湖泊濕地水質凈化功能研究進展

李 峰，馮明雷，陳宏文*，魯秀國

(1.江西省環境保護科學研究院，330029，南昌；2.華東交通大學土木建筑學院，330013，南昌)

湖泊濕地水質凈化功能研究進展

李 峰1,2，馮明雷1，陳宏文1,2*，魯秀國2

(1.江西省環境保護科學研究院，330029，南昌；2.華東交通大學土木建筑學院，330013，南昌)

濕地具有強大的水質凈化能力。作為一種典型的濕地，湖泊濕地同樣在水質凈化方面有強大的生態效益，在維護湖泊生態平衡和水質穩定方面發揮著重要作用，因此很有必要對湖泊濕地的水質凈化功能展開深入的探討。在簡要概述了濕地水質凈化功能的基礎上，重點介紹了湖泊濕地在湖泊水質凈化中的功能，并對其影響因素等進行了分析，繼而對湖泊濕地水質凈化功能的研究方面進行了展望。

湖泊濕地；水質凈化；氮磷；重金屬；生態系統

0 引言

湖泊濕地，即是因湖泊而形成的濕地，是以Cowardin提出的成因分類法為依據而對濕地進行的分類[1]。它也指由陸地到湖面水體的過渡帶，并以濕生植物為標志，是湖泊與其周圍環境的物質和能量交換通道，在湖泊營養平衡和生物生產方面起著極其重要的作用[2]。湖泊濕地的水質凈化功能是湖泊的重要生態功能之一，研究表明，鄱陽湖濕地具有涵養水源、調蓄洪水功能、調節氣候、降解污染、固定C和釋放O2、控制侵蝕、保護土壤、營養循環和生物棲息地等生態功能，其濕地降解污染功能一項價值可達139.6億元[3]，對長江中下游生態系統維持十分重要。

我國幅員遼闊，湖泊數量眾多、類型全、分布廣。據《中國湖泊志》[4]記載，20世紀90年代全國共有面積大于1.0 km2的湖泊2 759個，總面積91 019.6 km2，而到2010年這一數據降低為2 693個(不包括干鹽湖)，總面積81 414.6 km2[5]。可見，我國湖泊數量和面積呈現降低趨勢，同時湖泊的富營養化等問題更加突出。以鄱陽湖為例，2006年農業非點源污染負荷N、P已達到湖區非點源污染負荷的93%和97%[6]，對鄱陽湖富營養化產生重要影響，因此，加強湖泊保護研究刻不容緩。

世界范圍內在20世紀初即開始有濕地生態系統服務功能的研究，20世紀50年代開始著手對濕地凈化功能的研究[7]，在我國則相對較晚，濕地生態系統服務功能的相關研究始于20世紀70年代。隨著近年來對湖泊濕地的研究大量增加，尤其是在對鄱陽湖、洞庭湖、太湖等大型淡水湖泊的保護研究方面，取得了大量成果，主要包括水質的演變分析、生態服務功能價值的評估、常見濕地植物凈化水體的研究等等。本研究簡要介紹了國內外湖泊濕地凈化氮、磷、重金屬和懸浮物的研究進展，總結了影響湖泊濕地凈化功能的主要因素，并探討湖泊濕地凈化功能未來的研究方向，提出了湖泊濕地的保護的若干建議。

1 濕地水質凈化功能概述

濕地的水質凈化功能即濕地的自凈功能，是指濕地生態系統通過自身的自然生態過程和物質循環作用，將水體中的污染物質(如氮、磷等富營養化物質)予以吸收、轉化、再分配，使水體得以凈化的能力[8-9]。自凈能力是衡量濕地生態系統是否健康的重要標志，同時濕地的自凈功能也是濕地生態系統功能最為重要的體現，恢復濕地生態系統的自凈能力是濕地生態系統恢復的基本任務。有不少學者為了證明濕地有強大的水質凈化功能進行過諸多研究，如李云鵬[10]等就對向海自然保護區境內的堿地泡子的凈化水質能力做了研究，發現堿地泡子濕地對22個水質參數有凈化作用，平均凈化率為52%。同時，國內外學者普遍認為作為湖泊濕地核心的湖濱帶可以通過截留水體中的營養物質來凈化水質，是湖泊濕地的一道天然屏障，在水質凈化方面有無法被替代的作用。對衡量天然濕地水質凈化功能的研究，目前還處于起步階段，學者多采用室內實驗和野外模擬等方法，或者在進出濕地處做水質監測，通過水質對比來表述天然濕地的水質凈化功能，但這些方法難于真實反映出湖泊的自凈能力，尤其一些大型湖泊的自凈能力，所以對這方面的研究屬于一個難點。

