水體富營(yíng)養(yǎng)化及其植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

孫向輝，李 力

(1.麗江師范高等專科學(xué)校，云南麗江 674100;2.麗江市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，云南麗江 674100)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是指生物所需要的氮和磷等營(yíng)養(yǎng)鹽大量進(jìn)入水體，引起藻類大量繁殖、水體溶解氧下降、水質(zhì)惡化的現(xiàn)象［1］。隨著我國(guó)工業(yè)化及城市化進(jìn)程的加快，工業(yè)廢水及生活污水的排放不斷增加，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度日趨嚴(yán)重，已成為影響當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的突出問(wèn)題。

富營(yíng)養(yǎng)化水體治理技術(shù)按照治理手段可分為化學(xué)處理(殺藻劑、氧化劑)、物理處理(人工曝氣、調(diào)水沖污)和生物處理方法(植物修復(fù)、微生物制劑)等［2］。在富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)的各種手段中，植物修復(fù)主要是通過(guò)水生植物對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收來(lái)進(jìn)行代謝活動(dòng)，從而使氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得到去除，它是一種耗能低、效果好的新技術(shù)，具有生態(tài)環(huán)保特性，已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。筆者對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀及植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體方面的研究成果進(jìn)行了較為系統(tǒng)的總結(jié)，期望為今后富營(yíng)養(yǎng)化水體植物修復(fù)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供理論參考。

1 國(guó)內(nèi)外水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況

20世紀(jì)初，水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題就引起了一些國(guó)際組織、國(guó)家政府及社會(huì)各界人士的關(guān)注與重視。據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的一項(xiàng)水體富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查結(jié)果表明，全世界大約有30%～40%的湖泊和水庫(kù)發(fā)生不同程度的水體富營(yíng)養(yǎng)化［3］。歐洲、非洲、北美洲和南美洲分別有53%、28%、48%和41%的湖泊水庫(kù)存在不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，亞太地區(qū)有54%的湖泊水庫(kù)處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，世界各國(guó)正面臨著嚴(yán)重的淡水危機(jī)［4］。美國(guó)環(huán)保署一直認(rèn)為，在過(guò)去幾十年里，水體富營(yíng)養(yǎng)化是造成美國(guó)河流水質(zhì)退化的最重要原因，美國(guó)的許多湖泊，如Erie湖、Okeechobee湖、City Park湖、Washington湖、Apopka湖等均出現(xiàn)不同程度的水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象［5-9］。水體富營(yíng)養(yǎng)化也是目前許多歐洲湖泊面臨的最大問(wèn)題［10］，據(jù)對(duì)96個(gè)湖泊的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，80%的湖泊不同程度地受到氮、磷污染，呈現(xiàn)出富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，希臘西北部地區(qū)的Pamvotis湖在過(guò)去的40年間一直遭受人為富營(yíng)養(yǎng)化的困擾［11］。

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，人口的急劇增加，我國(guó)眾多的河流、湖泊、水庫(kù)等水體的污染也日益嚴(yán)重，水體環(huán)境現(xiàn)狀令人擔(dān)憂。調(diào)查結(jié)果表明，近20年來(lái)，我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展趨勢(shì)十分嚴(yán)峻，富營(yíng)養(yǎng)化湖泊個(gè)數(shù)占調(diào)查湖泊的比例由20世紀(jì)70年代末至80年代后期的41%發(fā)展到80年代后期的61%，至20世紀(jì)90年代后期又上升到77%［12］。根據(jù)2012年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)，全國(guó)地表水國(guó)控?cái)嗝婵傮w為輕度污染，62個(gè)國(guó)控重點(diǎn)湖泊(水庫(kù))，除密云水庫(kù)和班公錯(cuò)外，其他60個(gè)湖泊(水庫(kù))開(kāi)展了營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，其中，4個(gè)為重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，占6.7%;11個(gè)為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，占18.3%;37個(gè)為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，占61.7%;8個(gè)為貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，占13.3%;同時(shí)總氮、總磷也為我國(guó)內(nèi)陸漁業(yè)水域的主要污染指標(biāo)［13］。

2 水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體的修復(fù)效果

水生植物包括挺水植物、浮水植物、浮葉植物以及沉水植物等類型，不同的水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體修復(fù)具有不同的效果。目前在水體富營(yíng)養(yǎng)化修復(fù)技術(shù)中廣泛應(yīng)用的有蘆葦、水蔥、香蒲、菖蒲、鳳眼蓮、眼子菜、菹草等。

