濕地植物對農業面源磷污染凈化作用的研究進展

摘要：隨著全球水環境問題的加劇，對濕地生態功能的認識程度在不斷加深。農田磷的流失在水體污染中占有重要的地位，是引起水體富營養化的重要原因，磷是植物生長所必需的元素，濕地植物對營養物質的截留功能倍受關注。筆者就濕地植物對農業面源污染物磷的去除及去除機理，以及影響去除效果的主要因子等方面的國內外研究進行回顧和總結，明確濕地植物種類及其組合對農業面源磷負荷截流的重要性以及有關濕地植物未來的研究方向，為農業面源污染控制和水體富營養化污染管理提供思路。

關鍵詞：濕地植物；農業面源；磷污染；凈化作用

中圖分類號： X71 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0005-04

收稿日期：2013-10-09

基金項目：國家科技重大專項（編號：2012ZX07101-013-02）；國家自然科學基金（編號：41071341）。

作者簡介：宋玉芝（1970—），女，河南信陽人，副教授，主要從事水體富營養化方面的研究。E-mail：syz70@nuist.edu.cn。農業面源污染物中的磷素是水體富營養化的主要限制性因子之一[1-2]，農田流失的養分隨地表徑流或農田退水進入受納水體，導致下游水體富營養化，使水環境質量保護面臨巨大的挑戰[3]。濕地是陸地和水體之間的一個過渡帶，它在匯集、轉化各種營養物質和廢棄物方面具有其他系統不可替代的重要作用 。農田徑流經由濕地，有利于徑流水體水質的改善[4]。濕地對磷素的凈化作用通過基質的吸附和沉淀、植物吸收、微生物固定等作用來實現[5]。植物是濕地系統重要的組成部分，在濕地對營養物質的截留功能中起著重要的作用[6]。植物存在與否對磷去除率的影響很大，種植植物的濕地系統對磷的去除率高于無植物濕地系統[6-8]。濕地植物不僅通過吸收作用直接去除濕地磷，濕地植物還能通過影響土壤理化性質及微生物種類及數量等從而間接影響濕地磷的去除，而濕地生境中氮和磷含量的改變導致物種間競爭能力和對環境脅迫適應能力的變化，進而引發植物群落的改變，導致濕地生態系統結構和功能的變化[9-11]。濕地中植物及濕地磷循環關系越來越多地受到相關學者關注。濕地及濕地植物用在處理生活污水、養殖水、污染湖泊及河流水、景觀水、污水處理廠的尾水、復合廢水、工業廢水都有相關報道，在生活污水及工業污水處理方面研究較多，而將其作為凈化農業面源磷污染及富營養化水體磷污染的研究還處在起步階段[12-13]，針對已有的關于濕地植物對凈化磷的研究進行回顧和總結。闡述濕地植物對磷污染的凈化機理及影響因素，探討濕地植物種類及組合對磷污染控制的重要性，以期為農業面源污染控制和水體富營養化污染管理提供理論依據。

1濕地植物對濕地磷的去除效應

濕地植物是濕地生態系統中重要的組成部分，在濕地生態系統對磷去除率中占據重要的位置[6-7，14-15]。已有研究表明，植物濕地系統春夏季磷的平均去除率在60%以上，即使在冬季也能達到40%以上，出水水質穩定，而無植物濕地系統磷的去除率僅為28%[7]；Cui等在垂直流人工濕地系統的研究表明，風車草的生物量每增加1 000 g，其地上部分TP積累量增加4.9 g[14]；宋英偉等通過人工濕地試驗表明，人工濕地種植植物后對總氮（TN）、總磷（TP）的去除率比無植物狀態時分別提高13.6%和19.5%[15]。彭婉婷等研究表明，有植物濕地相對于無植物的濕地其最大凈化率提高了4373%[6]。農業面源污水具有污染物濃度較低、成分復雜等特點[16]，而濕地植物在處理輕度富營養化水的人工濕地中，植物吸收對磷的去除起主要作用，植物平均磷積累量對去除水中磷的貢獻率為510%[17]。農業面源污染徑流水經過濕地植物的同化吸收、富集等作用從而減輕下游受納水體的磷污染負荷。不同植物類型的濕地對水體磷的去除效果存在差異，與濕地植物去除磷的機制密切相關。