由于濕地系統是一種介于水生植物處理和土地處理之間的自然污水處理系統，較為特殊，故其對污染物質的去除作用也十分復雜。從宏觀的角度上看，一般認為是物理、化學及生物化學作用協同影響的結果。物理作用主要包括機械吸附、過濾和沉積。化學作用主要包括離子交換、絡合和水解等。生物化學作用是濕地去除有機物的主要作用，主要包括微生物的分解作用和植物根系的吸收作用等。對此，有一些學者通過研究來確定濕地凈化功能的作用，如郗敏[7]等認為當徑流進入流域濕地后，濕地去除污染物質的過程主要有沉積過程、過濾過程、吸附過程、沉淀過程、生物化學轉化過程。李紅艷[11]等認為扎龍濕地的水質凈化作用主要包括沉淀作用、離子吸附作用，碳酸平衡、氧化還原平衡、生物化學作用、生物吸收作用等。國外還有學者認為生物沉積和生物同化輸出是湖泊濕地凈化功能的主要作用，這兩種作用不僅能保護自身水體，而且能對過往的水體進行水質凈化[12]。

2 湖泊濕地對水質凈化的功能

2.1凈化氮磷的研究

一般排放進入湖泊濕地的氮以有機氮和無機氮2種形式存在，無機氮主要包括氨態氮、硝態氮和亞硝態氮等，基本都是以溶解形態出現，而有機氮則為溶解態和固態。濕地去除氮的作用包括土壤的吸附和過濾、氨揮發(pH>8)、植物吸收、微生物硝化和反硝化作用等[13]。磷是農業非點源污染的重要元素之一，又是導致湖泊濕地及下游水體富營養化的重要原因。水體中磷的存在形式包括溶解有機磷和顆粒有機磷、溶解無機磷和顆粒無機磷。濕地系統對磷的去除機制十分復雜，目前尚未明晰，許多生物和非生物過程都會影響濕地對磷的去除。學者采用了貯留凈化率、質量守恒定律、野外試驗模擬等多種方法從宏觀角度對我國一些湖泊濕地的凈化能力進行了研究，成果詳見表1，總體上表明湖泊濕地凈化氮磷的能力顯著。目前學術界已初步達成共識，就氮的吸收轉化而言，硝化與反硝化作用占主導地位[14]，就磷的遷移轉化而言，主要是通過土壤顆粒對磷的吸附與沉淀作用進行的[15]，這些作用共同維持著氮磷的凈化。

表1 國內湖泊濕地凈化氮磷的部分研究成果

目前，由于開展實際研究的湖泊較少且類型不全，僅限于一些大型的淺水淡水湖泊，基礎相對薄弱。隨著湖泊富營養化問題的日益突出，對湖泊濕地去除氮磷的機制研究將成為未來的熱點。

2.2去除重金屬的研究

當污水中的重金屬進入湖泊濕地后，可對湖泊濕地造成一定程度的毒害作用，對此，一些湖泊濕地植物逐漸演化出一套特定的生理機制來脫毒。一般而言，這類植物是通過螯合和區室化等作用來耐受并吸收富集受污水體中的重金屬，以此達到對水體中重金屬的去除。已有大量研究表明，濕地植物對重金屬的富集能力決定了濕地對重金屬的凈化能力，并且濕地植物的科屬不同，其對重金屬的富集能力也會有所不同，對此，吳艷紅[22]等通過研究對比龍感湖湖濱濕地和湖泊沉積物中元素的含量和時間序列，得出湖濱濕地可以明顯攔截湖沼中的金屬元素。

