水体富营养化及其植物修复技术研究进展

孙向辉，李 力

(1.丽江师范高等专科学校，云南丽江 674100;2.丽江市环境监测站，云南丽江 674100)

水体富营养化是指生物所需要的氮和磷等营养盐大量进入水体，引起藻类大量繁殖、水体溶解氧下降、水质恶化的现象［1］。随着我国工业化及城市化进程的加快，工业废水及生活污水的排放不断增加，水体富营养化程度日趋严重，已成为影响当地社会、经济可持续发展的突出问题。

富营养化水体治理技术按照治理手段可分为化学处理(杀藻剂、氧化剂)、物理处理(人工曝气、调水冲污)和生物处理方法(植物修复、微生物制剂)等［2］。在富营养化水体修复的各种手段中，植物修复主要是通过水生植物对氮、磷等营养物质的吸收来进行代谢活动，从而使氮、磷等营养物质得到去除，它是一种耗能低、效果好的新技术，具有生态环保特性，已经引起国内外学者的高度重视。笔者对近年来国内外水体富营养化现状及植物修复富营养化水体方面的研究成果进行了较为系统的总结，期望为今后富营养化水体植物修复技术的开发应用提供理论参考。

1 国内外水体富营养化状况

20世纪初，水体富营养化问题就引起了一些国际组织、国家政府及社会各界人士的关注与重视。据联合国环境规划署的一项水体富营养化调查结果表明，全世界大约有30%～40%的湖泊和水库发生不同程度的水体富营养化［3］。欧洲、非洲、北美洲和南美洲分别有53%、28%、48%和41%的湖泊水库存在不同程度的富营养化现象，亚太地区有54%的湖泊水库处于富营养化状态，世界各国正面临着严重的淡水危机［4］。美国环保署一直认为，在过去几十年里，水体富营养化是造成美国河流水质退化的最重要原因，美国的许多湖泊，如Erie湖、Okeechobee湖、City Park湖、Washington湖、Apopka湖等均出现不同程度的水体富营养化现象［5-9］。水体富营养化也是目前许多欧洲湖泊面临的最大问题［10］，据对96个湖泊的统计结果显示，80%的湖泊不同程度地受到氮、磷污染，呈现出富营养化状态，希腊西北部地区的Pamvotis湖在过去的40年间一直遭受人为富营养化的困扰［11］。

随着工业化的不断发展，人口的急剧增加，我国众多的河流、湖泊、水库等水体的污染也日益严重，水体环境现状令人担忧。调查结果表明，近20年来，我国湖泊富营养化发展趋势十分严峻，富营养化湖泊个数占调查湖泊的比例由20世纪70年代末至80年代后期的41%发展到80年代后期的61%，至20世纪90年代后期又上升到77%［12］。根据2012年中国环境状况公报，全国地表水国控断面总体为轻度污染，62个国控重点湖泊(水库)，除密云水库和班公错外，其他60个湖泊(水库)开展了营养状态监测，其中，4个为重度富营养状态，占6.7%;11个为轻度富营养状态，占18.3%;37个为中营养状态，占61.7%;8个为贫营养状态，占13.3%;同时总氮、总磷也为我国内陆渔业水域的主要污染指标［13］。

2 水生植物对富营养水体的修复效果

水生植物包括挺水植物、浮水植物、浮叶植物以及沉水植物等类型，不同的水生植物对富营养水体修复具有不同的效果。目前在水体富营养化修复技术中广泛应用的有芦苇、水葱、香蒲、菖蒲、凤眼莲、眼子菜、菹草等。

樊开青等选取芦苇、水葱、水花生、香蒲和慈姑5种挺水植物为研究对象，分析比较了其对重度富营养化水体氮磷指标的去除效果，研究表明，5种挺水植物对受试水体氮、磷营养物质均有不同程度的净化效果，其中水花生对于水体中铵态氮、硝态氮、总氮、总磷类营养物质均具有较好的去除效果，处理10 d后，其去除率可分别达92.24%、91.10%、91.60%、95.10%［14］。汪怀建等研究了3种浮水植物对富营养水体中营养盐的去除能力，结果发现凤眼莲和槐叶萍对水体中总氮和总磷的去除效果最好，尤其对于总氮的去除率可分别达到70%和61%［15］。田琦等通过室内模拟、实验室测定，分析了太湖流域常见的5种沉水植物对富营养化水体的净化能力，结果发现，5种沉水植物均有一定能力去除水体中总磷、总溶解态磷、总氮、叶绿素a，改善水体中溶解氧条件，其中金鱼藻在各方面能力均较强［16］。

