藻類在農(nóng)業(yè)面源污染防控中的應(yīng)用

李勝男，紀(jì)雄輝，朱 堅(jiān)，李嘗君，簡(jiǎn) 燕，彭 華，3*

（1.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，長(zhǎng)沙 410125；2.農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410125；3.中南大學(xué)，長(zhǎng)沙 410083）

農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活活動(dòng)中，溶解或固體污染物（如氮、磷、農(nóng)藥以及其他有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物質(zhì)），從非特定的地點(diǎn)通過(guò)地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏等過(guò)程進(jìn)入受納水體引起水質(zhì)污染的過(guò)程。農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源包括化肥農(nóng)藥的流失、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖以及農(nóng)村生活徑流和分散式生活污水的排放等；由于其涉及范圍廣、隨機(jī)性大、隱蔽性強(qiáng)、不易溯源、難以監(jiān)管等，治理難度大，已經(jīng)成為我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。根據(jù)2010年第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)，我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染引起的總氮（TN）和總磷（TP）的排放量分別達(dá)到270.46萬(wàn)t·a-1和 28.47 萬(wàn) t·a-1，分別占全國(guó)污染排放總量的57.19%和67.27%，已經(jīng)超過(guò)工業(yè)和生活污染源成為地表水污染的第一大污染源[1]。當(dāng)今世界約三至五成的地表都不同程度受到面源污染的影響，約1.5億hm2耕地因農(nóng)業(yè)面源污染出現(xiàn)不同層次的退化，中國(guó)受農(nóng)業(yè)面源污染影響的耕地近2000萬(wàn)hm2[2]。因此，控制農(nóng)業(yè)面源污染是實(shí)現(xiàn)水環(huán)境、土壤環(huán)境和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的核心。

氮（N）、磷（P）的大量排放導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化是農(nóng)業(yè)面源污染最主要的危害之一，而N、P也是生物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如何將其合理利用變?yōu)橛杏觅Y源，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，是值得探索的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展道路。藻類對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的變化十分敏感：通過(guò)光合作用和生長(zhǎng)作用，藻類可以迅速地吸收水體中N、P等養(yǎng)分，將其轉(zhuǎn)化為自身生物量；藻類水華的發(fā)生，就是水體富營(yíng)養(yǎng)化的直接結(jié)果，但是通過(guò)定時(shí)清除藻類生物量即可達(dá)到永久去除水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的目的[3-4]。此外，藻類與其他微生物如細(xì)菌、真菌等的相互作用還能進(jìn)一步促進(jìn)水體中污染物的轉(zhuǎn)化和去除，尤其是有機(jī)污染物[4]。許多研究已表明藻類在降低稻田N、P養(yǎng)分流失、凈化富營(yíng)養(yǎng)廢水、甚至富集吸附重金屬等方面都具有巨大的應(yīng)用潛力[3，5-8]。更為重要的是，藻類生物量通常富含高脂質(zhì)化合物，可用于生物肥料、動(dòng)物飼料和燃料等的生產(chǎn)[9]。因此，通過(guò)加以合理利用和開發(fā)，藻類可以變廢為寶，在農(nóng)業(yè)面源污染防治上起重要作用。

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染治理技術(shù)主要基于源頭減量（Reduce）、過(guò)程攔截（Retain）、養(yǎng)分再利用（Reuse）和生態(tài)修復(fù)（Restore）的基本思路（“4R”理論）[10]，通過(guò)不同生態(tài)技術(shù)措施的實(shí)施，如減量施肥、有機(jī)肥替代、溝渠系統(tǒng)、生化塘及人工濕地系統(tǒng)等[11]，在消減控制農(nóng)業(yè)面源污染的同時(shí)，將農(nóng)業(yè)有機(jī)和無(wú)機(jī)廢棄物進(jìn)行循環(huán)再利用，從而實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。而藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，幾乎能在水體任何群落生境中繁殖生長(zhǎng)，它們不僅可以懸浮生長(zhǎng)于水體真光層（浮游藻類，Phytoplankton），還可以固著生長(zhǎng)于水體所有固體表面，包括水生植物和底泥表層等（固著藻類，Periphytic/attached algae）[12]，因此，也是生態(tài)溝渠系統(tǒng)、生化塘及人工濕地系統(tǒng)等面源污染治理系統(tǒng)的重要組成部分。本文基于藻類生長(zhǎng)特性及農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)排規(guī)律和過(guò)程，系統(tǒng)探討了藻類在農(nóng)業(yè)面源污染（本文主要指引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的基本營(yíng)養(yǎng)元素：N和P）防控中的主要治理技術(shù)與模式，并深入分析了其應(yīng)用的關(guān)鍵限制因素及優(yōu)缺點(diǎn)，以期為農(nóng)業(yè)面源污染治理技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 主要治理技術(shù)與模式

