濕生植物對富營養化水體修復研究

王樸 梁玉婷 康凱麗

摘要 從濕地植物修復水體能力，濕地植物在水體修復中應用形式以及影響植物修復效果等方面對植物修復富營養水體的研究進行總結，并對植物修復工作進行了展望。植物材料對氮磷吸收能力不同，篩選凈化能力好的植物是植物修復工作的基礎。植物修復富營養化的形式主要是浮床、浮島、濕地等，在此基礎上配合水生動物、微生物凈化水體的案例越來越多。基于植物對富營養化修復的研究現狀，建議今后篩選氮磷去除能力強的濕生植物，首先要考慮本地區存在的優勢物種，具有抗寒抗凍且不易感染病蟲害的植物;根據不同水體環境和類型構建多種形態組合的濕地或浮床，在濕地和浮床構建中引入新技術也是一種趨勢;另外開展模型預測等多學科研究有待加強。

關鍵詞 植物;修復;富營養化;水體

中圖分類號 X-52? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）12-0008-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.12.003

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Application of Wetland Plants in Eutrophic Water Phytoremediation

WANG Pu，LIANG Yu ting，KANG Kai li （Wuhan Institute of Landscape Architecture，Wuhan，Hubei 430081）

Abstract This paper summarized the research work of phytoremediation of eutrophic water bodies from the aspects of the phytoremediation capability，form of wetland plants application in water body remediation and the influence of phytoremediation effect，and put forward to the prospect of phytoremediation.Plant materials have different ability to absorb nitrogen and phosphorus，it is the basis of phytoremediation.Floating beds，floating islands，wetlands are the main forms of phytoremediation in eutrophication water.There are more and more cases of hygrophyte with aquatic animals and microorganisms purify water.Based on the current status of plant research on eutrophication，it is suggested to select hygrophyte with strong nitrogen and phosphorus removal ability in the future.The dominant species existing in the region should be considered first，which are cold resistant and frost resistant and are not easy to be infected with diseases and insect pests.It is also a trend to introduce new technology into the construction of wetland and floating bed，which is composed of multiple forms according to different water environment and types.In addition，the development of model prediction and other multidisciplinary research needs to be strengthened.

Key words Plant;Phytoremediation;Eutrophic;Water

富營養化通常指營養鹽輸入使水體的生產力增加的一個自然過程。營養鹽的輸入是一個自然過程，但近幾十年來各種人類活動增加，導致過量的營養鹽向水體輸入，水體中藻類加速累積，由此產生一系列后果，包括有害和有毒藻華、溶解氧耗盡和水下植被及底棲動物損失。這些因素是互相關聯的，通常認為水體富營養化對水質、生態系統健康和人類具有負面影響[1-6]。富營養化是當今人類快速發展所面臨的重大環境問題。隨著工業的快速發展，水體富營養化已成為全球性的水域環境污染問題。為解決富營養化問題，涌現出很多處理水體富營養化的技術，其中有碳納米管、電處理、光催化器等物理技術;向水體添加化學藥品等化學手段;微生物處理、生物膜技術、構建濕地、植物浮床技術、重建水下森林等生物手段。其中構建濕地、植物浮床技術、重建水下森林通稱植物修復，植物修復在水體富營養化修復中較其他技術便捷、經濟、環保，在實際中應用更廣。

1 植物修復的基礎

1.1 篩選吸收氮磷能力強且適應性好的濕生植物 Best[7]認為濕生植物是生長在沼澤地或沿岸帶的大型草本植物， Hartog等[8]認為濕生植物有漂浮、沼生植物和假水生植物等。趙家榮等[9]則按照形態特征和生活方式，將濕地植物分為挺水植物、浮葉植物、漂浮植物和沉水植物四大類。濕地植物大都具有發達的根系，能極大限度擴展人工濕地污水凈化空間，提高吸收能力。大型植物作為濕地常見植物，在處理污水方面具有顯著的作用，為鳥類、昆蟲、水生動物提供棲息環境，同時美化景觀，使人心情愉悅等[10] 。因此，篩選生長量大、適應能力強、凈化效果好又兼具景觀效果的濕生植物是植物修復工作的一個重要方面。

鳳眼蓮是最早用于凈化水質的植物之一，國外利用鳳眼蓮凈化水質的歷史，可以追溯到1948年Dymond[11]、1996年Gawel等[12]的研究。鳳眼蓮的研究主要從去除重金屬、吸收氮磷、抑藻作用展開[13]。吳振斌等[14]在武漢東湖富營養淺水湖泊中建立大型試驗圍隔系統，結果發現重建沉水植物是修復重建富營養湖泊生態系統的重要措施。以沉水植物為主的水生植被恢復后，可以有效地降低營養循環速度，控制浮游植物過度增長，而且沉水植物可以對富營養化和重金屬污染的水體和底泥起到凈化作用[15]。

大多數研究采用水培法比較植物間去除水體氮磷能力以及對水質物理指標的評定。植物對氮磷去除能力不同，有的植物對氮素去除較好，有的植物對磷素去除較好，有的兼具2種去除能力[16]。隨著植物修復模式的改進，觀賞效果好、適應能力強、適應不同形態濕地環境、不同富營養化水質的水生植物篩選工作大量展開。Ling等[17]對5種景觀植物對垂直流河流景觀水體的凈化效果進行研究，結果發現5種植物的生活力有顯著差別，鳳眼蓮長勢最好，表現為鳳眼藍> 綠蘿>雞冠花>金盞花>一串紅 。植物應用在水體和濕地中，濕生植物的適應性好于陸生植物。當利用濕生植物處理不同形態的富營養水體時，發現濕生植物之間的凈化效果具有差異性，但植物組處理富營養化水體優于無植物組[18]。

