流域生態(tài)富營養(yǎng)化水體中氮磷污染修復(fù)植物篩選及效能研究進展

宋夢廷 劉睿 陳芳

（1. 東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽 110819；2. 東北大學秦皇島分校資源與材料學院，河北秦皇島 066004；3. 云南大學生態(tài)與環(huán)境學院高原湖泊生態(tài)與污染治理研究院，云南昆明 650500）

1 引言

水體、植物資源與人類共存于地球，與人類日常生活息息相關(guān)，具有維持生態(tài)系統(tǒng)平衡穩(wěn)定、休閑娛樂等服務(wù)功能。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，越來越多的地區(qū)流域水生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)，水體富營養(yǎng)化加重。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署報告顯示，全球30%～40%的地表水體發(fā)生不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象［1］。2020 年《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示［2］，我國110 個重要湖泊流域中，處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊占比29%。雖然在近幾十年里持續(xù)對富營養(yǎng)化的流域水體治理修復(fù)，但富營養(yǎng)化現(xiàn)象依舊頻繁發(fā)生，水體富營養(yǎng)化成為水環(huán)境治理中的一大挑戰(zhàn)。

流域的水陸交錯帶是連接水體生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心樞紐［3］，作為“過濾器”和“凈化器”，是保護流域水體的最后一道天然綠色屏障，具有改善流域水體水質(zhì)質(zhì)量、穩(wěn)定岸坡基底攔截外源污染物、促進流域生態(tài)平衡穩(wěn)定等作用。一些地區(qū)的城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，使水陸交錯帶生態(tài)退化，植物多樣性降低，凈化、攔截功能喪失，導(dǎo)致大量含氮磷營養(yǎng)物通過徑流進入水環(huán)境，此外，流域生態(tài)環(huán)境具有脆弱性，一經(jīng)破壞就難以恢復(fù)至平衡穩(wěn)定狀態(tài)。改善富營養(yǎng)狀況是保護流域水體的首要步驟，從流域生態(tài)整體性出發(fā)，建立完整流域植物群落體系。尤其是流域的水陸交錯帶作為最后的保護屏障，急需篩選建立凈化、攔截效果較好，對環(huán)境適應(yīng)性強的植物群落體系，來應(yīng)對水體中污染物種類多、污染濃度大以及環(huán)境脅迫影響等問題［4］。

本文主要從植物篩選、應(yīng)用凈化效果等方面，對流域富營養(yǎng)化水體中氮磷污染修復(fù)植物篩選及效能研究進行綜述，并對當前存在的問題進行探討，對未來的發(fā)展方向進行展望，以期為水陸交錯帶植物篩選體系在富營養(yǎng)化水體治理中的應(yīng)用提供借鑒與參考。

2 高效凈化流域水體氮磷的植物篩選

2.1 植物篩選方式

水陸交錯帶（見圖1）涵蓋陸向輻射帶、水位變幅帶以及水向輻射帶［3］，植物種類豐富度較廣，包含喬木、灌木、草本和水生植物［5］。

圖1 水陸交錯帶植物群落示意

當前關(guān)于高效氮磷凈化植物篩選方式主要是植物組合搭配凈化水體實驗，對比不同植物及組合對氮磷削減能力，期望篩選出凈化效果好的特異性植物［6］。隨著高效凈化富營養(yǎng)化水體植物研究的加深，關(guān)于植物篩選不再片面偏向于植物組合配比對水體凈化效果的研究，逐漸從淹浸/干旱、鹽堿地、污染物濃度等方面篩選植物，探究植物在環(huán)境脅迫下自身響應(yīng)以及凈化效果。此外，植物是否是土著物種、對不同區(qū)域的季節(jié)適應(yīng)性等也納入篩選指標，逐漸全方位完善植物篩選方法體系。表1 為各種篩選方式獲取的植物。

