沉水植物修復(fù)湖泊富營養(yǎng)化水體研究

董文龍 余頡

（湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430200）

1 引言

根據(jù)2019 年生態(tài)環(huán)境部公布的最新資料，在其監(jiān)測的107 個(gè)湖泊（水庫）中，貧營養(yǎng)的湖泊占9.3%，中營養(yǎng)的湖泊占61.7%，富營養(yǎng)化的湖泊占29%。

目前，防治湖泊富營養(yǎng)化的技術(shù)方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。其中，物理法有排水改道、底泥疏浚、深層排水等；化學(xué)法有化學(xué)處理、凝聚沉淀和化學(xué)除藻等；生物法有生態(tài)修復(fù)、生態(tài)系統(tǒng)控制和生物利用等。生態(tài)修復(fù)作為生物法核心技術(shù)，主要有浮游動(dòng)物和魚類的修復(fù)、微生物修復(fù)和水生植物的修復(fù)。

水生生態(tài)系統(tǒng)的組成部分眾多，沉水植物作為重要的組成部分，可與浮游植物競爭光照和營養(yǎng)物質(zhì)，凈化富營養(yǎng)化水體，還可為浮游底棲動(dòng)物、附生真菌和細(xì)菌等提供適宜的生長環(huán)境，維持生態(tài)系統(tǒng)多樣性［1］，因此，以沉水植物為主的水生植物修復(fù)技術(shù)是治理湖泊富營養(yǎng)化水體的一項(xiàng)重要舉措。

2 沉水植物對湖泊富營養(yǎng)化水體的凈化作用

湖泊水體生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者主要為沉水植物，恢復(fù)和構(gòu)建沉水植物群落可以降低湖泊富營養(yǎng)化水體營養(yǎng)負(fù)荷，凈化水體中多種有機(jī)物，改善水體溶解氧和透明度，抑制藻類生長，有效增加生態(tài)空間。目前，研究和應(yīng)用較廣的沉水植物有菹草、苦草、馬來眼子菜、微齒眼子菜、伊樂藻、黑藻、金魚藻、狐尾藻等［2］。

2.1 降低氮磷營養(yǎng)負(fù)荷

沉水植物以氮磷為營養(yǎng)物質(zhì)，沉水植物整株浸沒于水中，具有吸收作用的組織有根、莖、葉和表皮，葉綠素出現(xiàn)在皮層細(xì)胞，這種特殊的結(jié)構(gòu)可以吸收水體中的氮和磷。

李蕓等［3］研究認(rèn)為，湖泊中NH4＋－N 的濃度會(huì)直接影響沉水植物的生長活動(dòng)，NH4＋－N 的濃度不宜過高或過低，不適宜的濃度會(huì)脅迫沉水植物的生長。通過構(gòu)建合理的水體環(huán)境，沉水植物可以有效降低水體中NH4＋－N 的濃度。胡一帆等［4］以黑藻、苦草和狐尾藻3 種常見的沉水植物作為研究對象，在室內(nèi)靜水條件下，綜合比較其對受污染水體的凈化能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3 種沉水植物均可有效降低受污染水體中COD，NH3－N，TN，TP。常素云等［5］研究了狐尾藻、金魚藻、篦齒眼子菜不同組配方式對水體凈化效果的影響，研究表明，對TN 去除效果最好的組配方式為狐尾藻、金魚藻和篦齒眼子菜組合。樊恒亮等［6］選取太湖中沉水植物優(yōu)勢種金魚藻、狐尾藻、苦草和馬來眼子菜為研究對象，結(jié)果表明，水體營養(yǎng)變化規(guī)律上，植物各器官氮、磷含量變化基本相似，葉片氮含量最高，根系最低，根系磷含量最高。選取的4 種沉水植物，葉片氮元素積累的能力最高；氮磷較低濃度時(shí)，氮積累量狐尾藻的最大，磷積累量苦草的最大，氮磷低濃度下種植收割，去除水體中的氮磷效果較好。

