農村坑塘水生態凈化系統淺析

蘆 超，劉欽超，鄭燦堂

（1.泰安市水利勘測設計研究院，山東 泰安 271000；2.山東領成勘測設計有限公司，山東 泰安 271000）

目前，全國正在以縣為單元統籌實施的水系連通和農村水系綜合整治試點項目，是以河流水系為脈絡，以農村為節點（農村坑塘）。農村坑塘水生態綜合整治的主要目標是恢復或重建水生態凈化系統，以達到水體能夠自然凈化的目的；在此基礎上，兼顧景觀效應。

1 坑塘靜水生態系統

1.1 靜水生態系統的理念

無論是天然形成的坑塘，還是人工開挖而成的坑塘，其實質都是濕地的一種類型，屬于靜水生態系統，也就是不流動或流動緩慢的水體形成的生態系統，因此也可稱其為緩流生態系統（如湖泊、水庫、坑塘、沼澤等）。靜水生態系統由生物和非生物無機環境兩大部分組成。

1.2 生物的類型

1）生產者。生產者系指能夠把簡單的無機物制造成有機物的自養型生物；它們能夠在無機環境中生長繁殖、利用二氧化碳或碳酸鹽為碳源，銨鹽或硝酸鹽為氮源來合成細菌體的微生物，也是消費者和分解者的能量與物質的源泉。

2）消費者。消費者系指自己不能用無機物制造有機物，而是直接或間接利用生產者所制造的有機物質為食物和能量來源的異養生物，主要指動物，也包括某些寄生的菌類和生物病毒等。

3）分解者。分解者皆為異養生物，主要指細菌、真菌、放線菌等具有分解能力的微生物、原生動物和腐食性動物等。它們能夠把死亡生物的各種復雜的有機物質逐步分解為簡單的化合物和無機物，釋放到環境中，成為可供生產者和消費者再一次吸收利用的有機物和無機物，并最終以無機物的形式還原到環境中，所以又稱其為還原者，它們本身也是許多動物的直接食物。

4）有機物碎屑。有機物碎屑系指未被全部攝食或完全消化掉的殘余食物，浮游植物光合作用過程中產生的部分低分子有機物，生物代謝活動產生的分泌物、排泄物和廢棄物，水生物尸體以及陸地生態系統輸入的有機物等。

1.3 非生物無機環境

靜水生態系統的非生物無機環境（簡稱生境）是組成生態系統的非生物部分，它們為生物群落提供物質和能量（陽光、空氣、水、無機鹽、有機質、基質等）。陽光是生態系統能量的直接來源，空氣、水、無機鹽以及有機質都是生物存活繁衍不可或缺的物質基礎。生境條件的優劣直接決定著生態系統及其生物群落的豐富程度。

2 生態演替式水體凈化系統

目前，農村坑塘水生態系統多數都遭到了不同程度的破壞，生物鏈短缺，群落多樣性匱乏，坑塘水生態綜合整治的主要目標就是要根據生物鏈的缺損程度，完善、恢復或新建由“生產者——消費者——分解者”組成的近似自然的全系列靜水生態系統，以利用水生動植物不斷吸收水體中的營養鹽分，利用微生物將有害物質轉化為無害物質，在無限次物質能量間循環往復轉換的過程中，降低污染水體中營養鹽分的含量，通過將水生動植物收割捕撈出水，把氮（N）、磷（P）等營養物質移出水體，使其逐漸呈現貧營養化狀態，最終實現水體凈化的目的。

上述這種利用“微生物、水生植物、水生動物”三者間的生命活動，來轉化、轉移、降解污染物以凈化水體的過程，其實質就是利用“水生生物群落間生態演替”的形式來凈化水體的過程。

3 坑塘靜水生態系統的類型

3.1 水體微生物生態系統

水體微生物生態系統系指在一定時間和空間范圍內由微生物群落與它們所在的水體環境通過能量流動和物質循環所組成的一個自然體。農村坑塘處于人口比較密集的地區，通常流入了大量的人畜排泄物、生活污水、農田面源污染水和鄉鎮企業廢水，使得水體有機物含量大增，據有關資料介紹，有的坑塘微生物的數量可高達107～108 個/mL，這些微生物大多數是腐生型細菌和原生動物。

坑塘水體微生物生態系統的恢復或重建，須根據實際生態環境，結合微生物的生活特性，設置相應的微生物群落，方能夠消減水體中相應的污染物，使其凈化清澈。

常用的凈水微生物：一是有絮凝作用的微生物，如芽孢桿菌、產氣桿菌、產堿桿菌、黃桿桿菌等，可以將水體中的有機物碎屑結合成絮狀體，以使重金屬離子沉淀，被過濾器截流而移出系統外，凈化水體；二是具有去除水中的碳、氮、磷系列化合物能力的微生物，如芽孢桿菌、堿桿菌屬、假單胞菌、黃桿菌等復合菌，它們還具有轉化硫、鐵、汞、砷等有害物質的能力；三是能夠起反硝化作用的微生物，如芽孢桿菌、短桿菌、假單胞菌等都是好氧細菌和兼厭氧細菌，它們以分子氧作為最終電子載體，在供氧不充分的時間與空間，可以利用硝酸鹽為最終電子載體，起反硝化作用。

3.2 沉水植物系統

沉水植物的植株全部或大部分沒于水中，是水生物群落多樣性賴以維持的基礎，對水質具有很強的凈化作用，是水域健康環境效應優劣與否的指示性植物，所以，沉水植物群落恢復或重建的優劣，是決定水生態修復效果的關鍵所在。

