生態護坡植物在河道水質凈化中的研究進展

孔宇，王子杰，閔辰琦1，，許鍇，林子增，王鄭

(1.南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210008；2.東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京 210092；3.南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

在堤壩和道路等工程的建設過程中，經常會造成邊坡的破壞，從而導致了河岸坍塌、水土流失、生態破壞等問題的發生[1]。傳統護坡雖然能夠防止邊坡受到沖刷，起到了加固、防洪等功效，但與此同時也會改變原有的生態環境，引發生物多樣性的降低[2]。生態護坡是一種以植物為核心，結合植物學、生態學、工程力學等多種學科，構建而成的綜合性護坡系統。相比于傳統的河道護坡，生態護坡不僅能夠滿足水土保持、防洪排澇等基本要求，還具有生態恢復、水質凈化以及美化環境的功效，迎合了生態文明以及綠色發展的新時代理念，在近年來逐步成為了國內外研究的重點[3]。本文闡述了生態護坡植物的水質凈化機理，分析了生態護坡植物的配置要素，總結了目前國內外對生態護坡植物水質凈化能力的研究現狀。

1 生態護坡植物的水質凈化機理

生態護坡植物在具備了較強景觀功能的同時，還能夠對河水中的總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)、固體懸浮物(SS)等污染物進行吸收凈化，抑制水體富營養化現象的發生，這主要依賴于生態護坡植物的吸收作用、生化作用和競爭作用。其中，吸收作用主要源于植物旺盛的根系，可以對河道中的污染物質進行生物吸收，并且富集于自身或者土壤內[4]。生化作用分為兩個部分，第一部分是植物的光合作用，其產生的氧氣經過根系釋放進河水中，能夠使根系附近的污染物氧化分解。第二部分是微生物的代謝作用，植物旺盛的根系使得水體和土壤之間構成了很多小型的好氧和厭氧區域，水中的微生物因此獲得了良好的生長空間。這些微生物能夠把植物的代謝產物作為碳源利用，并通過硝化、反硝化等反應將含氮物質轉化為氮氣，從而達到脫氮的效果[5]。競爭作用指的是植物在水中和浮游藻類爭奪養分、相互競爭，借此可以抑制藻類生長，防止水體富營養化的發生[6]。

2 生態護坡植物的配置要素

2.1 植物品種的組合

鑒于邊坡環境有一定的特殊性，選取的邊坡植物通常需要具備較好的抗旱性、擴展性、綠期長、易繁殖、易管理等性質[7]。目前，較常用的植物種類為藤本、草本、灌木和喬木植物，其優缺點見表1。

由表1可知，單一的植物物種很難滿足生態護坡的需求。將草本植物作為生態護坡的先鋒植物，再配合其它植物的組合種植，是目前較為常用的方法。元文革等[8]以灤河河水為實驗用水，對比研究了黃花鳶尾、水蔥、小香蒲、千屈菜和不同組合種植時的水質凈化效果。結果表明，在組合種植的情況下，植物組合對TN、TP和COD均有較好的去除效果，且比單一植物的去除能力更強。呂家展等[9]研究了水鬼蕉、花葉蘆竹、美人蕉、風車草、鳶尾及其植物組合對華中科技大學醉晚亭湖湖水的水質凈化能力。結果表明，當將美人蕉、鳶尾和蘆竹組合種植時，對COD、TP和TN的去除效果最優，去除率分別可以達到86.5%，90.7%，60.5%。但是，一些植物在實際應用中會表現出對其他植物成長發育的抑制作用。鄭足紅等[10]通過研究發現，菖蒲和蘆葦的組合種植能夠對COD和TP起到較好的去除作用，去除率分別高達72%和87%。但是當引入狐尾藻后，兩者的去除率均有所降低。原因是狐尾藻的生長速度過快，抑制了菖蒲和蘆葦的發育，使得去除能力隨之下降。因此，在配置植物之前充分考慮生態護坡植物間的競爭關系也是十分重要的。

