水體富營養化及其植物修復技術研究進展

孫向輝，李 力

(1.麗江師范高等專科學校，云南麗江 674100;2.麗江市環境監測站，云南麗江 674100)

水體富營養化是指生物所需要的氮和磷等營養鹽大量進入水體，引起藻類大量繁殖、水體溶解氧下降、水質惡化的現象［1］。隨著我國工業化及城市化進程的加快，工業廢水及生活污水的排放不斷增加，水體富營養化程度日趨嚴重，已成為影響當地社會、經濟可持續發展的突出問題。

富營養化水體治理技術按照治理手段可分為化學處理(殺藻劑、氧化劑)、物理處理(人工曝氣、調水沖污)和生物處理方法(植物修復、微生物制劑)等［2］。在富營養化水體修復的各種手段中，植物修復主要是通過水生植物對氮、磷等營養物質的吸收來進行代謝活動，從而使氮、磷等營養物質得到去除，它是一種耗能低、效果好的新技術，具有生態環保特性，已經引起國內外學者的高度重視。筆者對近年來國內外水體富營養化現狀及植物修復富營養化水體方面的研究成果進行了較為系統的總結，期望為今后富營養化水體植物修復技術的開發應用提供理論參考。

1 國內外水體富營養化狀況

20世紀初，水體富營養化問題就引起了一些國際組織、國家政府及社會各界人士的關注與重視。據聯合國環境規劃署的一項水體富營養化調查結果表明，全世界大約有30%～40%的湖泊和水庫發生不同程度的水體富營養化［3］。歐洲、非洲、北美洲和南美洲分別有53%、28%、48%和41%的湖泊水庫存在不同程度的富營養化現象，亞太地區有54%的湖泊水庫處于富營養化狀態，世界各國正面臨著嚴重的淡水危機［4］。美國環保署一直認為，在過去幾十年里，水體富營養化是造成美國河流水質退化的最重要原因，美國的許多湖泊，如Erie湖、Okeechobee湖、City Park湖、Washington湖、Apopka湖等均出現不同程度的水體富營養化現象［5-9］。水體富營養化也是目前許多歐洲湖泊面臨的最大問題［10］，據對96個湖泊的統計結果顯示，80%的湖泊不同程度地受到氮、磷污染，呈現出富營養化狀態，希臘西北部地區的Pamvotis湖在過去的40年間一直遭受人為富營養化的困擾［11］。

隨著工業化的不斷發展，人口的急劇增加，我國眾多的河流、湖泊、水庫等水體的污染也日益嚴重，水體環境現狀令人擔憂。調查結果表明，近20年來，我國湖泊富營養化發展趨勢十分嚴峻，富營養化湖泊個數占調查湖泊的比例由20世紀70年代末至80年代后期的41%發展到80年代后期的61%，至20世紀90年代后期又上升到77%［12］。根據2012年中國環境狀況公報，全國地表水國控斷面總體為輕度污染，62個國控重點湖泊(水庫)，除密云水庫和班公錯外，其他60個湖泊(水庫)開展了營養狀態監測，其中，4個為重度富營養狀態，占6.7%;11個為輕度富營養狀態，占18.3%;37個為中營養狀態，占61.7%;8個為貧營養狀態，占13.3%;同時總氮、總磷也為我國內陸漁業水域的主要污染指標［13］。

2 水生植物對富營養水體的修復效果

水生植物包括挺水植物、浮水植物、浮葉植物以及沉水植物等類型，不同的水生植物對富營養水體修復具有不同的效果。目前在水體富營養化修復技術中廣泛應用的有蘆葦、水蔥、香蒲、菖蒲、鳳眼蓮、眼子菜、菹草等。

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，分析比較了其對重度富營養化水體氮磷指標的去除效果，研究表明，5種挺水植物對受試水體氮、磷營養物質均有不同程度的凈化效果，其中水花生對于水體中銨態氮、硝態氮、總氮、總磷類營養物質均具有較好的去除效果，處理10 d后，其去除率可分別達92.24%、91.10%、91.60%、95.10%［14］。汪懷建等研究了3種浮水植物對富營養水體中營養鹽的去除能力，結果發現鳳眼蓮和槐葉萍對水體中總氮和總磷的去除效果最好，尤其對于總氮的去除率可分別達到70%和61%［15］。田琦等通過室內模擬、實驗室測定，分析了太湖流域常見的5種沉水植物對富營養化水體的凈化能力，結果發現，5種沉水植物均有一定能力去除水體中總磷、總溶解態磷、總氮、葉綠素a，改善水體中溶解氧條件，其中金魚藻在各方面能力均較強［16］。

