沉水植物對富營養(yǎng)化水體的凈化作用及修復(fù)技術(shù)研究進展

郭雅倩，薛建輝，吳永波，周之棟，華建峰

〔1.南京林業(yè)大學(xué)：a.南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，b.生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.江蘇省中國科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園)，江蘇 南京 210014〕

隨著中國工業(yè)化進程的不斷加快以及化肥的持續(xù)過量使用，國內(nèi)湖泊等水體的富營養(yǎng)化問題日益加劇[1-2]。富營養(yǎng)化水體中存在大量的氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)，容易引起藻類過度繁殖，致使水體的透明度降低、溶解氧含量下降、生境急劇惡化，導(dǎo)致部分水生植物、浮游和底棲動物生長受到抑制，進而使水體的生物多樣性下降、生態(tài)系統(tǒng)功能退化并面臨嚴重威脅[3]?，F(xiàn)階段，水體富營養(yǎng)化的防治技術(shù)主要分為物理方法、化學(xué)方法和生態(tài)學(xué)方法[4]。物理或化學(xué)方法能夠在短期內(nèi)改善水體水質(zhì)，但不利于維持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性；生態(tài)學(xué)方法通過重建水生植物群落降低水體營養(yǎng)負荷、抑制藻類生長，從而提高水體的生物多樣性，對修復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義[5]。

沉水植物為水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，可通過與浮游植物競爭光照和營養(yǎng)物質(zhì)來凈化富營養(yǎng)化水體[6]，并為浮游動物、底棲動物、附生真菌和細菌等提供良好的生長環(huán)境，維持水生動物和微生物的多樣性[7]，[8]133-148，因此，恢復(fù)以沉水植物為主的水生植物群落是治理富營養(yǎng)化水體、重建水生生態(tài)系統(tǒng)的一項重要措施[9-10]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者就沉水植物對富營養(yǎng)化水體的凈化作用、凈化機制及修復(fù)技術(shù)開展了大量的研究工作，筆者對這些研究進行了歸納和總結(jié)，以期發(fā)現(xiàn)沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體研究存在的問題和不足，為沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的深入研究提供研究方向，并為應(yīng)用沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化湖泊提供參考。

1 沉水植物對富營養(yǎng)化水體的凈化作用

重建沉水植物群落能夠降低富營養(yǎng)化水體的營養(yǎng)負荷，促進懸浮物(SS)沉積，改善水體的化學(xué)需氧量(COD)和溶解氧(DO)，抑制浮游植物生長，降低藻類爆發(fā)風(fēng)險，提高水體透明度(SD)和水體觀感[7，11-12]。然而，沉水植物對水體中富營養(yǎng)化成分的去除具有選擇性，不同種類沉水植物對各水質(zhì)指標(biāo)的凈化效果存在差異[13]。