樊開(kāi)青等選取蘆葦、水蔥、水花生、香蒲和慈姑5種挺水植物為研究對(duì)象，分析比較了其對(duì)重度富營(yíng)養(yǎng)化水體氮磷指標(biāo)的去除效果，研究表明，5種挺水植物對(duì)受試水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均有不同程度的凈化效果，其中水花生對(duì)于水體中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均具有較好的去除效果，處理10 d后，其去除率可分別達(dá)92.24%、91.10%、91.60%、95.10%［14］。汪懷建等研究了3種浮水植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的去除能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮和槐葉萍對(duì)水體中總氮和總磷的去除效果最好，尤其對(duì)于總氮的去除率可分別達(dá)到70%和61%［15］。田琦等通過(guò)室內(nèi)模擬、實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，分析了太湖流域常見(jiàn)的5種沉水植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5種沉水植物均有一定能力去除水體中總磷、總?cè)芙鈶B(tài)磷、總氮、葉綠素a，改善水體中溶解氧條件，其中金魚(yú)藻在各方面能力均較強(qiáng)［16］。

3 水生植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的作用機(jī)制

3.1 水生植物的吸收同化作用 植物吸收是水體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽去除的重要途徑之一。由于植物在其生長(zhǎng)過(guò)程中需要大量吸收氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，而這些元素正是水體富營(yíng)養(yǎng)化的物質(zhì)基礎(chǔ)，富營(yíng)養(yǎng)化水體中的無(wú)機(jī)氮作為植物自身的營(yíng)養(yǎng)成分，可用于合成植物蛋白等有機(jī)氮，銨態(tài)氮作為植物生長(zhǎng)中不可或缺的物質(zhì)被植物直接吸收合成蛋白質(zhì)和有機(jī)氮，無(wú)機(jī)磷在植物吸收及同化作用下可轉(zhuǎn)化成為ATP、DNA和RNA等有機(jī)物質(zhì)、礦化的營(yíng)養(yǎng)鹽包括磷酸鹽等，有利于植物的吸收并參與光合作用，因此，植物可通過(guò)吸收同化作用從污染水體中將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶走，從而既達(dá)到了改善水質(zhì)的目的，又促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)［17-19］。研究發(fā)現(xiàn)，植物的吸收是氮去除的主要途徑，紅樹(shù)植物能吸收水中超過(guò)65%的總氮［20］，香根草通過(guò)根系的吸收作用，也可以大幅度地去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中的主要養(yǎng)分氮、磷元素［21］。周真明等也認(rèn)為，植物的吸收同化作用是銨態(tài)氮去除效果的主要原因，植物去除磷的主要途徑則是植物對(duì)溶解性磷的吸收［22］。

3.2 水生植物的化感作用 化感作用是一種植物通過(guò)向環(huán)境釋放化學(xué)物質(zhì)而對(duì)另一種植物(包括微生物)所產(chǎn)生的有害或有益的作用。大量研究表明，水生植物一方面能吸收水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，另一方面能夠分泌抑制有害藻類生長(zhǎng)的化感物質(zhì)，從而起到修復(fù)、凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體的作用［23-25］。如金魚(yú)藻、茨藻、水王藻、水葫蘆等大型水生植物可通過(guò)與藻類競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)光、礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)以及分泌化學(xué)物質(zhì)抑制富營(yíng)養(yǎng)化水體中絲狀藻類的生長(zhǎng)［26］。狐尾藻、馬來(lái)眼子菜、苦草對(duì)衣藻、銅綠微囊藻、纖細(xì)席藻、四尾柵藻、小球藻這5種富營(yíng)養(yǎng)化淡水藻類也均有不同程度的抑制作用，特別是馬來(lái)眼子菜對(duì)銅綠微囊藻、四尾柵藻和小球藻有明顯的抑制作用［27］。

3.3 水生植物與微生物的協(xié)同作用 植物被引入富營(yíng)養(yǎng)化水體后，一方面會(huì)從水體中吸收氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素，另一方面根系也向水體分泌氧、氨基酸、糖類等物質(zhì)，從而刺激根際微生物活性，增加微生物種類，而這些微生物活性的增強(qiáng)可大大增加水體中的一些有機(jī)態(tài)物質(zhì)向植物有效態(tài)轉(zhuǎn)變，從而影響植物吸收，這是養(yǎng)分去除與轉(zhuǎn)化的重要途徑，并可能是主要途徑。