3 水生植物修复富营养化水体的作用机制

3.1 水生植物的吸收同化作用 植物吸收是水体中氮、磷营养盐去除的重要途径之一。由于植物在其生长过程中需要大量吸收氮、磷等营养元素，而这些元素正是水体富营养化的物质基础，富营养化水体中的无机氮作为植物自身的营养成分，可用于合成植物蛋白等有机氮，铵态氮作为植物生长中不可或缺的物质被植物直接吸收合成蛋白质和有机氮，无机磷在植物吸收及同化作用下可转化成为ATP、DNA和RNA等有机物质、矿化的营养盐包括磷酸盐等，有利于植物的吸收并参与光合作用，因此，植物可通过吸收同化作用从污染水体中将营养物质带走，从而既达到了改善水质的目的，又促进了植物的生长［17-19］。研究发现，植物的吸收是氮去除的主要途径，红树植物能吸收水中超过65%的总氮［20］，香根草通过根系的吸收作用，也可以大幅度地去除富营养化水体中的主要养分氮、磷元素［21］。周真明等也认为，植物的吸收同化作用是铵态氮去除效果的主要原因，植物去除磷的主要途径则是植物对溶解性磷的吸收［22］。

3.2 水生植物的化感作用 化感作用是一种植物通过向环境释放化学物质而对另一种植物(包括微生物)所产生的有害或有益的作用。大量研究表明，水生植物一方面能吸收水体中的氮、磷等营养物质，另一方面能够分泌抑制有害藻类生长的化感物质，从而起到修复、净化富营养化水体的作用［23-25］。如金鱼藻、茨藻、水王藻、水葫芦等大型水生植物可通过与藻类竞争阳光、矿物质营养以及分泌化学物质抑制富营养化水体中丝状藻类的生长［26］。狐尾藻、马来眼子菜、苦草对衣藻、铜绿微囊藻、纤细席藻、四尾栅藻、小球藻这5种富营养化淡水藻类也均有不同程度的抑制作用，特别是马来眼子菜对铜绿微囊藻、四尾栅藻和小球藻有明显的抑制作用［27］。

3.3 水生植物与微生物的协同作用 植物被引入富营养化水体后，一方面会从水体中吸收氮磷等营养元素，另一方面根系也向水体分泌氧、氨基酸、糖类等物质，从而刺激根际微生物活性，增加微生物种类，而这些微生物活性的增强可大大增加水体中的一些有机态物质向植物有效态转变，从而影响植物吸收，这是养分去除与转化的重要途径，并可能是主要途径。

近年，有学者研究表明，植物对氮、磷的同化吸收只占全部去除量很小一部分，约2% ～5%，微生物才是水体中污染物去除的主要执行者［28-30］。Farahbakhshazad等研究发现，微生物同化作用对总磷的去除率为50%～60%，植物吸收为1% ～3%，其余为物理作用、化学吸附和沉淀作用［31］。Liang等研究也认为，人工湿地系统中植物的吸收作用仅去除了系统中5% ～10%的氮，10% ～20%的磷，污染物大多是通过微生物的转化污染去除的，系统中基质、湿地植物、微生物之间的互作是污染物去除的主要机理［32］。

3.4 水生植物的其他生态功能作用 在植物-水体系统中，依靠植物根系的截滤作用能去除大部分悬浮有机物，从而减少水中的氮素。有研究发现，在种有芦苇的水池中，其水中悬浮物减少30%，氯化物减少90%，有机氮减少60%，磷酸盐减少20%，氨氮减少66%［33］。对于不同类型的水生植物，挺水植物可通过对水流的阻尼或减少风浪扰动，使悬浮物质沉降;在易受风浪涡流底层及鱼类扰动影响的浅水湖泊底层，沉水植物有利于形成一道屏障，使底泥中营养物质溶出速度明显受到抑制，同时水生植物还能通过植物残体的沉积将部分生物营养元素埋入沉积物中，使其脱离湖泊内的营养元素，进入地球化学循环过程。

4 影响水生植物对富营养化水体修复作用的主要因素

4.1 水体富营养化程度 水体的营养状况影响着水生植物的净化效率。一般来说，凤眼莲对污水中氮、磷等营养物质的净化效率与污水中氮、磷营养的浓度负荷有很大的相关性，随着氮、磷营养负荷的增加，凤眼莲对氮、磷的去除亦增加，但若氮、磷负荷太高，超过凤眼莲的吸收速率，则净化效率反而下降［34］。