1.1 對氮磷營養(yǎng)鹽的凈化作用

在富營養(yǎng)化水體中重建沉水植物群落可顯著降低水體中氮和磷的水平[7，12，14]，但不同種類沉水植物對富營養(yǎng)化水體中氮和磷的去除效果卻存在很大差異。以去除率(水體中氮和磷濃度下降百分率)為指標(biāo)對部分研究結(jié)果[15-16]，[17]20-24，[18]進行比較，發(fā)現(xiàn)輪葉黑藻(Hydrillaverticillatavar.rosburghiiCasp.)、金魚藻(CeratophyllumdemersumLinn.)和苦草〔Vallisnerianatans(Lour.)Hara〕對富營養(yǎng)化水體中氮磷營養(yǎng)鹽的凈化效果較好。研究表明：沉水植物組合群落對富營養(yǎng)化水體中氮磷營養(yǎng)鹽的去除能力低于單一植物群落[19-21]。這是因為不同種類沉水植物間存在鄰域效應(yīng)，并且隨著水體中養(yǎng)分的增加，鄰域效應(yīng)由促進作用轉(zhuǎn)變?yōu)楦偁幾饔?，即在高營養(yǎng)水平下，不同種類沉水植物間產(chǎn)生強烈的負向鄰域效應(yīng)[20]；群落上層植物可能影響中下層植物受到的光照水平，從而抑制中下層植物對氮磷營養(yǎng)鹽的吸收和利用[21]。丁玲等[19]發(fā)現(xiàn)，沉水植物對富營養(yǎng)化水體中氮磷營養(yǎng)鹽的去除效果與水體的氮磷營養(yǎng)鹽濃度存在一定相關(guān)性，但更主要取決于沉水植物的生物量。在一定范圍內(nèi)，沉水植物的生物量或覆蓋度越高，對富營養(yǎng)化水體中氮磷營養(yǎng)鹽的凈化效果越好[22]。但是，當(dāng)沉水植物的生物量或覆蓋度達到一定水平后，繼續(xù)增加生物量或覆蓋度并不會提高其對富營養(yǎng)化水體中氮磷營養(yǎng)鹽的凈化效果[23-24]。相反，經(jīng)過一段時間的生長，沉水植物植株陸續(xù)衰老、死亡，并在水體微生物的作用下逐漸腐爛，消耗水體中大量的溶解氧，并腐解產(chǎn)生大量的氮磷營養(yǎng)鹽，導(dǎo)致水質(zhì)惡化[25-26]。綜上所述，在應(yīng)用沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體時，應(yīng)考慮植物間的競爭關(guān)系或生態(tài)位差異，合理搭配植物種類，并加強水域管理，適時收割治理水域內(nèi)的沉水植物，確保沉水植物生物量維持在最佳凈化效果水平，以達到水生生態(tài)系統(tǒng)長期穩(wěn)定的目標(biāo)。

1.2 對有機物的凈化作用

除了能夠凈化富營養(yǎng)化水體中的氮磷營養(yǎng)鹽，沉水植物對富營養(yǎng)化水體中的多種有機物也有一定的凈化作用。例如：Luo等[27]構(gòu)建的5種小型沉水植被濕地系統(tǒng)對水體中COD的凈化作用顯著，對COD的去除率達53.44%～62.08%；吳振斌等[28]發(fā)現(xiàn)，在武漢東湖的大型實驗圍隔系統(tǒng)中，沉水植物圍隔內(nèi)水體的COD和生化需氧量(BOD)較對照圍隔和大湖水體低50%左右，并且，沉水植物圍隔內(nèi)水體中有機物的種類和數(shù)量低于對照圍隔和大湖水體；Meng等[29]在模擬實驗中發(fā)現(xiàn)，沉水植物菹草(PotamogetoncrispusLinn.)對水體中有機物芘的凈化作用顯著。綜合上述研究結(jié)果，在應(yīng)用沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體前，建議對富營養(yǎng)化水體進行系統(tǒng)的監(jiān)測和調(diào)研，以確定富營養(yǎng)化水體的主要有機物，從而選擇凈化作用強的沉水植物種類或組合修復(fù)富營養(yǎng)化水體。

1.3 對水體溶解氧和透明度的改善作用

光照和DO是水生生物生長繁殖必不可少的重要元素。沉水植物可通過降低水體中浮游植物含量[7]和SS濃度[30]37等途徑抑制水體中的生物性和非生物性懸浮物，提高SD和光照，從而促進沉水植物光合作用等生理代謝活動，提高水體的DO濃度，改善水質(zhì)條件。相關(guān)研究結(jié)果表明：沉水植物區(qū)域水體的SS濃度明顯低于開放水域[31]；在一定閾值內(nèi)，高生物量對SS再懸浮的抑制能力較強[32]，但超過一定閾值后其對SS再懸浮的抑制作用卻很小[33]。此外，沉水植物可顯著提高水體的DO濃度[34]；不同種類沉水植物對水體DO濃度的提高能力存在明顯差異[12]，[30]41。沉水植物組合對水體中SS的去除能力及DO的增加能力均顯著優(yōu)于單一植物[35]。