2濕地植物對水體磷素去除機理

2.1直接吸收作用

磷是植物生長所必需的營養元素，濕地植物通過根系、莖以及葉直接吸收水中的無機磷，同化成為自身的組成成分，從而減少水體磷的含量。濕地往往具有較高的初級生產力，高生產力導致濕地植被有較高的礦物質吸收率。已有的研究[18-19]表明，大型濕地植物吸收磷量為1.8～18 .0 g/（m2·年），其中蘆葦地上部分吸收磷量大約為6.7 g/（m2·年），大部分沼生植物的干物質生物量中磷的含量為0.15%～105%。植物磷積累量主要集中在植物的地上部，平均磷積累對去除水中磷的貢獻率40.5%[20]，魯靜等研究表明，洱海流域44種濕地植物地上部分分別占有整株72%的生物量、75%的磷含量[10]，說明收割濕地植物的地上部分可以高效去除濕地生態系統中的氮和磷。但也有研究表明，植物通過吸收作用對濕地系統除磷的作用很小，收割只能去除磷素的5%[21-22]。李林鋒等研究表明，濕地植物對TP 的吸收量占人工濕地TP 去除量的1.4%～41.2%[23]，由于濕地植物吸收的TP 中有相當一部分是儲存在濕地植物的地下部，通過收獲植物地上部TP 吸收量僅占人工濕地TP 去除量的0.8%～19.6% 。由此可見，不同學者就濕地植物去除磷作用大小存在分歧，可能與試驗植物種類、濕地植物收割頻率以及具體的試驗條件密切相關。濕地植物對TP 吸收存在的差異，除與濕地植物自身組織磷含量和生物量有關外，還可能與濕地植物根表鐵氧化膠膜形成有關。王震宇等研究表明，蘆竹根表鐵氧化物膠膜吸附的磷占根系吸附吸收磷的81.7%，香蒲是85.7%[24]。相關研究還剛開始，還需要進一步研究闡明。

2.2與微生物協同作用

濕地植物直接吸收磷量僅占去除磷量的一小部分，濕地植物去除磷的主要途徑是通過與微生物的協同作用。濕地磷主要包括顆粒磷、溶解性有機磷和無機磷，無機磷可被植物直接吸收利用，但顆粒磷及溶解性有機磷卻不能被濕地植物直接吸收利用。而農業面源污染帶來的磷往往以顆粒磷為主[25-26]，這些磷必須經過磷細菌的代謝活動轉換成溶解性無機磷才能被植物或基質吸附利用或通過吸附轉化作用而直接固定下來，從而從水體中去除[27]。濕地植物對濕地微生物影響很大，有植物的濕地系統，細菌數量顯著高于無植物系統，植物根部的細菌比周圍介質細菌高1～2個數量級[28]，磷素去除率與濕地植物根際的磷細菌數目呈正相關[29]。因濕地植物將氧氣從上部輸送到根部，在根區或根際形成一種好氧環境，促進微生物生命活動和降解有機物[30]。植物根系分泌物也可促進某些嗜磷細菌的生長，促進磷釋放與轉化，從而間接提高凈化率[31]。但也有人認為，微生物存在與總磷的去除效率之間并無顯著相關，微生物死亡后體內吸附的磷幾乎全部迅速分解釋放，回到水體當中，但卻認同微生物分泌的酶促進有機磷水解，水解后的磷被植物吸收后，最終達到去除磷的目的[27]，通過植物和微生物的協同作用來去除磷。