3 水生植物修復富營養化水體的作用機制

3.1 水生植物的吸收同化作用 植物吸收是水體中氮、磷營養鹽去除的重要途徑之一。由于植物在其生長過程中需要大量吸收氮、磷等營養元素，而這些元素正是水體富營養化的物質基礎，富營養化水體中的無機氮作為植物自身的營養成分，可用于合成植物蛋白等有機氮，銨態氮作為植物生長中不可或缺的物質被植物直接吸收合成蛋白質和有機氮，無機磷在植物吸收及同化作用下可轉化成為ATP、DNA和RNA等有機物質、礦化的營養鹽包括磷酸鹽等，有利于植物的吸收并參與光合作用，因此，植物可通過吸收同化作用從污染水體中將營養物質帶走，從而既達到了改善水質的目的，又促進了植物的生長［17-19］。研究發現，植物的吸收是氮去除的主要途徑，紅樹植物能吸收水中超過65%的總氮［20］，香根草通過根系的吸收作用，也可以大幅度地去除富營養化水體中的主要養分氮、磷元素［21］。周真明等也認為，植物的吸收同化作用是銨態氮去除效果的主要原因，植物去除磷的主要途徑則是植物對溶解性磷的吸收［22］。

3.2 水生植物的化感作用 化感作用是一種植物通過向環境釋放化學物質而對另一種植物(包括微生物)所產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體中的氮、磷等營養物質，另一方面能夠分泌抑制有害藻類生長的化感物質，從而起到修復、凈化富營養化水體的作用［23-25］。如金魚藻、茨藻、水王藻、水葫蘆等大型水生植物可通過與藻類競爭陽光、礦物質營養以及分泌化學物質抑制富營養化水體中絲狀藻類的生長［26］。狐尾藻、馬來眼子菜、苦草對衣藻、銅綠微囊藻、纖細席藻、四尾柵藻、小球藻這5種富營養化淡水藻類也均有不同程度的抑制作用，特別是馬來眼子菜對銅綠微囊藻、四尾柵藻和小球藻有明顯的抑制作用［27］。

3.3 水生植物與微生物的協同作用 植物被引入富營養化水體后，一方面會從水體中吸收氮磷等營養元素，另一方面根系也向水體分泌氧、氨基酸、糖類等物質，從而刺激根際微生物活性，增加微生物種類，而這些微生物活性的增強可大大增加水體中的一些有機態物質向植物有效態轉變，從而影響植物吸收，這是養分去除與轉化的重要途徑，并可能是主要途徑。

近年，有學者研究表明，植物對氮、磷的同化吸收只占全部去除量很小一部分，約2% ～5%，微生物才是水體中污染物去除的主要執行者［28-30］。Farahbakhshazad等研究發現，微生物同化作用對總磷的去除率為50%～60%，植物吸收為1% ～3%，其余為物理作用、化學吸附和沉淀作用［31］。Liang等研究也認為，人工濕地系統中植物的吸收作用僅去除了系統中5% ～10%的氮，10% ～20%的磷，污染物大多是通過微生物的轉化污染去除的，系統中基質、濕地植物、微生物之間的互作是污染物去除的主要機理［32］。

3.4 水生植物的其他生態功能作用 在植物-水體系統中，依靠植物根系的截濾作用能去除大部分懸浮有機物，從而減少水中的氮素。有研究發現，在種有蘆葦的水池中，其水中懸浮物減少30%，氯化物減少90%，有機氮減少60%，磷酸鹽減少20%，氨氮減少66%［33］。對于不同類型的水生植物，挺水植物可通過對水流的阻尼或減少風浪擾動，使懸浮物質沉降;在易受風浪渦流底層及魚類擾動影響的淺水湖泊底層，沉水植物有利于形成一道屏障，使底泥中營養物質溶出速度明顯受到抑制，同時水生植物還能通過植物殘體的沉積將部分生物營養元素埋入沉積物中，使其脫離湖泊內的營養元素，進入地球化學循環過程。

