍細(xì)胞膜發(fā)生極化反應(yīng)，抑制陽離子傳輸，對(duì)浮萍生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。

3.3.4 建立植物浮床系統(tǒng)

生物修復(fù)方法具有無副作用、價(jià)格低廉和易操作等特點(diǎn)，是當(dāng)前富營(yíng)養(yǎng)化水體治理研究的熱點(diǎn)[19]。而作為一種新興的生物生態(tài)修復(fù)方法—植物浮床技術(shù)，由于它運(yùn)行簡(jiǎn)單，成本低，易管理，且所種植株不僅可具有觀賞價(jià)值，同時(shí)還可具備食用價(jià)值，正受到越來越多研究者與使用者的青睞[20]。植物浮床技術(shù)是以浮床為載體實(shí)現(xiàn)高等植物在水面的種植，并通過植物根部的吸收吸附作用和物種競(jìng)爭(zhēng)相克機(jī)理，降低富營(yíng)養(yǎng)化水體中聚集的氮磷及有機(jī)物質(zhì)，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。但不同植株其凈化效果存在較大的差異，眾多的研究結(jié)果表明，水蕹菜適應(yīng)強(qiáng)、生長(zhǎng)快、氮磷去除率高，可大范圍推廣用作建立植物浮床系統(tǒng)[21]。

現(xiàn)有的研究結(jié)果顯示，浮床水蕹菜對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的適應(yīng)性很強(qiáng)，試驗(yàn)存活率可達(dá) 99% ，且根莖葉生長(zhǎng)效果比土培更好[22]。眾多研究結(jié)果表明水蕹菜對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的銨氮（NH4-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和 COD 均有去除效果。黃婧等[22]研究發(fā)現(xiàn)水蕹菜浮床對(duì)湖北大學(xué)環(huán)境工程污水（沙湖水）TN的吸收量為73.06 g / m2，對(duì) TP 的吸收量為20.21 g/m2，唐林森[23]研究發(fā)現(xiàn)水蕹菜浮床對(duì)武漢市郊帶有大量生活污水排入的池塘水TN的吸收量為82.95 g/m2，對(duì)TP的吸收量為11.58 g/m2?？梢?，水蕹菜可吸收富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)成分，對(duì)水體的凈化起著重要的作用，且水蕹菜還具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此，可大力推廣其在水體凈化中的應(yīng)用。

水蕹菜不同品種間對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果存在差異。胡雄等[24]以大葉青梗、細(xì)葉青梗、大葉白梗、柳葉白梗4個(gè)華中地區(qū)常見的水蕹菜品種為試驗(yàn)材料探究不同品種水蕹菜對(duì)水體凈化效果的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大葉白梗水蕹菜去除氮磷的效果明顯好于其余3個(gè)品種，因此，可大力推廣其在富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化中的應(yīng)用。

水蕹菜對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)效果不僅存在品種差異，同時(shí)其栽植密度以及采收期也會(huì)產(chǎn)生一定影響。黃海平等[25]研究了不同栽植密度水蕹菜對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)的凈化效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)10 g/L的栽植密度對(duì)水體修復(fù)效果顯著好于其余密度，且此時(shí)水蕹菜長(zhǎng)勢(shì)也最佳。賈悅等[26]研究發(fā)現(xiàn)水蕹菜每2周、3周、4周后采收一次其對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除存在差異，且采后水蕹菜的留茬高度不同，對(duì)水體N，P的吸收量也存在差異，綜合研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每21 d采收1次、留茬15cm的采收方式效果最佳，且采后水蕹菜對(duì)水體的適應(yīng)能力依舊較強(qiáng)，對(duì)其正常生長(zhǎng)影響較小。

水蕹菜較耐高溫，低溫下生長(zhǎng)緩慢，因此，在冬季浮床生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用受限，水生蔬菜水芹和豆瓣菜為喜冷涼性作物，其在浮床生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用可大力彌補(bǔ)冬季低溫浮床植物的匱乏問題。胡綿好等[27]以水芹和豆瓣菜為試驗(yàn)材料，研究其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量較高的水體中均可以生長(zhǎng)良好，且對(duì)水體的凈化效果隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，處理20 d，水芹對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的TN、NH+4-N、TP、CODMn、Chla的去除率分別達(dá)到76.86%、69.39%、90.45%、95.03%和89.81%，豆瓣菜對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的TN、NH+4-N、TP、CODMn、Chla的去除率分別達(dá)到78.27%，67.95%，89.98%，95.38%和91.28%，可以看出其對(duì)修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體具有顯著的凈化作用，且采收的水芹、豆瓣菜符合食用標(biāo)準(zhǔn)，不影響其產(chǎn)品價(jià)值。因此，可大力推廣水芹、豆瓣菜在富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)中的應(yīng)用，不僅可以凈化水體且具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

向文英等[28]以水芹為生態(tài)浮床材料探究栽植密度以及基質(zhì)的不同對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)水芹生態(tài)浮床對(duì)TP的去除效果隨著栽植密度的加大而增強(qiáng)，水芹浮床的基質(zhì)不同其對(duì)TN的去除也存在較大差異，研究發(fā)現(xiàn)陶?；|(zhì)的去除效果優(yōu)于黃砂基質(zhì)，因此，在選用不同植株建立浮床系統(tǒng)時(shí)可充分考慮其不同因素對(duì)水體凈化效果的影響，進(jìn)而建立最佳的植物浮床系統(tǒng)，使凈化效果達(dá)到最優(yōu)。

4 展望

目前，我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化正日益嚴(yán)重，其不僅危害水質(zhì)，還會(huì)造成溶解氧減少，危害水生動(dòng)植物的安全，其治理策略主要有浮床技術(shù)，主要植株有蕹菜、水芹、豆瓣菜等水生蔬菜，引種水生植物，如黃花鶯尾、水生美人蕉、慈菇以及水葫蘆浮萍等，均能顯著降低水中的全氮、全磷含量，改善水體，且植株也能產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但對(duì)于源頭治理作用較小。目前，水體富營(yíng)養(yǎng)化主要由農(nóng)業(yè)的面源污染引起，因此，接下來可以大力倡導(dǎo)減量施肥，減少農(nóng)業(yè)面源污染，其不僅能緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化，更符合農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是一項(xiàng)有利于農(nóng)業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的舉措。

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