表1 不同篩選方式下獲得的優(yōu)異植物

2.2 篩選研究

2.2.1 組合搭配方式篩選研究

植物組合搭配是目前關(guān)于高效凈化植物篩選的主要方向，包括植物單一凈化或植物組合搭配凈化實驗，以氮磷去除率作為評價指標，對比擇優(yōu)篩選出凈化效果較好的植物。Zhao 等［7］對比南荻、芒、茭白、再力花、香根草、菖蒲對富營養(yǎng)化水體氮磷的削減效果，得到芒對TN，TP 去除率分別為59.9%和91.5%，作用效果均高于其余5 種植物。Sudiarto 等［8］探究水葫蘆、大薸、水鬼花、浮萍對水體氮磷的削減效果，結(jié)果表明，大薸對TN 去除率最高，為63.15%，浮萍對TP 去除率最高，為36.15%。楊帆等［9］在早熟禾、紫羊茅、白花三葉草攔截地表水體徑流氮磷研究中，得到三者對TN 去除率為10.79%～27.51%，對TP 去除率為10.60%～25.81%，TN，TP 攔截效果最佳的分別為白花三葉草、早熟禾。通過對比不同植物氮磷凈化效果雖能篩選出高效特異性植物，但凈水效果差異大，同一植物可能對水體氮磷某一項指標去除效果較好，而對其他指標去除效果相對較差，由此可見，單一植物吸收氮磷能力受到一定限制［10］。僅從單一植物凈水效果篩選特異性植物相對片面，需要從其他方面對植物篩選進行補充評價。

與單一植物相比，多種植物組合可彌補生態(tài)位不足，種群間優(yōu)勢互補，減少了不利因素的影響，達到更理想的凈化效果。相關(guān)研究表明［11］，相比單一植物凈化效果，多種植物組合搭配有利于構(gòu)建穩(wěn)定的植物群落，促進流域生態(tài)恢復(fù)，改善水體質(zhì)量。Xu 等［10］選用8 種植物構(gòu)建3 類植物組合探究對水體的氮磷凈化效果，得到苦草+水龍+鴨舌草+三白草對TN 去除率為79.10%，削減效果優(yōu)于苦草+雍菜+菖蒲+香蒲、苦草+香蒲+水龍+螢藺組合；苦草+香蒲+水龍+螢藺對TP 去除率為91.96%，削減效果優(yōu)于苦草+雍菜+菖蒲+香蒲、苦草+水龍+鴨舌草+三白草組合。洪瑜等［12］以蘆葦、香蒲、慈姑、茭白、睡蓮探討植物組合對氮磷的凈化效果，得到香蒲+蘆葦+睡蓮對TN，TP 去除率分別為79.19%和68.65%，且作用效果均高于其余植物組合。Rodriguez 等［13］探究不同植物組合是否優(yōu)于單一植物作用效果，發(fā)現(xiàn)蘆葦+虉草對TN，NH4+-N 削減效果介于蘆葦和虉草單一植物之間，虉草對NO3--N 削減效果最好，這與有些研究認為植物組合更有效凈化水體氮磷結(jié)論相反。從宏觀角度來看，該現(xiàn)象是植物間的種類搭配、數(shù)量配比不同而導(dǎo)致；從微觀角度來看，是植物分泌信號物質(zhì)，產(chǎn)生植物化感作用、化學通訊識別、植物親屬識別、根系化學識別和行為模式等一系列植物種間或種內(nèi)化學作用，使植物間發(fā)生相互抑制［14］。

目前通過單一植物凈水實驗篩選削減效果較好的特異性植物研究較多，其中絕大部分都是對于熟知的植物進行研究篩選，缺少對新物種的篩選馴化。植物組合篩選主要以氮磷削減效果來評價，缺少植物相互作用機理方面的探究。由于植物種間或種內(nèi)作用會限制植物組合對氮磷的削減能力，今后研究中可通過代謝組學等方式研究植物分泌的信號物質(zhì)闡述種間關(guān)系，為植物組合配比提供依據(jù)，以期篩選出優(yōu)異的植物。