1.1 稻田藻類固氮減磷

藻類廣泛存在于稻田生態(tài)系統(tǒng)中，其對(duì)稻田氮素遷移和轉(zhuǎn)化的重要性已被廣泛認(rèn)可[13]，固氮藍(lán)藻所具有的固氮特性使其在農(nóng)業(yè)栽培方面具有巨大的應(yīng)用潛力。早在1939年就有研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)藻才是稻田中的主要固氮微生物，來(lái)自細(xì)菌的固氮量可以忽略不計(jì)；而且通過(guò)藍(lán)藻的固氮作用可使稻田在不施肥的情況下連續(xù)保持較高的產(chǎn)量[14]。中科院水生生物所通過(guò)多年實(shí)驗(yàn)和田間研究，解決了如何獲得大量固氮藻種和使藻種快速繁殖的兩大瓶頸問題，并通過(guò)晚稻田大面積放養(yǎng)固氮藍(lán)藻試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可使水稻增產(chǎn)15%～20%[15-17]，進(jìn)一步證明利用固氮藍(lán)藻作為稻田的氮肥肥源是完全可行的。因此，通過(guò)稻田接種固氮藍(lán)藻可有效減少氮肥施用量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生的源頭控制。

另一方面，農(nóng)業(yè)面源污染的本質(zhì)就是污染物質(zhì)由土相向水相遷移的過(guò)程，因此，在農(nóng)業(yè)面源污染治理中，應(yīng)充分利用固著藻類，建立起土壤相-生物相（土水界面固著藻類群落）-水相三相結(jié)合的農(nóng)業(yè)面源污染防控技術(shù)，如篩選固氮磷活化藻、菌種等，可有效降低污染排放[18]。稻田中的固著藻類在稻田土壤和上覆田面水的養(yǎng)分交換中也起重要作用。研究表明，固著藻類的存在降低了稻田水體中的磷，而增加了稻田土壤中的磷；而且固著藻類本身也吸收了大量磷儲(chǔ)存于體內(nèi)，在細(xì)胞死亡分解后可重新釋放到土壤中被利用[6]；因此，合理利用固著藻類可有效調(diào)節(jié)稻田養(yǎng)分平衡，提高稻田肥料利用率[19]。Li等[20]通過(guò)鈣、鐵離子的添加顯著促進(jìn)了稻田固著藻類對(duì)無(wú)機(jī)磷的吸附積累，從而降低了土壤對(duì)磷的固定以及稻田磷流失。因此，在稻田生態(tài)系統(tǒng)中，合理引入固著藻類，不僅可進(jìn)一步提高稻田N、P利用率，減少養(yǎng)分流失，還可同時(shí)提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

1.2 多營(yíng)養(yǎng)級(jí)綜合養(yǎng)殖系統(tǒng)

多營(yíng)養(yǎng)級(jí)綜合養(yǎng)殖系統(tǒng)（Integrated multi-trophic aquaculture，IMTA），是指通過(guò)藻類及其他濾食性雙殼貝類或沉積食性動(dòng)物的加入，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖面源污染控制和效益增值雙贏的養(yǎng)殖理念[21]。水產(chǎn)養(yǎng)殖污染是農(nóng)業(yè)面源污染的重要來(lái)源之一，由于常規(guī)養(yǎng)殖的養(yǎng)殖品種單一，而且為保證高產(chǎn)量，養(yǎng)殖過(guò)程中必須投入大量高蛋白飼料[22]，未被消化和分解的餌料以及糞便殘留在養(yǎng)殖水體中，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體水環(huán)境不斷惡化，生態(tài)系統(tǒng)失衡，水體自凈能力低，因此必須采取有效措施控制水產(chǎn)養(yǎng)殖污染。而IMTA養(yǎng)殖系統(tǒng)通過(guò)藻類的引入，利用不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的生活習(xí)性，實(shí)現(xiàn)把高營(yíng)養(yǎng)級(jí)養(yǎng)殖物種排放的廢棄物質(zhì)（殘餌、排泄物等）轉(zhuǎn)化成低營(yíng)養(yǎng)級(jí)養(yǎng)殖物種產(chǎn)品（圖1），凈化環(huán)境的同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展。IMTA不同于傳統(tǒng)的混養(yǎng)，其所包含的多個(gè)養(yǎng)殖品種是在一個(gè)系統(tǒng)中處于不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，而混養(yǎng)則不一定，它是根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益來(lái)選擇的品種，有可能是相同營(yíng)養(yǎng)級(jí)上的多個(gè)品種的混養(yǎng)。因此，IMTA能顯著提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)性，具有潛在的生態(tài)、社會(huì)和環(huán)境效益，其優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的不同養(yǎng)殖品種組成了一個(gè)基礎(chǔ)食物鏈，通過(guò)水環(huán)境將營(yíng)養(yǎng)和能量相互轉(zhuǎn)化并充分利用。

圖1 多營(yíng)養(yǎng)級(jí)綜合養(yǎng)殖系統(tǒng)概念圖Figure 1 Concept map of the integrated multi-trophic aquaculture system

