人工濕地中植物脫氮除磷影響因素綜述

李彩霞

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)生態(tài)技術(shù)與工程學(xué)院，上海 201418）

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，水域污染愈加嚴(yán)重。根據(jù)水利部調(diào)查顯示90%以上的城市水域污染嚴(yán)重[1]。目前社會(huì)采取的各種去污凈流技術(shù)措施中，其中見(jiàn)效明顯、經(jīng)濟(jì)生態(tài)的技術(shù)手段當(dāng)屬利用人工濕地植物去除地表徑流的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。第一個(gè)有關(guān)于利用濕地植物自身新陳代謝去除污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的研究是從20世紀(jì)70年代開(kāi)始的[2]，第一個(gè)有關(guān)于人工濕地處理技術(shù)的實(shí)踐是從1903年開(kāi)始的[3]。而我國(guó)廣泛研究人工濕地則是從“七五”期間才開(kāi)始的[4]，從此利用水生植物凈化水質(zhì)成為國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 濕地植物脫氮除磷的機(jī)制

磷元素在酸堿性濕地中存在形式分別是鐵磷、鋁磷和有機(jī)磷、鈣磷。植物對(duì)磷的吸收包括兩種途徑，一種是直接通過(guò)根系將水中的磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機(jī)磷酸鹽等磷元素吸收同化，從而變成植物體內(nèi)的 ATP、DNA、RNA等有機(jī)成分。另一種途徑是通過(guò)植物枯敗的沉積物對(duì)磷進(jìn)行捕集。氮元素在水中以有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮為主，有機(jī)氮會(huì)被微生物分解成為無(wú)機(jī)氮，無(wú)機(jī)氮主要以NO3--N和NH4+-N兩種溶解態(tài)氮存在。植物對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收包括兩個(gè)過(guò)程，一是利用通氣組織將空氣中的氧氣傳到植物根部，根部周圍便形成了一個(gè)好氧區(qū)域，水中的NH4+-N會(huì)和氧氣合成NO3--N，屬硝化反應(yīng)。二是根附近的微生物通過(guò)代謝消耗水體中的溶解氧，使之呈現(xiàn)厭氧狀態(tài)，NO3--N再通過(guò)無(wú)氧環(huán)境還原成為N2O和N2，屬反硝化反應(yīng)。因此，NO3--N的吸收去除是凈化徑流中氮的決定性因素[5]。儲(chǔ)藏在植物體中的氮、磷可以通過(guò)及時(shí)收割植物體枝干達(dá)到去污凈流的效果。

2 濕地植物脫氮除磷的影響因素

水生植物脫氮除磷的速率不僅與植物自身有關(guān)系，還受到很多方面的因素制約。

2.1 濕地植物自身的特性

2.1.1 不同濕地植物品種之間脫氮除磷效率的差異

不同濕地植物品種由于自身對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需求量不同，其對(duì)地表徑流中氮磷的去除差異也較大，這可能與植株生物量、生活習(xí)性等因素有關(guān)。蔣躍平等發(fā)現(xiàn)人工濕地植物對(duì)氮、磷的去除率與植株體量呈正相關(guān)[6]。余紅兵等在研究水生植物生物量及其對(duì)生態(tài)溝渠氮、磷的吸收效率時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同品種水生植物地上部分生物量所占總生物量的比重越大，其吸收效率越好[7]，與郭愛(ài)紅等[8]、蔣躍平等[6]研究結(jié)論一致。徐寸發(fā)等利用以水葫蘆為代表的浮水植物、輪葉黑藻為代表的沉水植物以及香蒲為代表的挺水植物研究不同生活習(xí)性水生植物對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化去除效率，總結(jié)了水體富營(yíng)養(yǎng)化去除率由高到低的排列為漂浮植物＞沉水植物＞挺水植物[9]，其結(jié)論和馬井泉的一致[10]。而焦學(xué)園在測(cè)量濕地植物對(duì)氮、磷的吸收效率時(shí)發(fā)現(xiàn)挺水植物＞沉水植物[11]，結(jié)論與前兩位學(xué)者不一致的原因可能是焦學(xué)園是通過(guò)采割植物測(cè)量植物體內(nèi)的氮、磷累積量來(lái)確定其對(duì)氮、磷的吸收量，而徐寸發(fā)和馬井泉都是通過(guò)測(cè)量供試溶液中氮、磷濃度，確定濕地植物對(duì)氮、磷的吸收量。

2.1.2 不同濕地植物群落脫氮除磷效率的差異

相比于植物品種之間脫氮除磷效率的研究，國(guó)內(nèi)對(duì)于濕地植物群落間的研究則寥寥無(wú)幾[11]，對(duì)于植物群落方向近幾年研究較多的是生物多樣性及其生物量與污染水體之間的關(guān)系。植物群落的生物多樣性會(huì)影響其對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，李莎莎等發(fā)現(xiàn)茭草—蓖齒眼子菜—金魚(yú)藻群落比茭草—金魚(yú)藻—金魚(yú)藻、茭草—蓖齒眼子菜—蓖齒眼子菜群落具有更好的氮吸收能力[12]。周雄麗發(fā)現(xiàn)以喬—灌—草構(gòu)植物群落比灌—草、灌—草（自然恢復(fù)）對(duì)地表徑流污染物有更好的削減作用[5]。植物群落生物量的大小對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收也有一定的影響。黃余春等研究發(fā)現(xiàn)根系大、生物量大的植物群落更有利于氮的吸收[13]。當(dāng)然，濕地群落其他因素也與水體富營(yíng)養(yǎng)化存在某些潛在聯(lián)系，但是目前對(duì)這方面深入研究鮮有，未來(lái)在這個(gè)領(lǐng)域上還需要更多的學(xué)者投身進(jìn)來(lái)。

