沉水植物對湖泊沉積物氮磷內源負荷的控制及應用

黃小龍,郭艷敏,張毅敏,吳辰熙,劉劍彤

(1.武漢中科水生環境工程股份有限公司，湖北 武漢 430071；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.生態環境部南京環境科學研究所，江蘇 南京 210042；4.中國科學院水生生物研究所，湖北 武漢 430072)

在湖泊生態系統中，沉積物是氮(N)、磷(P)等營養鹽最主要的貯存庫，沉積物中營養鹽的釋放會對水體水質產生不利影響，因此修復沉積物與控制營養鹽是湖泊水環境保護和治理需要重點關注的內容[1]。現階段對沉積物中營養鹽(特別是P)的控制主要基于2種思路：一是通過疏浚等措施直接去除污染層，二是通過投加化學物質或者覆蓋層，使營養鹽保持在沉積物中。前者耗費巨大；而后者可能無法持久，也與營養物資源的再利用相背。因此尋求一種可以去除營養鹽，且有利于營養鹽回收利用的沉積物修復技術是未來的重點發展方向[2]。利用沉水植物提高水體透明度、控制藻類生長，以促進湖泊生態系統良性循環，并進行湖泊水體水質改善和生態修復已得到了廣泛研究[3]。沉水植物可以通過根系吸收和植物累積去除沉積物中的營養鹽、重金屬等污染物[4]；同時也可改善沉積物氧化還原狀態及微生物群落結構，從而有利于污染物的降解或者固定[5]。因此利用沉水植物對沉積物進行修復和營養鹽控制符合未來的沉積物修復技術發展方向。該文在總結沉水植物對沉積物營養鹽控制機理的基礎上，通過現有研究數據分析得出恢復沉水植物對沉積物中營養鹽的去除和釋放抑制效果，并對其應用方式進行了探討，以期為沉積物的修復工程提供理論依據和技術參數。

1 沉水植物控制內源負荷的機理

1.1 促進植物生長吸收，通過收割帶走營養鹽

研究表明，水生植物生長所需N、P營養鹽主要是通過根系從沉積物中吸收獲得[4]，從而導致植物根際沉積物中營養鹽含量減少[6]。金樹權等[7]對5種沉水植物的N、P吸收能力進行研究，發現49 d后植株生物量平均增加了6.77 g·m-2(以干重計)，植株N、P含量平均增加了2.38和0.232 g·kg-1。

1.2 提高微生物活性，促進營養鹽礦化

沉水植物根系可為微生物提供大量繁殖的附著環境，根際泌氧可改變沉積物局部的氧化還原狀態，根系分泌物可為根際微生物提供豐富的營養物質，從而影響沉積物中微生物的代謝活動及組成[8]。孔祥龍等[9]在模擬水-底泥-沉水植物系統中發現，苦草組底泥微生物活性及氨化菌、硝化菌和反硝化菌的數量顯著提高，并且在整個研究期間苦草組底泥及系統中N含量降低幅度明顯高于空白組，說明苦草的存在加快了系統內的N循環。WANG等[10]通過模擬試驗顯示，沉水植物會提升沉積物中堿性磷酸酶活性，降低沉積物中有機結合態P含量。

1.3 改善理化環境，鈍化營養鹽活性

沉水植物根系充足的溶解氧以及根系分泌的其他氧化性物質(如氧化酶等)使根際微環境的氧化還原電位(Eh)較高，可促進金屬離子從還原態轉為氧化態，如將Fe2+、Mn2+氧化，形成鐵錳氧化膜，從而極顯著增加沉積物對P的吸附[6]。pH值也是沉積物磷釋放的重要影響因子，在中性條件下P易與沉積物中金屬結合而被底泥吸附，pH值過高或過低都會促使沉積的P釋放[11]。沉水植物在生長過程中可以通過根系泌氧促進礦化循環和改變微生物群落結構等緩沖沉積物pH值的變化[12-13]，使沉積物的pH值保持在中性范圍內[14]，從而降低底泥內源P的釋放。

1.4 減緩水流、固著底泥，抑制沉積物再懸浮

沉水植物可以減緩水流速度和風力，并利用發達的根系在沉積物-水界面中形成一道屏障，抑制沉積物懸浮及其營養鹽的釋放[15]。王超等[16]研究發現，在模擬大、中、小風的擾動下苦草組水體底層流速均小于對照組;無植物組水體懸浮顆粒物(SPM)質量濃度在模擬大、中、小風的擾動下分別上升至656、280.67和13.67 mg·L-1，而苦草組SPM質量濃度比控制組分別減少97%、95%和67%。此外，植物的生長可顯著提高沉積物致密程度，降低沉積物的含水率，有效改善表層沉積物的流動狀態，抑制沉積物懸浮[17]。