在IMTA系統(tǒng)中，藻類不僅可以吸收同化養(yǎng)殖水體中多余的N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；而且還能產(chǎn)生高價(jià)值的藻類生物量，或直接被其他食草性魚類、蝦和軟體動(dòng)物等捕食。因此，利用藻類吸收養(yǎng)殖水體中的營(yíng)養(yǎng)元素，不僅可以凈化養(yǎng)殖水體，減少排放污染，簡(jiǎn)化養(yǎng)殖廢水處理步驟，還可同時(shí)產(chǎn)生可利用的藻類生物量或其他低營(yíng)養(yǎng)級(jí)水產(chǎn)副產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖效益的增值。但是，目前IMTA在海水養(yǎng)殖中的應(yīng)用更為普遍，而且主要基于大型藻類，如石莼和江蘺等[23]，而微藻的應(yīng)用被忽略了。微藻同大型藻類一樣，不僅可以作為生物過(guò)濾器，吸收養(yǎng)分，產(chǎn)生氧氣，而且還可以用作餌料，因此，高濃度微藻在IMTA系統(tǒng)中也有巨大的應(yīng)用潛力[24]。此外，微藻不僅可以直接投放于水產(chǎn)養(yǎng)殖單元，與飼養(yǎng)品種和濾食性動(dòng)物構(gòu)成IMTA系統(tǒng)，凈化水質(zhì)，減少污染排放；而且，還可以單獨(dú)構(gòu)成廢水處理系統(tǒng)單元，凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖排水。

1.3 固著藻類凈水系統(tǒng)

田間生態(tài)溝渠技術(shù)是最常用的農(nóng)業(yè)面源污染物攔截技術(shù)之一，常規(guī)生態(tài)溝渠主要依靠水生植物的吸收作用，對(duì)污染物的去除效率相對(duì)較低。而主要基于藻類作用的固著藻類凈水系統(tǒng)，相對(duì)于常規(guī)生態(tài)溝渠，對(duì)污染物具有更好的攔截效果；它們對(duì)養(yǎng)分的去除率主要取決于藻類生長(zhǎng)速率及其細(xì)胞養(yǎng)分含量，進(jìn)水N、P濃度越高，藻類生長(zhǎng)速率越快，細(xì)胞內(nèi)N、P含量越高。此外，固著藻類通常以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)與細(xì)菌、真菌、附著動(dòng)物以及無(wú)機(jī)和有機(jī)碎屑一起構(gòu)成固著生物群落，它們之間復(fù)雜的相互作用可進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)污染物質(zhì)的去除效率[25]。

藻坪凈水系統(tǒng)（Algal turf scrubber，ATS）是目前最常用的一種藻類生態(tài)溝渠凈水系統(tǒng)[26]，已在美國(guó)應(yīng)用30多年，并已申請(qǐng)專利；其商業(yè)化應(yīng)用以及對(duì)所獲得藻類生物量的科學(xué)利用仍正在不斷發(fā)展和完善之中[27]。ATS系統(tǒng)主要通過(guò)在水渠底部加裝供藻類固著形成藻坪的聚乙烯網(wǎng)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；固著藻類群落可通過(guò)吸收、吸附、截留等方式凈化水中過(guò)剩的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其他有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物；ATS系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵在于利用人工抽水或安裝于具有一定坡度的溝渠上以制造水流涌動(dòng)刺激藻坪上的群落，模擬珊瑚礁群落，獲得極高的生產(chǎn)力，因此，其對(duì)水利系統(tǒng)的依賴性強(qiáng)[28]，水泵電力消耗是其運(yùn)行成本的重要支出部分，結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電可極大降低其運(yùn)行成本[29]。ATS系統(tǒng)中的固著藻類通過(guò)水利系統(tǒng)自然形成，主要由纖維綠藻組成，包括Spirogyrasp.、Microsporasp.、Ulothrixsp.、Rhizocloniumsp.和Oedogoniumsp.等；除此之外，還有部分藍(lán)藻和底棲硅藻，藍(lán)藻主要為席藻（Phormidiumsp.）和顫藻（Oscillatoriasp.）。這些固著藻類組成的藻坪結(jié)構(gòu)組成異質(zhì)性強(qiáng)，而且生長(zhǎng)速率高，具有極強(qiáng)的再生性，其對(duì)N和P的最大吸收率分別可達(dá)到1.58 g·m-2·d-1和 0.73 g·m-2·d-1[30-32]。

ATS系統(tǒng)中的固著藻類群落并沒有人為主動(dòng)的篩選過(guò)程，通過(guò)人為篩選或馴化之后獲得工程固著藻類，也稱藻類生物膜，對(duì)污染物具有更強(qiáng)的針對(duì)性和更高的去除率[33]。許多研究已表明，藻類生物膜養(yǎng)分去除率高，應(yīng)用潛力巨大。Shi等[34]應(yīng)用HallochlorellarubescensCCAC 0126在尼龍薄膜上形成藻類生物膜處理污水，循環(huán)流動(dòng)2 d后其對(duì)PO4-P的吸收率在0.8～1.5 mg·L-1·d-1，P去除率達(dá)到78.9%～85%；而主要由Chlorella pyrenoidosa、Scenedesmus obliquus、Anabaena flos-aquae、Synechococcuselongatus和Microcystis aeruginosa等構(gòu)成的藻類生物膜在循環(huán)處理污水4 d后對(duì)N、P的去除率分別約為95%和84%[35]；Posadas等[36]以聚苯乙烯泡沫為載體對(duì)比研究了藻類生物膜和細(xì)菌生物膜對(duì)N、P和有機(jī)物的去除率，發(fā)現(xiàn)藻類生物膜對(duì)N、P的去除率更好，并且兩者對(duì)有機(jī)物的去除率相同。目前，在廢水處理中應(yīng)用頻率最高的藻種主要為小球藻（Chlorella）、柵藻（Scenedesmus）以及纖維藍(lán)藻（如Phormidium和Pseudanabaena等）[35，37]，纖維藍(lán)藻形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可捕獲單細(xì)胞綠藻[38]。但是，由于自然環(huán)境中土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)、環(huán)境條件的多變性等，目前大部分有關(guān)藻類生物膜的研究都主要基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，野外實(shí)際應(yīng)用較少；因此，相對(duì)于自然形成的ATS系統(tǒng)，藻類生物膜的大范圍實(shí)際應(yīng)用還很少，相關(guān)技術(shù)仍需要進(jìn)一步的提升[39-40]。Suka?ová等[33]研究了由纖維藍(lán)藻和球形綠藻組成的藻類生物膜對(duì)P的吸收，并進(jìn)行了野外小試實(shí)驗(yàn)，藻類生物膜附著在微傾斜的混凝土板材上，總面積8 m2，污水在系統(tǒng)停留24 h后，系統(tǒng)對(duì)P的吸收率為0.16 g·m-2·d-1，去除率達(dá)到97%。