2.2 凈化多種有機(jī)物

研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物水體生態(tài)系統(tǒng)中，通過降解可以使有機(jī)物大分子轉(zhuǎn)化為小分子，再通過水體中小型水生動(dòng)物或浮游動(dòng)物進(jìn)一步吸收，實(shí)現(xiàn)水體中懸浮性物質(zhì)的降低。

鐘錚等［7］以沉水植被為研究對象，通過構(gòu)建沉水植被，分析其對白云湖示范區(qū)水質(zhì)改善的情況，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)CODMn為6.89 mg/L，BOD5為11.80 mg/L，分別下降了39.6%和39.7%。

戴青松等［8］以狐尾藻、金魚藻和伊樂藻3 種沉水植物為研究對象，分析了其在秋季對人工湖泊水質(zhì)的凈化情況。結(jié)果表明，3 種沉水植物均有一定的凈化作用，在對COD 去除效果方面，狐尾藻和伊樂藻最好，去除率超過57%，金魚藻較差，為51.74%。

大量研究表明，沉水植物對湖泊水體有機(jī)物有一定的去除效果，但水體中COD 的去除率并不一定隨著時(shí)間的增長而持續(xù)上升，植物吸收充足且在自身代謝作用下會(huì)導(dǎo)致其對水中COD 去除有所減緩，乃至基本維持在某個(gè)數(shù)值左右。后期階段，由于沉水植物凋亡、腐化、根腐爛與分解及微生物代謝，產(chǎn)生新的有機(jī)物溶入水中，導(dǎo)致水體COD 回升，甚至高于原水。溫度變化對沉水植物對COD 的去除有較大影響，低溫環(huán)境更容易造成植物的死亡腐爛而引起COD 上升，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要定期收割和處理老化植物，以控制水體COD。

2.3 改善水體溶解氧和透明度

大量研究表明，通過構(gòu)建沉水植物生態(tài)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)水體溶解氧和透明度的改善。湖泊水體中，沉水植物的葉片等器官可以進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生一定的氧氣，提高湖泊水體的溶解氧濃度，有利于改善水體環(huán)境。同時(shí)，沉水植物生長的區(qū)域，可以減緩水體流動(dòng)的速度，葉片等器官可以吸附水體中的懸浮物，根系可以固定底泥，減少內(nèi)源性的磷釋放，防止沉積物的再懸浮，改善水體的透明度。

王學(xué)雷等［9］通過研究洪湖水環(huán)境的特征與湖泊濕地的凈化能力，發(fā)現(xiàn)沉水植物經(jīng)過根系的呼吸作用，通過自身輸導(dǎo)組織將一定的氧釋放到沉積物中，改善水體環(huán)境的溶解氧濃度。

2.4 抑制藻類生長

一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，湖泊水體中，沉水植物對藻類生長有一定的抑制作用，其機(jī)理主要有兩種可能，一是沉水植物生長過程中與藻類生長存在某些競爭關(guān)系。植物生長過程中，需要滿足適宜的外界環(huán)境才能正常生長，主要的影響因素包括溫度環(huán)境、光照條件和適宜的植物營養(yǎng)等。在水體中引入沉水植物后，會(huì)與藻類爭奪營養(yǎng)環(huán)境等，而沉水植物一般情況下競爭力更強(qiáng)，使藻類的生長相對處于劣勢［10］。二是沉水植物生長繁殖過程中，其根、葉等植物器官會(huì)向水體釋放一定量的化感物質(zhì)，這些物質(zhì)能對藻類的正常生長起到不良影響。

目前，已發(fā)現(xiàn)的具有抑制藻類生長的沉水植物有苦草、馬來眼子菜、黑藻、金魚藻和水劍葉等。

3 沉水植物修復(fù)湖泊富營養(yǎng)化水體的技術(shù)

在湖泊水體中，構(gòu)建沉水植物生態(tài)系統(tǒng)是治理湖泊富營養(yǎng)化水體的一種重要水生植物修復(fù)技術(shù)。目前，富營養(yǎng)化水體植物修復(fù)技術(shù)主要有生態(tài)沉床、原水位種植、人工濕地和聯(lián)合固定化微生物等。

3.1 生態(tài)沉床技術(shù)

