水生植物修復富營養化水體研究

李燕

（1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西西安 710075；2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西西安 710075）

水生植物修復是將生物法、生態法聯合的通用技術，同時兼具效果佳、綠色環保、美化景觀、成本低等優勢，在土水一體化聯合修復特別是城市景觀濕地修復中得到廣泛應用[1]。水體及沉積物中的氮、磷是水生植物生長必需的營養物質，植物通過吸收水體和沉積物中營養物質維持自身生長，以營養繁殖方式快速積累生物量，固定氮、磷的能力很高，同時水生植物根部為微生物生長營養物質、生長繁殖環境與條件[2-3]。水生植物生長直接吸收水體中營養物質的同時，還改變水環境基質的理化性質、提高溶解氧含量，根系釋放氧氣在缺氧/好氧區促進硝化和反硝化，促進水體中其他水生生物代謝，抑制沉積物的二次懸浮[4-5]。目前，對于水生植物修復水體環境的研究主要有生物調查、植物群落多樣性、生態恢復措施、修復植物選擇，人工濕地系統、植物浮床等凈化能力，植物修復過程中水體和沉積物中營養物質吸釋機理與容量，涉及室內模型試驗、田間中試及工程化應用等[6]。隨著各地濕地景觀的大力開發，以荷花為主的水生植物大量用于濕地，使之成為集觀賞、食用、凈化于一體的生物資源[7]。主要利用植物修復、控制城市景觀濕地的內源沉積物污染，研發生態環保、可持續發展的環境友好型修復技術，培育篩選觀賞、食用、修復為一體的高性價比修復物種，對解決全球普遍關注的水體及沉積物污染具有重要意義。

1 修復植物篩選

水體富營養化是地表水體普遍存在的重要水環境問題之一，水體中氮、磷負荷過量是水體富營養化的主要原因。植物修復是富營養化水生態環境修復不可缺少的部分，國內外用于修復富營養化水體及其沉積物的植物主要是超富集類植物，一般應具備：（1）富集污染物（重金屬和有機污染物等）容量大；（2）較強的抗逆能力，如耐污能力、抗病蟲害能力、抗熱抗寒能力；（3）良好的污染物凈化能力，不僅能夠同時積累幾種重金屬，還能夠吸收沉積物中的有機污染物；（4）生長快、生物量大、易于管理；（5）綜合利用價值高，后續處理方便；（6）對于城市水體環境修復植物，還應具有一定的景觀價值。

目前，用于水體修復的植物主要有挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物以及濕生植物5類（表1）。地表水體修復植物選擇的主要影響因素有：所處區域自然環境、氣候特征，當地土著物種、優勢物種、特有種及其主要天敵植物生長特征及分布，擬選擇修復植物生長環境條件及適應能力，修復水體污染物類型、污染程度、污染范圍、修復水質目標、水動力學特征以及水體環境功能區劃等因子。此外，對于漁業水域還采用生菜、油菜、空心菜、水芹等蔬菜，在凈化水質的同時，最大限度利用資源、最大化經濟效益，降低植物修復后續處理成本，避免二次污染[8]。

表1 常見修復植物分類

2 修復植物栽植

水生植物生長狀況受修復水體水質、底質污染狀況，水位波動、水體清潔程度及當地（試驗）環境條件等多因素影響，在科學試驗或水體修復工程實施過程中，選擇適宜的植物栽植地點是修復成功的關鍵。

2.1 水體水質狀況

修復水體水質狀況直接決定修復植物類型及其存活的可能性。河流、湖庫等長期接納外來生活污水與工業廢水，水體污染后高氮、磷的同時多表現為高CO2、高鹽分，同時伴有重金屬和有機污染物。其中，高CO2伴隨著水體中較充足的可利用無機碳源，有利于水生植物特別是沉水植物生長；高氮、磷造成水體富營養化的同時，滿足植物生長營養所需。水體中鹽分過高將脅迫植物生長發育，抑制植物組織及其器官生長分化，直接導致葉綠素破碎。研究表明，不同水生植物的耐鹽性有較大差異，一般在0～0.5 mg/L含鹽量范圍內較好生長，含鹽量＞5 mg/L時影響大多水生植物生長，如水生植物如在濱海高鹽水體中川蔓藻和篦齒眼子菜耐鹽性高于狐尾藻、金魚藻、線葉眼子菜、枯草等，且可作為沿海河道沉水植物重建的先鋒植物[9]。此外，水體中一定量的重金屬和有機物有助于水生植物生長，但高濃度會影響其正常生長發育。水生植物耐受常見重金屬的濃度為：Hg2+＜ 1 mg/L、Cu2+＜ 2 mg/L、Ni2+＜ 2 mg/L[10]。