1.4 對藻類生長的抑制作用

葉綠素是藻類的重要組成成分，水體葉綠素a(Chla)含量常用于表征水體中藻類的現(xiàn)存量，是水體富營養(yǎng)化評價的重要指標(biāo)。Norlin等[36]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在加拿大阿爾伯塔省北部靠近Utikuma湖的24個濕地，當(dāng)沉水植物覆蓋率高于25%時，水體Chla含量較低。模擬試驗結(jié)果表明：苦草、黑藻〔Hydrillaverticillata(Linn.f.)Royle〕、狐尾藻(MyriophyllumverticillatumLinn.)、金魚藻、菹草和馬來眼子菜(PotamogetonwrightiiMorong)等沉水植物能有效降低水體Chla含量，但伊樂藻(ElodeanuttalliiLinn.)的作用效果卻較差[12]，[17]18，[37]。很多研究結(jié)果顯示：沉水植物能有效降低富營養(yǎng)化水體中藻類的生物量和密度，并改善藻類群落結(jié)構(gòu)[38-42]。進一步研究結(jié)果表明：沉水植物對藻類生長的抑制作用受到生物因子和非生物因子的影響。高溫、光照不足和營養(yǎng)失衡等均可降低沉水植物的生物量，從而使沉水植物對藻類的控制效率下降[43]；并且，在富營養(yǎng)化水體修復(fù)實踐中，沉水植物組合較單一植物更能抵抗磷負荷導(dǎo)致的藻類入侵[44]。

2 沉水植物對富營養(yǎng)化水體的凈化機制

2.1 吸收同化氮磷營養(yǎng)鹽

2.2 改善水體-植物-沉積物的理化環(huán)境

沉水植物對水體-植物-沉積物理化環(huán)境的改善作用主要體現(xiàn)在以下2個方面。一方面，沉水植物在穩(wěn)定沉積物和改善水體透明度方面具有重要作用[8]197-214，[55-56]。相關(guān)研究結(jié)果表明：沉水植物對水體中的懸浮物起到阻擋和吸附作用，能夠促進懸浮物的沉積，降低水體濁度[57]15；沉水植物還可以減少水流、波浪和水生動物活動等引起的沉積物擾動，其根系對沉積物也有一定的固定作用，可有效抑制沉積物的再懸浮，減少沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，進而維持水體透明度[58]。由于不同沉水植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和空間分布存在差異，其對水體水動力特性的影響也不同，因此，沉水植物對懸浮物沉積和沉積物再懸浮存在物種特異性差異[33，59]。另外，已有研究結(jié)果證實，莖干分枝及葉片呈輪生細碎狀的沉水植物更有利于截留水體中的細顆粒物[60]；并且，在一定閾值(300 g·m-2左右)內(nèi)，沉水植物的生物量越高，其抑制水體中沉積物再懸浮的有效性越強[32]。沉水植物莖葉附著物的養(yǎng)分含量豐富，總有機碳(TOC)和總氮(TN)含量分別為75.29～106.99和2.43～7.01 g·kg-1[57]24；沉水植物對水體中化學(xué)需氧量(COD)的去除率取決于懸浮物(SS)的物理沉積過程[27]。

另一方面，由于沉水植物的莖、葉和根系分別與水體和沉積物形成了特殊的微界面，植物可通過呼吸作用、光合作用、根系分泌等改善水體、沉積物和微界面的理化性質(zhì)，進而影響水體中營養(yǎng)物質(zhì)的含量和形態(tài)[61-62]。具體表現(xiàn)為：沉水植物通過莖和葉的光合作用釋放O2，通過呼吸作用釋放CO2，從而調(diào)節(jié)水體中溶解氧(DO)、pH值以及無機碳的形態(tài)和含量[3]；釋放到水體中的O2可提高沉積物表層氧化還原電位(Eh)，促進氨氮揮發(fā)，加速水體和沉積物中磷的沉淀，抑制結(jié)合態(tài)磷的釋放[45，63]；同時，沉水植物根系分泌的H+或有機酸導(dǎo)致根際周邊沉積物pH值降低，致使沉積物中吸附的磷被溶解，進而釋放到上覆水中，促進沉水植物對營養(yǎng)鹽的吸收和利用[61，64]。王立志等[65]的研究結(jié)果表明：沉水植物可通過提高上覆水中DO、Eh值和pH值及沉積物Eh值的方式影響磷在沉水植物和上覆水間的遷移和轉(zhuǎn)化。上述研究表明：沉水植物是水體、植物、沉積物及微界面理化環(huán)境的重要調(diào)節(jié)者，可促進水生生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。

