沉水植物對湖泊沉積物氮磷內(nèi)源負荷的控制及應用

黃小龍,郭艷敏,張毅敏,吳辰熙,劉劍彤

(1.武漢中科水生環(huán)境工程股份有限公司，湖北 武漢 430071；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042；4.中國科學院水生生物研究所，湖北 武漢 430072)

在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，沉積物是氮(N)、磷(P)等營養(yǎng)鹽最主要的貯存庫，沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放會對水體水質(zhì)產(chǎn)生不利影響，因此修復沉積物與控制營養(yǎng)鹽是湖泊水環(huán)境保護和治理需要重點關(guān)注的內(nèi)容[1]?，F(xiàn)階段對沉積物中營養(yǎng)鹽(特別是P)的控制主要基于2種思路：一是通過疏浚等措施直接去除污染層，二是通過投加化學物質(zhì)或者覆蓋層，使營養(yǎng)鹽保持在沉積物中。前者耗費巨大；而后者可能無法持久，也與營養(yǎng)物資源的再利用相背。因此尋求一種可以去除營養(yǎng)鹽，且有利于營養(yǎng)鹽回收利用的沉積物修復技術(shù)是未來的重點發(fā)展方向[2]。利用沉水植物提高水體透明度、控制藻類生長，以促進湖泊生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，并進行湖泊水體水質(zhì)改善和生態(tài)修復已得到了廣泛研究[3]。沉水植物可以通過根系吸收和植物累積去除沉積物中的營養(yǎng)鹽、重金屬等污染物[4]；同時也可改善沉積物氧化還原狀態(tài)及微生物群落結(jié)構(gòu)，從而有利于污染物的降解或者固定[5]。因此利用沉水植物對沉積物進行修復和營養(yǎng)鹽控制符合未來的沉積物修復技術(shù)發(fā)展方向。該文在總結(jié)沉水植物對沉積物營養(yǎng)鹽控制機理的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)分析得出恢復沉水植物對沉積物中營養(yǎng)鹽的去除和釋放抑制效果，并對其應用方式進行了探討，以期為沉積物的修復工程提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 沉水植物控制內(nèi)源負荷的機理

1.1 促進植物生長吸收，通過收割帶走營養(yǎng)鹽

研究表明，水生植物生長所需N、P營養(yǎng)鹽主要是通過根系從沉積物中吸收獲得[4]，從而導致植物根際沉積物中營養(yǎng)鹽含量減少[6]。金樹權(quán)等[7]對5種沉水植物的N、P吸收能力進行研究，發(fā)現(xiàn)49 d后植株生物量平均增加了6.77 g·m-2(以干重計)，植株N、P含量平均增加了2.38和0.232 g·kg-1。

1.2 提高微生物活性，促進營養(yǎng)鹽礦化

沉水植物根系可為微生物提供大量繁殖的附著環(huán)境，根際泌氧可改變沉積物局部的氧化還原狀態(tài)，根系分泌物可為根際微生物提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，從而影響沉積物中微生物的代謝活動及組成[8]。孔祥龍等[9]在模擬水-底泥-沉水植物系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，苦草組底泥微生物活性及氨化菌、硝化菌和反硝化菌的數(shù)量顯著提高，并且在整個研究期間苦草組底泥及系統(tǒng)中N含量降低幅度明顯高于空白組，說明苦草的存在加快了系統(tǒng)內(nèi)的N循環(huán)。WANG等[10]通過模擬試驗顯示，沉水植物會提升沉積物中堿性磷酸酶活性，降低沉積物中有機結(jié)合態(tài)P含量。

1.3 改善理化環(huán)境，鈍化營養(yǎng)鹽活性

沉水植物根系充足的溶解氧以及根系分泌的其他氧化性物質(zhì)(如氧化酶等)使根際微環(huán)境的氧化還原電位(Eh)較高，可促進金屬離子從還原態(tài)轉(zhuǎn)為氧化態(tài)，如將Fe2+、Mn2+氧化，形成鐵錳氧化膜，從而極顯著增加沉積物對P的吸附[6]。pH值也是沉積物磷釋放的重要影響因子，在中性條件下P易與沉積物中金屬結(jié)合而被底泥吸附，pH值過高或過低都會促使沉積的P釋放[11]。沉水植物在生長過程中可以通過根系泌氧促進礦化循環(huán)和改變微生物群落結(jié)構(gòu)等緩沖沉積物pH值的變化[12-13]，使沉積物的pH值保持在中性范圍內(nèi)[14]，從而降低底泥內(nèi)源P的釋放。