此外，藻類還可與其他農(nóng)業(yè)面源防控技術(shù)結(jié)合使用，進(jìn)一步提高防控效率，Liu等[41]通過(guò)藻類生物膜的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合生態(tài)浮床，提高了生態(tài)浮床在寒冷季節(jié)的處理效率，有效解決了由于浮床冬季植物凋落引起的處理效果降低的問題。

在建設(shè)基于固著藻類的生態(tài)溝渠凈水系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)夯實(shí)基座，上墊不透膜材料（如聚乙烯）以防止土壤和固著藻類的互滲。固著基質(zhì)的設(shè)計(jì)和選擇是固著藻類凈水系統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵，固著基質(zhì)的表面積越大，可供固著藻類繁殖生長(zhǎng)的空間越多，其多樣性越高；而且在去除藻類生物量后，殘留在固著基質(zhì)上的部分纖維藻類還能促進(jìn)固著藻類群落的再生。目前已報(bào)到的固著基質(zhì)材料有尼龍薄膜、PVC塑料、聚碳酸酯以及聚苯乙烯泡沫等[34-35，37，42]。此外，固著藻類凈水系統(tǒng)的有效運(yùn)行還受到水力條件、營(yíng)養(yǎng)、光照、溫度、pH、后生動(dòng)物的捕食作用及暴雨沖刷等影響[34]，在設(shè)計(jì)建設(shè)和運(yùn)行基于固著藻類的生態(tài)溝渠凈水系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)予以充分考慮。

（1）N/P

固著藻類對(duì)N、P的去除率受上覆水中的N/P影響重大。理論上，為獲得更高的營(yíng)養(yǎng)鹽去除率，上覆水中的N/P應(yīng)接近于藻類生長(zhǎng)的最適N/P比[43]。根據(jù)Redfield比例，浮游生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽吸收的最適N/P值約為16∶1[44]；而最新研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)藻類生長(zhǎng)的最適N/P一般都高于16∶1[43]，而且隨著藻類群落結(jié)構(gòu)的變化，其最適N/P可由8變化到45[45]。大多數(shù)的畜禽養(yǎng)殖廢水的N/P都在此范圍內(nèi)，但為防止氨濃度過(guò)高對(duì)藻類產(chǎn)生毒性，一般建議對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水進(jìn)行稀釋后再利用藻類進(jìn)行處理[43，46]。值得注意的是，一些微藻具有高效富P能力，可從水體中吸收同化大量的P并以多聚磷酸鹽顆粒的形式儲(chǔ)存于細(xì)胞中[47-48]，因此去P效率高；盡管如此，P濃度常常仍是污水處理中限制藻類生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子。

（2）光照條件

光照條件是藻類生長(zhǎng)最重要的限制因素之一[12]，而固著藻類的光合作用可利用光強(qiáng)主要受水深、水柱光衰減系數(shù)及固著藻類生物量厚度等因素影響。由于顆粒物散色和吸收作用，光照強(qiáng)度隨著水深增加呈指數(shù)降低；而且隨著固著藻類生物量厚度增加，底層藻類可獲得光照越來(lái)越少；由于光照限制，會(huì)引起藻類呼吸大于生產(chǎn)的負(fù)增長(zhǎng)情況出現(xiàn)[49]。因此，為保持良好的光照條件，田間固著藻類生態(tài)溝渠凈水系統(tǒng)中水深不宜過(guò)深，一般不超過(guò)10 cm；對(duì)于高濁度污水，還應(yīng)進(jìn)行預(yù)沉降等前處理。