2.3 與微生物協(xié)同作用

沉水植物與微生物的協(xié)同作用可促進湖泊生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，從而對富營養(yǎng)化水體起到凈化作用[66-69]。研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物能夠為水體中的微生物提供附著基質(zhì)和棲息場所，形成生物膜[70]；而植物-生物膜-水體交界面釋放的植物代謝產(chǎn)生的O2和有機質(zhì)等為微生物生長提供了適宜的微環(huán)境，間接促進了富營養(yǎng)化水體中碳、氮和磷的循環(huán)[71-72]。另外，沉水植物表面的微生物生物膜的豐度和活性均高于臨近環(huán)境[73]，且沉水植物表面的微生物功能多樣性和穩(wěn)定性更高，利于沉水植物應(yīng)對富營養(yǎng)化的水體環(huán)境[74]。沉水植物與微生物協(xié)同作用，可有效抑制富營養(yǎng)化水體中水華的形成[75-76]。

研究發(fā)現(xiàn)，生物膜中微生物的種類和活性受沉水植物表面氧含量變化影響較大，這是因為沉水植物日間釋放O2(可加強硝化菌的活性)、夜間消耗O2，直接導(dǎo)致微生物的好氧和厭氧代謝交替變換[73，77]。由于水流擾動可影響微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性[78]，附著于沉水植物表面的微生物的多樣性和豐度會隨著植物在水流中的擺動而升高[79-81]；并且，適當(dāng)?shù)乃鲾_動可防止微生物的生物膜厚度持續(xù)增加，避免沉水植物受到養(yǎng)分競爭和光照遮擋[82-83]。

沉水植物還可通過植株表面分泌的營養(yǎng)物質(zhì)和特異性化感物質(zhì)，或截留水體中漂浮顆粒物，塑造生物膜中特異的微生物群落結(jié)構(gòu)[80-81，84-91]。與挺水植物相比，沉水植物根系和莖的分泌物中木質(zhì)素/氮素比較低，可為反硝化細菌提供更易降解的代謝物質(zhì)，有利于富營養(yǎng)化水體中氮的反硝化去除[92]。生物膜為水體中重要的微生物集合體，被定植于植物表面分泌的胞外多聚物(如多糖、蛋白質(zhì)及其他大分子物質(zhì))中[93]；微生物分泌的群體感應(yīng)信號分子在細胞間的傳遞可維系生物膜的形成和功能[94]。綜合分析認為，水流擾動及植物種類等影響沉水植物生長代謝的因子可改變生物膜中微生物的種類和活性，從而影響沉水植物與微生物間的協(xié)同作用。

2.4 抑制藻類生長

沉水植物對藻類的抑制作用包括直接抑制作用和間接抑制作用2個方面，直接抑制作用表現(xiàn)為沉水植物和藻類對光照、生長空間和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭，而間接抑制作用則表現(xiàn)為沉水植物導(dǎo)致水體理化環(huán)境變化，從而對藻類產(chǎn)生不利影響。

沉水植物的個體較大，生命周期較長，吸收和儲存營養(yǎng)鹽的能力較強，因此，沉水植物在與藻類競爭養(yǎng)分時占有絕對優(yōu)勢，從而降低藻類生物量，改變藻類群落結(jié)構(gòu)[34]?；凶饔檬浅了参镆种圃孱惿L的重要途徑之一[101-102]。沉水植物可通過持續(xù)釋放低劑量化感物質(zhì)抑制藻類生長[103]，目前已從沉水植物體內(nèi)及生長水體中鑒定出酚酸類、脂肪酸類、生物堿類、萜類和黃酮類等抑制藻類生長的化感物質(zhì)[39，104-106]。不同種類沉水植物釋放的化感物質(zhì)對藻類生長的抑制作用存在差異[39，101，107]，如伊樂藻、輪葉黑藻和苦草均可釋放酚酸類化感物質(zhì)抑制銅綠微囊藻〔Microcystisaeruginosa(Kutzing)Kutzing〕生長，培養(yǎng)3 d后向水中釋放的總酚類化合物(TPC)含量分別為0.8%、0.3%和1.0%[108]。部分化感物質(zhì)聯(lián)合使用對藻類生長的抑制作用明顯加強[104-105，109]，這是因為不同種類化感物質(zhì)(如多酚和脂肪酸)具有不同的化學(xué)性質(zhì)，其對藻類生長的抑制模式也可能不同，因此，可利用復(fù)合沉水植物群落增強其對藻類生長的抑制作用[110]。沉水植物向水體中釋放的化感物質(zhì)很快被水稀釋，并以水為媒介對靶標(biāo)生物產(chǎn)生化感作用[111]；這些化感物質(zhì)主要通過抑制藻類的光合作用和呼吸作用，對藻類細胞造成氧化損傷和DNA損傷或誘導(dǎo)藻細胞程序性死亡等途徑抑制藻類生長繁殖[112-116]。但是，不同化感物質(zhì)抑制藻類生長的機制尚不清楚，建議通過蛋白組學(xué)方法研究藻類酶和蛋白表達對化感物質(zhì)的響應(yīng)，通過比較差異蛋白探討化感物質(zhì)的抑藻機制[117]。同時，還可從植物化學(xué)生態(tài)學(xué)角度深入分析沉水植物與藻類的消長規(guī)律，為富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)技術(shù)研發(fā)提供理論依據(jù)。