近年，有學(xué)者研究表明，植物對(duì)氮、磷的同化吸收只占全部去除量很小一部分，約2% ～5%，微生物才是水體中污染物去除的主要執(zhí)行者［28-30］。Farahbakhshazad等研究發(fā)現(xiàn)，微生物同化作用對(duì)總磷的去除率為50%～60%，植物吸收為1% ～3%，其余為物理作用、化學(xué)吸附和沉淀作用［31］。Liang等研究也認(rèn)為，人工濕地系統(tǒng)中植物的吸收作用僅去除了系統(tǒng)中5% ～10%的氮，10% ～20%的磷，污染物大多是通過(guò)微生物的轉(zhuǎn)化污染去除的，系統(tǒng)中基質(zhì)、濕地植物、微生物之間的互作是污染物去除的主要機(jī)理［32］。

3.4 水生植物的其他生態(tài)功能作用 在植物-水體系統(tǒng)中，依靠植物根系的截濾作用能去除大部分懸浮有機(jī)物，從而減少水中的氮素。有研究發(fā)現(xiàn)，在種有蘆葦?shù)乃刂校渌袘腋∥餃p少30%，氯化物減少90%，有機(jī)氮減少60%，磷酸鹽減少20%，氨氮減少66%［33］。對(duì)于不同類型的水生植物，挺水植物可通過(guò)對(duì)水流的阻尼或減少風(fēng)浪擾動(dòng)，使懸浮物質(zhì)沉降;在易受風(fēng)浪渦流底層及魚(yú)類擾動(dòng)影響的淺水湖泊底層，沉水植物有利于形成一道屏障，使底泥中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶出速度明顯受到抑制，同時(shí)水生植物還能通過(guò)植物殘?bào)w的沉積將部分生物營(yíng)養(yǎng)元素埋入沉積物中，使其脫離湖泊內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)元素，進(jìn)入地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。

4 影響水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)作用的主要因素

4.1 水體富營(yíng)養(yǎng)化程度 水體的營(yíng)養(yǎng)狀況影響著水生植物的凈化效率。一般來(lái)說(shuō)，鳳眼蓮對(duì)污水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的凈化效率與污水中氮、磷營(yíng)養(yǎng)的濃度負(fù)荷有很大的相關(guān)性，隨著氮、磷營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的增加，鳳眼蓮對(duì)氮、磷的去除亦增加，但若氮、磷負(fù)荷太高，超過(guò)鳳眼蓮的吸收速率，則凈化效率反而下降［34］。

葛瀅等比較了10余種土著濕生植物后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于重度富營(yíng)養(yǎng)水體，空心菜的凈化效果最好，鳳眼蓮和鴨跖草次之，燈心草、知風(fēng)草和水芹菜也有一定的效果;對(duì)于輕度富營(yíng)養(yǎng)水體，鴨跖草、喜旱蓮子草最好，鳳眼蓮、空心菜、酸模葉蓼均較好，石葛蒲、燈心草、知風(fēng)草、穹隆苔草、萱草略差，認(rèn)為在輕度富營(yíng)養(yǎng)化水體中，植物不可能獲得生長(zhǎng)所需的足夠的氮、磷量，生長(zhǎng)受到抑制，生物量較低，所以需要選擇既能在貧瘠條件下生長(zhǎng)又能有較高凈化能力的植物［35］。林秋奇等研究了不同形態(tài)的氮及磷濃度對(duì)水網(wǎng)藻的生長(zhǎng)及吸收去除氮磷能力的影響，發(fā)現(xiàn)水網(wǎng)藻在氮磷比為15左右的條件下，生長(zhǎng)及氮、磷去除能力均為最好，并能優(yōu)先吸收氨氮，在總氮、總磷分別為4.5 mg/L和0.3 mg/L時(shí)，對(duì)總氮和總磷的3 d去除率幾乎達(dá) 100%［36］。

