人工濕地中水生植物對氮磷的吸收作用研究進展

吳陽 王哲 王兆珺 李坤 王立杰 任奕霖

【摘 要】近年來，我國水體富營養化問題日益加重，人工濕地中的水生植物能夠很好地去除富營養化水體中的氮磷，而且材料易得，景觀效果好，得到了廣泛應用。本文闡述了不同生活型水生植物對氮磷的去除效應、機制及差異，并對進一步研究提出展望，希望對人工濕地中水生植物的應用有一定的指導意義和理論價值。

【關鍵詞】人工濕地；水生植物；氮磷

富營養化是目前地表水面臨的重大環境問題之一。一般來說，湖泊富營養化可分為自然富營養化和人類富營養化兩類。自然富營養化過程在地質時期發生得非常緩慢，但人類活動可大大加快自然營養化進程。目前，湖泊和水庫的加速營養化已成為世界性的環境問題，水體的富營養化代表水質的嚴重退化，導致生態完整性、可持續性喪失，并影響水生生態系統的安全使用。我國水體富營養化情況十分嚴重，根據《2017年中國環境現狀報告》（MEPC，2018），在109個重點湖泊（水庫）富營養化監測中，貧營養的9個，中營養的67個，輕度富營養的29個，中度富營養的4個。中國五大淡水湖泊中有三個富營養化，即太湖、滇池和巢湖。由此可見，封閉水體的富營養化已成為我國嚴重的亟待解決的問題。

了解如何控制和治理水體的富營養化，是全球為了促進可持續發展面臨的一個緊迫的問題，目前水體的富營養化處理技術主要涉及物理、化學和生物方法。然而物理方法如清除底泥等，成本太高且不能從根本上治理水體的富營養化；化學方法需要向水體中投入大量的化學試劑，有造成二次污染的風險；生物方法具有最小的副作用，利用水生植物、動物、微生物的協同代謝，吸附水體中的過量營養物質，且運行成本低，具有景觀效益，因此近年來生物治理方法被大量的開發利用。

1、濕地植物對氮磷的吸附效應

1.1水體中氮磷的存在形式及吸附路徑

氮以有機態和無機態兩種形式存在于廢水中，有機氮主要包括氨基酸、尿素、尿酸、嘌呤、嘧啶等形式，無機氮主要包括銨（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）、硝酸鹽（NO3-）、一氧化二氮（N2O）及溶解于水中的氮氣或其他氮元素。有機氮的去除主要通過氨化作用和硝化作用，反硝化作用是人工濕地中TN去除的主要機制。植物的存在能大大提高氮的去除性能，它們能夠為根際微生物提供附著表面和氧氣，增強硝化作用；同時水生植物通過光合作用固定的碳能優化有機物去除和反硝化過程。進入濕地的含磷化合物主要包括顆粒磷、溶解有機磷和無機磷酸鹽，主要通過底泥、水生植物、微生物3條平行途徑進行遷移轉化。由于不同種類的植物對氮磷的吸收能力不同，對富營養水體凈化效果存在較大差異。目前，挺水植物和沉水植物的多數種類被廣泛用于高濃度氮磷污水的治理，漂浮植物、浮葉植物多用于凈化氮磷污染程度低的水體。