2.2.2 環(huán)境脅迫方式篩選研究

在實際環(huán)境應(yīng)用中的植物易受不同程度干旱/淹浸、鹽堿地、污染濃度［15］等多種因素脅迫侵害，于植物體內(nèi)產(chǎn)生氧自由基發(fā)生氧化應(yīng)激并對植物產(chǎn)生毒理作用，使得生理代謝錯綜復(fù)雜影響到光合作用、生長發(fā)育等，影響到水陸交錯帶植物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、物種多樣性，導(dǎo)致流域生態(tài)環(huán)境不能良性循環(huán)發(fā)展［16］。Chl，MDA，Pro，SOD 等［15］生理指標與植物抗逆性有直接關(guān)聯(lián)，這些指標能反映出植物在逆境環(huán)境下受損程度或自我保護能力。在逆境脅迫中對比不同植物的生理反應(yīng)，揭示其對脅迫的適應(yīng)機制以及耐性，有助于篩選出對環(huán)境適應(yīng)性強、凈化水質(zhì)優(yōu)異的特異性植物［17］。劉文竹等［18］通過耐鹽脅迫評價得到6 種植物的耐鹽性為：小茨藻＞篦齒眼子菜＞金魚藻＞苦草＞輪葉黑藻＞穗花狐尾藻，在0～15‰鹽度內(nèi)小茨藻耐鹽性最高為15‰，其Chla/b，Pro 含量均維持穩(wěn)定狀態(tài)，正常生理反應(yīng)受脅迫侵害低。Chen等［15］研究川蔓藻在單一鹽脅迫與鹽堿復(fù)合條件之間的差異，發(fā)現(xiàn)鹽度和堿度（pH）值的增加導(dǎo)致Chl含量驟減，Pro，MDA 含量劇增。鹽度從0 增至9‰，pH 為7，9 時，Chl 含量分別降低4.2%，36.7%，說明高鹽堿對植物生理產(chǎn)生侵害。TN，TP 的削減效果亦呈現(xiàn)相同趨勢，鹽度為6‰，pH 為7，9 時，TN 的去除率分別為0.094，0.059 mg/（g·d）。鹽度為12‰時，pH為8，9 時，TP 去除率分別降低到0.009，0.005 mg/（g·d）。胡茜靨等［16］研究水位梯度對6 種水生植物的生理影響，對Chl，MDA，SOD 指標綜合分析得到澤苔草適應(yīng)任何水位梯度脅迫，花菖蒲、黃花鳶尾和美人蕉、再力花、水蔥分別只對低水位和高水位抗逆性強。吳慎獨等［19］研究表明，鳶尾在低水位對TP，NH4+-N 去除率均在80%以上，且去除率明顯高于高水位。

氮磷是植物生長發(fā)育必需的核心營養(yǎng)元素，通過植物作用削減水體中氮磷污染源是控制水體富營養(yǎng)化的重要途徑［20］。相關(guān)研究［21］表明，高濃度氮磷污染物會破壞植物可溶性碳水化合物和游離氨基酸的代謝平衡，抑制其生長甚至導(dǎo)致死亡。Xiao 等［22］研究污染物濃度梯度對千屈菜、睡蓮、苦草生理反應(yīng)和修復(fù)效率的綜合影響，發(fā)現(xiàn)除Chl 外，MDA，SOD等含量變化與污染物濃度正相關(guān)。隨濃度梯度增加，MDA 含量持續(xù)升高發(fā)生氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)抗氧化酶反應(yīng)抵消植物體內(nèi)活性氧自由基侵害。TN，TP 去除率在一定濃度范圍內(nèi)升高，但也受到高濃度水平的抑制。綜合考慮生理反應(yīng)和污染物去除率，適合植物修復(fù)TN，TP 濃度水平分別在15.0，3.5 mg/L 以內(nèi)，相關(guān)最大去除率分別為76.0%，77.4%。表明污染物濃度過高導(dǎo)致植物適應(yīng)性生理調(diào)節(jié)受到抑制，從而導(dǎo)致植物衰退和凈化效率降低。關(guān)于植物對不同污染物濃度梯度適應(yīng)性的研究，除植物對不同污染物濃度梯度脅迫響應(yīng)外，還可以采用吸收動力學方式，通過米氏方程得到離子吸收動力學參數(shù)Imax，Km［23］，通過對氮磷吸收能力和親和能力來評估植物適應(yīng)的濃度范圍。Li 等［24］對狐尾藻、鳳眼蓮、喜旱蓮子草進行吸收動力學分析，得到狐尾藻、鳳眼蓮、喜旱蓮子草對于NH4+-N 的Imax分別為（37.7±9.2），（32.9±2.6），（11.12±0.3）mg/（g·DW·h）；Km分別為（841.9±117.1），（873.7±86.1），（238.5±17.7）mg/L。與狐尾藻、鳳眼蓮對比，喜旱蓮子草對NH4+-N 的Imax，Km值顯著較低，且對NH4+-N 的吸收能力隨著被處理廢水中NH4+-N濃度的增加顯著降低。此外，3 種植物對硝氮、磷酸鹽的Imax，Km與氨氮結(jié)果類似，表明喜旱蓮子草不太適合處理高濃度氮磷廢水。

