富營養化水體濕地生態修復研究與應用進展

陳賀涵，張 菁，尹立鵬，姜學霞，謝春生

(1.肇慶學院 環境與化學工程學院，廣東 肇慶 526061；2. 觀星(肇慶)農業科技有限公司，廣東 肇慶 526070)

1 引言

湖泊等水體的富營養化主要是由于水體中氮、磷等養分含量過高，從而引起一系列的環境問題，進而給生態環境帶來直接或間接的危害。目前，我國富營養化水體規模不斷增大，生物多樣性下降、生態功能退化、生態環境惡化等問題日益突出。針對富營養化水體修復問題，常用的方法有物理方法、化學方法和生態修復方法等[1]。在富營養化水體生態修復的研究中，濕地生態修復是富營養化水體修復的研究重點之一。濕地生態修復是通過對湖泊、河道等水體內部及周邊環境進行規劃建設，選取合適的植物，從而提高濕地對富營養化水體的治理和修復效率。通過建立濕地生態系統進行富營養化治理，是目前我國富營養化水體防治的主要措施。在對水體進行凈化的濕地系統中，主要有自然恢復、人工或半人工加強濕地、人工濕地三大類。目前，國內外的研究與應用表明，構建濕地生態修復系統是解決湖泊富營養化問題的有效途徑[2]。本文從人工濕地的水文條件、植被群落的選取、濕地的生態修復與維護等幾個方面，綜述國內外在影響濕地生態修復效果和系統構建方面研究和應用的進展，為濕地生態修復的建設與應用提供理論和技術支持。

2 影響濕地生態修復效果的因素

2.1 植物選擇

水生植物是濕地處理系統中主要生長的植物，在生態修復處理中，水生植物主要起到的作用是為微生物的生長提供了良好平臺。在北方地區，一些植物的莖稈可以為水體水面形成冰層提供一定的支持，也為許多野生動物提供了一個良好的棲息地點[3]，對濕地內部的水生動物以及鳥類的遷徙和繁衍意義很大。適當地選擇水生植物進行搭配選擇可以提高對富營養化水體的修復效率，這在濕地生態修復中至關重要[4]。此外，植物種類的增多還可以提高濕地的生物多樣性，改善濕地生態系統的自我調節與修復能力，從而增強濕地抵御外界沖擊能力[5]。

2.2 水力條件

水力條件主要包括水力停留時間和水力負荷。濕地生態修復系統可分為地表和地下兩個區域，由于地表侵蝕層和植被之間的水力傳導特性的差異，其水力流動的規律也有一定的差別，在不同的深度會產生不同的水流阻力，從而導致水力停留時間的延長[6]。選用不同水力負荷的污水通入人工濕地，對其治理效果也有一定的影響[7]。徐祥熙等[8]通過建立6個不同的人工濕地模型，采用不同的水力學條件進行研究，發現在相同的水力條件下，垂直流人工濕地對污染物的去除率最高，表面流人工濕地的去除率最低；總氮去除效果最好的是垂直上行人工濕地，總磷、化學需氧量去除效果最好的是垂直下行人工濕地，氨氮去除效果最好的是水平潛流人工濕地；各人工濕地處理效果都隨水力負荷的增加而劣化。李程等[9]的研究也表明，隨著水力負荷的增加，人工濕地對污水中的主要污染物的去除率呈現出逐步降低的趨勢，并且在低水力負荷的情況下，對主要污染物的去除率明顯高于高水力負荷條件。

2.3 營養物質

水體的富營養化主要表現為水中的高氮水平，以及藻類的大量繁殖，使一系列的環境問題變得更為嚴峻。氮以不同的形式存在于水中，對植物產生環境脅迫，達到一定濃度后，就會導致植株死亡[10]。水草可通過釋放某些物質抑制藻類生長，降低藻類的生物量，實現競爭效應，改善水質。一些植物在死后腐爛分解，也會生成各種不同形態的氮，可以被活著的植物所吸收[11]。