（3）溫度

溫度也是影響藻類生長(zhǎng)的重要因素，許多研究已表明固著藻類凈水系統(tǒng)中的藻類生物量在冬季顯著低于夏季[30-31]；其運(yùn)行效率還與當(dāng)?shù)貧夂蛴嘘P(guān)，亞熱帶地區(qū)比溫帶地區(qū)養(yǎng)分去除率普遍更高[50]。因此固著藻類對(duì)養(yǎng)分吸收的速率可能隨季節(jié)變化波動(dòng)明顯，可通過(guò)降低水力負(fù)荷、減少藻類去除頻率、再循環(huán)處理出水或篩選低溫藻種等方法彌補(bǔ)低溫條件處理效率低下的問題[25]。有研究指出，利用ATS系統(tǒng)處理單位體積廢水所需要的溝渠面積在秋冬季是春夏季的兩倍[50]。此外，晝夜溫差變化也會(huì)對(duì)藻類產(chǎn)生重要影響，尤其在夏季，白天太陽(yáng)輻射作用會(huì)顯著提高水體（尤其是局部水體）溫度，甚至抑制藻類生長(zhǎng)。而太陽(yáng)輻射時(shí)間受水體流速或水力停留時(shí)間影響，水體停留時(shí)間越長(zhǎng)，則輻射時(shí)間越長(zhǎng)。因此，通過(guò)提高流速，可減少太陽(yáng)輻射時(shí)間，以防止溫度過(guò)高。Sindelar等[51]通過(guò)加倍水體流速使水溫下降了3℃。

（4）水力條件

水力停留時(shí)間決定了水體中污染物與固著藻類群落接觸反應(yīng)的時(shí)間，是影響固著藻類凈水系統(tǒng)養(yǎng)分去除率的重要因素。目前已報(bào)道的中試實(shí)驗(yàn)或大生產(chǎn)應(yīng)用中，固著藻類凈水系統(tǒng)的水力停留時(shí)間通常較短，以分鐘計(jì)，最小為 6～12 min[31]，最高為 43 min[52]。水力停留時(shí)間主要取決于系統(tǒng)水力條件，如流速、溝渠坡度、長(zhǎng)度、寬度及水深等。流速過(guò)高會(huì)使廢水在溝渠中的停留時(shí)間過(guò)短，不利于污染物的沉淀轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將流速由1.36 m·d-1降低到0.44 m·d-1，系統(tǒng)出水中的P濃度、總懸浮顆粒物及生化需氧量濃度均顯著減低[31]。Kangas等[29]發(fā)現(xiàn)固著藻類凈水系統(tǒng)對(duì)氮素的去除率與流速之間存在非線性關(guān)系，當(dāng)每單位溝渠寬度的流速低于125 L·min-1時(shí)，固著藻類凈水系統(tǒng)對(duì)氮素的去除率與流速呈線性關(guān)系；而超過(guò)125 L·min-1時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氮素的去除率趨近穩(wěn)定不變。另一方面，通過(guò)增加溝渠長(zhǎng)度，降低流速，可以刺激藻類光合作用，促進(jìn)水體pH和溶解氧等升高，增加磷沉降。但當(dāng)溝渠過(guò)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)顯著影響溝渠末端的藻類生產(chǎn)力及養(yǎng)分去除率；D′Aiuto等[52]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溝渠長(zhǎng)度超過(guò)243 m時(shí)，超過(guò)部分溝渠的藻類生物量及養(yǎng)分去除率均顯著降低。

（5）捕食作用

后生動(dòng)物對(duì)固著藻類的捕食作用不僅會(huì)顯著降低其養(yǎng)分去除率，而且還能改變固著藻類的群落結(jié)構(gòu)，使其向低矮緊密固著型藻類群落轉(zhuǎn)變[26]，從而增加固著藻類生物量的去除難度。因此，實(shí)際應(yīng)用中必須采取有效措施控制捕食者數(shù)量。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)定期去除藻類生物量即可有效控制蝸牛、搖蚊幼蟲等對(duì)固著藻類的捕食作用[30-31]；但當(dāng)捕食者生物量爆發(fā)，通過(guò)去除藻類生物量仍然無(wú)法控制時(shí)，只能采取放干溝渠的辦法，徹底清理捕食動(dòng)物[31]；但這種方法也會(huì)導(dǎo)致固著藻類溝渠的間歇性失效，因?yàn)樾枰獣r(shí)間重新構(gòu)建固著藻類群落以恢復(fù)其養(yǎng)分去除率。

（6）暴雨影響

暴雨的沖刷會(huì)引起固著藻類生物量的流失，進(jìn)而降低其養(yǎng)分吸收能力；通過(guò)再循環(huán)暴雨沖刷后富含脫落固著藻類生物量的出水可加速系統(tǒng)內(nèi)固著藻類群落的重建。但是，由于暴雨影響，還會(huì)帶入大量泥沙進(jìn)入溝渠，降低水體透明度，影響藻類光合作用，從而降低其養(yǎng)分吸收效率；而且大量泥沙的流入甚至?xí)诼窆讨孱?，產(chǎn)生不利影響。因此，如何改進(jìn)工藝，有效削減暴雨或強(qiáng)降雨事件對(duì)固著藻類凈水系統(tǒng)的影響也是未來(lái)研究的關(guān)鍵[25]。