2.3其他途徑

濕地植物除了直接吸收以及通過影響微生物而影響濕地除磷效果外，濕地植被還通過物理作用有效吸附截留水中的懸浮物和顆粒態磷，促進磷的沉降[32-33]。李文朝等研究表明，28 d內，單位鮮重伊樂藻上吸附的固體干物質量達2871 g/kg，干物質中TP 的平均含量為0.311%[32]。而漂浮植物發達的根系與水體接觸面積很大，能形成一道密集的過濾層，當水流經過時，不溶性膠體會被根系黏附或吸附從而沉降下來。當植物死了以后，在原來根系的地方會留下空隙，形成根孔，根孔的形成增強了濕地的過濾作用和擴大了濕地的吸附容量。李靜等研究表明，葦地土柱的凈化能力大于麥地土柱，其中對磷的凈化能力最強[34]。濕地植物向根區輸入的氧氣，不僅影響微生物活動，進而影響水體磷的濃度，而且對土壤和底泥理化性質產生影響而影響磷的存在形態。Reddy等研究表明，土壤和底泥對磷的吸附主要發生在表層[35]，這是由于表層土壤和底泥處于好氧狀態，鐵、鋁呈無定性的氧化態形式，吸附能力強，能與磷形成難溶的復合物。在好氧條件下，鐵和鋁能吸附87%的磷。濕地植物生長對濕地磷的去除具有重要的角色，濕地植物通過多種途徑影響濕地磷的去除作用。

3影響濕地植物除磷的因素

3.1濕地植物種類及組合

不同生態類型植物對磷的凈化效果不同。陳慶峰等研究表明，鳶尾對濕地中磷的吸收能力較強[36]。Koerselman等根據已有的關于各種類型濕地中植物磷含量的文獻得出，濕地植物磷的范圍為0.2～3.3 mg/g[37]；McJannet 等在標準營養條件（N ∶P ∶K=7 ∶11 ∶27）下栽培的41 種濕地植物總磷含量變化范圍為1.3～5.1 mg/g[38]；魯靜等采集的洱海流域44 種濕地植物中總磷含量為1.4～6.5 mg/g，其中含量最低的馬來眼子菜為1.4 mg/g，最高的野慈姑為6.5 mg/g[10]?？偟膩碚f，濕地植物對磷的吸收能力為挺水植物>漂浮植物>沉水植物。同生態類型不同種類植物的濕地對水體磷凈化效果存在很大差異。楊長明等研究了風車草和香蒲水平潛流人工濕地對養殖水體中不同形態磷的去除效果差異。結果表明，風車草濕地處理系統總磷的去除率顯著高于香蒲濕地[39]。廖新俤等研究發現香根草對總磷的去除效果要好于風車草[40]。劉長娥等對九段沙中沙濕地海三棱草、互花米草和蘆葦3 種典型濕地植物群落的植物各構件中磷的分布、積累與動態進行研究。 結果表明，3 種濕地植物中磷含量存在很大差異，大小排序為海三棱草>蘆葦>互花米草[41]；植物生長期對植物凈化效果影響也很大。曹向東等在研究強化塘-人工濕地復合生態塘系統時發現，總磷的去除率在植物生長期為15.89%～27.64%，而非植物生長期為9.21%～1465%[42]。徐后濤等指出，磷在濕地植物生長初期含量較高，隨著植物的生長發育其含量呈下降趨勢，不同種類植物組合，凈化效果不同[43]。夏漢平等指出，與單一蘆葦系統相比，混合種不僅使濕地凈化效率提高，而且凈化效果變得更穩定[44]。彭婉婷等通過研究睡蓮、鳶尾等不同生態型的濕地植物組合對污水中磷的去除效果，結果表明，不同生態型的濕地植物組合對污水中磷的去除率為85.67%～9987%，睡蓮+再力花+鳶尾組合去除總磷效果最好，較無植物對照組的最大凈化率提高了43.73%[6]。汪秀芳等研究了冬季低溫環境下不同水生植物組合對富營養化水體的凈化效果，結果表明，常綠水生鳶尾+羊蹄+金葉“金錢蒲”+反曲燈心草“藍箭”組合對磷的去除效果最好，磷的去除率達70.1%，而吊蘭和三穗薹草等植物長勢差，其植物組合對磷的去除效果不顯著[45]。由此可見，濕地植物對磷凈化效果與濕地植物生態型、種類、生長狀況以及不同植物組合等密切相關。