國內外學者對湖泊濕地去除重金屬污染的研究主要是選取湖泊濕地中常見的植物，轉移至人工濕地中進行模擬實驗研究，然后將部分研究成果用于濕地的重金屬污染修復中。如李鳴[23]等以鄱陽湖濕地為研究對象，對濕地中22種植物富集重金屬的能力進行了分析研究，得出灰化苔草、飛廉、小竊衣、南荻、一年蓬、鼠曲草等植物可以作為鄱陽湖濕地重金屬污染修復植物的選擇對象，對鄱陽湖濕地的重金屬污染防治起到很大作用。而董萌[24]等則是針對洞庭湖濕地中土壤鎘的污染現狀，分析了湖濱帶優勢植物的鎘富集特征及其修復效果，取得了相似的部分研究成果與上述李鳴的研究成果相同。這方面的研究在國內已經形成了一個熱點。

2.3去除懸浮物的研究

懸浮物作為污染物的吸附或攜帶載體，是有機物的主要來源。水體中的懸浮物一般來自入湖河流或因風浪來自湖泊底泥，而對一些過水性湖泊而言，大量的懸浮物質會隨入湖水體進入湖泊，同時也會帶入有機物[25]。湖泊濕地對懸浮物質的去除主要靠沉淀作用來完成，河水流入濕地時，會被分散到了巨大的面積，從而大大降低了入湖水體的流速；另外，濕地中的水生植物也會減小水中風浪的擾動，加之湖濱濕地中植被根部的阻滯作用，都在一定程度上降低了水流速度，使得入湖的懸浮營養顆粒或膠體沉降到底泥中。由于污染物和營養物質常粘結在沉積物上，便和沉積物一并沉積下去，成為濕地植物的養料，并被吸收，然后經化學和生物學過程進行轉換，最終被植物儲存起來。有學者實地考察過湖泊濕地去除懸浮物的效果，如向軍[26]等對太湖水體中的顆粒懸浮物靜沉降規律做了研究，得出太湖懸浮物的沉降速率在0.002～0.005 cm/s之間，從一定程度可以證明湖泊濕地能夠去除懸浮物；又如李紅艷[11]根據研究發現扎龍濕地上游西側邊緣匯入的某一帶的懸浮顆粒物高達1 192.0 mg/L，而濕地核心區懸浮顆粒物降至18～19 mg/L，去除率達98.4%。

3 湖泊濕地水質凈化功能的主要影響因素

隨著人們對湖泊生態系統的日漸關注，對湖泊濕地水質凈化功能影響因素的研究也在逐漸興起，這些研究對湖泊濕地的保護與水質凈化功能的修復起到關鍵作用。參考國內外學者的研究成果，本研究認為影響湖泊濕地水質凈化功能的主要因素為植物、水文條件、微生物、土壤和污染負荷等，這些因素互相影響互相制約，共同維持著湖泊的水質凈化功能。

3.1植物因素

湖泊水生植物能夠不同程度地清除受污水體中的氮、磷及重金屬，在凈化水質中得到了密切的關注。因為植物在水質凈化方面有巨大的作用，用濕地植物凈化污染物質的研究已經成為了目前的一個熱點研究。如尹峻嶺[27]等通過對衡水湖水生植物的研究，得出衡水湖水生植物有促淤防蝕澄清水質功能和抑制藻類等功能。也有學者研究了哪些植物因素可以影響濕地水質凈化，比如李莎莎[28]認為濕地湖濱植物群落物種組成和空間格局對濕地水體凈化功能具有重要作用，而徐德福[29]等研究后認為濕地植物生物量是吸收氮磷的主要影響因素，此外，周露洪[30]等利用穩定同位素示蹤方法，發現湖泊濕地中常見的沉水植物苦草能增強底泥對氨氮的滯留能力從而達到凈化水質的作用。

