水生植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體研究

李燕

（1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西西安 710075；2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西西安 710075）

水生植物修復(fù)是將生物法、生態(tài)法聯(lián)合的通用技術(shù)，同時(shí)兼具效果佳、綠色環(huán)保、美化景觀、成本低等優(yōu)勢(shì)，在土水一體化聯(lián)合修復(fù)特別是城市景觀濕地修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用[1]。水體及沉積物中的氮、磷是水生植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，植物通過(guò)吸收水體和沉積物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)維持自身生長(zhǎng)，以營(yíng)養(yǎng)繁殖方式快速積累生物量，固定氮、磷的能力很高，同時(shí)水生植物根部為微生物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、生長(zhǎng)繁殖環(huán)境與條件[2-3]。水生植物生長(zhǎng)直接吸收水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)，還改變水環(huán)境基質(zhì)的理化性質(zhì)、提高溶解氧含量，根系釋放氧氣在缺氧/好氧區(qū)促進(jìn)硝化和反硝化，促進(jìn)水體中其他水生生物代謝，抑制沉積物的二次懸浮[4-5]。目前，對(duì)于水生植物修復(fù)水體環(huán)境的研究主要有生物調(diào)查、植物群落多樣性、生態(tài)恢復(fù)措施、修復(fù)植物選擇，人工濕地系統(tǒng)、植物浮床等凈化能力，植物修復(fù)過(guò)程中水體和沉積物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸釋機(jī)理與容量，涉及室內(nèi)模型試驗(yàn)、田間中試及工程化應(yīng)用等[6]。隨著各地濕地景觀的大力開(kāi)發(fā)，以荷花為主的水生植物大量用于濕地，使之成為集觀賞、食用、凈化于一體的生物資源[7]。主要利用植物修復(fù)、控制城市景觀濕地的內(nèi)源沉積物污染，研發(fā)生態(tài)環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境友好型修復(fù)技術(shù)，培育篩選觀賞、食用、修復(fù)為一體的高性價(jià)比修復(fù)物種，對(duì)解決全球普遍關(guān)注的水體及沉積物污染具有重要意義。

1 修復(fù)植物篩選

水體富營(yíng)養(yǎng)化是地表水體普遍存在的重要水環(huán)境問(wèn)題之一，水體中氮、磷負(fù)荷過(guò)量是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因。植物修復(fù)是富營(yíng)養(yǎng)化水生態(tài)環(huán)境修復(fù)不可缺少的部分，國(guó)內(nèi)外用于修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體及其沉積物的植物主要是超富集類植物，一般應(yīng)具備：（1）富集污染物（重金屬和有機(jī)污染物等）容量大；（2）較強(qiáng)的抗逆能力，如耐污能力、抗病蟲(chóng)害能力、抗熱抗寒能力；（3）良好的污染物凈化能力，不僅能夠同時(shí)積累幾種重金屬，還能夠吸收沉積物中的有機(jī)污染物；（4）生長(zhǎng)快、生物量大、易于管理；（5）綜合利用價(jià)值高，后續(xù)處理方便；（6）對(duì)于城市水體環(huán)境修復(fù)植物，還應(yīng)具有一定的景觀價(jià)值。

目前，用于水體修復(fù)的植物主要有挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物以及濕生植物5類（表1）。地表水體修復(fù)植物選擇的主要影響因素有：所處區(qū)域自然環(huán)境、氣候特征，當(dāng)?shù)赝林锓N、優(yōu)勢(shì)物種、特有種及其主要天敵植物生長(zhǎng)特征及分布，擬選擇修復(fù)植物生長(zhǎng)環(huán)境條件及適應(yīng)能力，修復(fù)水體污染物類型、污染程度、污染范圍、修復(fù)水質(zhì)目標(biāo)、水動(dòng)力學(xué)特征以及水體環(huán)境功能區(qū)劃等因子。此外，對(duì)于漁業(yè)水域還采用生菜、油菜、空心菜、水芹等蔬菜，在凈化水質(zhì)的同時(shí)，最大限度利用資源、最大化經(jīng)濟(jì)效益，降低植物修復(fù)后續(xù)處理成本，避免二次污染[8]。

表1 常見(jiàn)修復(fù)植物分類

2 修復(fù)植物栽植

水生植物生長(zhǎng)狀況受修復(fù)水體水質(zhì)、底質(zhì)污染狀況，水位波動(dòng)、水體清潔程度及當(dāng)?shù)兀ㄔ囼?yàn)）環(huán)境條件等多因素影響，在科學(xué)試驗(yàn)或水體修復(fù)工程實(shí)施過(guò)程中，選擇適宜的植物栽植地點(diǎn)是修復(fù)成功的關(guān)鍵。

2.1 水體水質(zhì)狀況

修復(fù)水體水質(zhì)狀況直接決定修復(fù)植物類型及其存活的可能性。河流、湖庫(kù)等長(zhǎng)期接納外來(lái)生活污水與工業(yè)廢水，水體污染后高氮、磷的同時(shí)多表現(xiàn)為高CO2、高鹽分，同時(shí)伴有重金屬和有機(jī)污染物。其中，高CO2伴隨著水體中較充足的可利用無(wú)機(jī)碳源，有利于水生植物特別是沉水植物生長(zhǎng)；高氮、磷造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的同時(shí)，滿足植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)所需。水體中鹽分過(guò)高將脅迫植物生長(zhǎng)發(fā)育，抑制植物組織及其器官生長(zhǎng)分化，直接導(dǎo)致葉綠素破碎。研究表明，不同水生植物的耐鹽性有較大差異，一般在0～0.5 mg/L含鹽量范圍內(nèi)較好生長(zhǎng)，含鹽量＞5 mg/L時(shí)影響大多水生植物生長(zhǎng)，如水生植物如在濱海高鹽水體中川蔓藻和篦齒眼子菜耐鹽性高于狐尾藻、金魚(yú)藻、線葉眼子菜、枯草等，且可作為沿海河道沉水植物重建的先鋒植物[9]。此外，水體中一定量的重金屬和有機(jī)物有助于水生植物生長(zhǎng)，但高濃度會(huì)影響其正常生長(zhǎng)發(fā)育。水生植物耐受常見(jiàn)重金屬的濃度為：Hg2+＜ 1 mg/L、Cu2+＜ 2 mg/L、Ni2+＜ 2 mg/L[10]。