1.4 減緩水流、固著底泥，抑制沉積物再懸浮

沉水植物可以減緩水流速度和風力，并利用發(fā)達的根系在沉積物-水界面中形成一道屏障，抑制沉積物懸浮及其營養(yǎng)鹽的釋放[15]。王超等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在模擬大、中、小風的擾動下苦草組水體底層流速均小于對照組;無植物組水體懸浮顆粒物(SPM)質(zhì)量濃度在模擬大、中、小風的擾動下分別上升至656、280.67和13.67 mg·L-1，而苦草組SPM質(zhì)量濃度比控制組分別減少97%、95%和67%。此外，植物的生長可顯著提高沉積物致密程度，降低沉積物的含水率，有效改善表層沉積物的流動狀態(tài)，抑制沉積物懸浮[17]。

2 沉水植物對內(nèi)源負荷的控制效果

2.1 沉水植物對沉積物中營養(yǎng)鹽的去除效果

P是水體富營養(yǎng)化最主要的限制因子，且在外源負荷控制后內(nèi)源P釋放成為水體P的主要來源，因此模擬試驗多集中在沉水植物對沉積中P的去除效果及機理研究上。沉水植物對沉積物N、P的去除伴隨植物生長過程及對沉積物物化環(huán)境的影響而發(fā)生，是一個相對緩慢的過程。為了避免不同研究中試驗周期的差異影響，將相關(guān)研究結(jié)果均換算成年去除率及年削減率加以對比分析(表1)[18-27]。由表1可知，沉水植物對沉積物中TP的年去除率為7.7%～74.3%，均值為26.1%；年削減量為47～1 060 mg·kg-1，均值為387 mg·kg-1。沉水植物對沉積物中TN的年去除率為45.4%～61.5%，均值為54.3%；年削減量為512～4 114 mg·kg-1，均值為1 136 mg·kg-1。不同研究尺度下N、P去除效果差異顯著，實際生態(tài)修復工程中N、P去除效果明顯高于實驗室模擬，一方面是因為生態(tài)修復工程中沉積物污染較重。對年污染物削減量(Y)與沉積物中相應污染物含量(X)做線性回歸分析得出:YTP=0.442XTP-146.91(R2=0.827);YTN=0.566XTN-89.38(R2=0.957)。由此可見，沉水植物對沉積物中N、P去除效果與沉積物初始N、P含量明顯相關(guān)。另一方面，在生態(tài)修復工程中往往將多種沉水植物根據(jù)其生態(tài)位差異進行搭配組合種植, 同時還包括魚類、底棲動物、植物收割等生態(tài)調(diào)控措施。

表1 沉水植物對沉積物中氮磷去除效果

Table 1 Removal efficiency of nitrogen and phosphorus in sediment by submerged macrophytes

沉水植物的種類、形態(tài)結(jié)構(gòu)及生長階段也會對沉積物中N、P去除效果產(chǎn)生明顯的影響。黑藻、苦草及菹草在試驗周期內(nèi)對沉積物中TP的最大降低幅度分別為35.34、60.67 和25.92 mg·kg-1[20]。這可能與沉水植物形態(tài)結(jié)構(gòu)(特別是根/冠比)有重大關(guān)系，一般而言根/冠比高則植物以根系吸收營養(yǎng)為主[28]，苦草的根/冠比顯著高于黑藻和菹草。同時研究發(fā)現(xiàn)在快速生長期苦草轉(zhuǎn)化吸收高活性P并將其固定到植株體內(nèi)，而緩慢生長階段則促進水體中P轉(zhuǎn)化為沉積物中難分解態(tài)P[29]。張芳等[30]同樣發(fā)現(xiàn)，輪葉黑藻等水生植物在快速生長期對N的凈化速率最快，其次是生長初期。此外，沉水植物對沉積物中N、P去除機理也有明顯差異。邢濤等[31]對沉積物-水-苦草系統(tǒng)中N形態(tài)及氣態(tài)N產(chǎn)生量的監(jiān)測表明，沉水植物通過吸收固定和提升微生物硝化和反硝化活性而促進N2排放是系統(tǒng)脫N的主要途徑，分別占脫N量的36.5%與51.6%。王立志等[19]通過構(gòu)建沉積物-水-苦草系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，沉積物、苦草和水中P總量占比由開始時的99.55%、0.17%和0.28%轉(zhuǎn)變?yōu)樵囼灲Y(jié)束時的92.04%、7.85%和0.12%，說明沉積物中P含量的降低主要是通過沉水植物的吸收富集。