此外，沉水植物通過提高沉水植被覆蓋區(qū)內(nèi)浮游動物的數(shù)量，使浮游植物受到更大的掠食壓力，從而對浮游植物起到自上而下的控制作用[8]91-113，[120]。Zeng等[7]發(fā)現(xiàn)，在沉水植被恢復(fù)過程中，浮游動物密度與沉水植物的生物量逐年升高，且小型浮游動物種類逐漸被大型浮游動物種類取代。并且，大型浮游動物對浮游植物的捕食增加可能是水生生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育過程中沉水植被恢復(fù)的重要機制，對促進亞熱帶淺水湖泊維持清水狀態(tài)有重要作用[121]。

3 沉水植物對富營養(yǎng)化水體的修復(fù)技術(shù)

重建沉水植被是控制富營養(yǎng)化水體氮磷營養(yǎng)鹽負荷及修復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)的重要手段。近20年來，研究者不斷研發(fā)富營養(yǎng)化水體植物修復(fù)技術(shù)，逐漸開發(fā)出原水位種植、生態(tài)沉床、聯(lián)合固定化微生物和人工濕地等多種生物修復(fù)新技術(shù)，沉水植物被廣泛用于富營養(yǎng)化水體修復(fù)實踐，目前主要用于生態(tài)溝渠、復(fù)合生態(tài)池、凈化塘和城市湖泊等水體修復(fù)。

3.1 原水位種植技術(shù)

原水位種植技術(shù)操作簡單、成本低，但在實際應(yīng)用中沉水植物的成活率易受水深等環(huán)境條件的影響。在富營養(yǎng)化水體修復(fù)實踐中，沉水植物的原水位種植一般適用于淺水區(qū)及富營養(yǎng)化程度較輕、水體濁度較低的水體，種植方式有直接種植、定植毯種植和網(wǎng)箱種植等。直接種植一般根據(jù)水體底質(zhì)和水深采取不同的種植方式，如在淺水軟泥區(qū)直接拋植或人工扦插，在深水區(qū)則需配重拋植或工具輔助扦插[122]。定植毯可使沉水植物生長不受河道或湖泊底泥硬度的影響，在植物種植于定植毯后，可用沙袋或配重塊使定植毯沉于水底，以提高沉水植物的存活率，并實現(xiàn)沉水植物的模塊化種植[123]。網(wǎng)箱種植是指將沉水植物種植于類似養(yǎng)魚的網(wǎng)箱內(nèi)，解決了沉水植物難種植、難固定等問題，可用于農(nóng)業(yè)排水溝渠、廢水塘等水體的修復(fù)[124]。

3.2 生態(tài)沉床技術(shù)

在以藻類為主的富營養(yǎng)化水體中，光照不足是沉水植物生長的主要限制因子[125]，為解決這一問題，研究者們研發(fā)出漸沉式沉床和人工沉床等多種生態(tài)沉床技術(shù)。這些生態(tài)沉床技術(shù)是利用沉床載體和人工基質(zhì)栽植沉水植物進行富營養(yǎng)化水體修復(fù)的技術(shù)，從沉水植物生長適應(yīng)性出發(fā)，通過調(diào)節(jié)浮力實現(xiàn)沉床載體在水體中的深度，有效解決了應(yīng)用沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體時的光抑制問題，利于沉水植物降低富營養(yǎng)化水體的營養(yǎng)鹽含量[126-128]。