研究環(huán)境對植物脅迫的生理反應(yīng)，有利于構(gòu)建完善的高效植物篩選體系，有助于獲取環(huán)境適應(yīng)性廣、凈化能力強的特異性植物，為實際工程治理提供有利依據(jù)。不同區(qū)域的流域環(huán)境復(fù)雜，水體或者近岸除滯留典型污染物重金屬、有機物以外，也存在新型污染物，如微塑料（MPs）、藥品及個人護膚品（PPCPs）、新型阻燃劑（OPFRs）等的匯入［25］，研究表明，MPs［26］、雙酚A［27］等可以改變土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及植物的性能，誘導(dǎo)植物生態(tài)毒性和遺傳毒性等，導(dǎo)致植物功能代謝機制受損甚至消亡，難以發(fā)揮該有的凈化作用以及經(jīng)濟、景觀等價值。到目前為止，缺乏關(guān)于新型污染物對植物影響的系統(tǒng)評價信息。隨著多學科交叉互融發(fā)展，功能性材料廣泛應(yīng)用于環(huán)境治理中，水陸交錯帶、人工濕地構(gòu)建中，應(yīng)用功能性材料可改善土壤基質(zhì)加強其對污染物凈化效果［28］，但其同時會釋放毒害物質(zhì)對植物產(chǎn)生脅迫影響，導(dǎo)致植物吸收氮磷能力減弱［29］。未來需要加強典型污染物、新型污染物以及混合污染物和功能性材料對植物脅迫響應(yīng)機理、氮磷削減效能影響的探究。

2.2.3 其他方式篩選研究

篩選流域富營養(yǎng)化水體治理效果優(yōu)異的特異性植物，不僅需要適應(yīng)惡劣因素脅迫，對氮磷吸收能力強，還需要考慮區(qū)域性差異，是否能適應(yīng)不同區(qū)域氣候條件，是否為外來物種會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害。植物修復(fù)是一個遲緩的進程，氣候、季節(jié)條件可能會影響到植物的生理生化反應(yīng)，冬季溫度極低時容易枯萎并進入休眠狀態(tài)，對污染物凈化效能降低。因此為適應(yīng)不同地區(qū)氣候差異，選擇適應(yīng)冬季低溫和植物休眠期較短的物種尤為重要［30］。淡水流域已被確定為極易受到入侵物種的影響，物種入侵導(dǎo)致土著物種的生態(tài)位、資源被掠奪，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和物種多樣性失調(diào)。不過研究表明［31］外來物種有較強的適應(yīng)性、耐污性和高效吸收凈化能力，在流域水體治理中能有效利用水體氮磷營養(yǎng)鹽限制藻類生長，降低水體富營養(yǎng)化程度。物種入侵既是嚴峻挑戰(zhàn)也是潛在機遇，對外來物種篩選應(yīng)用于流域治理需慎重考慮，如何將外來物種轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N寶貴資源需要進一步研究。此外，還可以從植物根系發(fā)達程度、根系泌氧能力、植物分泌化感物質(zhì)、抗風浪侵蝕及抑制沉積物懸浮能力、是否多年生植物、生物量大小、經(jīng)濟利用、生態(tài)景觀角度等［32］進行輔助篩選，既能有效治理環(huán)境，又能實現(xiàn)資源循環(huán)發(fā)展，同時美化環(huán)境。

