富營養(yǎng)化水體濕地生態(tài)修復(fù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

陳賀涵，張 菁，尹立鵬，姜學(xué)霞，謝春生

(1.肇慶學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061；2. 觀星(肇慶)農(nóng)業(yè)科技有限公司，廣東 肇慶 526070)

1 引言

湖泊等水體的富營養(yǎng)化主要是由于水體中氮、磷等養(yǎng)分含量過高，從而引起一系列的環(huán)境問題，進(jìn)而給生態(tài)環(huán)境帶來直接或間接的危害。目前，我國富營養(yǎng)化水體規(guī)模不斷增大，生物多樣性下降、生態(tài)功能退化、生態(tài)環(huán)境惡化等問題日益突出。針對(duì)富營養(yǎng)化水體修復(fù)問題，常用的方法有物理方法、化學(xué)方法和生態(tài)修復(fù)方法等[1]。在富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)的研究中，濕地生態(tài)修復(fù)是富營養(yǎng)化水體修復(fù)的研究重點(diǎn)之一。濕地生態(tài)修復(fù)是通過對(duì)湖泊、河道等水體內(nèi)部及周邊環(huán)境進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，選取合適的植物，從而提高濕地對(duì)富營養(yǎng)化水體的治理和修復(fù)效率。通過建立濕地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行富營養(yǎng)化治理，是目前我國富營養(yǎng)化水體防治的主要措施。在對(duì)水體進(jìn)行凈化的濕地系統(tǒng)中，主要有自然恢復(fù)、人工或半人工加強(qiáng)濕地、人工濕地三大類。目前，國內(nèi)外的研究與應(yīng)用表明，構(gòu)建濕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)是解決湖泊富營養(yǎng)化問題的有效途徑[2]。本文從人工濕地的水文條件、植被群落的選取、濕地的生態(tài)修復(fù)與維護(hù)等幾個(gè)方面，綜述國內(nèi)外在影響濕地生態(tài)修復(fù)效果和系統(tǒng)構(gòu)建方面研究和應(yīng)用的進(jìn)展，為濕地生態(tài)修復(fù)的建設(shè)與應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。

2 影響濕地生態(tài)修復(fù)效果的因素

2.1 植物選擇

水生植物是濕地處理系統(tǒng)中主要生長的植物，在生態(tài)修復(fù)處理中，水生植物主要起到的作用是為微生物的生長提供了良好平臺(tái)。在北方地區(qū)，一些植物的莖稈可以為水體水面形成冰層提供一定的支持，也為許多野生動(dòng)物提供了一個(gè)良好的棲息地點(diǎn)[3]，對(duì)濕地內(nèi)部的水生動(dòng)物以及鳥類的遷徙和繁衍意義很大。適當(dāng)?shù)剡x擇水生植物進(jìn)行搭配選擇可以提高對(duì)富營養(yǎng)化水體的修復(fù)效率，這在濕地生態(tài)修復(fù)中至關(guān)重要[4]。此外，植物種類的增多還可以提高濕地的生物多樣性，改善濕地生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)與修復(fù)能力，從而增強(qiáng)濕地抵御外界沖擊能力[5]。

2.2 水力條件

水力條件主要包括水力停留時(shí)間和水力負(fù)荷。濕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)可分為地表和地下兩個(gè)區(qū)域，由于地表侵蝕層和植被之間的水力傳導(dǎo)特性的差異，其水力流動(dòng)的規(guī)律也有一定的差別，在不同的深度會(huì)產(chǎn)生不同的水流阻力，從而導(dǎo)致水力停留時(shí)間的延長[6]。選用不同水力負(fù)荷的污水通入人工濕地，對(duì)其治理效果也有一定的影響[7]。徐祥熙等[8]通過建立6個(gè)不同的人工濕地模型，采用不同的水力學(xué)條件進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在相同的水力條件下，垂直流人工濕地對(duì)污染物的去除率最高，表面流人工濕地的去除率最低；總氮去除效果最好的是垂直上行人工濕地，總磷、化學(xué)需氧量去除效果最好的是垂直下行人工濕地，氨氮去除效果最好的是水平潛流人工濕地；各人工濕地處理效果都隨水力負(fù)荷的增加而劣化。李程等[9]的研究也表明，隨著水力負(fù)荷的增加，人工濕地對(duì)污水中的主要污染物的去除率呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢(shì)，并且在低水力負(fù)荷的情況下，對(duì)主要污染物的去除率明顯高于高水力負(fù)荷條件。