4.2 植物種類的選擇 水生植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的效果與植物物種有很大關(guān)系，不同的植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求和吸收能力不同，對(duì)微生物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用不同，因而凈化水體的能力也不同。一般認(rèn)為，植物篩選原則是對(duì)氮、磷去除率高，具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值，適于面源污水環(huán)境條件下生長(zhǎng)并且種源來(lái)源方便的植物。高吉喜等在比較了7種水生植物后認(rèn)為，茭草和慈姑的綜合凈化能力最強(qiáng)，金魚(yú)藻、水花生和滿江紅次之，菹草和菱角最差［37］。賀鴻志比較了野生稻、香根草和風(fēng)車草對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的總懸浮物、總氮和總磷均具有良好的凈化效果，其中風(fēng)車草的綜合修復(fù)能力最強(qiáng)，香根草次之，野生稻最弱［19］。田琦等通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，分析了金魚(yú)藻、伊樂(lè)藻、苦草、菹草、馬來(lái)眼子菜5種不同種類沉水植物對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的改善能力，結(jié)果表明，5種沉水植物均有一定改善水環(huán)境質(zhì)量的，對(duì)總氮的去除上，金魚(yú)藻和馬來(lái)眼子菜能力較強(qiáng)，對(duì)總磷、總?cè)芙鈶B(tài)磷的去除能力上，金魚(yú)藻、菹草明顯優(yōu)于其他植物，綜合去除多個(gè)污染因子的能力及對(duì)水環(huán)境質(zhì)量改善的貢獻(xiàn)，認(rèn)為金魚(yú)藻較其他沉水植物能力更強(qiáng)［16］。

4.3 植物的種植方式 一般認(rèn)為，適當(dāng)?shù)闹参飶?fù)合種植體系能產(chǎn)生比植物單一種植體系更好的凈化效果。Coleman等對(duì)香蒲、燈心草和水蔥3種植物混合種植和分別單獨(dú)種植對(duì)生活污水中磷的凈化作用進(jìn)行了比較研究，發(fā)現(xiàn)三者混合種植比分別單獨(dú)種植具有更好的凈化效果［38］。然而，王春景等對(duì)菰、菖蒲及它們的復(fù)合體系對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中磷的凈化效應(yīng)的研究卻得到相反的結(jié)果［39］，Lauchlan等的研究也得到相似結(jié)果［40］。陳力等研究也發(fā)現(xiàn)，美人蕉和紫背萬(wàn)年青的復(fù)合種植對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體總磷的凈化效果與二者單獨(dú)種植沒(méi)有明顯差異［41］。可見(jiàn)，植物的復(fù)合種植體系對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)能力是否強(qiáng)于單一種植體系，仍需要更深入的探討。

4.4 外界環(huán)境因子 其他的一些外界環(huán)境因子如溫度、光照、微生物等，也會(huì)對(duì)植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的效果產(chǎn)生影響。有學(xué)者報(bào)道，低溫能導(dǎo)致水體微生物活性下降，植物生長(zhǎng)緩慢，水的粘滯度增加，從而進(jìn)一步降低磷的吸收和轉(zhuǎn)化［42］，王旭明等的研究也發(fā)現(xiàn)，溫度會(huì)影響水生植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收，在不同溫度(15和20℃)條件下，水芹菜對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收率是不同的，對(duì)總氮的吸收率分別為66.67%和72.98%，對(duì)銨態(tài)氮的吸收率分別為95%和100%［43］。光照對(duì)植物生長(zhǎng)有重要作用，沒(méi)有光照，水生植物不能進(jìn)行光合作用，其生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，從而影響凈化效率。林連升等的研究表明，水下光照條件差時(shí)，會(huì)影響到沉水植物的存活和正常生長(zhǎng)，從而降低其水質(zhì)凈化效果［44］。

5 小結(jié)

采用水生植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體，具有成本低、能耗小、管理相對(duì)簡(jiǎn)單、治理效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注。近年來(lái)，在利用植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體方面也已經(jīng)取得較大進(jìn)展。但植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體也存在其自身的局限性，如大多數(shù)水生植物生長(zhǎng)受氣候、溫度等環(huán)境條件影響，在冬季氣溫較低時(shí)生長(zhǎng)情況不佳，造成植物修復(fù)效果不理想;同時(shí)，采用外來(lái)植物物種修復(fù)水體時(shí)，還可能會(huì)出現(xiàn)生態(tài)入侵等問(wèn)題。因此，在今后的應(yīng)用中，要充分利用植物自身的機(jī)制、從凈化能力、抗逆性、管理難易、綜合利用價(jià)值和景觀美化等多方面考慮，加強(qiáng)對(duì)植物凈化效率、凈化機(jī)制、影響因素等方面的研究，力求做到科學(xué)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)可行、易于推廣，使植物凈化技術(shù)在治理富營(yíng)養(yǎng)化水體和環(huán)境美化中發(fā)揮巨大作用。

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