2.2 地表徑流的富營(yíng)養(yǎng)化程度

濕地植物對(duì)水體中的氮、磷等污染物表現(xiàn)出一定的生理耐受性，地表徑流的富營(yíng)養(yǎng)化程度會(huì)影響水生植物對(duì)氮、磷的吸收。夏漢平在研究香草根和水花生對(duì)垃圾污水中氮、磷、氯的吸收時(shí)發(fā)現(xiàn)在高濃度氮的溶液中，水花生體內(nèi)的濃度先上升后下降；在高濃度磷的溶液中，香草根和水花生體內(nèi)的濃度也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)[14]。這可能是因?yàn)槿芤褐械牡?、磷元素濃度超過(guò)植物的耐受范圍，植物體受到脅迫，從而表現(xiàn)出的吸收效果下降甚至死亡的現(xiàn)象。楊小霞等在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，水蓼和浮萍在磷的濃度為1mg/L時(shí)吸收效果最好，但在高濃度（10mg/L）時(shí)植株生長(zhǎng)不好，甚至死亡[15]。

2.3 地表徑流中氮、磷的存在形式

水體中氮磷存在形式不同，濕地植物對(duì)其吸收效率也不相同。楊小霞等進(jìn)行了水蓼、浮萍和黑藻3種水生植物對(duì)不同形態(tài)氮、磷吸收的試驗(yàn)，結(jié)果表明3種植物對(duì)于磷元素3種存在形式正磷酸鹽、焦磷酸鹽和偏磷酸鹽吸收各異[15]。沈根祥等研究發(fā)現(xiàn)浮萍對(duì)銨態(tài)氮的親和力大于硝態(tài)氮，故浮萍有優(yōu)先吸收銨態(tài)氮的趨勢(shì)[16]。徐和勝等研究發(fā)現(xiàn)蘆葦對(duì)總磷的吸收要微大于對(duì)正磷的吸收[17]。

2.4 水力在濕地中停留時(shí)間不同

人工濕地植物的脫氮除磷能力與周圍水體的停留時(shí)間有不可分割的聯(lián)系。水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，植物越有充足的時(shí)間與水接觸，從而通過(guò)莖葉或根系滯留吸收水中污染物。楊林等研究發(fā)現(xiàn)水培污水中TN、TP的濃度隨水力停留時(shí)間呈負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)均大于0.9）[18]。胡勇有等選取了14種植物試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)，植物對(duì)磷去除率也逐漸上升[19]。

2.5 其他影響因素

除了上述因素，還會(huì)有一些其他因素會(huì)對(duì)濕地植物脫氮除磷產(chǎn)生影響，如溫度升高可以導(dǎo)致低溫水生植物死亡，從而影響對(duì)氮磷的處理能力。包杰等認(rèn)為高溫條件相比于低溫條件更有利于鼠尾藻對(duì)氮、磷的吸收[20]。種植密度也會(huì)影響濕地植物對(duì)氮、磷的吸收，宋超等設(shè)置了低、中、高3組種植密度下的聚草、沮草、金魚(yú)藻和浮萍，發(fā)現(xiàn)溶液中TN、TP濃度與種植密度呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系[21]。

3 總結(jié)和討論

水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)呈現(xiàn)出良好的效果，但是在其吸收氮、磷的速率上受多方面因素的影響，包括：植物品種、植物群落的配置、地表徑流富營(yíng)養(yǎng)化程度、水中氮與磷存在形式、水體停留時(shí)間等。因此，在濕地植物的耐受范圍內(nèi)，人工濕地設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到：通過(guò)測(cè)量，了解到水質(zhì)中的主要污染源，并根據(jù)污染源配置適合的水生植物，例如蘆葦對(duì)總磷有較好的吸收；配置品種豐富的水生植物群落，創(chuàng)造優(yōu)美的生態(tài)水環(huán)境；考慮到氮、磷的吸收與植物生物量存在一定的正相關(guān)，在植物配置時(shí)盡量考慮生長(zhǎng)速度快、生物量高、觀賞性高的人工濕地植物，例如：菖蒲、蘆葦?shù)龋粷竦乜臻g結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不破壞相應(yīng)功能的情況下，應(yīng)盡量增加河床廊道長(zhǎng)度，延長(zhǎng)水體停留時(shí)間。當(dāng)然，在運(yùn)用濕地植物修復(fù)城市水體的問(wèn)題上，還需要不斷深入研究，提供更充分的理論支持，為我國(guó)城市日益污染的水環(huán)境尋找出切實(shí)可行的道路。