沉水植物凈化水質的機理：一是直接吸收水體中的氮（N）、磷（P）等營養鹽以及重金屬類物質，減少污染物的含量；二是與附著在植物體表面的微生物形成生物膜系統，凈化水質；三是同生態位競爭，釋放生物因子，以此抑制藻類生長；四是能夠加強光合作用，以使水中有機質絮凝，形成氣浮效應，迅速氧化分解，由此降低五日生化需氧量（BOD5）和化學需氧量（COD）。

根據有關試驗成果，沉水植物按去除總氮（TN）凈化速率排序為：伊樂藻>苦草>狐尾藻>篦齒眼子菜>金魚藻>菹草>輪藻。

3.3 濕地景觀植物系統

此處的濕地，系指淺層積水以及陸域與水域的交匯地帶。濕地景觀植物系統由挺水植物、浮葉植物和漂浮植物構成。

1）挺水植物。挺水植物大多數有莖葉之分，莖葉聳立水面之上，形體高大，直立挺拔，花色艷麗；下部或基部沉于水中，龐大的根系或地莖在底泥中生長，可以從底泥中吸取營養元素，降低營養元素含量。有關試驗成果表明，挺水植物對污水中總氮（TN）和總磷（TP）的去除效果比較好，按凈化速率依次排序如下。

去除總氮（TN）凈化速率：菖蒲>水蔥>花葉水蔥>野慈姑>慈姑>蘆葦>菰>千屈菜>黃菖蒲>澤瀉>花葉菖蒲>小香蒲；去除總磷（TP）凈化速率：千屈菜>野慈姑>慈姑>黃菖蒲>蘆葦>菰>菖蒲>花葉菖蒲>澤瀉>水蔥>花葉水蔥>小香蒲。

挺水植物沿水岸帶設置，在凈化水質、阻擋水土流失，攔截外源污染的同時，還是多種生物的棲息地；如果與各種生態岸坡、鄉村特色建筑或歷史文化設施搭配，就會形成水天一色、蒼翠欲滴、雅俗共賞、人與自然和諧相處的生態景觀。

應該注意的是，挺水植物需要定期收割，以防止冬天枯萎后沉于水底，造成二次污染。

2）浮葉植物。浮葉植物系指根系生長在水下底泥中，莖在水中，而葉片浮在水面上的植物。該類植物葉柄可以伸得很長，以適應變化較大的水深，能夠在0.5～3.0 m 深的的淺水區生長。它們的根系能夠吸收水中的汞、鉛、苯酚等有毒物質，莖葉還可以過濾水中的微生物，是良好的水體凈化植物，如王蓮、睡蓮、芡實、菱角、萍蓬草、荇菜、莼菜等。適量配植浮葉植物不但能夠增添水體景觀效果，而且很多浮葉植物還具有較高的經濟價值。

3）漂浮植物。漂浮植物又稱完全漂浮植物，其根系不著生在底泥中，整個植株均漂浮在水面上。該類植物的根系一般不發達，但其通氣組織很發達，有的還具有膨大的葉柄（即氣囊），以保證與空氣間的氣體交換。漂浮植物既能夠吸收水里的營養物質，又能夠遮蔽入水的陽光，因此能夠抑制水體中藻類的生長，是良好的水體凈化植物，如水葫蘆、浮萍、滿江紅、槐葉萍、鳳眼蓮等。

水生植物凈化水體能力的順序：漂浮植物＞浮葉植物＞挺水植物。

3.4 水生動物系統

無論是流動的水體還是靜止的水體，都有一個自然凈化的過程。污水流入水體后，首先發生的是混合稀釋與固體物質的沉淀，沉淀在水底的有機物（污泥）因消化而分解。除了污染物的直接氧化（與水中的溶解氧化合）作用外，其余任何自然水體的凈化過程都須在水生生物的直接參與下才能完成。

污染物首先被分解者（細菌、真菌、放線菌等）作為營養物攝取，并把各種復雜的有機污染物轉化為簡單的化合物，最終產生無機物、水和二氧化碳，釋放到環境中。細菌、真菌、放線菌等它們自身及其分解物可供生產者（藻類、漂浮植物等）和消費者（小型浮游動物等）利用和食用。但是，如果藻類過量繁衍又會產生新的有機污染，而水中的浮游動物蝸牛、蝦、魚等正好以藻類為食物，因此它們可以抑制藻類過度繁殖，所以在水生植物凈水系統的基礎上，還需放養一定種類和數量的水生動物（底棲動物和肉食性魚類等），完善人工生態系統的食物鏈，利用水生動物對下行生物群落適當控制，從而降低水體中藻類生物數量，提高水生態系統的穩定性。

有關實驗研究結果表明，水蚌、螺類、浮游動物和多種魚類，它們都能夠直接食用吸收營養鹽類、有機物碎屑以及浮游植物等，這些水生動物就是一個個生物過濾器，晝夜不停地過濾著水體，凈化效果十分顯著。

4 結 語

農村坑塘水生態綜合整治，應該是上述這種水域全生態系統的整治。水生植物群落和水生動物群落在坑塘生境中各自都有自己的生態位置和生態效應。以水生植物為主、水生動物為輔，根據實際生境情況，采用不同的配置以構成穩定的水生態系統這種生態演替式水體凈化的模式，應該成為農村坑塘水生態綜合整治的發展方向。