1.2挺水植物對氮磷的吸附效應

挺水植物是構建人工濕地的主要類型植物，能夠攔截過濾、同化吸收污染物，同時具有生命周期比藻類、浮水植物長，容易通過收割去除氮磷等優點，在人工濕地中得到了大量的應用。常用的挺水植物有蘆葦、菖蒲、寬葉香蒲、燈芯草，水蔥等。商侃侃等比較了花葉蘆竹、旱傘草、再力花、香蒲、蘆葦5種常見挺水植物對低污染水中氮磷的凈化效果。結果表明，與對照相比，這5種挺水植物對NH3-N、TN、TP凈化效果顯著，但不同植物間處理效果差異不顯著。通過植物收割去除TN的大小順序為：旱傘草>蘆葦>再力花>花葉蘆竹>香蒲，去除TP的大小順序為：旱傘草>再力花>蘆葦>花葉蘆竹>香蒲。從積累效率來看，大小順序均為蘆葦>再力花>旱傘草>花葉蘆竹>香蒲。在選擇處理低污染水人工濕地植物時，雖然需要選擇高氮磷積累量的物種，但更應選擇具有高氮磷積累效率的物種。樊開青等選取蘆葦、水蔥、水花生、香蒲和慈姑5種挺水植物為研究對象，通過室內靜水試驗、分析比較了它們對重度營養化水體氮磷指標的去除效果，結果表明這5種植物在富營養化水體中生長良好，均能不同程度地降低水體中氮磷類污染指標，但對不同指標的凈化效果不一樣。其中對總氮的去除能力大小排序為香蒲>蘆葦>水花生>慈姑>水蔥；對銨態氮的去除能力大小排序為：水花生>香蒲>蘆葦>慈姑>水蔥；對硝態氮去除能力大小排序為：水花生>蘆葦>慈姑>水蔥>香蒲；對總磷的去除能力大小排序為：水花生>水蔥>慈姑>香蒲>蘆葦；對磷酸鹽的去除能力大小排序為：蘆葦>水蔥>慈姑>水花生>香蒲。在工程實踐中可根據富營養化水體的實際污染情況，選擇合適的水生植物進行修復。

1.3沉水植物對氮磷的吸附效應

由于沉水植物整株浸沒于水中，其根、莖、葉均能吸收氮磷等營養物質，雖然單株生物量小，但往往能夠覆蓋在治理段底部，總生物量大，對氮磷的去除量也更大。應用去除水體中氮磷的沉水植物主要有菹草、苦草、馬來眼子菜、微齒眼子菜、伊樂藻、黑藻、金魚藻、狐尾藻等。潘保源等研究了輪葉黑藻、金魚藻和狐尾藻對水體氮磷的凈化效果，發現對總氮的去除能力從大到小依次為輪葉黑藻>金魚藻>狐尾藻，對總磷的去除能力從大到小依次為輪葉黑藻>狐尾藻>金魚藻，輪葉黑藻適合于氮磷濃度較高水體的凈化且去除效率最好，是很好的水體凈化沉水植物。金樹權等[8]研究了輪葉黑藻、苦草、金魚藻、穗狀狐尾藻、微齒眼子菜5種寧波鄉土沉水植物后也發現輪葉黑藻對TN、TP的去除率最高，不同沉水植物處理的水質TN、TP去除率變化范圍分別為63.8%～83.1%和49.2%～70.8%，均顯著高于空白處理的39.9%和36.9%。在低溫條件下，大聚藻和香菇草能夠正常生長，金魚藻基本停止生長，黑藻出現部分腐爛現象，而且大聚藻和香菇草對TN、TP的平均凈化率也要顯著高于金魚藻和黑藻，因此大聚藻和香菇草可作為冬季低溫條件下凈水工程的優選沉水植物。

1.4漂浮植物對氮磷的吸附效應

由于難以控制漂浮植物生長規模和適宜的蓋度，發揮最佳水體凈化效果，用于處理氮磷污水的漂浮植物種類較少，鳳眼蓮的應用最為廣泛。鳳眼蓮對氮、磷去除率分別為50%～78.46%和68.16%～89.56%，水芙蓉對氮、磷去除率分別為57.58%～76.87%和72.28%～76.47%，蓮花竹對氮、磷去除率分別為0.60%～10.80%和2.48%～10.04%。鳳眼蓮和水芙蓉對氮磷的去除效果比較好。何娜等比較了包括大薸、鳳眼蓮在內的漂浮植物和挺水植物去除氮磷的效果，結果發現漂浮植物對氮磷的吸收貢獻率明顯高于挺水植物。

1.5浮葉植物對氮磷的吸附效應

和漂浮植物相似，浮葉植物在處理氮磷污水的應用也相對較少，主要有睡蓮、水罌粟、四角菱等，且多與其他植物配合應用。吳湘等[10]研究了3類水生植物對池塘養殖廢水中氮磷的去除效果，在相同條件下脫氮除磷效果最好的是挺水植物蘆葦，浮葉植物浮葉四角菱脫氮效果較好， 除磷效果較好的是沉水植物金魚藻。蔡佩英等在不同濃度的模擬污水中培養9種水生植物，發現在低濃度下，荷花對總氮的去除率最高，達到48.75%。荇菜能顯著降低上覆水體中NH4+-N、TN以及PO43-P、TP的水平，同時由于植物的生長對藻類具有克制作用，使水體中藻類的數量降低，提高水體透明度，改善水質。