3.2水文條件

水文是濕地環境中最重要的因子之一，對濕地生態系統的結構與功能的影響十分明顯。湖泊水文條件主要包括進出水體流量、水位、水溫、面積、水體流速等。它能直接改變湖泊濕地的理化性質，進而影響到濕地的物種組成及豐度、第一生產力、有機物質的積累和營養循環等。如湖泊濕地的干濕交替變化可以增加土壤對磷的滯留作用[31]。同時，系統對污染物的凈化也與水溫有關，這主要是因為隨著氣溫升高，植物和微生物的生理活性也會隨之升高，這有利于污染物的去除。如有外國學者通過研究認為當水溫降低時，濕地對磷的去除率也會降低[32]。水位對湖泊濕地凈化功能的影響也非常明顯，如張葆華[33]等發現淺水位蘆葦濕地與深水位蘆葦濕地相比對氮磷的去除率更高，但后者對氮磷的去除速度更快。此外，濕地面積、濕地與流域面積比等也是污染物凈化的重要因子。研究發現濕地面積越大，其去磷的效果就越好于去除懸浮物的效果[34]。濕地與流域面積之比和濕地蓄水時間的長短也決定了濕地對污染物的吸收功能[35]，濕地與流域面積之比大，蓄水時間長，濕地對污染物的吸收率高；反之，濕地遭到大規模圍墾而破壞，濕地與流域面積之比劇減，其對入湖污染物的攔截能力也大大降低。

3.3微生物因素

微生物對湖泊濕地水質凈化功能的影響非常明顯。大量研究表明湖泊濕地土壤中有數量極多的好氧、厭氧及兼性的微生物，而水體中營養物質經過沉降后，進入底泥中，隨后轉移進濕地土壤里，其在濕地土壤中的降解和轉化主要都是靠微生物來完成的。一些好氧微生物可將有機物分解為可被植物吸收的硝酸根、磷酸根、硫酸根等離子，而一些厭氧微生物可將有機物分解為CO2、CH4、H2S、NH3、PH3等可揮發出去的氣體[7]。陳博謙[36]等通過模擬研究表明微生物對降低水體污染負荷的作用十分重要。李淑英[37]等通過研究表明，水體中TN的去除是微生物與水生植物共同作用的結果，微生物的作用明顯。微生物對湖泊水質凈化功能的影響不容忽視。

3.4土壤因素

土壤是許多化學反應發生的媒介，同時也是大部分植物的養分庫，當土壤具有較好的團粒結構時，微生物種類和數量也會較多，這對污染物質的去除非常有利。濕地土壤凈化污染物質的作用主要有吸附與吸收作用、離子交換作用、氧化還原作用和代謝分解作用等[7]。陳博謙[38]等通過室內模擬濕地的方法表明，在不考慮植物因素的條件下，土壤-微生物系統對受污水體的污染物質依舊有較好的去除效果，這便肯定了土壤因素的重要性。此外，國外也有學者通過研究表明濕地土壤具有攔截過濾氮磷的作用[39]。另外，土壤硝酸鹽濃度、土壤有機質含量、土壤溫度和土壤氧化還原電位等因素會影響湖泊濕地的反硝化作用[40]。

3.5污染負荷

污染負荷也是湖泊濕地凈化功能發揮的重要影響因素。如王沛芳[41]等就以長江中下游湖泊水體中典型沉水植物苦草作為研究對象，就其對不同濃度氮的凈化效果做了研究，表明在氮濃度不同的條件下，苦草對氮的凈化作用具有明顯的差異。此外，多數學者通過實驗證明氮磷比例是影響氮、磷去除效率的重要環境因素。康燕玉[42]等對裸甲藻的研究發現，氮磷比為6:1時是其生長的最佳營養鹽條件。胡綿好[43]等通過研究表明，聚草在低氮磷比2:1時生物量最大，而黃花水龍在中等氮磷比10:1～20:1時生物量最大，喜旱蓮子草在較高氮磷比20:1～40:1時生物量最大。國外的Friendlander[44]等研究發現，當氮磷比從2.5增加到20.0時，江蘺的生長速率明顯提高，與徐永健[45]等的研究結果基本一致。因此，為維護湖泊濕地生態健康，除了保護濕地生態系統結構，還應加強外源污染負荷控制。