2 沉水植物對內源負荷的控制效果

2.1 沉水植物對沉積物中營養鹽的去除效果

P是水體富營養化最主要的限制因子，且在外源負荷控制后內源P釋放成為水體P的主要來源，因此模擬試驗多集中在沉水植物對沉積中P的去除效果及機理研究上。沉水植物對沉積物N、P的去除伴隨植物生長過程及對沉積物物化環境的影響而發生，是一個相對緩慢的過程。為了避免不同研究中試驗周期的差異影響，將相關研究結果均換算成年去除率及年削減率加以對比分析(表1)[18-27]。由表1可知，沉水植物對沉積物中TP的年去除率為7.7%～74.3%，均值為26.1%；年削減量為47～1 060 mg·kg-1，均值為387 mg·kg-1。沉水植物對沉積物中TN的年去除率為45.4%～61.5%，均值為54.3%；年削減量為512～4 114 mg·kg-1，均值為1 136 mg·kg-1。不同研究尺度下N、P去除效果差異顯著，實際生態修復工程中N、P去除效果明顯高于實驗室模擬，一方面是因為生態修復工程中沉積物污染較重。對年污染物削減量(Y)與沉積物中相應污染物含量(X)做線性回歸分析得出:YTP=0.442XTP-146.91(R2=0.827);YTN=0.566XTN-89.38(R2=0.957)。由此可見，沉水植物對沉積物中N、P去除效果與沉積物初始N、P含量明顯相關。另一方面，在生態修復工程中往往將多種沉水植物根據其生態位差異進行搭配組合種植, 同時還包括魚類、底棲動物、植物收割等生態調控措施。

表1 沉水植物對沉積物中氮磷去除效果

Table 1 Removal efficiency of nitrogen and phosphorus in sediment by submerged macrophytes

沉水植物的種類、形態結構及生長階段也會對沉積物中N、P去除效果產生明顯的影響。黑藻、苦草及菹草在試驗周期內對沉積物中TP的最大降低幅度分別為35.34、60.67 和25.92 mg·kg-1[20]。這可能與沉水植物形態結構(特別是根/冠比)有重大關系，一般而言根/冠比高則植物以根系吸收營養為主[28]，苦草的根/冠比顯著高于黑藻和菹草。同時研究發現在快速生長期苦草轉化吸收高活性P并將其固定到植株體內，而緩慢生長階段則促進水體中P轉化為沉積物中難分解態P[29]。張芳等[30]同樣發現，輪葉黑藻等水生植物在快速生長期對N的凈化速率最快，其次是生長初期。此外，沉水植物對沉積物中N、P去除機理也有明顯差異。邢濤等[31]對沉積物-水-苦草系統中N形態及氣態N產生量的監測表明，沉水植物通過吸收固定和提升微生物硝化和反硝化活性而促進N2排放是系統脫N的主要途徑，分別占脫N量的36.5%與51.6%。王立志等[19]通過構建沉積物-水-苦草系統發現，沉積物、苦草和水中P總量占比由開始時的99.55%、0.17%和0.28%轉變為試驗結束時的92.04%、7.85%和0.12%，說明沉積物中P含量的降低主要是通過沉水植物的吸收富集。

2.2 沉水植物對沉積物中營養鹽釋放的抑制效果

沉積物間隙水中溶解性物質的擴散和沉積物顆粒的再懸浮都會產生營養鹽的釋放和遷移。因此，研究沉積物內源負荷主要關注2個方面：(1)在靜態條件下通過研究間隙水和上覆水中溶解性N、P濃度梯度對比分析沉積物中營養鹽的釋放通量；(2)在風浪條件下對比分析沉積物再懸浮沉積物量及再懸浮營養鹽的釋放通量。表2綜合了不同研究中有無沉水植物情況下沉積物N、P的釋放通量[32-40]。由表2可知，在靜態條件下無植物區NH3-N 和NO3--N釋放通量分別為-0.14～61.31和-0.11～18.19 mg·m-2·d-1；沉水植物區NH3-N和NO3--N釋放通量分別為-0.38～16.45和-0.82～2.67 mg·m-2·d-1。無植物區溶解性有機磷(DOP)和溶解性活性磷(SRP)釋放通量分別為0.017～0.325和-0.207～0.211 mg·m-2·d-1；沉水植物區DOP和SRP釋放通量分別為0.010～0.133 和-0.098～ 0.095 mg·m-2·d-1。當無植物區沉積物中N、P為釋放態時，恢復沉水植物均能有效降低N、P釋放通量，對溶解性營養鹽NH3-N、NO3--N、DOP和SRP釋放通量的抑制率分別為62.6%～103.6%、85.3%～107.7%、41.2%～85.9%和55.0%～253.8%。

