海綿城市理念下水生植物組合對水體凈化效果研究

劉 惠，雷樂平，郭瑩，陳戰利，洪志成，張城琪

(南昌大學 建筑工程學院，江西 南昌 330031)

1 引言

在新型城鎮化背景下，基于水生態文明理念，我國提出了建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”[1]。海綿城市通過土壤、植物景觀、濕地等對水體進行自然凈化，就近“吸收、存蓄、滲透、凈化”徑流雨水，回補地下水，調節水生態[2]。水系以雨水系統末端為支點，支撐城市海綿體[3]。近年來，我國雖然對水資源的污染防治采取了很多措施，但是我國大部分淡水水體水質仍處于不樂觀狀態，根據《2017年中國環境狀況公報》，30.28%檢測湖泊(水庫)仍處于富營養化狀態。

目前，由于不合理的城市建設規劃，快速城市發展和建設對城市水體造成了無序的干擾和破壞，引發了一系列城市水問題[4]，城市建設中天然湖泊、人造河道、水庫等水體的污染問題也日益突出。水生植物作為污水中各物質的消費者和分解者，可以通過吸附、吸收、富集或降解等幾個環節凈化水體，相比于物理、化學處理方法，水生植物生態處理方法具有低成本、效果好、自我更新、無二次污染等特點。近些年來，利用水生植物凈化污水已經成為污水處理中的新熱點。

在海綿城市建設理念下，水生植物的種植不必單一化，若利用“海綿”的性能原理，構建水生植物組合搭配系統，通過自然和人工的結合，將挺水植物、沉水植物、浮葉植物以及漂浮植物合理組合，可以對城市污水進行有效處理，提高城市水環境的水質狀況。

2 常用于水質改善的水生植物

在淡水生態系統的穩態轉化中，水生植物利用自身的代謝活動，選擇性吸收水體中的N、P等營養鹽以及其他污染物質，富集重金屬分子，利用根系的吸附、沉降有機物的能力降解有機物，從而對水體進行修復。對于不同污染性質的水體，要根據水生植物的凈水作用進行合理選擇搭配，這對于水環境的治理起到關鍵作用。

2.1 重金屬修復型植物

因為不同的植物對于不同的金屬離子有不同的耐受限制，故而不同植物對于同種重金屬離子的富集能力不盡相同，而同種植物對于不同的金屬離子的富集能力也有水平差別。一般認為，水生植物的富集能力順序中，沉水植物最好，挺水植物最弱[5]。

對于Cu、Hg、Zn、Pb、Cd等重金屬離子，菹草、黑藻、旱傘草、黃菖蒲、蘆葦、香蒲、茭白、睡蓮等水生植物對水體的重金屬富集效果較為突出。其中菹草、黑藻對于Hg、Cd的富集系數大于1[6]，旱傘草根部對Pb、Cd、Cr的富集系數較高，黃菖蒲的根部對Cu、Zn的富集系數較高，香蒲對Pb、Cr、Zn有很好的去除率，尤其是對Pb的去除率高達90%，睡蓮對Cr6+的去除率高達93%[7]。

2.2 氮磷吸收型植物

高等水生植物在生長的過程中，通過不斷吸收氮、磷等營養元素以供自身需求，當水生植物被運移出水生生態系統時，其吸收在生物體內的營養鹽也隨之移出，從而達到凈水功效，故而水生植物在富營養化水體上有良好的凈化效果。

對于含氮磷較多的水體區域來說，千屈菜、金魚藻、水芹菜、鳳眼蓮、再力花、美人蕉等水生植物能夠很好生長并且有效吸收水體中的氮磷。其中水芹菜對氮的去除效果大于千屈菜和金魚藻，而金魚藻對磷的去除效果會大于千屈菜和水芹菜[8]。鳳眼蓮對N的去除率為96.3%，對P的去除率為93.7%，作用效果好[9]。再力花、美人蕉對水體中NH3-N的去除率分別是75.54%、84.66%，對TP的去除率分別是73.61%、77.33%[10]。

3 水生植物組合凈化水體的研究進展

水生植物作為水體中各類營養物質的分解者與消費者，能夠很好地對水環境的質量發揮指示和改善作用。大量國內外的研究成果表明，分析利用各植物間的相互關系，合理進行搭配種植，其污染物去除率要高于單一水生植物，其凈水效果穩定性也更佳。

3.1 對TN的去除效果

張敏等[11]人對3種浮水植物和3種挺水植物相互組合發現，部分組合對于水中的TN的去除具有明顯效果，比如大漂與再力花、黃花水龍與美人蕉、聚草與再力花這三種組合對水體TN的修復率均高達96%以上。鄭足紅等人[12]以蘆葦、狐尾藻、菖蒲三種水生植物進行實驗，認為菖蒲與狐尾藻組合可以提高總氮去除率。李婷等人[13]在室內凈水條件下研究水生植物凈化水體的能力得出，再力花、黃菖蒲、旱傘草三種植物組合對TN的最終去除率達99.01%，去除效果高。彭婉婷等人[14]用不同生態型的水生植物設計了8種搭配組合， 研究出馬蹄蓮與再力花搭配對總氮的凈化效果突出，最終TN的去除率達到92.29%。吳丹等人[15]的研究結果表明，大聚藻和圓幣草的鑲嵌組合的人工植物群落對凈化氮磷的效果最好，其中對TN、NH3-N的平均去除率分別為68.6%、78.2%。

3.2 對TP的去除效果

張敏等人[11]的相關研究發現，大漂與再力花、大漂與美人蕉、聚草與再力花為去除水中 TP 的最好組合，其修復效率分別達 90.7%、90. 9%、90.7%。竇艷艷等人[16]構建了7種不同的水生植物組合，模擬富營養化水體環境條件后研究認為迷你皇冠、萬年青、百合竹、苦草、槐葉萍、青萍相互組合對TP的最終去除效果最好，高達92.8%。陳歡等人[17]研究發現，香菇草、美人蕉和香蒲組合對總氮的凈化效果最佳。通過汪秀芳等人[18]的研究，常綠水生鳶尾、羊蹄、金葉“金錢蒲”3種植物與反曲燈心草“藍箭”組合相比于與大苞萱草組合，前者對TN、TP的去除率均要高于后者。

3.4 對COD的去除效果

周玥等人[21]選擇4種水生植物組合搭配認為在低濃度污水種，香蒲、金魚藻、浮萍與菖蒲、金魚藻、浮萍這2種組合對COD的去除效果最好，去除率分別為 93.8%、94.8%。陳歡等人[17]研究發現，水鱉、香蒲、梭魚草組合對COD的去除率較高。錢珍余、陳梅[22]二人研究不同沉水植物組合發現，苦草和輪葉黑藻組合能夠提高COD的最大去除率，總體來說這二者搭配對水質的凈化效果相對較佳。相晨等人[23]研究認為狐尾藻、大薸、金魚藻組合對COD的去除效果較好，相對于空白組有極其明顯的去除效果。

4 結語

隨著城市建設的不斷推進，生態環境中水生生態系統的合理構建至關重要。目前水生植物的組合凈水能力相關研究已經較為廣泛，但在實際應用工程中，除了考慮目標污染物的治理效果外，還需要考慮其綜合凈水能力、景觀搭配效果、季相生長變化等因素，以此使水生植物組合克服生物系統結構單一、生物凈化失穩等缺點，同時提高水體水質的凈化效果，這將是植物修復水資源的必然發展方向。