1.4 高效藻類塘

高效藻類塘（High rate algal ponds，HRAP），是農(nóng)村比較常用的生活污水處理方式[53-54]，技術(shù)成熟度最高；它是一種利用漿輪攪拌混合的淺水氧化池塘，在傳統(tǒng)穩(wěn)定塘的基礎(chǔ)上，通過(guò)強(qiáng)化手段促進(jìn)藻類和細(xì)菌的生長(zhǎng)，形成更緊密的藻菌共生體系；因此，具有更高的藻類生物量產(chǎn)率和養(yǎng)分去除率[5]。高效藻類塘中的藻類生物量的生產(chǎn)濃度通常在8～35 g·m-2·d-1之間，一般沒有特定的藻類專門用于高效藻類塘接種，而是使用池塘自然生長(zhǎng)的藻類聚集體，其中比較常見的有綠藻（如Chlorella、Ankistrodesmus、Scenedesmus、Chlamydomonas、Micractinium、Pediastrum、Dictyosphaeria、Euglena等）和藍(lán)藻（如Oscillatoria等）[38，54-55]。在適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r(shí)間后，高效藻類塘的養(yǎng)分去除率通?？蛇_(dá)到70%以上。孫偉麗等[53]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)停留時(shí)間7 d時(shí)，藻類塘對(duì)COD、氨氮和TP的去除率最高可分別達(dá)到87.77%、97.2%和64.8%，出水水質(zhì)能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

影響HRAP中營(yíng)養(yǎng)鹽去除效率和藻類生物量產(chǎn)率的關(guān)鍵影響因素主要有溫度、光周期、透光度、水力停留時(shí)間、營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷、池塘深度及攪拌力度（或混合條件）等[56-57]。池塘深度和光照條件都會(huì)影響藻類的光合作用效率，通過(guò)延長(zhǎng)浮游藻類的光照周期可以彌補(bǔ)深度增加和水力停留時(shí)間減少引起的養(yǎng)分去除速率的降低[58]。而污水中營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的增加雖然對(duì)藻類產(chǎn)量和養(yǎng)分去除率無(wú)明顯影響，但會(huì)降低出水水質(zhì)[59]。最近研究還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)藻種的再循環(huán)利用可以調(diào)控高效藻類塘中藻類的群落結(jié)構(gòu)，并使池塘中藻群粒徑更均勻[54]。

此外，通過(guò)工程篩選后的藻類甚至可直接用于農(nóng)業(yè)面源污染廢水的處理。Wang等[7]利用紫外誘變（UV-mutagenesis）和馴化聯(lián)合培養(yǎng)法獲得了工程藻種用于厭氧發(fā)酵后的生豬養(yǎng)殖廢水處理，發(fā)現(xiàn)通過(guò)馴化后的浮游微藻可以直接用于處理未稀釋的高濃度生豬養(yǎng)殖廢水，其對(duì)TN、TP的去除率達(dá)到90%，通過(guò)室外原位擴(kuò)大培養(yǎng)后，對(duì)TN、TP的去除率也分別能達(dá)到89.5%和85.3%，效果顯著，充分證明了微藻在農(nóng)業(yè)廢水處理中的巨大應(yīng)用潛力。

1.5 藻類養(yǎng)分循環(huán)再利用

雖然固著藻類凈水系統(tǒng)及高效藻類塘等可有效吸收去除農(nóng)業(yè)面源污染廢水中的N、P養(yǎng)分，但同時(shí)也產(chǎn)生了大量藻類廢棄物，對(duì)這些藻類廢棄物進(jìn)行資源化利用，尤其是對(duì)N、P等養(yǎng)分進(jìn)行循環(huán)再利用是未來(lái)發(fā)展的需要。藻類生物量通常富含高脂質(zhì)化合物，應(yīng)用廣泛，可用于生產(chǎn)生物肥料、生物燃料、土壤改良劑甚至飼料等[9，60]。而且，利用藻類生物肥替代化肥施用，從而減少化肥氮磷流失，也是重要的農(nóng)業(yè)面源污染源頭防控的措施。

研究已表明，藻類生物肥料可促進(jìn)作物增產(chǎn)增效，許多微藻都可以產(chǎn)生生物活性化合物[61-62]，利用小球藻、柵藻等綠藻制成的藻類生物肥料可促進(jìn)農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)吸收率、提高作物產(chǎn)量；還有研究表明利用藻類提取液浸潤(rùn)種子可加速種子萌發(fā)和植株生長(zhǎng)[63-65]。藻類生物肥料在國(guó)內(nèi)也逐漸受到研究者的關(guān)注，孫世中等[66]利用藍(lán)藻泥和廢棄煙葉混合物通過(guò)發(fā)酵等制作的有機(jī)肥料各項(xiàng)指標(biāo)都已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。將藍(lán)藻作為原料生產(chǎn)的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥進(jìn)行田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，專用藻類有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥比普通復(fù)合肥對(duì)煙草、韭菜和康乃馨等的增產(chǎn)效果更為明顯，還能改良施肥土壤[67]。Mulbry等[68]將ATS系統(tǒng)產(chǎn)生的固著藻類生物量用作緩釋肥料，與常規(guī)商業(yè)肥料相比，它們對(duì)植株籽苗生長(zhǎng)的影響無(wú)顯著差異；Roberts等[69]將含有纖維藻類Oedogonium的固著藻類生物量制成生物炭用作土壤改良劑，并施于土壤中提高了肥料中營(yíng)養(yǎng)元素的停留時(shí)間，使蘿卜產(chǎn)量增加了35%～40%。因此，有研究者認(rèn)為，也可以將富含磷素的藻類生物量轉(zhuǎn)化成生物炭以提高土壤的磷含量[38]。此外，利用藻類進(jìn)行厭氧發(fā)酵不僅可產(chǎn)沼氣，而且沼液、沼渣用作肥料也得到非常好的試驗(yàn)效果[67]。