3.6其他因素

除了污染負荷外，還有其他外界因素可以影響湖泊濕地的凈化功能，如季節、大氣等。萬曉紅[46]等通過研究發現不同月份里白洋淀排放氧化亞氮的量不同，這說明了不同季節里湖泊濕地的硝化和反硝化作用程度不同，即不同季節里湖泊濕地凈化氮元素的效果也會不同。此外，大氣中的O2、CO2等氣體濃度對土壤中的微生物的生物量以及微生物總數量有影響，如有研究表明隨著CO2濃度的升高，與植物去除磷密切相關的微生物如解磷細菌的數量也會隨之增加，從而直接影響著湖泊濕地凈化磷元素的效果[47]。

4 結論和建議

隨著近年來我國湖泊污染加劇，湖泊濕地生態系統功能逐漸被人們認識，國內外學者對濕地水質凈化功能的研究也日益增多，湖泊濕地對水體氮、磷、重金屬、懸浮物等的凈化功能已得到證實，植物、水文條件、微生物、土壤和污染物濃度是影響湖泊濕地水質凈化的關鍵因素。然而湖泊生態系統十分復雜，其生態功能的發揮機理研究尚不明確，水質凈化功能的研究還處在相對宏觀的水平，且被研究的湖泊數目較少，衡量湖泊濕地的凈化功能的尺度不一，更沒有建立起完整的科學理論和方法體系。鑒于此，建議從以下幾方面加強研究。

1)將全國主要湖泊歸入統一監測管理，建立國家級湖泊濕地數據庫，加強湖泊濕地環境監測，為湖泊濕地科學的研究由定性描述轉為定量研究提供數據支撐。此外，統一湖泊濕地水質凈化功能的衡量標準，并使之規范化。

2)定量化深入研究湖泊濕地水質凈化功能的作用機制。包括宏微觀尺度、影響機制、凈化負荷等多方面的研究，廣泛運用遙感、同位素示蹤、微生物生態學等研究方法和技術手段，揭示湖泊濕地水質凈化的影響方式和作用機理，為湖泊濕地的保護管理提供技術支持。

3)注重與人工濕地的研究相結合。對湖泊濕地凈化功能的研究，有利于人工濕地工程在污水凈化領域的廣泛應用，反過來，對人工濕地的研究也有助于深化湖泊濕地水質凈化功能的認識。

4)加強湖泊濕地對水體富營養化及藻類水華的抑制機理研究。在控制入湖污染負荷的基礎上，恢復湖泊濕地生態功能是控制湖泊水體富營養化的根本方法，應針對當前湖泊水體富營養化及藻類水華突出的環境問題，重點研究湖泊濕地在控制水體富營養化及抑藻方面的機理研究，如微生物調控、植物協同等。

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ProgressontheWaterPurificationFunctionsinNaturalLakeWetlands

LI Feng1,2,FENG Minglei1,CHEN Hongwen1,2*,LU Xiuguo2

(1.Jiangxi Academy of Environmental Sciences,330029,Nanchang,PRC;2.East China Jiaotong University.School of Civil Engineering and Architecture,330013,Nanchang,PRC)

Generally,natural wetlands have strong water purification ability.Lake wetland,as an important wetland ecosystem,also have a strong eco-efficiency in high water quality purification,which plays a significant role in maintaining the ecological balance of lake and water quality stability.The research progress on water quality purification function in lake wetlands were reviewed in this paper,including the representation and mechanism of water quality purification and the relevant factors on pollutants′degradation of lake wetlands were summarized.And prospect the future research of water quality purification of lake wetlands.

lake wetlands;water purification ability;Nitrogen and Phosphorus;heavy metals;ecosystem

2014-07-28;

2014-08-26

李 峰(1989-)，男，江西九江人，碩士研究生，主要從事鄱陽湖水質和水生態研究。

江西省科技重大專項——鄱陽湖科學考察(20114ABG01100-3-13)；國家自然科學基金項目——水位波動節律改變后大型通江湖泊中優勢水生植物體內碳氮代謝的生理響應機理研究(31200360)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.012

X171.1

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1001-3679(2014)05-0624-07

*通訊作者：陳宏文(1971-)，男，研究員，江西南昌人，主要從事湖泊流域水環境保護研究。