人工濕地中植物脫氮除磷影響因素綜述

李彩霞

（上海應用技術大學生態技術與工程學院，上海 201418）

隨著我國現代化進程的發展，水域污染愈加嚴重。根據水利部調查顯示90%以上的城市水域污染嚴重[1]。目前社會采取的各種去污凈流技術措施中，其中見效明顯、經濟生態的技術手段當屬利用人工濕地植物去除地表徑流的富營養化問題。第一個有關于利用濕地植物自身新陳代謝去除污水中營養物質的研究是從20世紀70年代開始的[2]，第一個有關于人工濕地處理技術的實踐是從1903年開始的[3]。而我國廣泛研究人工濕地則是從“七五”期間才開始的[4]，從此利用水生植物凈化水質成為國內學者研究的熱點問題。

1 濕地植物脫氮除磷的機制

磷元素在酸堿性濕地中存在形式分別是鐵磷、鋁磷和有機磷、鈣磷。植物對磷的吸收包括兩種途徑，一種是直接通過根系將水中的磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷酸鹽等磷元素吸收同化，從而變成植物體內的 ATP、DNA、RNA等有機成分。另一種途徑是通過植物枯敗的沉積物對磷進行捕集。氮元素在水中以有機氮和無機氮為主，有機氮會被微生物分解成為無機氮，無機氮主要以NO3--N和NH4+-N兩種溶解態氮存在。植物對無機氮的吸收包括兩個過程，一是利用通氣組織將空氣中的氧氣傳到植物根部，根部周圍便形成了一個好氧區域，水中的NH4+-N會和氧氣合成NO3--N，屬硝化反應。二是根附近的微生物通過代謝消耗水體中的溶解氧，使之呈現厭氧狀態，NO3--N再通過無氧環境還原成為N2O和N2，屬反硝化反應。因此，NO3--N的吸收去除是凈化徑流中氮的決定性因素[5]。儲藏在植物體中的氮、磷可以通過及時收割植物體枝干達到去污凈流的效果。

2 濕地植物脫氮除磷的影響因素

水生植物脫氮除磷的速率不僅與植物自身有關系，還受到很多方面的因素制約。

2.1 濕地植物自身的特性

2.1.1 不同濕地植物品種之間脫氮除磷效率的差異

不同濕地植物品種由于自身對營養物質需求量不同，其對地表徑流中氮磷的去除差異也較大，這可能與植株生物量、生活習性等因素有關。蔣躍平等發現人工濕地植物對氮、磷的去除率與植株體量呈正相關[6]。余紅兵等在研究水生植物生物量及其對生態溝渠氮、磷的吸收效率時，發現不同品種水生植物地上部分生物量所占總生物量的比重越大，其吸收效率越好[7]，與郭愛紅等[8]、蔣躍平等[6]研究結論一致。徐寸發等利用以水葫蘆為代表的浮水植物、輪葉黑藻為代表的沉水植物以及香蒲為代表的挺水植物研究不同生活習性水生植物對水體富營養化去除效率，總結了水體富營養化去除率由高到低的排列為漂浮植物＞沉水植物＞挺水植物[9]，其結論和馬井泉的一致[10]。而焦學園在測量濕地植物對氮、磷的吸收效率時發現挺水植物＞沉水植物[11]，結論與前兩位學者不一致的原因可能是焦學園是通過采割植物測量植物體內的氮、磷累積量來確定其對氮、磷的吸收量，而徐寸發和馬井泉都是通過測量供試溶液中氮、磷濃度，確定濕地植物對氮、磷的吸收量。

2.1.2 不同濕地植物群落脫氮除磷效率的差異

相比于植物品種之間脫氮除磷效率的研究，國內對于濕地植物群落間的研究則寥寥無幾[11]，對于植物群落方向近幾年研究較多的是生物多樣性及其生物量與污染水體之間的關系。植物群落的生物多樣性會影響其對營養物質的吸收，李莎莎等發現茭草—蓖齒眼子菜—金魚藻群落比茭草—金魚藻—金魚藻、茭草—蓖齒眼子菜—蓖齒眼子菜群落具有更好的氮吸收能力[12]。周雄麗發現以喬—灌—草構植物群落比灌—草、灌—草（自然恢復）對地表徑流污染物有更好的削減作用[5]。植物群落生物量的大小對營養物質的吸收也有一定的影響。黃余春等研究發現根系大、生物量大的植物群落更有利于氮的吸收[13]。當然，濕地群落其他因素也與水體富營養化存在某些潛在聯系，但是目前對這方面深入研究鮮有，未來在這個領域上還需要更多的學者投身進來。