生態(tài)沉床技術(shù)的沉床裝置包括沉床載體、浮力層和升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)3個部分[126]。沉床載體是沉床裝置的重要組成部分，利用人工基質(zhì)為沉水植物根系生長提供支撐。為了防止二次污染并提高生態(tài)沉床技術(shù)對富營養(yǎng)化水體的凈化效果，研究者已研發(fā)出多種新型生態(tài)基質(zhì)，如植物纖維基質(zhì)(利用棕毛和絲瓜絡(luò)等制成)、改性膨潤土和新型多孔材料(如顆粒活性炭和火山巖等)，這些生態(tài)基質(zhì)通常具有多孔狀的粗糙表面并富含多種礦質(zhì)元素，可附著大量微生物，利于沉水植物生長，并與沉水植物根際微生物共同作用，促進難以被沉水植物吸收的有機磷轉(zhuǎn)化為無機磷，從而被沉水植物吸收利用，最終達到改善水體和沉積物理化環(huán)境的目的[129-130]。而且，這些生態(tài)基質(zhì)還可為沉水植物、浮游動物、浮游植物和微生物等提供良好的生長載體，利于這些水生生物生長[98，128]?？梢?，生態(tài)基質(zhì)與沉水植物聯(lián)合作用具有協(xié)同效應(yīng)，且更具長效性和穩(wěn)定性，對水生生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[98，131]。近年來，利用沉水植物和人工沉床聯(lián)合修復(fù)富營養(yǎng)化水體的實踐越來越多，尤其是對水體較深、透明度較低的富營養(yǎng)化水體的修復(fù)[127]，為加速富營養(yǎng)化水體植物重建及水生生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供了新途徑。

3.3 聯(lián)合固定化微生物技術(shù)

聯(lián)合固定化微生物技術(shù)利用沉水植物與特定菌群(如固定化氮循環(huán)菌、固定化聚磷菌、固定化光合細菌等)的聯(lián)合作用修復(fù)富營養(yǎng)化水體[69]。沉水植物與固定化微生物聯(lián)合作用對維持和提高富營養(yǎng)化水體的水質(zhì)效果顯著[132-133]。迄今為止，研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種具有特定功能的菌群，主要是對氮、磷及有機物等具有降解轉(zhuǎn)化作用的菌群[134]；而且，利用沉水植物與固定化微生物聯(lián)合修復(fù)富營養(yǎng)化水體的實踐越來越多[135]。但在功能菌篩選以及沉水植物與固定化微生物的協(xié)同作用和聯(lián)合方式上仍有很多方面值得探究。例如，固定化光合細菌具有降解多種有機物的能力[136]，白腐真菌可有效降解多環(huán)芳烴等有機物[137]，但尚未見二者與沉水植物聯(lián)合作用修復(fù)富營養(yǎng)化水體方面的研究報道。再如，針對一些富營養(yǎng)化程度嚴重、成分復(fù)雜的水體，宜同時使用多種功能微生物與沉水植物構(gòu)建修復(fù)系統(tǒng)，以克服單一功能微生物難以去除多種富營養(yǎng)成分的缺陷，這對成分復(fù)雜的富營養(yǎng)化水體修復(fù)具有重要意義。

3.4 人工濕地技術(shù)

人工濕地技術(shù)是利用基質(zhì)、植物和微生物組成的半自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，通過三者間的一系列物理、化學(xué)和生物作用去除富營養(yǎng)化水體中的營養(yǎng)鹽和有機物等成分[45，138-139]。近年來，人工濕地技術(shù)已廣泛用于農(nóng)業(yè)污水、養(yǎng)殖廢水、城市地表徑流、生活污水和工業(yè)廢水等富營養(yǎng)化水體的修復(fù)實踐，并取得了良好的效果[138，140-141]。人工濕地中沉水植物的根際效應(yīng)是去除富營養(yǎng)化水體中營養(yǎng)鹽和有機物等成分的重要原因。研究表明：沉水植物通過根系釋放O2并分泌有機物，利于人工濕地內(nèi)基質(zhì)和沉水植物表面形成微生物群落，但沉水植物對O2的輸送和釋放能力以及根系分泌物的量和組成均受沉水植物種類和生境因子的影響[142-143]。同時，人工濕地中微生物的旺盛生長可促進沉水植物生長，二者協(xié)同作用對維持人工濕地的長期穩(wěn)定具有重要意義[144]。