3.2水文條件

濕地水文條件主要包括水力負荷、水位等。王世和等研究表明，水力負荷過大或過小都不利于濕地植物對磷的凈化處理[46]。Chris比較了流入污水的水質對濕地去除氮、磷的影響，停留時間從2 d增加至7 d，結果發現在沒有種植植物的濕地中TP的去除率從12%增加36%，而種植了棒燈芯草時從37%增加到74%，濕地植物可隨水力停留時間延長而提高對磷的去除效率[47]。柏祥等研究表明，黃菖蒲和美人蕉分蘗數隨水位的升高而顯著減少，植物地上部分形態指標變化不大，生理指標表明其生長已受到脅迫[48]。已有的研究表明，水位高低對濕地植物的生長、繁殖和生物量分配具有顯著影響[46]，武夷慈姑和銳棱荸薺適宜生長在0～5 cm 水深處，小慈姑在20 cm 水深處生長較佳，而野荸薺適宜于0～20 cm 范圍[49]，千屈菜扦插苗適于生長于0～10 cm的淺水環境中，最適水位為10 cm[50]，美人蕉最適應的水深10 cm，黃菖蒲適應的水深為 30～70 cm[48]。水力負荷、水位直接影響植物生長及局部好氧微環境的存在，影響磷的過量吸收與釋放[46]。降雨徑流也是影響濕地凈化效果的重要水文要素，降雨不僅會增加濕地水力負荷，也是農田產流產磷的主要驅動力，是磷元素在濕地系統中發生遷移轉化的重要條件[51]。降雨使得濕地內水流加快，對懸浮顆粒的沉降產生不利影響。同時流速加大使得磷素在濕地內停留時間減少，加速非點源磷匯入下游受納水體。降雨會影響濕地水位變化，從而影響植物的生長及濕地系統的磷轉化。水文條件的脅迫對濕地植物除磷效果的影響很大。

3.3其他因子

濕地植物對磷的凈化作用還與溫度、CO2、水體中磷的濃度等諸多因素密切相關[52]。植物對磷的凈化率隨溫度的變化而變化，溫度升高會導致植物、微生物生理活性升高，有利于磷的去除[53]。李睿華等研究表明，溫度能夠加速水生植物的光合作用，促進植物對磷的吸收利用[54]。楊昌鳳等在模擬人工濕地處理污水的試驗中發現，氣溫在22～32 ℃范圍內時，系統對總磷的去除率隨著溫度的升高而增大[55]。Liikanen 等研究表明，不論在好氧還是厭氧條件下，磷的釋放都隨溫度升高而增加，溫度升高1～13 ℃，可使底泥中TP 的釋放增加9%～57%[56]。由于夏秋季節植物吸收、微生物吸收和降解的共同作用遠遠大于底泥磷的釋放量，使得夏秋季節凈化磷的效果較冬、春季節好。眾多研究表明，CO2濃度升高對根際、根外土壤中的微生物生物量以及微生物總數量有促進作用，與植物去除磷素密切相關的微生物生理類群，如解磷細菌的數量也有所增加，影響濕地植物對磷的凈化效果[57]。通常濕地植物吸收的磷小于城市污水負荷的5%[19]，隨著磷負荷的增加，濕地去除效率會降低[58]。陳博謙等通過模擬試驗發現，當總磷的負荷量由 454 mg/（m2·d） 增加至 1 345 mg/（m2·d） 時，去除率從67.8%下降到56.2%[59]。

4結論與展望

濕地系統作為陸生系統和水生系統的過渡帶，在減少農業面源污染隨地表徑流進入下游水體磷含量比較有效。濕地植物作為人工濕地系統的重要組成部分，通過直接作用和間接作用能有效去除水體磷。目前，全球已發現的許多濕地高等植物，而被利用于人工濕地工程的植物不過幾十種，而已利用的人工濕地植物由于種種原因整體凈化效果并不十分理想，有關濕地植物的研究有待深入。今后我國人工濕地植物的研究要著重考慮以下幾個方面。（1）不同濕地植物的吸收作用及其根系對濕地環境中的生物因子及非生物因子的影響能力不同，凈化效果不同，應加強不同濕地類型不同種類植物去磷機理的研究。（2）適宜濕地植物組合往往較單一植物的凈化能力強而穩定。加強濕地植物之間的相互作用及作用機理也是急需研究的問題。（3）人工濕地植物生長狀況直接影響濕地系統對磷的去除效果，植物生長狀況受水力負荷、水位、溫度、水體污染物濃度等外界因素的影響，加強濕地植物逆境生理生態研究有利于選擇抗逆性強的濕地植物，保證濕地系統運行的穩定性。

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