1.6不同植物搭配對氮磷的吸附效應

目前大量研究集中在篩選出氮磷凈化率最高的單一水生植物物種，然而在工程實踐中如果采用單一物種修復富營養化水體會出現系統波動性大、抗逆性抗蟲性差、水質凈化效果不穩定等問題，多種物種以及多種生活型水生植物的有機組合能提高小生境生物多樣性，增強人工濕地的抗逆和抗干擾能力。一般條件下多種植物組合對污染物的凈化效果更好，然而，不同的植物配置和實驗條件會導致凈化效果不同，有的植物配置后對污染物的凈化反而起抑制作用。因此最優的植物搭配組合和適用條件還需要深入研究和探討。劉足根等分別以水菖蒲、狹葉香蒲、金魚藻、穗花狐尾藻4種沉水-挺水植物為先鋒種兩兩鑲嵌組合，最終確定了穗花狐尾藻+狹葉香蒲的鑲嵌組合為不同生活型水生植物組合凈化氮磷效果最優模式。李淑英等[13]選擇三種耐污性極強的水生植物：慈姑，挺水植物；大薸，漂浮植物；穗狀狐尾藻，沉水植物，進行兩兩鑲嵌組合和三種同時使用，結果表明，永生植物鑲嵌組合后對富營養化水體中的TN和TP去除效果明顯，并且能夠長期維持此凈化效果；三種水生植物鑲嵌組合后對富營養化水體中的TN、TP的去除效果最好，最大去除率分別達到70.13%和99.32%。

2、濕地植物對氮磷的去除機制

2.1濕地植物對氮的去除機制

植物的生長繁殖需要營養，能夠有效地吸收水體中的營養物質，可以通過收割成熟的植物來凈化水質，對營養物質如總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、磷酸鹽（PO43-）的去除有著積極作用。大量研究表明，植物的吸收作用與植株的生物量及根系的發達程度密切相關。崔麗娟等發現植物體內N、P的積累量主要與植物的生物量存在線性相關，生物量對氮、磷積累量的影響大于植物體內氮、磷濃度的影響，這一結果與蔣躍平等的研究結果一致，所以生物量可作為選擇人工濕地植物的一個重要指標。此外，發達的根系也有利于污染物的去除，例如美人蕉根面積大，須根很長，對氮磷有較好的去除能力。

事實上，在人工濕地中，植物直接吸收作用去除的氮僅占20%～30%，大部分（60%～70%） 通過反硝化作用被微生物去除，因此，濕地植物的直接吸收作用不是去除氮的主要機制。植物根系的表面積為微生物提供附著的位置并為各種微生物的生長創造微環境，微生物的硝化-反硝化作用一直被認為是人工濕地脫氮的主要途徑。硝化作用 （Nitrification） 是指首先由氨氧化菌將氨氮氧化成亞硝態氮， 然后再被硝化菌氧化成硝態氮的過程 （NH4+→NO2-→NO3-）；反硝化作用（Denitrification）指反硝化菌通過多步反應將硝態氮最終還原為氮氣的過程 （NO3-→NO2-→NO→N2O→N2）。厭氧氨氧化菌驅動的厭氧氨氧化過程也作為一種新的微生物脫氮途徑在人工濕地去除氮研究中受到越來越多的關注。在大多人工濕地的微生物群落中， 細菌數量最多， 放線菌數量次之， 而真菌數量則最少。其中， 細菌中具有脫氮功能的氨化細菌、亞硝化細菌、硝化細菌和反硝化細菌數量均處于較高水平，該特點使得人工濕地具有良好的脫氮效果。杜剛等研究表明，栽種植物能夠增加人工濕地的微生物數量，人工濕地微生物數量與TN去除率顯著正相關，栽種植物能夠改善人工濕地微生物數量與TN去除率之間的關系。同時濕地植物通過光合作用產生的氧氣通過根系在根區周圍形成氧化態的微環境，有植物的濕地生態系統比無植物的濕地生態系統氧氣濃度更高，氧化能力更強，根系泌氧可通過促進硝化作用顯著促進銨態氮的去除。目前， 人們對人工濕地微生物的研究已從傳統的間接功能性測定發展到分子水平有研究表明， 氮轉化速率與編碼氮轉化關鍵酶的基因存在著明顯的定量響應關系，人工濕地內部氮轉化過程之間存在多種耦合機制， 氮轉化速率受制于多種氮轉化菌群和功能基因的聯合作用。