2.2 氣候的影響

我國地域遼闊，不同地域的生態環境和氣候差異非常顯著。為了使生態護坡植物能夠達到較好的河道水質凈化效果，根據不同地域的實際情況配置相對應的植物種類至關重要。植物對于季節性溫度變化的適應能力有所不同，可以將其分為冷季型植物和暖季型植物。冷季型植物具有較強的抗寒抗凍能力，但是抗旱和抗熱能力較差，通常適合種植在北方地區。暖季型則具有較強的植物抗旱抗熱能力，但是抗寒能力較差，通常適合種植在南方地區[11]。目前，常用于南方地區的護坡植物有狗牙草、馬尼拉草、結縷草等，常用于北方地區的護坡植物有小糠禾、紫羊茅、小冠花等[12]。另外，生態護坡所在地區的本地植物通常適應性強、存活率高，也是一種較好的選擇[13]。

3 生態護坡植物對污染物的去除作用

3.1 對COD的去除作用

3.2 對TN的去除作用

TN是水中有機和無機氮的總和，是衡量水質的重要指標之一。TN的含量過多會引起水中藻類、微生物等的大量繁殖，使得溶解氧大幅度減少，水體的水質變差。Zhao等[18]通過研究發現河岸帶植物和植樹造林均能夠起到水質凈化的作用，密云水庫河岸帶植物在5個月內對TN和TP的總吸收量分別為1 214.18 t和148.66 t。植樹造林之后，對TN和TP的去除量增加了2.56和2.17倍。沉水植物不僅能夠吸收水中的氮類物質、提高水中溶解氧，還能為水生生物提供食物和棲息地、增加水中微生物的含量[19]。金樹權等[20]分別對比研究了微齒眼子菜、穗狀狐尾藻、金魚藻、苦草和輪葉黑藻的水質凈化能力，結果表明，不同沉水植物在實驗期間的凈增生物量差別較大，并且凈增生物量越大，對TN的去除效果最好。其中，輪葉黑藻的凈增生物量最大，是微齒眼子菜的8.5倍，而且輪葉黑藻對TN的去除能力最強，其次為金魚藻、苦草、穗狀狐尾藻、微齒眼子菜。于此同時，研究還發現沉水植物的吸收作用在水質凈化過程中小于沉水植物的增效作用。楊洪云等[21]選取北京某河道的河水作為實驗用水，對比了千屈菜和黃菖蒲對河道水質的凈化能力。結果表明，黃菖蒲對TN的去除能力要高于千屈菜，去除率為73.4%。同時，兩種植物均可通過收割的方式來有效地除去河水中的含氮物質，兩者對氨氮的去除率都>95%。劉旻慧等[22]對比研究了菖蒲和鳳眼蓮對水體的凈化能力，結果表明，鳳眼蓮對TN的去除能力要高于菖蒲，可以使水體的TN從3.7 mg/L降低至1.7 mg/L，去除率為54%，能夠滿足河道治理的要求。Zhang等[23]對比研究了種植狐尾藻、空心蓮子草和無植被3種情況下，對水體TN的去除效果。結果表明，在培養了30 d之后，狐尾藻對TN的去除率最高，達到了96.4%，遠遠超過了其他兩種情況。同時，研究結果表明水體中微生物的硝化-反硝化對脫氮起到了主要作用，而水生植物能夠促進水中微生物的生長發育。