2.4 溫度

濕地的生物降解是一種生物化學反應，水體中污染物的生物降解速率受溫度的影響較大。因此，在冬天，由于水溫較低，水體的生態修復效率會大大下降[12]。在人工濕地中，水生植物是處理富營養化水體的重要環節之一，而溫度又是影響植物生長的主要因素。由于四季更替，氣溫發生變化，部分植物無法一直適應溫度變化，對于氮元素的需求量也會隨之改變。如：鳳眼蓮、金魚藻、苦草等在春季末夏季初開始進入生長旺季，大量繁殖。又如：美人蕉無法在氣溫低的環境下發揮良好除氮效果；反之，石菖蒲由于低溫耐受力強，同時除氮效果良好，可以用于季節互補性種植。利用水生植物植物去除氮，需定時清理植物。寇曉梅等研究發現，在生長季節，水生植物會吸收營養物質供自身生長，而進入秋、冬季節，許多植物無法存活，植物體死亡后部分營養物質暫時儲存于體內，若要完全去除則需要在植物腐敗前進行清理，同時利用季節性互補的植物種植以保障對氮的去除效果[13]。

3 濕地生態修復系統的構建

與人工濕地類似，濕地生態修復系統按照系統布水方式的不同分為自由表面流濕地(Free Water Surface Wetland，FWS)和潛流型濕地(Subsurface Flow Wetland，SFS)[14]。潛流型人工濕地則分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。人工濕地包括填料、植物和微生物3個主要成分，它們在濕地處理污水的過程中分別起著不同的作用，只有綜合發揮三者的優勢，才能達到更好的生態修復效果[15]。

3.1 濕地植物選擇

水生植物是指在水里生長的植物，在我國的濕地生態修復中起著舉足輕重的作用，通過合理的植物搭配，可以有效地促進水體的恢復。按照生物習性，水生植物以沉水植物、挺水植物、浮游植物居多，植物品種的選擇要盡量降低對周邊環境的威脅，防止外來生物的入侵。濕地生態修復常用的水生植物可以分為以下幾類。

3.1.1 挺水植物

挺水植物是指生長在淺水或水岸邊的植物。它的根或地下莖生長在泥土中，通常有發達的通氣組織，莖和葉絕大部分挺立水面。挺水植物大多植株高大，造型美觀，在濕地生態修復中應用廣泛(表1)。

表1 生態修復常用的挺水植物

由表1可知，在COD的去除方面，匯總的各類挺水植物如美人蕉，銅錢草等均可達到50%以上，而蘆葦，香蒲去除效能更是顯著，可達80%以上。而對于去除總磷，慈姑、香蒲和蘆葦效率極高，可作為主力植物。上述挺水植物植株高大，造型美觀且種植簡易，耐受力強，適合在淺水體或水岸邊大面積種植以對水體進行生態修復。

3.1.2 沉水植物

沉水植物是指整株植物全部位于水層下面營固著生存的大型水生植物。

據表2所示，狐尾藻、金魚藻對COD和總磷的去除率非常高，適宜條件下可達到80%以上，并且栽種簡單，可作為深水體的凈水主要植物。輪葉黑藻等則可作為輔助植物，提高生態修復效率。此外還可以用于濕地造景，提高濕地群落豐富度，提高生態多樣性。

3.1.3 浮水植物

浮水植物也稱浮葉植物，根、根莖生于水中底泥又或者完全漂浮于水面之上從而隨水而動，葉片浮于水面上方。常用生態修復的浮水植物見表3。

表2 生態修復常用的沉水植物

表3 生態修復常用的浮水植物

浮水植物多數均有較強的凈水效能，但易大量繁殖，堆積河道，對其他水生動植物造成危害，所以一般不作為生態修復的主要植物，可用作輔助凈化的一類植物。

在生態修復過程中，采用多種植物進行綜合栽培，既能改善水體的修復效果，又能保證整個系統的長期穩定運轉。根據不同的作物品種，根據其不同的生長距離、根系深度、土壤污染、種植效益以及對環境的影響，選用合適的品種。植物在吸收和清除污染物的過程中，也為填料中的微生物提供了良好的生活環境，這是提高生態修復效果的一個關鍵因素。綜合考慮，宜選擇蘆葦、美人蕉和旱傘草作為濕地的挺水植物部分，狐尾藻、金魚藻和苦草作為沉水植物部分，浮葉植物選擇芝麻萍，所選植物均具有良好的適應性、較好的根系和較好的抗污染及凈化性能。同時選用上述多種不同種類的植物組合種植，最大化提高濕地生態修復的效率。