對淺水湖泊而言，風浪造成沉積物再懸浮是導致沉積物中N、P釋放通量增大的主要因素。野外調查顯示，在風浪情況下無植物區沉積物中TP的釋放通量可達15～1 200 mg·m-2·d-1[37-39]，TN釋放通量可達278.81～763.72 mg·m-2·d-1[37]，由于大量顆粒態營養物進入水體，TN、TP釋放通量比靜態條件下高出2～4個數量級。沉水植物能有效控制沉積物的再懸浮，使風浪下沉積物中TP釋放通量降至5.0～140.9 mg·m-2·d-1[37-39]，TN釋放通量降低至32.64～207.30 mg·m-2·d-1[37]，對風浪下N、P釋放通量的控制率至少可達50%以上。沉水植物生物量對沉積物再懸浮具有明顯影響，當沉水植物生物量在水體中占有體積比(plant volume inhabited, PVI)大于30%時，能顯著降低沉積物再懸浮量[38]。

表2 沉水植物對沉積物中氮磷營養鹽釋放的抑制效果

Table 2 The inhibition of nitrogen and phosphorus release from sediment by submerged macrophytes

3 沉水植物控制內源負荷優缺點

底泥內源負荷控制技術主要包含環保疏浚技術、底泥鈍化技術和底泥覆蓋技術[41]。與上述技術相比，利用沉水植物控制內源負荷主要有以下優點：(1)工程造價低。疏浚需要對底泥挖掘、脫水、運輸及處置等，工程造價較高；巢湖環城河工程中沙子覆蓋造價達98元·m-2[42]，而種植沉水植物綜合造價在79～93元·m-2之間[43]，低于疏浚、鈍化與底泥覆蓋技術。(2)二次污染小，生態風險小。盡管植物殘體腐解短期內會向水體釋放大量的C、N、P，但通過調節水位變化、投放草食性魚類、人工收割等措施可有效調控沉水植物生物量和群落結構，最終形成一個能維持自我平衡狀態的良性生態系統[44]。疏浚存在引發二次污染和破壞底泥生境的風險，化學鈍化可能會引起二次污染和其他污染物異常釋放，底泥覆蓋則存在不能移除污染物和隨時間推移覆蓋層遭到破壞等問題[43]。(3)發揮持久作用，有助于恢復生態系統。恢復沉水植物不僅能控制內源負荷，改善水體水質，而且能為其他水生生物提供繁殖、生長的場所，直接促進水體生態系統恢復，構建健康水生態系統，發揮持久作用[45]。

利用恢復沉水植物控制內源負荷也有一定的局限性：(1)沉水植物能有效削減和控制沉積物內源負荷，但是過量的營養鹽會對沉水植物的生長產生脅迫[46]，因此沉水植物恢復技術難以適用于重度污染沉積物的修復與治理。(2)除底質條件外，沉水植物的恢復還受光照、水文條件及水生生物等多種環境因素的影響[47]，極大地限制了沉水植物恢復技術的應用范圍。該技術主要在淺水湖泊、城市河道及景觀水體等封閉、半封閉的水體中有較廣闊的應用前景。(3)治理周期長。沉水植物恢復技術主要是通過沉水植物的生長繁殖吸收來去除營養鹽或抑制營養鹽的釋放，從而達到控制內源負荷的目的，治理周期比疏浚、底泥鈍化或底泥覆蓋等技術長。

4 沉水植物控制內源負荷技術的應用與展望

在利用沉水植物控制湖泊內源負荷過程中應充分考慮其優缺點，在空間和時間尺度上合理搭配組合，以發揮其最佳治理效果。充分利用不同生長型沉水植物鑲嵌種植，在空間上形成“上-中-下”垂直層次，提高單位面積的生物量與生態系統的多樣性[48]。在時間上利用各種沉水植物的不同生長季合理配置，保證沉水植物的持續凈化效果，并有計劃、合理地收割沉水植物，轉移出N、P營養鹽，強化沉水植物的凈化作用[44]。同時，可將沉水植物恢復技術與其他技術集成，以達到更好的長效控制效果。一方面，可將鈍化、覆蓋、疏浚等技術與沉水植物恢復技術在空間上組合使用；另一方面，將沉水植物恢復作為疏浚、覆蓋及鈍化等技術的優化措施，提升對沉積物N、P釋放控制效果，促進水體的生態修復[49]。

利用生物/生態方式對沉積物進行修復是未來的發展方向，沉水植物在湖泊沉積物修復中具有廣闊的生態位和應用前景。目前，利用沉水植物對湖泊等封閉水體進行內源控制已得到了良好的修復效果，然而其大范圍應用仍有一些基礎性的問題亟待解決。首先，沉水植物對內源負荷控制效果研究多基于室內試驗和單個物種，長期觀測研究較少，研究結果難以為生態工程設計和實施提供準確的指導。其次，沉水植物常與疏浚、覆蓋及鈍化等內源污染控制技術集成使用，但沉水植物與這些措施的耦合處理效果，特別是這些措施對沉水植物生長的潛在影響缺乏系統的研究。此外，沉水植物恢復對沉積物中重金屬、微量有機污染物等污染物活性和生態系統中的遷移轉化過程的影響還需要進一步的討論和關注。未來可結合恢復沉水植物對內源負荷的控制長期監測數據與影響因素，將沉水植物生物量生長模型應用于沉水植物內源控制定量評估與關鍵技術參數的確定上。