3 水陸交錯帶植物體系構(gòu)建應(yīng)用對水體氮磷的改善效果

構(gòu)建完善的水陸交錯帶植物體系在流域水生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的生態(tài)地位。作為一種能耗低、效果好的新技術(shù)，以流域生態(tài)整體性作為出發(fā)點，依靠陸向輻射帶、水位變幅帶以及水向輻射帶植物體系，鞏固岸坡攔截滯留外污染源，降解吸收內(nèi)污染源，不斷改善生境，促進流域綠色生態(tài)恢復(fù)。

3.1 陸向輻射帶植物群構(gòu)建對氮磷的凈化效果

陸向輻射帶區(qū)域主要配置陸生植物和濕生植物，形成喬、灌、草單一或復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，改善地表徑流、滲流的外污染源攔截滯留能力，減少面源污染物向水體擴散，緩解流域水體容納污染物的環(huán)境承載力。研究中也發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建應(yīng)用的陸向輻射帶植被體系氮磷處理能力受到植被帶類型［33］、種植密度［34］、寬度及坡度［35］的影響，且限制因素與部分植物篩選方式相吻合。Aguiar 等［33］調(diào)查不同地點的喬、灌、草緩沖帶對氮磷的凈化效果，發(fā)現(xiàn)不同寬度、類型植被帶對污染物削減效果存在差異。60 m 的植被帶中，喬木植被帶對氮磷去除率為100%，灌木植被帶對氮去除率為83%、對磷去除率為66%，草本緩沖帶對氮去除率為61%、對磷去除率為53%。隨著喬、灌、草緩沖帶寬度的縮減，氮磷削減能力也均逐漸下降，且喬木植被帶對氮磷吸收能力優(yōu)于灌木、草本植被帶。Lv等［34］也發(fā)現(xiàn)隨植被帶寬度擴大，徑流中TN 濃度降低，且寬15 m 時凈化效果最好，去除率達65.08%，寬度大于15 m 時，TN 去除趨勢逐漸趨于平緩乃至下降。3 種不同植被類型對TN 削減效果依次為混交林＞楊樹林＞中山杉林，混交林的TN 去除效率為65.57%。此外，還得到不同種植密度影響污染物削減效果，與其他種植密度對比，1 000 莖/hm2具有更高除氮能力，TN 去除效率為62.67%。Wu 等［35］研究中同樣發(fā)現(xiàn)植被類型對氮磷削減有影響，得到狗牙根緩沖帶比茅草、三葉草對TN，TP 削減效果好，去除率分別為45.7%，43.4%。研究還發(fā)現(xiàn)較陡的緩沖坡度會導(dǎo)致較低的污染物削減效果，2%梯度的斜坡緩沖帶的TN，NH4+-N，TP 去除率最高，比5%梯度的高15%。