2.3 營養(yǎng)物質(zhì)

水體的富營養(yǎng)化主要表現(xiàn)為水中的高氮水平，以及藻類的大量繁殖，使一系列的環(huán)境問題變得更為嚴(yán)峻。氮以不同的形式存在于水中，對(duì)植物產(chǎn)生環(huán)境脅迫，達(dá)到一定濃度后，就會(huì)導(dǎo)致植株死亡[10]。水草可通過釋放某些物質(zhì)抑制藻類生長，降低藻類的生物量，實(shí)現(xiàn)競爭效應(yīng)，改善水質(zhì)。一些植物在死后腐爛分解，也會(huì)生成各種不同形態(tài)的氮，可以被活著的植物所吸收[11]。

2.4 溫度

濕地的生物降解是一種生物化學(xué)反應(yīng)，水體中污染物的生物降解速率受溫度的影響較大。因此，在冬天，由于水溫較低，水體的生態(tài)修復(fù)效率會(huì)大大下降[12]。在人工濕地中，水生植物是處理富營養(yǎng)化水體的重要環(huán)節(jié)之一，而溫度又是影響植物生長的主要因素。由于四季更替，氣溫發(fā)生變化，部分植物無法一直適應(yīng)溫度變化，對(duì)于氮元素的需求量也會(huì)隨之改變。如：鳳眼蓮、金魚藻、苦草等在春季末夏季初開始進(jìn)入生長旺季，大量繁殖。又如：美人蕉無法在氣溫低的環(huán)境下發(fā)揮良好除氮效果；反之，石菖蒲由于低溫耐受力強(qiáng)，同時(shí)除氮效果良好，可以用于季節(jié)互補(bǔ)性種植。利用水生植物植物去除氮，需定時(shí)清理植物?？軙悦返妊芯堪l(fā)現(xiàn)，在生長季節(jié)，水生植物會(huì)吸收營養(yǎng)物質(zhì)供自身生長，而進(jìn)入秋、冬季節(jié)，許多植物無法存活，植物體死亡后部分營養(yǎng)物質(zhì)暫時(shí)儲(chǔ)存于體內(nèi)，若要完全去除則需要在植物腐敗前進(jìn)行清理，同時(shí)利用季節(jié)性互補(bǔ)的植物種植以保障對(duì)氮的去除效果[13]。

3 濕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)的構(gòu)建

與人工濕地類似，濕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)按照系統(tǒng)布水方式的不同分為自由表面流濕地(Free Water Surface Wetland，F(xiàn)WS)和潛流型濕地(Subsurface Flow Wetland，SFS)[14]。潛流型人工濕地則分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。人工濕地包括填料、植物和微生物3個(gè)主要成分，它們?cè)跐竦靥幚砦鬯倪^程中分別起著不同的作用，只有綜合發(fā)揮三者的優(yōu)勢(shì)，才能達(dá)到更好的生態(tài)修復(fù)效果[15]。

3.1 濕地植物選擇

水生植物是指在水里生長的植物，在我國的濕地生態(tài)修復(fù)中起著舉足輕重的作用，通過合理的植物搭配，可以有效地促進(jìn)水體的恢復(fù)。按照生物習(xí)性，水生植物以沉水植物、挺水植物、浮游植物居多，植物品種的選擇要盡量降低對(duì)周邊環(huán)境的威脅，防止外來生物的入侵。濕地生態(tài)修復(fù)常用的水生植物可以分為以下幾類。

3.1.1 挺水植物

挺水植物是指生長在淺水或水岸邊的植物。它的根或地下莖生長在泥土中，通常有發(fā)達(dá)的通氣組織，莖和葉絕大部分挺立水面。挺水植物大多植株高大，造型美觀，在濕地生態(tài)修復(fù)中應(yīng)用廣泛(表1)。