2.2 底質（基質）狀況

底質是沉水植物和挺水植物等水生植物生長的基本基質，也是與植物生長有密切聯系的微生物主要來源之一。自然水體中底質（沉積物）對水體修復工程水生植物生長有直接影響。底質營養的高低直接影響水生植物的生物量、株高、分支數量等。因水體類型不同，底質也有明顯的分層，表層（過渡層）為流動浮泥，成絮凝狀；中低層為氮、磷、有機物等營養物質與污染物聚集的污泥層，有利于植物扎根生長，是最適合水生植物種植的區域。

對于水生植物修復水體室內試驗研究，多在采用自制栽植容器，如塑料盆栽桶、PVC圓桶、≥30 L的塑料盆（塑料箱）等，試驗基質多為研究水體采集的底質或者鋪設均質砂礫、陶礫等材料，鋪設厚度為10～20 cm不等。此外，對于蓮藕塘、魚塘等水體修復研究，多采用定植孔塑料泡模板制作定植板。

2.3 水位波動影響

水位波動是影響水生植物生長和修復效果的關鍵因素。水位波動幅度直接影響水生植物的總生物量、莖生物量、葉生物量、根生物量、莖長、節點數、葉片數、分葉數、根長及葉面積等生物特征和酶活性、葉綠素含量等生理指標，同時改變不同水生植物種內及種間的競爭關系[11]。特別地，對潮感河段的植物修復，應選擇對水位波動引發的環境改變適應性更強的植物。

3 修復效果分析

不同水生植物的水體凈化能力差異較大。在中高濃度的富營養化水體中，水生植物有明顯的除氮、除磷效果，氮、磷和總有機碳含量成明顯降低趨勢。常用的水生植物修復高濃度氮的效果為美人蕉＞睡蓮＞空心菜＞水芹，除磷效果為睡蓮＞美人蕉＞空心菜＞水芹；修復中濃度氮、磷的效果為美人蕉＞睡蓮＞水芹＞空心菜，即高濃度水產養殖水域和自然水體環境中美人蕉和睡蓮有更好的抗逆性和適應能力。對除氮除磷速率，不同植物凈增生物量之間具有顯著差異（P＜0.05），生物量的變化范圍為492.71～939.19 g/m2[12]。研究表明，植物凈生物量濕質量、干質量均與磷富集效率相關性較高，可作為修復植篩選的參考因素。

水生植物莖、葉、根等不同部位吸收氮、磷、重金屬等污染物的貢獻率也有一定差異，一般莖葉部高于根部，有效割除是徹底去除污染物、提高水體修復凈化效果的重要手段之一。對于水體中重金屬的修復效果，植物修復重金屬的整體效果為：Cu＞Cr＞Ni＞Pb＞Cd，植物種植后底泥中各重金屬形態含量的變化有隨總量減小而減小的趨勢，各種形態重金屬的百分含量在植物種植前后未發生顯著變化。但不同植物的各組織內累積不同重金屬的效率有所差異，如Cu、Ni在睡蓮中的分布特征為根＞葉＞莖，Cd和Pb為根＞莖＞葉，Cr為葉＞根＞莖。Cr、Ni在荷花中的分布特征一致，為莖＞葉＞根，Cu表現為莖＞根＞葉，Cd、Pb作為植物的有害元素，主要積累在荷花的葉部組織[13]。

4 結論

水生植物修復富營養化水體投資少、節約資源，同時兼具城市生態綠化與景觀價值。對于地表富營養化水體，不同地域的水體所適用的修復植物受植物生長特性、區域自然環境、水體受污染狀況等多因素影響，且不同種類植物對各級污染程度的水體修復效果存在較明顯的差異。因此，針對不同修復水體選擇適宜的水生植物進行科學種植與管護是確保修復效果的重要前提。