2 不同藻類治理技術(shù)及與其他面源污染治理措施的對(duì)比研究

藻類在農(nóng)業(yè)面源污染治理過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。稻田藻類固氮減磷（表1）是一項(xiàng)源頭控制措施，通過(guò)稻田接種固氮藍(lán)藻，可有效減少化肥用量，節(jié)本增效。但大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，需要大量藻種用于稻田放養(yǎng)，雖然可通過(guò)“滾雪球”的方式，利用閑置茬口田大面積生產(chǎn)藻種[16]，但仍存在一系列的技術(shù)問題，包括適宜的接種時(shí)期、接種量、接種方法及田間管理等[70]，因此技術(shù)要求高，而農(nóng)民接受度有限，應(yīng)用受到限制。

水產(chǎn)養(yǎng)殖是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源之一，常規(guī)養(yǎng)殖模式投肥又投料，未被消化和分解的餌料以及糞便殘留在養(yǎng)殖水體中，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體水環(huán)境不斷惡化，還會(huì)降低水產(chǎn)品品質(zhì)。而IMTA是一種新興的生態(tài)養(yǎng)殖理念，通過(guò)基礎(chǔ)食物網(wǎng)的建立，利用不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的生活習(xí)性，實(shí)現(xiàn)廢棄物的循環(huán)再利用，不僅提高了養(yǎng)殖水體的自凈能力，凈化養(yǎng)殖水體的同時(shí)提高水產(chǎn)品品質(zhì)，還可獲得副產(chǎn)品提高經(jīng)濟(jì)效益。正因如此，IMTA不可根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益隨意選擇養(yǎng)殖品種（表1）。

固著藻類凈水系統(tǒng)和高效藻類塘是藻類應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染治理最重要的兩種生態(tài)治理技術(shù)；而目前農(nóng)業(yè)面源污染治理常用的生態(tài)技術(shù)措施主要包括生態(tài)溝渠系統(tǒng)、生態(tài)浮島及人工濕地系統(tǒng)等，這些常規(guī)的技術(shù)措施主要依靠水生植物（草類）的吸收作用；因此，本文在不同藻類治理技術(shù)特點(diǎn)的研究基礎(chǔ)之上，還對(duì)基于藻類和草類植物吸收作用的不同農(nóng)業(yè)面源污染治理生態(tài)技術(shù)措施進(jìn)行了對(duì)比研究（表1）。

表1 不同農(nóng)業(yè)面源污染治理生態(tài)技術(shù)措施優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 1 Advantages and disadvantages of different nutrient removal technologies for agricultural non-point source pollution control

首先，常規(guī)的溝渠系統(tǒng)、生態(tài)浮島及人工濕地等主要依靠植物吸收作用，對(duì)污染物的去除效率相對(duì)較低，一般不超過(guò)60%[11]。相比之下，基于藻類的污水處理系統(tǒng)通常具有更高的養(yǎng)分去除率（表1）。目前已報(bào)道的ATS系統(tǒng)對(duì)TN和TP的去除率平均分別為88 g·m-2·a-1和 12 g·m-2·a-1，分別是農(nóng)業(yè)面源污染人工濕地處理系統(tǒng)（40 g·m-2·a-1和3 g·m-2·a-1）的2倍多和4倍[25]。

更為重要的是，由于農(nóng)業(yè)面源污染來(lái)源和排放的不確定性，形成了規(guī)模大且濃度低（TN＜10 mg·L-1，TP＜1 mg·L-1）的江河湖泊污染，而為了防止水體富營(yíng)養(yǎng)化，必須將TN和TP濃度降低到更低水平，因此，這種規(guī)模大且濃度低的特性進(jìn)一步增加了農(nóng)業(yè)面源污染的治理難度[71]。常規(guī)生態(tài)溝渠、生態(tài)浮島及人工濕地系統(tǒng)等出水的N、P濃度通常仍較高，很難滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（如地表水四類水中TN、TP分別為1.5 mg·L-1和0.1 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)）。而藻類相對(duì)于植物具有更快的生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收率，研究表明，利用藻類的同化吸收作用，可使TN和TP濃度直接降低到0.5 mg·L-1和0.03 mg·L-1以下[4]；因此，基于藻類吸收作用的生態(tài)溝渠凈水系統(tǒng)和高效藻類塘，在處理低濃度污染廢水或?qū)Τ鏊|(zhì)要求更高時(shí)，優(yōu)勢(shì)顯著，甚至可用于人工生態(tài)濕地出水的深度凈化[72]。