2.2 沉水植物對沉積物中營養(yǎng)鹽釋放的抑制效果

沉積物間隙水中溶解性物質(zhì)的擴散和沉積物顆粒的再懸浮都會產(chǎn)生營養(yǎng)鹽的釋放和遷移。因此，研究沉積物內(nèi)源負荷主要關(guān)注2個方面：(1)在靜態(tài)條件下通過研究間隙水和上覆水中溶解性N、P濃度梯度對比分析沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放通量；(2)在風浪條件下對比分析沉積物再懸浮沉積物量及再懸浮營養(yǎng)鹽的釋放通量。表2綜合了不同研究中有無沉水植物情況下沉積物N、P的釋放通量[32-40]。由表2可知，在靜態(tài)條件下無植物區(qū)NH3-N 和NO3--N釋放通量分別為-0.14～61.31和-0.11～18.19 mg·m-2·d-1；沉水植物區(qū)NH3-N和NO3--N釋放通量分別為-0.38～16.45和-0.82～2.67 mg·m-2·d-1。無植物區(qū)溶解性有機磷(DOP)和溶解性活性磷(SRP)釋放通量分別為0.017～0.325和-0.207～0.211 mg·m-2·d-1；沉水植物區(qū)DOP和SRP釋放通量分別為0.010～0.133 和-0.098～ 0.095 mg·m-2·d-1。當無植物區(qū)沉積物中N、P為釋放態(tài)時，恢復沉水植物均能有效降低N、P釋放通量，對溶解性營養(yǎng)鹽NH3-N、NO3--N、DOP和SRP釋放通量的抑制率分別為62.6%～103.6%、85.3%～107.7%、41.2%～85.9%和55.0%～253.8%。

對淺水湖泊而言，風浪造成沉積物再懸浮是導致沉積物中N、P釋放通量增大的主要因素。野外調(diào)查顯示，在風浪情況下無植物區(qū)沉積物中TP的釋放通量可達15～1 200 mg·m-2·d-1[37-39]，TN釋放通量可達278.81～763.72 mg·m-2·d-1[37]，由于大量顆粒態(tài)營養(yǎng)物進入水體，TN、TP釋放通量比靜態(tài)條件下高出2～4個數(shù)量級。沉水植物能有效控制沉積物的再懸浮，使風浪下沉積物中TP釋放通量降至5.0～140.9 mg·m-2·d-1[37-39]，TN釋放通量降低至32.64～207.30 mg·m-2·d-1[37]，對風浪下N、P釋放通量的控制率至少可達50%以上。沉水植物生物量對沉積物再懸浮具有明顯影響，當沉水植物生物量在水體中占有體積比(plant volume inhabited, PVI)大于30%時，能顯著降低沉積物再懸浮量[38]。

表2 沉水植物對沉積物中氮磷營養(yǎng)鹽釋放的抑制效果

Table 2 The inhibition of nitrogen and phosphorus release from sediment by submerged macrophytes