葛滢等比较了10余种土著湿生植物后发现，对于重度富营养水体，空心菜的净化效果最好，凤眼莲和鸭跖草次之，灯心草、知风草和水芹菜也有一定的效果;对于轻度富营养水体，鸭跖草、喜旱莲子草最好，凤眼莲、空心菜、酸模叶蓼均较好，石葛蒲、灯心草、知风草、穹隆苔草、萱草略差，认为在轻度富营养化水体中，植物不可能获得生长所需的足够的氮、磷量，生长受到抑制，生物量较低，所以需要选择既能在贫瘠条件下生长又能有较高净化能力的植物［35］。林秋奇等研究了不同形态的氮及磷浓度对水网藻的生长及吸收去除氮磷能力的影响，发现水网藻在氮磷比为15左右的条件下，生长及氮、磷去除能力均为最好，并能优先吸收氨氮，在总氮、总磷分别为4.5 mg/L和0.3 mg/L时，对总氮和总磷的3 d去除率几乎达 100%［36］。

4.2 植物种类的选择 水生植物修复富营养化水体的效果与植物物种有很大关系，不同的植物对营养物质的需求和吸收能力不同，对微生物生长的促进作用不同，因而净化水体的能力也不同。一般认为，植物筛选原则是对氮、磷去除率高，具有一定经济价值，适于面源污水环境条件下生长并且种源来源方便的植物。高吉喜等在比较了7种水生植物后认为，茭草和慈姑的综合净化能力最强，金鱼藻、水花生和满江红次之，菹草和菱角最差［37］。贺鸿志比较了野生稻、香根草和风车草对富营养化水体的净化效果，结果发现，3种植物对富营养化水体中的总悬浮物、总氮和总磷均具有良好的净化效果，其中风车草的综合修复能力最强，香根草次之，野生稻最弱［19］。田琦等通过室内模拟实验，分析了金鱼藻、伊乐藻、苦草、菹草、马来眼子菜5种不同种类沉水植物对水环境质量的改善能力，结果表明，5种沉水植物均有一定改善水环境质量的，对总氮的去除上，金鱼藻和马来眼子菜能力较强，对总磷、总溶解态磷的去除能力上，金鱼藻、菹草明显优于其他植物，综合去除多个污染因子的能力及对水环境质量改善的贡献，认为金鱼藻较其他沉水植物能力更强［16］。

4.3 植物的种植方式 一般认为，适当的植物复合种植体系能产生比植物单一种植体系更好的净化效果。Coleman等对香蒲、灯心草和水葱3种植物混合种植和分别单独种植对生活污水中磷的净化作用进行了比较研究，发现三者混合种植比分别单独种植具有更好的净化效果［38］。然而，王春景等对菰、菖蒲及它们的复合体系对富营养化水体中磷的净化效应的研究却得到相反的结果［39］，Lauchlan等的研究也得到相似结果［40］。陈力等研究也发现，美人蕉和紫背万年青的复合种植对富营养化水体总磷的净化效果与二者单独种植没有明显差异［41］。可见，植物的复合种植体系对富营养化水体的修复能力是否强于单一种植体系，仍需要更深入的探讨。

4.4 外界环境因子 其他的一些外界环境因子如温度、光照、微生物等，也会对植物修复富营养化水体的效果产生影响。有学者报道，低温能导致水体微生物活性下降，植物生长缓慢，水的粘滞度增加，从而进一步降低磷的吸收和转化［42］，王旭明等的研究也发现，温度会影响水生植物对营养盐的吸收，在不同温度(15和20℃)条件下，水芹菜对营养的吸收率是不同的，对总氮的吸收率分别为66.67%和72.98%，对铵态氮的吸收率分别为95%和100%［43］。光照对植物生长有重要作用，没有光照，水生植物不能进行光合作用，其生长会受到抑制，从而影响净化效率。林连升等的研究表明，水下光照条件差时，会影响到沉水植物的存活和正常生长，从而降低其水质净化效果［44］。

5 小结

采用水生植物修复富营养化水体，具有成本低、能耗小、管理相对简单、治理效果显著等优点，因此越来越受到社会的关注。近年来，在利用植物修复富营养化水体方面也已经取得较大进展。但植物修复富营养化水体也存在其自身的局限性，如大多数水生植物生长受气候、温度等环境条件影响，在冬季气温较低时生长情况不佳，造成植物修复效果不理想;同时，采用外来植物物种修复水体时，还可能会出现生态入侵等问题。因此，在今后的应用中，要充分利用植物自身的机制、从净化能力、抗逆性、管理难易、综合利用价值和景观美化等多方面考虑，加强对植物净化效率、净化机制、影响因素等方面的研究，力求做到科学设计、经济可行、易于推广，使植物净化技术在治理富营养化水体和环境美化中发挥巨大作用。

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