2.2濕地植物對磷的去除機制

基質吸附、水生植物的吸收和微生物作用是廢水除磷的3條平行途徑，3條途徑對磷去除的貢獻大小為：基質>水生植物≥微生物 （短期結果） ，水生植物>基質≥微生物 （長期結果）。水生植物吸收的磷含量不多，但卻對水體中磷的去除有很大貢獻，一方面，植物根區的微氧化環境， 有利于有機磷被微生物降解為無機磷，無機磷是植物生長必需的營養元素，可被植物吸收利用形成卵磷脂、核酸及ATP等，然后通過植物收割去除；另一方面， 由于植物具有龐大的根系， 磷可以通過底泥吸附而沉淀。郭萬喜等研究發現浮水植物如青萍和紫萍吸收的磷主要來自于上覆水， 而沉水植物如黑藻和水花生吸收的磷直接來自于沉積物。根據以往的研究報告，通過底物積累去除磷占磷輸入量的36.2-87.5%，而植物和微生物吸收約占1.3-26.4%，且含Ca和Fe的基質可通過Ca、Fe與PO43-反應而發生沉淀，因此認為底物絡合沉淀是人工濕地中磷去除的關鍵機制。然而，當修復水體中磷的濃度降低到一定值，已被底泥基質吸附的部分磷可能會重新釋放到水體中，因此通過底泥對可溶磷的沉淀作用不能完全將磷從水體中去除。

具有解磷能力的微生物有很多，其中優勢種有：不動桿菌屬 （Acinetobacter） 、氣單胞菌屬 （Aeromonas） 和假單胞菌屬 （Pseudomonas），有機磷和磷酸鹽沉淀磷主要是通過這些菌的協調作用轉化為溶解的磷酸鹽， 從而被植物體吸收利用，無機磷化合物也能得到分解和轉化。此外，植物根系分泌的分泌物，能夠促進磷細菌生長，從而間接提高凈化速率。研究結果表明，根土表面解磷微生物數量>根際土解磷微生物數量>本體土解磷微生物數量。

3.展望

利用水生植物構建人工濕地能夠有效地治理富營養化水體，同時具有經濟性和良好的景觀效果，目前在工程實踐中得到了廣泛地應用。由于不同水生植物去除氮磷效果差別很大，水質條件以及搭配方式不同也會影響去除氮磷的效果，而單一水生植物的篩選及對富營養水體氮磷的去除效果已被大量研究，建議進一步研究的內容包括：研究不同水質條件下的不同生活型水生植物的最優配置，建立水生植物數據庫，更好地指導工程實踐，提高人工濕地的生物多樣性和景觀多樣性；植物-微生物的協同作用是水體去除氮磷的主要方式，而水生植物去除氮磷的凈化機制的研究相對較少，在分子水平上仍需進行進一步的研究；人工濕地的維護需要進一步考慮，及時收割打撈水生植物，以期達到最好的水質凈化效果。另外，由于收割后的水生植物吸收了大量的污染物，如何處理這些植物也是需要考慮的問題。

【參考文獻】

[1] 李強坤，胡亞偉，孫娟. 農業非點源污染物在排水溝渠中的遷移轉化研究進展[J]. 中國生態農業學報， 2010. 18（1）：210-214.

[2] 商侃侃，張國威，萬吉爾. 潛流人工濕地處理低污染水對植物生長的影響[J]. 凈水技術， 2018. 37（09）：120-125+131.

[3] 樊開青，王其娟，汪偉. 5種挺水植物凈化富營養化水體氮磷效果的比較[J]. 江蘇農業科學， 2011. 39（6）：598-599.