4 影響水生植物對富營養化水體修復作用的主要因素

4.1 水體富營養化程度 水體的營養狀況影響著水生植物的凈化效率。一般來說，鳳眼蓮對污水中氮、磷等營養物質的凈化效率與污水中氮、磷營養的濃度負荷有很大的相關性，隨著氮、磷營養負荷的增加，鳳眼蓮對氮、磷的去除亦增加，但若氮、磷負荷太高，超過鳳眼蓮的吸收速率，則凈化效率反而下降［34］。

葛瀅等比較了10余種土著濕生植物后發現，對于重度富營養水體，空心菜的凈化效果最好，鳳眼蓮和鴨跖草次之，燈心草、知風草和水芹菜也有一定的效果;對于輕度富營養水體，鴨跖草、喜旱蓮子草最好，鳳眼蓮、空心菜、酸模葉蓼均較好，石葛蒲、燈心草、知風草、穹隆苔草、萱草略差，認為在輕度富營養化水體中，植物不可能獲得生長所需的足夠的氮、磷量，生長受到抑制，生物量較低，所以需要選擇既能在貧瘠條件下生長又能有較高凈化能力的植物［35］。林秋奇等研究了不同形態的氮及磷濃度對水網藻的生長及吸收去除氮磷能力的影響，發現水網藻在氮磷比為15左右的條件下，生長及氮、磷去除能力均為最好，并能優先吸收氨氮，在總氮、總磷分別為4.5 mg/L和0.3 mg/L時，對總氮和總磷的3 d去除率幾乎達 100%［36］。

4.2 植物種類的選擇 水生植物修復富營養化水體的效果與植物物種有很大關系，不同的植物對營養物質的需求和吸收能力不同，對微生物生長的促進作用不同，因而凈化水體的能力也不同。一般認為，植物篩選原則是對氮、磷去除率高，具有一定經濟價值，適于面源污水環境條件下生長并且種源來源方便的植物。高吉喜等在比較了7種水生植物后認為，茭草和慈姑的綜合凈化能力最強，金魚藻、水花生和滿江紅次之，菹草和菱角最差［37］。賀鴻志比較了野生稻、香根草和風車草對富營養化水體的凈化效果，結果發現，3種植物對富營養化水體中的總懸浮物、總氮和總磷均具有良好的凈化效果，其中風車草的綜合修復能力最強，香根草次之，野生稻最弱［19］。田琦等通過室內模擬實驗，分析了金魚藻、伊樂藻、苦草、菹草、馬來眼子菜5種不同種類沉水植物對水環境質量的改善能力，結果表明，5種沉水植物均有一定改善水環境質量的，對總氮的去除上，金魚藻和馬來眼子菜能力較強，對總磷、總溶解態磷的去除能力上，金魚藻、菹草明顯優于其他植物，綜合去除多個污染因子的能力及對水環境質量改善的貢獻，認為金魚藻較其他沉水植物能力更強［16］。

4.3 植物的種植方式 一般認為，適當的植物復合種植體系能產生比植物單一種植體系更好的凈化效果。Coleman等對香蒲、燈心草和水蔥3種植物混合種植和分別單獨種植對生活污水中磷的凈化作用進行了比較研究，發現三者混合種植比分別單獨種植具有更好的凈化效果［38］。然而，王春景等對菰、菖蒲及它們的復合體系對富營養化水體中磷的凈化效應的研究卻得到相反的結果［39］，Lauchlan等的研究也得到相似結果［40］。陳力等研究也發現，美人蕉和紫背萬年青的復合種植對富營養化水體總磷的凈化效果與二者單獨種植沒有明顯差異［41］。可見，植物的復合種植體系對富營養化水體的修復能力是否強于單一種植體系，仍需要更深入的探討。

4.4 外界環境因子 其他的一些外界環境因子如溫度、光照、微生物等，也會對植物修復富營養化水體的效果產生影響。有學者報道，低溫能導致水體微生物活性下降，植物生長緩慢，水的粘滯度增加，從而進一步降低磷的吸收和轉化［42］，王旭明等的研究也發現，溫度會影響水生植物對營養鹽的吸收，在不同溫度(15和20℃)條件下，水芹菜對營養的吸收率是不同的，對總氮的吸收率分別為66.67%和72.98%，對銨態氮的吸收率分別為95%和100%［43］。光照對植物生長有重要作用，沒有光照，水生植物不能進行光合作用，其生長會受到抑制，從而影響凈化效率。林連升等的研究表明，水下光照條件差時，會影響到沉水植物的存活和正常生長，從而降低其水質凈化效果［44］。