2.2 底質(zhì)（基質(zhì)）狀況

底質(zhì)是沉水植物和挺水植物等水生植物生長(zhǎng)的基本基質(zhì)，也是與植物生長(zhǎng)有密切聯(lián)系的微生物主要來(lái)源之一。自然水體中底質(zhì)（沉積物）對(duì)水體修復(fù)工程水生植物生長(zhǎng)有直接影響。底質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的高低直接影響水生植物的生物量、株高、分支數(shù)量等。因水體類型不同，底質(zhì)也有明顯的分層，表層（過(guò)渡層）為流動(dòng)浮泥，成絮凝狀；中低層為氮、磷、有機(jī)物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與污染物聚集的污泥層，有利于植物扎根生長(zhǎng)，是最適合水生植物種植的區(qū)域。

對(duì)于水生植物修復(fù)水體室內(nèi)試驗(yàn)研究，多在采用自制栽植容器，如塑料盆栽桶、PVC圓桶、≥30 L的塑料盆（塑料箱）等，試驗(yàn)基質(zhì)多為研究水體采集的底質(zhì)或者鋪設(shè)均質(zhì)砂礫、陶礫等材料，鋪設(shè)厚度為10～20 cm不等。此外，對(duì)于蓮藕塘、魚(yú)塘等水體修復(fù)研究，多采用定植孔塑料泡模板制作定植板。

2.3 水位波動(dòng)影響

水位波動(dòng)是影響水生植物生長(zhǎng)和修復(fù)效果的關(guān)鍵因素。水位波動(dòng)幅度直接影響水生植物的總生物量、莖生物量、葉生物量、根生物量、莖長(zhǎng)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、葉片數(shù)、分葉數(shù)、根長(zhǎng)及葉面積等生物特征和酶活性、葉綠素含量等生理指標(biāo)，同時(shí)改變不同水生植物種內(nèi)及種間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[11]。特別地，對(duì)潮感河段的植物修復(fù)，應(yīng)選擇對(duì)水位波動(dòng)引發(fā)的環(huán)境改變適應(yīng)性更強(qiáng)的植物。

3 修復(fù)效果分析

不同水生植物的水體凈化能力差異較大。在中高濃度的富營(yíng)養(yǎng)化水體中，水生植物有明顯的除氮、除磷效果，氮、磷和總有機(jī)碳含量成明顯降低趨勢(shì)。常用的水生植物修復(fù)高濃度氮的效果為美人蕉＞睡蓮＞空心菜＞水芹，除磷效果為睡蓮＞美人蕉＞空心菜＞水芹；修復(fù)中濃度氮、磷的效果為美人蕉＞睡蓮＞水芹＞空心菜，即高濃度水產(chǎn)養(yǎng)殖水域和自然水體環(huán)境中美人蕉和睡蓮有更好的抗逆性和適應(yīng)能力。對(duì)除氮除磷速率，不同植物凈增生物量之間具有顯著差異（P＜0.05），生物量的變化范圍為492.71～939.19 g/m2[12]。研究表明，植物凈生物量濕質(zhì)量、干質(zhì)量均與磷富集效率相關(guān)性較高，可作為修復(fù)植篩選的參考因素。

水生植物莖、葉、根等不同部位吸收氮、磷、重金屬等污染物的貢獻(xiàn)率也有一定差異，一般莖葉部高于根部，有效割除是徹底去除污染物、提高水體修復(fù)凈化效果的重要手段之一。對(duì)于水體中重金屬的修復(fù)效果，植物修復(fù)重金屬的整體效果為：Cu＞Cr＞Ni＞Pb＞Cd，植物種植后底泥中各重金屬形態(tài)含量的變化有隨總量減小而減小的趨勢(shì)，各種形態(tài)重金屬的百分含量在植物種植前后未發(fā)生顯著變化。但不同植物的各組織內(nèi)累積不同重金屬的效率有所差異，如Cu、Ni在睡蓮中的分布特征為根＞葉＞莖，Cd和Pb為根＞莖＞葉，Cr為葉＞根＞莖。Cr、Ni在荷花中的分布特征一致，為莖＞葉＞根，Cu表現(xiàn)為莖＞根＞葉，Cd、Pb作為植物的有害元素，主要積累在荷花的葉部組織[13]。

4 結(jié)論

水生植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體投資少、節(jié)約資源，同時(shí)兼具城市生態(tài)綠化與景觀價(jià)值。對(duì)于地表富營(yíng)養(yǎng)化水體，不同地域的水體所適用的修復(fù)植物受植物生長(zhǎng)特性、區(qū)域自然環(huán)境、水體受污染狀況等多因素影響，且不同種類植物對(duì)各級(jí)污染程度的水體修復(fù)效果存在較明顯的差異。因此，針對(duì)不同修復(fù)水體選擇適宜的水生植物進(jìn)行科學(xué)種植與管護(hù)是確保修復(fù)效果的重要前提。