表1 生態(tài)修復(fù)常用的挺水植物

由表1可知，在COD的去除方面，匯總的各類挺水植物如美人蕉，銅錢草等均可達(dá)到50%以上，而蘆葦，香蒲去除效能更是顯著，可達(dá)80%以上。而對(duì)于去除總磷，慈姑、香蒲和蘆葦效率極高，可作為主力植物。上述挺水植物植株高大，造型美觀且種植簡易，耐受力強(qiáng)，適合在淺水體或水岸邊大面積種植以對(duì)水體進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。

3.1.2 沉水植物

沉水植物是指整株植物全部位于水層下面營固著生存的大型水生植物。

據(jù)表2所示，狐尾藻、金魚藻對(duì)COD和總磷的去除率非常高，適宜條件下可達(dá)到80%以上，并且栽種簡單，可作為深水體的凈水主要植物。輪葉黑藻等則可作為輔助植物，提高生態(tài)修復(fù)效率。此外還可以用于濕地造景，提高濕地群落豐富度，提高生態(tài)多樣性。

3.1.3 浮水植物

浮水植物也稱浮葉植物，根、根莖生于水中底泥又或者完全漂浮于水面之上從而隨水而動(dòng)，葉片浮于水面上方。常用生態(tài)修復(fù)的浮水植物見表3。

表2 生態(tài)修復(fù)常用的沉水植物

表3 生態(tài)修復(fù)常用的浮水植物

浮水植物多數(shù)均有較強(qiáng)的凈水效能，但易大量繁殖，堆積河道，對(duì)其他水生動(dòng)植物造成危害，所以一般不作為生態(tài)修復(fù)的主要植物，可用作輔助凈化的一類植物。

在生態(tài)修復(fù)過程中，采用多種植物進(jìn)行綜合栽培，既能改善水體的修復(fù)效果，又能保證整個(gè)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的作物品種，根據(jù)其不同的生長距離、根系深度、土壤污染、種植效益以及對(duì)環(huán)境的影響，選用合適的品種。植物在吸收和清除污染物的過程中，也為填料中的微生物提供了良好的生活環(huán)境，這是提高生態(tài)修復(fù)效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。綜合考慮，宜選擇蘆葦、美人蕉和旱傘草作為濕地的挺水植物部分，狐尾藻、金魚藻和苦草作為沉水植物部分，浮葉植物選擇芝麻萍，所選植物均具有良好的適應(yīng)性、較好的根系和較好的抗污染及凈化性能。同時(shí)選用上述多種不同種類的植物組合種植，最大化提高濕地生態(tài)修復(fù)的效率。

3.2 場地搭配建設(shè)

場地建設(shè)可以在有限的用地面積條件下，最大限度地提高土地利用率，從而間接提高修復(fù)效率。潛流式人工濕地包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、防滲、結(jié)匯、濕地植被等，其排水在地表下流動(dòng)，具有良好的隔熱性能，對(duì)周圍環(huán)境無明顯影響，環(huán)境衛(wèi)生狀況良好，可在距離居民區(qū)較近的區(qū)域使用[12]。因此近年來較多選用潛流式人工濕地對(duì)富營養(yǎng)化水體進(jìn)行修復(fù)[32]。若是地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，可利用面積大，管理較為困難，則可采用水平流濕地進(jìn)行修復(fù)。