3 沉水植物控制內(nèi)源負荷優(yōu)缺點

底泥內(nèi)源負荷控制技術(shù)主要包含環(huán)保疏浚技術(shù)、底泥鈍化技術(shù)和底泥覆蓋技術(shù)[41]。與上述技術(shù)相比，利用沉水植物控制內(nèi)源負荷主要有以下優(yōu)點：(1)工程造價低。疏浚需要對底泥挖掘、脫水、運輸及處置等，工程造價較高；巢湖環(huán)城河工程中沙子覆蓋造價達98元·m-2[42]，而種植沉水植物綜合造價在79～93元·m-2之間[43]，低于疏浚、鈍化與底泥覆蓋技術(shù)。(2)二次污染小，生態(tài)風險小。盡管植物殘體腐解短期內(nèi)會向水體釋放大量的C、N、P，但通過調(diào)節(jié)水位變化、投放草食性魚類、人工收割等措施可有效調(diào)控沉水植物生物量和群落結(jié)構(gòu)，最終形成一個能維持自我平衡狀態(tài)的良性生態(tài)系統(tǒng)[44]。疏浚存在引發(fā)二次污染和破壞底泥生境的風險，化學鈍化可能會引起二次污染和其他污染物異常釋放，底泥覆蓋則存在不能移除污染物和隨時間推移覆蓋層遭到破壞等問題[43]。(3)發(fā)揮持久作用，有助于恢復生態(tài)系統(tǒng)?；謴统了参锊粌H能控制內(nèi)源負荷，改善水體水質(zhì)，而且能為其他水生生物提供繁殖、生長的場所，直接促進水體生態(tài)系統(tǒng)恢復，構(gòu)建健康水生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮持久作用[45]。

利用恢復沉水植物控制內(nèi)源負荷也有一定的局限性：(1)沉水植物能有效削減和控制沉積物內(nèi)源負荷，但是過量的營養(yǎng)鹽會對沉水植物的生長產(chǎn)生脅迫[46]，因此沉水植物恢復技術(shù)難以適用于重度污染沉積物的修復與治理。(2)除底質(zhì)條件外，沉水植物的恢復還受光照、水文條件及水生生物等多種環(huán)境因素的影響[47]，極大地限制了沉水植物恢復技術(shù)的應用范圍。該技術(shù)主要在淺水湖泊、城市河道及景觀水體等封閉、半封閉的水體中有較廣闊的應用前景。(3)治理周期長。沉水植物恢復技術(shù)主要是通過沉水植物的生長繁殖吸收來去除營養(yǎng)鹽或抑制營養(yǎng)鹽的釋放，從而達到控制內(nèi)源負荷的目的，治理周期比疏浚、底泥鈍化或底泥覆蓋等技術(shù)長。

4 沉水植物控制內(nèi)源負荷技術(shù)的應用與展望

在利用沉水植物控制湖泊內(nèi)源負荷過程中應充分考慮其優(yōu)缺點，在空間和時間尺度上合理搭配組合，以發(fā)揮其最佳治理效果。充分利用不同生長型沉水植物鑲嵌種植，在空間上形成“上-中-下”垂直層次，提高單位面積的生物量與生態(tài)系統(tǒng)的多樣性[48]。在時間上利用各種沉水植物的不同生長季合理配置，保證沉水植物的持續(xù)凈化效果，并有計劃、合理地收割沉水植物，轉(zhuǎn)移出N、P營養(yǎng)鹽，強化沉水植物的凈化作用[44]。同時，可將沉水植物恢復技術(shù)與其他技術(shù)集成，以達到更好的長效控制效果。一方面，可將鈍化、覆蓋、疏浚等技術(shù)與沉水植物恢復技術(shù)在空間上組合使用；另一方面，將沉水植物恢復作為疏浚、覆蓋及鈍化等技術(shù)的優(yōu)化措施，提升對沉積物N、P釋放控制效果，促進水體的生態(tài)修復[49]。

利用生物/生態(tài)方式對沉積物進行修復是未來的發(fā)展方向，沉水植物在湖泊沉積物修復中具有廣闊的生態(tài)位和應用前景。目前，利用沉水植物對湖泊等封閉水體進行內(nèi)源控制已得到了良好的修復效果，然而其大范圍應用仍有一些基礎(chǔ)性的問題亟待解決。首先，沉水植物對內(nèi)源負荷控制效果研究多基于室內(nèi)試驗和單個物種，長期觀測研究較少，研究結(jié)果難以為生態(tài)工程設(shè)計和實施提供準確的指導。其次，沉水植物常與疏浚、覆蓋及鈍化等內(nèi)源污染控制技術(shù)集成使用，但沉水植物與這些措施的耦合處理效果，特別是這些措施對沉水植物生長的潛在影響缺乏系統(tǒng)的研究。此外，沉水植物恢復對沉積物中重金屬、微量有機污染物等污染物活性和生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程的影響還需要進一步的討論和關(guān)注。未來可結(jié)合恢復沉水植物對內(nèi)源負荷的控制長期監(jiān)測數(shù)據(jù)與影響因素，將沉水植物生物量生長模型應用于沉水植物內(nèi)源控制定量評估與關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的確定上。