2.2 地表徑流的富營養化程度

濕地植物對水體中的氮、磷等污染物表現出一定的生理耐受性，地表徑流的富營養化程度會影響水生植物對氮、磷的吸收。夏漢平在研究香草根和水花生對垃圾污水中氮、磷、氯的吸收時發現在高濃度氮的溶液中，水花生體內的濃度先上升后下降；在高濃度磷的溶液中，香草根和水花生體內的濃度也呈現先上升后下降的趨勢[14]。這可能是因為溶液中的氮、磷元素濃度超過植物的耐受范圍，植物體受到脅迫，從而表現出的吸收效果下降甚至死亡的現象。楊小霞等在實驗過程中發現，水蓼和浮萍在磷的濃度為1mg/L時吸收效果最好，但在高濃度（10mg/L）時植株生長不好，甚至死亡[15]。

2.3 地表徑流中氮、磷的存在形式

水體中氮磷存在形式不同，濕地植物對其吸收效率也不相同。楊小霞等進行了水蓼、浮萍和黑藻3種水生植物對不同形態氮、磷吸收的試驗，結果表明3種植物對于磷元素3種存在形式正磷酸鹽、焦磷酸鹽和偏磷酸鹽吸收各異[15]。沈根祥等研究發現浮萍對銨態氮的親和力大于硝態氮，故浮萍有優先吸收銨態氮的趨勢[16]。徐和勝等研究發現蘆葦對總磷的吸收要微大于對正磷的吸收[17]。

2.4 水力在濕地中停留時間不同

人工濕地植物的脫氮除磷能力與周圍水體的停留時間有不可分割的聯系。水力停留時間越長，植物越有充足的時間與水接觸，從而通過莖葉或根系滯留吸收水中污染物。楊林等研究發現水培污水中TN、TP的濃度隨水力停留時間呈負相關（相關系數均大于0.9）[18]。胡勇有等選取了14種植物試驗，發現隨著水力停留時間的延長，植物對磷去除率也逐漸上升[19]。

2.5 其他影響因素

除了上述因素，還會有一些其他因素會對濕地植物脫氮除磷產生影響，如溫度升高可以導致低溫水生植物死亡，從而影響對氮磷的處理能力。包杰等認為高溫條件相比于低溫條件更有利于鼠尾藻對氮、磷的吸收[20]。種植密度也會影響濕地植物對氮、磷的吸收，宋超等設置了低、中、高3組種植密度下的聚草、沮草、金魚藻和浮萍，發現溶液中TN、TP濃度與種植密度呈良好的負相關關系[21]。

3 總結和討論

水生植物對富營養化水體的修復呈現出良好的效果，但是在其吸收氮、磷的速率上受多方面因素的影響，包括：植物品種、植物群落的配置、地表徑流富營養化程度、水中氮與磷存在形式、水體停留時間等。因此，在濕地植物的耐受范圍內，人工濕地設計應該考慮到：通過測量，了解到水質中的主要污染源，并根據污染源配置適合的水生植物，例如蘆葦對總磷有較好的吸收；配置品種豐富的水生植物群落，創造優美的生態水環境；考慮到氮、磷的吸收與植物生物量存在一定的正相關，在植物配置時盡量考慮生長速度快、生物量高、觀賞性高的人工濕地植物，例如：菖蒲、蘆葦等；濕地空間結構設計在不破壞相應功能的情況下，應盡量增加河床廊道長度，延長水體停留時間。當然，在運用濕地植物修復城市水體的問題上，還需要不斷深入研究，提供更充分的理論支持，為我國城市日益污染的水環境尋找出切實可行的道路。