3.3 水岸維護(hù)工程

大部分濕地水岸維護(hù)現(xiàn)狀植被數(shù)量少，種類單一，且無一定的隔離措施或設(shè)備。針對(duì)部分湖泊或濕地的水岸保護(hù)問題，應(yīng)在居民休閑活動(dòng)的地區(qū)和湖岸附近建立生態(tài)隔離帶，有效隔離人為活動(dòng)干擾，為濕地生態(tài)修復(fù)提供穩(wěn)定條件。生態(tài)隔離帶可沿水岸線設(shè)置，植物種植稍寬。水岸主要以較陡邊坡護(hù)岸為主，緩沖帶寬度較窄，地形陡峭。根據(jù)現(xiàn)狀地形地勢(shì)，種植采用“喬木+灌木+草本+挺水植物”的組合方式，呈現(xiàn)出較為自然的面貌，促進(jìn)了水質(zhì)改善，優(yōu)化了整體生態(tài)環(huán)境[33]。此外，濕地系統(tǒng)中鳥類繁多，在設(shè)計(jì)時(shí)可采用“微地形塑造+多序列植被修復(fù)+枯樹”的組合方式，并根據(jù)不同鳥類的習(xí)性，種植鳥類喜愛的陸生、耐水生喬灌草和挺水、沉水植物，在滿足鳥類需求的覓食、棲息繁殖的基礎(chǔ)上還可增加植物類型，提高區(qū)域生物多樣性。針對(duì)目前的實(shí)際狀況，在靠近道路的區(qū)域設(shè)置一片密林隔離區(qū)，以減少人類活動(dòng)對(duì)濕地生物的干擾，其次植被修復(fù)向水面延伸依次為喬、灌草、挺水植物及沉水植物，水面上配置部分浮水植物。

3.4 濕地系統(tǒng)維護(hù)

雖然濕地生態(tài)建設(shè)對(duì)富營養(yǎng)化水體修復(fù)作用效果顯著，但考慮到植物生長周期與當(dāng)?shù)貧夂蛎芮邢嚓P(guān)等因素，建設(shè)后期的維護(hù)工作顯得尤為重要。如今大部分地區(qū)對(duì)于濕地生態(tài)修復(fù)維護(hù)主要以人力為主，小部分地區(qū)采用智能化系統(tǒng)控制管理。無論是人力維護(hù)還是智能化系統(tǒng)控制維護(hù)，都有其優(yōu)勢(shì)和不足之處。濕地系統(tǒng)維護(hù)通常分為濕地生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)與濕地設(shè)施維護(hù)兩部分，選擇合理的系統(tǒng)維護(hù)措施，將對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響[34]。

4 結(jié)論與展望

濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)在我國富營養(yǎng)化水體治理、黑臭水體修復(fù)、水源地保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。其中，合適的植物選擇和水力條件是影響濕地生態(tài)修復(fù)的重要因素。國內(nèi)外的研究與應(yīng)用表明：蘆葦、金魚藻、鳳眼蓮是對(duì)富營養(yǎng)化水體凈化效果較好的3種不同類型的水生植物，可以作為濕地修復(fù)的主力植物并根據(jù)其他水生植物不同的凈化能力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，設(shè)計(jì)出不同的植物組合來搭配使用，以更好地發(fā)揮水生植物凈化水體、美化環(huán)境的功能。水力條件的改變可以通過場地與相關(guān)設(shè)備的選擇與改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而對(duì)進(jìn)水水力條件進(jìn)行調(diào)整。影響濕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)構(gòu)建的因素較多，因地制宜地進(jìn)行濕地生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計(jì)，是濕地生態(tài)修復(fù)富營養(yǎng)化水體成敗的關(guān)鍵因素。針對(duì)不同的地形、氣候、選擇適宜的植物組合，結(jié)合當(dāng)?shù)厮l件、排水設(shè)施及出水條件，進(jìn)行合適的濕地生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)，將有效提高濕地生態(tài)修復(fù)的成效。

由此可見，濕地生態(tài)修復(fù)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)仍主要集中在對(duì)不同類型的植物進(jìn)行篩選和對(duì)比，從中選出適合實(shí)際使用的品種，并進(jìn)行合理的組合，以提高濕地生態(tài)修復(fù)的效果。濕地生態(tài)系統(tǒng)中的基質(zhì)，富含有機(jī)-無機(jī)成分和各種微生物，與植物共同構(gòu)成植物-微生物-基質(zhì)體系，是濕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)污染物去除的主要場所。因此可見，加強(qiáng)濕地生態(tài)系統(tǒng)中基質(zhì)選擇、組成和應(yīng)用的研究，不僅可以有效提高濕地生態(tài)修復(fù)的效率，還可以最大限度地降低當(dāng)前人工濕地所面臨的諸如堵塞和運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，也是將來濕地生態(tài)修復(fù)研究和應(yīng)用的重要方向。