3.2 水位變幅帶及水向輻射帶植物群落構(gòu)建對氮磷的凈化效果

水位變幅帶及水向輻射帶區(qū)域主要是水生植物生存空間，涵蓋挺水、浮水、沉水植物體系，對內(nèi)污染源降解吸收和抑制沉積物、間隙水中的氮磷源向上覆水釋放，并分泌化感物質(zhì)抑制藻類活性。陶燕東等［36］通過構(gòu)建苦草、伊樂藻、龍須眼子菜沉水植物群落修復(fù)滴水湖外圍河道，工程實施后植物覆蓋率達到85%，TN，TP 去除率均為43.86%，水體富營養(yǎng)化指數(shù)降低19.31%。王璨等［37］在太湖流域構(gòu)建湖濱帶植被恢復(fù)工程，其中貢湖灣2.32 km2示范區(qū)水生植物覆蓋度高達57%，氮磷污染負荷去除率均高于60%，水質(zhì)由劣Ⅴ類提升至Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì)量標準，植被恢復(fù)與生境改善效果顯著［38］。蘇小妹等［39］對松雅湖治理采用水生植物恢復(fù)措施，與未修復(fù)區(qū)對比，示范區(qū)內(nèi)水體TP 去除率高達70%以上，修復(fù)后水域水質(zhì)符合Ⅲ類地表水要求。通常認為水生植物對流域水體富營養(yǎng)化治理起到正反饋作用，不會產(chǎn)生不利影響。但也有研究表明［40］，水生植物對流域生態(tài)發(fā)揮正反饋的同時也在產(chǎn)生負反饋，影響到植物對氮磷的凈化效果，只不過行為相對緩慢。在水文、氣候等因素影響下會加速植物體消亡再次釋放氮磷污染物，使得植物負反饋強于正反饋，導(dǎo)致流域轉(zhuǎn)變成藻型富營養(yǎng)化水體。所以構(gòu)建水生植物群落進行環(huán)境治理時，一方面需要考慮多因素變化，根據(jù)植物耐污能力，對氣候條件、水位波動適應(yīng)性等合理配置構(gòu)建；另一方面要完善修復(fù)后管理體系，定時收割植物，或采用生物操縱技術(shù)，依靠食物鏈、食物網(wǎng)機制，防止植物群落消亡產(chǎn)生負反饋作用。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

植物修復(fù)在流域富營養(yǎng)化水體中占據(jù)重要地位，是維護流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的核心關(guān)鍵。為應(yīng)對復(fù)雜多變的流域生態(tài)環(huán)境，防止流域植物群落退化，降低水體富營養(yǎng)化程度，亟須篩選構(gòu)建適應(yīng)強、凈化效果好的水陸交錯帶植物體系。關(guān)于植物篩選研究主要集中在通過單一、組合植物凈水實驗，對比氮磷污染物去除率優(yōu)篩優(yōu)異植物，且許多研究只是對于熟知的植物進行研究篩選，缺少植物組合間的相互作用機理方面探究。關(guān)于植物對不利因素脅迫響應(yīng)的研究相對較少，僅在干旱/淹浸、鹽堿地、氮磷污染濃度梯度對植物脅迫侵害方面探討。另外，將植物根系發(fā)達程度、根系泌氧能力、植物分泌化感物質(zhì)、抗風浪侵蝕及抑制沉積物懸浮能力、是否多年生植物、生物量大小、經(jīng)濟利用、生態(tài)景觀等納入篩選指標，可輔助完善植物篩選與評價。在流域生態(tài)富營養(yǎng)化水體治理研究中，植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用與場地示范已取得顯著成效，不過僅從單一區(qū)域植被構(gòu)建治理水體污染過于片面。

4.2 展望

未來需要加強對流域中的野生新物種的篩選馴化研究，并建立特異性植物物種庫。通過代謝組學等方式加深植物種間或者種內(nèi)關(guān)系探討，為篩選凈化能力優(yōu)異的植物、合理配置植物群落提供依據(jù)。

還需要深入研究植物在復(fù)雜多變環(huán)境下的脅迫響應(yīng)，加強典型污染物對植物脅迫侵害的研究，更要探明新型污染物以及多種典型、新型污染物混合交叉對植物的侵害影響，完善典型和新型污染物對植物影響的系統(tǒng)評價信息，彌補植物組合配比篩選的片面性，構(gòu)建完善高效的植物篩選體系，獲取環(huán)境適應(yīng)性廣、凈化能力強的特異性植物。

此外，材料領(lǐng)域交叉互融應(yīng)用于環(huán)境治理，需要加強功能性材料對植物脅迫機理的探究。流域水體富營養(yǎng)化治理不僅僅是削減內(nèi)源負荷，更需要內(nèi)外結(jié)合。需要從流域生態(tài)整體性角度構(gòu)建完善植被帶體系，發(fā)揮外攔內(nèi)減作用，降低水體富營養(yǎng)化程度，恢復(fù)流域生態(tài)平衡。