5 小結

采用水生植物修復富營養化水體，具有成本低、能耗小、管理相對簡單、治理效果顯著等優點，因此越來越受到社會的關注。近年來，在利用植物修復富營養化水體方面也已經取得較大進展。但植物修復富營養化水體也存在其自身的局限性，如大多數水生植物生長受氣候、溫度等環境條件影響，在冬季氣溫較低時生長情況不佳，造成植物修復效果不理想;同時，采用外來植物物種修復水體時，還可能會出現生態入侵等問題。因此，在今后的應用中，要充分利用植物自身的機制、從凈化能力、抗逆性、管理難易、綜合利用價值和景觀美化等多方面考慮，加強對植物凈化效率、凈化機制、影響因素等方面的研究，力求做到科學設計、經濟可行、易于推廣，使植物凈化技術在治理富營養化水體和環境美化中發揮巨大作用。

［1］張震，隋曉松，關柏清.淺析水體富營養化的生態修復技術［J］.黑龍江環境通報，2011，35(1):63-65.

［2］楊清海.中國富營養化水體修復技術進展［J］.遼東學院學報:自然科學版，2008，15(2):71-77.

［3］蘇玲.水體富營養化［J］.世界環境，1994，42(1):23-26.

［4］陳奧密.湖泊富營養化產生的原因和機理［J］.廣東水利水電，2008(6):34-37.

［5］REUTTER J M.Lake Erie:Phosphorus and Eutrophication［M］.Columbus:Ohio Sea Grant College Program，1989.

［6］SCHELSKE P C.Assessment of nutrient effects and nutrient limitation in Lake Okeechobee［J］.Journal of the American Water Resources Association，1989，25(6):1119-1130.

［7］RULEY J E，RUSCH K A.An assessment of long-term post-restoration water quality trends in a shallow，subtropical，urban hypereutrophic lake［J］.Ecological Engineering，2002，19(4):265-280.

［8］WELCH F B，CROOKE G D.Lakes［M］//JORDAN W R，ABER J D，GILPIN M E，et al.Restoration Ecology:A Synthetic Approach to Ecological Research.Cambridge:Cambridge Univ.Press，1987:109-129.

［9］SCHELSKE C L，COVENEY M F，ALDRIDGE F J，et al.Wind or nutrients:historic development of hypereutrophy in Lake Apopka，Florida［J］.Arch Hydrobiol Special Issues Advances in Limnology，2000，55:543-563.

［10］SφNDERGAARD M，JEPPESEN E，LAURIDSEN T L，et al.Lake restoration:Successes，failures and long-term effects［J］.Journal of Applied E-cology，2007，44(6):1095-1105.

［11］ROMERO J R，KAGALOU I，IMBERGER J，et al.Seasonal water quality of shallow and eutrophic Lake Pamvotis，Greece:Implications for restoration［J］.Hydrobiologia，2002，474(1/3):91-105.

［12］馬經安，李紅清.淺談國內外江河湖庫水體富營養化狀況［J］.長江流域資源與環境，2002，11(6):575-578.

［13］中華人民共和國環境保護部.2010年全國水環境質量狀況［EB/OL］.(2013)http://wfs.mep.gov.cn/swrkz/shzl/201308/t20130823_258623.htm.

［14］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.

［15］汪懷建，丁雪杉，譚文津，等.浮水植物對富營養水體的作用研究［J］.安徽農業科學，2008，36(24):10654-10656.

［16］田琦，王沛芳，歐陽萍，等.5種沉水植物對富營養化水體的凈化能力研究［J］.水資源保護，2009，25(1):14-17.

［17］童昌華，楊肖娥，濮培民.低溫季節水生植物對污染水體的凈化效果研究［J］.水土保持學報，2003，17(2):159-162.

［18］MUNGUR A S，SHUTEST R B E，REVIRT D M，et al.An assessment of metal removal by a laboratory scale wetland［J］.Water Science and Technology，1997，35(5):125-133.

［19］賀鴻志，余景，李擁軍，等.3種濕地植物構建的浮床系統修復富營養化水體的效果研究［J］.華南農業大學學報，2011，32(2):16-20.