此外，藻類主要通過(guò)自生同化吸收作用去除水體中的N、P養(yǎng)分，對(duì)于固著藻類，其本身還可吸附截留大量的P和顆粒污染物等[73-75]，因此，通過(guò)藻類生物量的去除即可永久去除水體中的N、P等污染物；獲得的藻類生物量還可用于生產(chǎn)生物燃料、飼料和肥料等增加經(jīng)濟(jì)效益，不僅不會(huì)產(chǎn)生二次污染，還可實(shí)現(xiàn)N、P等養(yǎng)分的循環(huán)再利用。相比之下，人工濕地等系統(tǒng)中，除植物吸收外，填料吸附和微生物作用也是其脫氮除磷的主要方式[76-77]；氮素可被轉(zhuǎn)化成氮?dú)忉尫诺酱髿庵袕氐兹コ?；但吸附的磷累積在系統(tǒng)中，當(dāng)吸附達(dá)到飽和后可能會(huì)重新釋放，產(chǎn)生二次污染。更為重要的是，藻類不僅可以去除多種營(yíng)養(yǎng)元素，還可吸附去除重金屬，因?yàn)槠浼?xì)胞表面一般帶負(fù)電荷，具有大量可以與金屬離子相結(jié)合的官能團(tuán)，如-NH2、-COOH、-OH、-CHO、-SH、-CO-、-PO3H2等，而且比表面積大，吸附能力強(qiáng)[5，8]。

最后，由于藻類生長(zhǎng)速率快，世代周期短，因此，固著生態(tài)溝渠系統(tǒng)和高效藻類塘等相對(duì)于人工濕地等具有更高的水力負(fù)荷和養(yǎng)分去除效率，處理同等污水時(shí)占地面積更小。而且，固著藻類凈水系統(tǒng)和高效藻類塘等的建設(shè)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，例如，對(duì)于固著藻類生態(tài)溝渠凈水系統(tǒng)，只需在具有一定坡度的溝渠上夯實(shí)土地并覆蓋不透膜供固著藻類繁殖生長(zhǎng)即可；而生態(tài)濕地的建設(shè)需要開挖土地、填充基質(zhì)、栽種植被等，更加復(fù)雜，且費(fèi)用更高。此外，藻類生長(zhǎng)周期短，繁殖迅速，在建成后幾周內(nèi)即可開始運(yùn)營(yíng)，而人工濕地中植物的生長(zhǎng)至少需要幾個(gè)月；因此，相對(duì)于人工濕地等植物處理系統(tǒng)，固著生態(tài)溝渠系統(tǒng)和高效藻類塘等不僅占地面積相對(duì)更小，而且建設(shè)費(fèi)用低，啟動(dòng)運(yùn)營(yíng)快。

盡管如此，利用藻類處理農(nóng)業(yè)面源污染廢水也存在一些明顯的缺陷。首先，藻類生物量必須及時(shí)清理和去除，因此，需要頻繁的人工維護(hù)，且高效藻類塘還存在藻類生物量難以收集去除的問題；而人工濕地和生態(tài)浮島等在建成投入運(yùn)營(yíng)之后基本無(wú)需維護(hù)。其次，固著藻類凈水系統(tǒng)和高效藻類塘等都極易受到捕食者的影響，導(dǎo)致藻類生物量銳減，從而降低處理效率；而且，暴雨沖刷也會(huì)導(dǎo)致固著藻類的流失，而人工濕地等幾乎不受捕食和暴雨作用影響，因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力。最后，由于固著藻類處理系統(tǒng)一般停留時(shí)間較短，易受流速和污染負(fù)荷的影響，而人工濕地等由于具有更高的水力停留時(shí)間，因此，對(duì)環(huán)境變化具有更高的耐受性。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，藻類在農(nóng)業(yè)面源污染防控過(guò)程中可發(fā)揮重要作用。通過(guò)稻田接種固氮藍(lán)藻可有效減少氮肥施用量，同時(shí)稻田中的固著藻類還能促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移和轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步減少農(nóng)田排水的氮磷排放；通過(guò)IMTA水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的構(gòu)建，藻類在凈化養(yǎng)殖水體的同時(shí)還能產(chǎn)生可利用的藻類生物量或其他低營(yíng)養(yǎng)級(jí)水產(chǎn)副產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的增值；此外，通過(guò)固著藻類凈水系統(tǒng)及高效藻類塘的應(yīng)用，利用藻類自生同化吸收作用及與其他細(xì)菌、真菌等微生物的相互作用，不僅可高效攔截凈化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活污水或地表徑流中過(guò)剩的N、P營(yíng)養(yǎng)物及其他污染物；而且獲得的藻類生物量通常富含高脂質(zhì)化合物，可用于生物肥料、動(dòng)物飼料和燃料的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)利用。

但是，由于藻類特殊的結(jié)構(gòu)和生理代謝作用，雖具有良好的生物凈化功能，但也極易受其他生物及外部復(fù)雜環(huán)境的影響，抗干擾能力較弱。未來(lái)研究中應(yīng)提高技術(shù)水平，通過(guò)強(qiáng)耐受性藻種的篩選和培養(yǎng)、新裝置新設(shè)備的研發(fā)等提高藻類應(yīng)用廣度，同時(shí)擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)規(guī)模或進(jìn)行野外試驗(yàn)驗(yàn)證藻類實(shí)際應(yīng)用效果。

此外，盡管藻類生物量應(yīng)用廣泛，但仍然存在副產(chǎn)品提取難、產(chǎn)量低的問題；而且利用污水培養(yǎng)獲得的藻類生物量，還可能含有重金屬、微污染物或致病菌等，會(huì)降低其循環(huán)利用的可能性。如何進(jìn)一步提高產(chǎn)量，同時(shí)規(guī)避有害物質(zhì)作用，實(shí)現(xiàn)廢棄物的安全高效利用，仍需要深入研究和相關(guān)技術(shù)支持。