3.2 場地搭配建設

場地建設可以在有限的用地面積條件下，最大限度地提高土地利用率，從而間接提高修復效率。潛流式人工濕地包括圍護結構、防滲、結匯、濕地植被等，其排水在地表下流動，具有良好的隔熱性能，對周圍環境無明顯影響，環境衛生狀況良好，可在距離居民區較近的區域使用[12]。因此近年來較多選用潛流式人工濕地對富營養化水體進行修復[32]。若是地處偏遠地區，可利用面積大，管理較為困難，則可采用水平流濕地進行修復。

3.3 水岸維護工程

大部分濕地水岸維護現狀植被數量少，種類單一，且無一定的隔離措施或設備。針對部分湖泊或濕地的水岸保護問題，應在居民休閑活動的地區和湖岸附近建立生態隔離帶，有效隔離人為活動干擾，為濕地生態修復提供穩定條件。生態隔離帶可沿水岸線設置，植物種植稍寬。水岸主要以較陡邊坡護岸為主，緩沖帶寬度較窄，地形陡峭。根據現狀地形地勢，種植采用“喬木+灌木+草本+挺水植物”的組合方式，呈現出較為自然的面貌，促進了水質改善，優化了整體生態環境[33]。此外，濕地系統中鳥類繁多，在設計時可采用“微地形塑造+多序列植被修復+枯樹”的組合方式，并根據不同鳥類的習性，種植鳥類喜愛的陸生、耐水生喬灌草和挺水、沉水植物，在滿足鳥類需求的覓食、棲息繁殖的基礎上還可增加植物類型，提高區域生物多樣性。針對目前的實際狀況，在靠近道路的區域設置一片密林隔離區，以減少人類活動對濕地生物的干擾，其次植被修復向水面延伸依次為喬、灌草、挺水植物及沉水植物，水面上配置部分浮水植物。

3.4 濕地系統維護

雖然濕地生態建設對富營養化水體修復作用效果顯著，但考慮到植物生長周期與當地氣候密切相關等因素，建設后期的維護工作顯得尤為重要。如今大部分地區對于濕地生態修復維護主要以人力為主，小部分地區采用智能化系統控制管理。無論是人力維護還是智能化系統控制維護，都有其優勢和不足之處。濕地系統維護通常分為濕地生態系統維護與濕地設施維護兩部分，選擇合理的系統維護措施，將對濕地生態系統產生很大的影響[34]。

4 結論與展望

濕地生態修復技術在我國富營養化水體治理、黑臭水體修復、水源地保護等領域的應用日益廣泛。其中，合適的植物選擇和水力條件是影響濕地生態修復的重要因素。國內外的研究與應用表明：蘆葦、金魚藻、鳳眼蓮是對富營養化水體凈化效果較好的3種不同類型的水生植物，可以作為濕地修復的主力植物并根據其他水生植物不同的凈化能力和經濟價值，設計出不同的植物組合來搭配使用，以更好地發揮水生植物凈化水體、美化環境的功能。水力條件的改變可以通過場地與相關設備的選擇與改進來實現，進而對進水水力條件進行調整。影響濕地生態修復系統構建的因素較多，因地制宜地進行濕地生態修復工程設計，是濕地生態修復富營養化水體成敗的關鍵因素。針對不同的地形、氣候、選擇適宜的植物組合，結合當地水力條件、排水設施及出水條件，進行合適的濕地生態修復工程建設，將有效提高濕地生態修復的成效。

由此可見，濕地生態修復的研究和應用熱點仍主要集中在對不同類型的植物進行篩選和對比，從中選出適合實際使用的品種，并進行合理的組合，以提高濕地生態修復的效果。濕地生態系統中的基質，富含有機-無機成分和各種微生物，與植物共同構成植物-微生物-基質體系，是濕地生態修復系統污染物去除的主要場所。因此可見，加強濕地生態系統中基質選擇、組成和應用的研究，不僅可以有效提高濕地生態修復的效率，還可以最大限度地降低當前人工濕地所面臨的諸如堵塞和運行不穩定的問題，也是將來濕地生態修復研究和應用的重要方向。