［20］ROGERS K H，BREEN P F，CHICK A J.Nitrogen removal in experimental wetland treatment system:evidence for the role of aquatic plants［J］.Res Journal of WPCF，1991，63(7):934-941.

［21］馬立珊，駱永明，吳龍華，等.浮床香根草對富營養化水體氮磷去除動態及效率的初步研究［J］.土壤，2000(2):99-101.

［22］周真明，葉青，沈春花，等.3種浮床植物系統對富營養化水體凈化效果研究［J］.環境工程學報，2010，4(1):91-95.

［23］莊源益，趙凡，戴樹桂，等.高等水生植物對藻類生長的克制效應［J］.環境科學進展，1995，6(3):44-49.

［24］邊歸國.陸生植物化感作用抑制藻類生長的研究進展［J］.環境科學與技術，2012，35(2):90-95.

［25］邊歸國，趙衛東，達來.沉水植物化感作用抑制藻類生長的研究進展［J］.福建林業科技，2011，38(4):168-172.

［26］劉德啟，由文輝，李敏，等.利用水網藻對微藻的抑制作用凈化源水［J］.中國給水排水，2004，20(10):14-17.

［27］湯仲恩，種云霄，吳啟堂，等.3種沉水植物對5種富營養化藻類生長的化感效應［J］.華南農業大學學報，2007，28(4):42-46.

［28］王寶貞，王琳.水污染治理新技術-新工藝、新概念、新理論［M］.北京:科學出版社，2004:200-208.

［29］MARCUS S，KARINA R，JAN K H.A combined approach of photogrammetrical methods and field studies to determine nutrient retention by submersed macrophytes in running waters［J］.Aquatic Botany，2003，76:17-29.

［30］崔理華，朱夕珍，駱世明，等.垂直流人工濕地系統對污水磷的凈化效果［J］.環境污染治理技術與設備，2002，3(7):13-17.

［31］FARAHBAKHSHAZAD N，MORRISON G M.Ammonia removal processes for urine in an up flow macrophyte system［J］.Environment Science ＆Technology，1997，31(11):3314-3317.

［32］LIANG W，WU Z B，CHENG S P，et al.Roles of substrate microorganisms and urease activities in wastewater purification in a constructed wetland system［J］.Ecological Engineering，2003，21:191-195.

［33］戴全裕.水生高等植物對廢水Ag的凈化與富集特性研究［J］.生態學報，1990，10(4):343-348.

［34］嚴國安，任南，李益健.環境因素對鳳眼蓮生長及凈化作用的影響［J］.環境科學與技術，1994，64(1):2-5，27.

［35］葛瀅，王曉月.不同程度富營養化水體中植物凈化能力比較研究［J］.環境科學學報，1999，19(6):690-692.

［36］林秋奇，王朝暉，杞桑，等.水網藻治理水體富營養化的可行性研究［J］.生態學報，2001，21(5):814-819.

［37］高吉喜，葉春，杜鵑，等.水生植物對面源污水凈化效率研究［J］.中國環境科學，1997，17(3):247-251.

［38］ COLEMAN J，HENCH K，GARBUTT K，et al.Treatment of domestic wastewater by three plant species in constructed wetlands［J］.Water Air and Soil Pollution，2001，128:283-295.

［39］王春景，楊海軍，劉國經，等.菰和菖蒲對富營養化水體凈化效率的比較［J］.植物資源與環境學報，2007，16(1):40-44.

［40］LAUCHLAN H F，SPRING M C，DAVID S.A test of four plant species to reduce total nitrogen and total phosphorus from soil leachate in subsurface wetland microcosms［J］.Bioresource Technology，2004，94:185-192.

［41］陳力，郭沛涌，林宇，等.不同種植方式對陸生植物去除富營養化水體中磷的影響［J］.浙江大學學報:理學版，2009，36(6):699-704.

［42］湯顯強，黃歲樑.人工濕地去污機理及其國內外應用現狀［J］.水處理技術，2007，33(2):9-13.

［43］王旭明，匡晶.水芹菜對污水凈化的研究［J］.農業環境保護，1999，18(1):34-35.

［44］林連升，繆為民，袁新華，等.三種沉水植物對富營養化池塘水質的改良效果［J］.金陵科技學院學報，2006，22(2):69-74.