根據(jù)水體在人工濕地中的流動形式，可將人工濕地分為水平流人工濕地(包括水平潛流人工濕地和水平表面流人工濕地)和垂直流人工濕地等類型[145]。水平流人工濕地和垂直流人工濕地可去除水體中90%以上的有機質(zhì)、總氮和總磷，且垂直流人工濕地具有長期去除水體中磷的優(yōu)勢[146]。其中，水平潛流人工濕地是20世紀(jì)80至90年代城市污水處理最常見的人工濕地類型，可有效去除水體中的有機物和懸浮物[147]，修復(fù)能力具有長效性和穩(wěn)定性[148]?；旌先斯竦貏t是同時采用2種以上人工濕地類型修復(fù)富營養(yǎng)化水體，能夠結(jié)合各類型人工濕地的優(yōu)勢，提高人工濕地對富營養(yǎng)化水體的凈化效率[149]。在富營養(yǎng)化水體修復(fù)實踐中，應(yīng)根據(jù)水體特點，選擇高效的人工濕地修復(fù)技術(shù)。若以去有機物和懸浮物為目標(biāo)，建議采用水平潛流人工濕地；若以去除磷為目標(biāo)，建議采用垂直流人工濕地；若修復(fù)復(fù)雜水體，則建議采用混合人工濕地。

4 研究展望

沉水植物在凈化富營養(yǎng)化水體和修復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)功能中具有重要作用。目前關(guān)于沉水植物凈化富營養(yǎng)化水體的研究主要集中于不同種類沉水植物對富營養(yǎng)化水體凈化效果的比較分析，關(guān)于其凈化機制和修復(fù)技術(shù)應(yīng)用等研究也取得了一定的研究進展，但關(guān)于沉水植物退化機制等方面的研究卻有待加強。隨著水體富營養(yǎng)化程度的不斷加劇，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能必然發(fā)生明顯變化，致使沉水植物逐漸退化，浮游藻類逐漸占據(jù)優(yōu)勢，最終導(dǎo)致草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)向藻型湖泊生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，因此，藻型-草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換機制是一個重要的研究方向。針對不同類型的湖泊，應(yīng)通過野外長期定位實驗或室內(nèi)模擬實驗，闡明沉水植物的退化或消亡機制，分析影響藻型-草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵因子和驅(qū)動力，有助于依據(jù)湖泊所處階段有針對性地采取消減污染源和種植沉水植物等相應(yīng)治理措施，以期持久恢復(fù)草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)的清水穩(wěn)態(tài)。

另外，在利用沉水植物治理污染湖泊的過程中，應(yīng)從沉水植物退化機制出發(fā)，充分考慮富營養(yǎng)化水體的特點及沉水植物的生長適應(yīng)性，并結(jié)合沉水植物的生長周期和生態(tài)位等特點，確定最佳種類組合及種植比例，因地制宜開展富營養(yǎng)化水體修復(fù)。同時，還應(yīng)加強沉水植物與微生物協(xié)同作用過程及機制研究，進而揭示微生物對富營養(yǎng)化水體中營養(yǎng)物質(zhì)的降解和轉(zhuǎn)化機制，以期篩選出功能微生物并研發(fā)出具有高效凈化作用的沉水植物與固定化微生物的聯(lián)合方式。在富營養(yǎng)化水體修復(fù)實踐中，為了實現(xiàn)同時凈化多種有機物的目的，可將多種真菌和細菌等結(jié)合起來形成復(fù)合菌群，研發(fā)多功能復(fù)合水體修復(fù)系統(tǒng)，加速修復(fù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用?？傊S著對沉水植物凈化和修復(fù)富營養(yǎng)化水體的機制和技術(shù)的不斷深入研究，有望廣泛利用沉水植物群落重建和恢復(fù)修復(fù)富營養(yǎng)化水體生態(tài)系統(tǒng)。