通過在水和底質(zhì)兩大營養(yǎng)庫之間構(gòu)建沉水植物，實(shí)現(xiàn)兩庫之間的有機(jī)結(jié)合，形成多樣化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)。生長繁殖過程中，沉水植物占優(yōu)勢時(shí)，通過凈化作用可以很好地降低湖泊水體的污染負(fù)荷，改善水質(zhì)，豐富生物多樣性。生態(tài)沉床技術(shù)就是借助有基質(zhì)材料的沉床載體，通過固定樁將沉水植物種植在水和底質(zhì)兩大營養(yǎng)庫之間，利用沉水植物消化水體中的氮磷等營養(yǎng)元素，對富營養(yǎng)化水體進(jìn)行凈化，從而達(dá)到水體修復(fù)的目的。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(gè)部分［11］。沉床載體主要用于負(fù)載沉水植物，是沉水植物根系附著的區(qū)域；浮力層和升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要用于控制沉水植物離水面的距離，調(diào)節(jié)光照和光合作用，提高水體修復(fù)效果。

3.2 原水位種植技術(shù)

由于原水位種植沉水植物難度高、成活率較低、根系不容易固定等，目前該技術(shù)使用較少，且一般只適用于淺水區(qū)域或者污染程度較輕的水體。主要的種植方式有直接種植、定植毯種植和網(wǎng)箱種植等。直接種植主要有拋植、配重拋植、人工扦插、工具輔助扦插；定植毯種植比較容易實(shí)現(xiàn)模塊化種植，一般也需要配重；網(wǎng)箱種植相對于其他種植技術(shù)，沉水植物比較容易固定，種植效率較高，在原水位種植技術(shù)中普遍被采用。

3.3 人工濕地技術(shù)

利用沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的人工濕地技術(shù)是指在有一定面積和底面坡度的洼地上，人為地將石、砂、煤渣等填料與土壤按一定比例混合構(gòu)成基質(zhì)，并有選擇性地種植沉水植物的動(dòng)植物污水處理系統(tǒng)。利用土地、植物、微生物構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)，通過沉淀、吸附和降解等協(xié)同作用，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。劉繼平等［12］以深圳荔枝湖為研究對象，采用以人工濕地技術(shù)為主協(xié)同技術(shù)進(jìn)行治理，對BOD5，TN，TP 和葉綠素等指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以達(dá)到較好的去除效果，其中，BOD5和TN 的去除率超過55%，TP 的去除率在80%～90%之間，葉綠素的去除率超過63%，出水水質(zhì)可以達(dá)到Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 聯(lián)合固定化微生物技術(shù)

篩選和培養(yǎng)馴化特定功能的菌群可以達(dá)到降解轉(zhuǎn)化氮磷及有機(jī)物的作用。聯(lián)合固定化微生物技術(shù)就是利用沉水植物與特定菌群的聯(lián)合作用對富營養(yǎng)化水體進(jìn)行修復(fù)，由于特定菌群可以降解轉(zhuǎn)化水體污染物，通過聯(lián)合作用，沉水植物修復(fù)湖泊富營養(yǎng)化水體的效果會(huì)顯著提高。目前，在特定功能菌群的篩選和培養(yǎng)馴化，沉水植物與特定菌群的協(xié)同作用和聯(lián)合方式上還存在諸多難點(diǎn)，是今后的努力方向，值得進(jìn)一步探究。

4 結(jié)語

目前，全國處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊眾多，歸根結(jié)底主要是水體中攝入大量的氮磷等無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致的。去除湖泊營養(yǎng)物質(zhì)的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法等。其中，生物法中的沉水植物修復(fù)技術(shù)是治理湖泊富營養(yǎng)化水體的一項(xiàng)重要舉措。研究分析沉水植物對湖泊富營養(yǎng)化水體的凈化作用和沉水植物修復(fù)湖泊富營養(yǎng)化水體技術(shù)，總結(jié)該技術(shù)的應(yīng)用情況、相對空白的領(lǐng)域以及存在的問題，有利于對修復(fù)湖泊富營養(yǎng)化水體的進(jìn)一步探索。