3.3 對TP的去除作用

TP可以用于表示水體中磷的總含量，是影響水質的關鍵因素。TP含量過高易導致水體富營養化的發生，引發水華或赤潮，對水質造成嚴重的破壞。楊帆等[24]針對阿什河流域水污染嚴重的問題，研究了香蒲、狹葉香蒲、水蔥、顯脈苔草、菰、蘆葦、慈姑、澤瀉、菖蒲和千屈菜的水質凈化能力。結果發現，各植物間的凈增生物量差別較大，最高可相差1.91倍。而且不同植物對TP的去除能力也有差別，10種植物中千屈菜、菰、蘆葦和水蔥的處理能力較好。與此同時，研究表明植物對TP的去除能力同凈增生物量干質量和濕質量有很大的關系。唐相臣等[25]選取了蘆葦、黃花鳶尾、千屈菜、水培冬青、花葉蘆竹、圓幣草和聚草7種植物，研究了它們和生物柵、人工水草在水質凈化能力方面的差別。結果表明，生態植物雖然在脫氮和去除COD方面不及人工載體，但是在除磷方面卻有著很好的效果，并且充氧和收割均能提高植物對TP的去除能力。在實驗的植物中，聚草的水質凈化能力最強，對TP的凈化能力為3.05 g/(m2·a)。Lang等[26]選擇香蒲和輪葉狐尾藻作為實驗對象，研究了兩者對富營養化水體的處理效果。結果表明，輪葉狐尾藻對TP的去除效果更好，去除率高達76%，并且在種植后30～90 d內就能達到較好的去除效果。Rodrigo等[27]通過蘆葦和鳶尾的組合種植，研究了植物組合對富營養化水體的處理效果。結果表明，9個月內，植物組合累計去除了約7 109 t的磷。這主要依靠蘆葦的高覆蓋率，促進了附近香蒲和雀稗屬植物的成長，同時也減少了水體中微藻的數量，成功控制了水體富營養化的現象。

3.4 對其它污染物的去除作用

目前，生態護坡植物在河道水質凈化方面主要用于降低COD、TN和TP等污染物指標。但是隨著水污染的日益嚴重，越來越多的學者開始致力于植物對其它污染物去除作用的研究。蔡婧等[28]以上海市進木港生態河道的河水作為實驗用水，對植草、灌叢墊和柴籠三種生態護坡的水質凈化作用進行了對比研究。結果發現，柴籠對SS的去除率最高，最高可以達到80.95%。灌叢墊對SS的去除能力最差，但是對于水溶態營養鹽的去除效果較好，最高可以達到92.94%。植草護坡對水體中粒徑較小的SS有較好的去除效果，對水溶態營養鹽的去除率最高為85.33%。龐海東等[29]從眾多植物中篩選出了對重金屬抗性較強的促生芽孢桿菌，將促生芽孢桿菌用于對狹葉香蒲進行了強化，并研究了強化后的狹葉香蒲對重金屬Cd的去除效果。結果表明，篩選出的芽孢桿菌能夠提高狹葉香蒲的生長速率，并且增強狹葉香蒲對Cd的去除能力，強化狹葉香蒲對Cd的去除率最高可達79.5%。Liu等[30]通過統計研究發現，植物能夠通過植物修復作用(植物吸收、植物累積、植物揮發和植物降解)來去除水體中的有機磷農藥，平均去除率約為6.19%。Tang等[31]研究了風車草、美人蕉、黃菖蒲、龍須草和側柏5種植物對農藥毒死蜱的去除效率，結果表明，植物去除毒死蜱的主要途徑是吸附，而且植物可以通過增強系統的生物降解來提高毒死蜱的去除效率。同種植物對于不同濃度的毒死蜱，均能起到較好的去除效果，去除率在94%～98%之間。而對于不同的植物，去除效果并沒有顯著的差異。從總體去除效果來看，風車草、美人蕉和黃菖蒲更適合用于農藥的去除。Tai等[32]選取了美人蕉、龍須草和鳶尾3種植物用于去除水中的脫水紅霉素A、羅紅霉素、克拉霉素和替米考星4種抗生素。結果表明，抗生素是通過吸附作用固定在植物體內，而且相比于美人蕉和鳶尾，龍須草對抗生素的去除能力更強，在實際應用中能夠促進水體中抗生素的去除。

4 結束語

通過近年來眾多的研究成果可以看出，生態護坡植物對河道中的COD、TN、TP等多種污染物質均有著較好的去除效果，能夠滿足河道水質凈化的要求。但是，在生態護坡植物間的組合應用、生態護坡植物的強化以及生態護坡植物與護坡材料的配合方面，還需要進一步研究和突破。在未來，生態護坡植物在河道水質凈化中的研究依然會是生態護坡發展的重點，生態護坡將會具有更多的植物組合選擇、更強大的水質凈化能力。