目前國內篩選凈化能力好的濕生植物研究較多，已用于或可用于浮床種植來凈化水體的挺水植物主要有美人蕉、蘆葦、荻、多花黑麥草、稗草、水稻、香根草、牛筋草、香蒲、菖蒲、石菖蒲、海芋、鳳眼蓮、水芹菜、水蕹菜、芝麻花、旱傘草、燈心草。去除TN和TP凈化能力較好的濕地植物有黃菖蒲、蘆葦、美人蕉、香蒲、水蔥，去除TN能力較好的濕地植物有水蕹菜、黃蝴蝶花、西伯利亞蝴蝶花、互花附子、水生美人蕉和芒金魚藻、狐尾藻、鳳眼藍、菖蒲;去除TP能力較好的濕地植物有慈姑、窄葉澤瀉、花葉菖蒲、美人蕉、千屈菜、伊樂藻、菹草、苦草、金魚藻。

1.2 植物組合在濕地構建和浮床中的應用

多數試驗結果認為不同生活型的水生植物物種的合理鑲嵌組合形成的水生植物群落，比單一生活型水生植物氮磷去除率更高，且凈化效果更為穩定，劉足根等[19]通過試驗確定了鄉土種穗花狐尾藻+狹葉香蒲的鑲嵌組合為不同生活型水生植物組合凈化氮磷效果最優模式。Coleman等[20]采用3種常見的阿巴拉契亞山脈植物對水體凈化效果比較，發現水深度對濕地處理沒有影響但對植物生長形式有影響，碎石有凈化效果，植物有更好的凈化效果，香蒲長勢和凈化效果顯著好于燈心草和水蔥，混合效果好于單一物種，香蒲在混合中是優勢種，當營養物質受限時，水體中會產生毒性物質，影響其生長。Fraser等[21]在構建的濕地中利用4種濕生植物去除土壤滲出液2種水平的氮（N）和磷（P），植物在降低土壤滲濾液中總氮和總磷濃度時，比未種植的更有效;降低氮和磷的潛力方面存在不同的物種效應;但不能確定植物混合組合在降低氮和磷方面比單一品種更有效，植物對氮磷具有一定的去除效果，總體來講植物群落效果好于單一物種，栽植的無氮磷基質有去除氮磷效果。

2 植物修復技術

2.1 濕地構建

不同類型人工濕地對生活污水的處理效果，受到許多因素的影響，其中不同濕地類型，會造成人工濕地對主要污染物COD、TN和TP的凈化效果的差異，在水平潛流、垂直上行流和下行流人工濕地中對人工合成的生活污水的處理效果和主要污染物（COD、TN 和TP） 去除率隨季節變化，在垂直上行流和垂直下行流去除效果不同，香蒲在垂直下行流濕地去除有機污染物效果最好，去除率可達85.55%;水蔥在垂直上行流濕地去除TN效果最好，去除率可達57.52%，香蒲在垂直上行流濕地去除TP效果最好，去除率可達84.28%[22]。HFCW水平流和VFCW垂直流人工濕地對不同污染物均有明顯的去除效果，VFCW不僅在COD和BOD去除方面比HFCW更有效，且由于潮汐垂直流的存在，可以滲透更多的氧氣，而且體積小，滯留時間長。VFCW具有粒徑小、出水水質高、硝化效果好等優點，比HFCW具有更好的污水處理效果[23]，Barco等[24]構建了水平次面流（HSSF）床、沉降池和FTW層組成的混合人工濕地（H-CW）處理城市廢水的凈化性能，該結構由一組HSSF層和FTW層組成，其顯著降低氮的總量。除了解決靜態污水處理，濕地也用來處理動態污水，Moore等[25]利用水生植被對模擬徑流中的硝態氮、銨態氮和可溶性活性磷進行修復，這項新研究的結果突出了物種內部和物種之間在養分特定吸收方面的內在變異，以及物種在養分保留方面的時間變異。通過這種自然變化，學者可以設計對改善農業徑流水質有更大影響的植物修復。混雜濕地水平流和垂直流濕地具有更好的凈化效果[26]，今后對不同形態水體、不同污染程度水體進行植物篩選仍是工作重點。因此構建不同類型的濕地是目前研究的新突破點。

2.2 植物浮床

解決富營養化問題需要大量人力、物力、財力，植物浮床作為經濟便捷的手段應運而生。植物浮床也稱植物浮島、生態浮島或人工浮島，主要采用無土栽培技術將植物種植在聚乙烯泡沫板或者高分子材料，然后懸垂于水中。植物浮床修復污水是生物、物理和化學綜合的過程，利用水生植物和根基微生物吸收氮、磷，降低有機物含量。影響污染物去除率的因素有植物、溫度、季節、處理時間、覆蓋度、初始濃度等。從植物及其組合、生態系統結構的轉變和水生資源的利用等方面展望了生態系統的發展方向，探討了生態系統的建設和管理技術，實現了景觀效益和生態功能的雙贏[27]。利用浮床種植植物治理富營養化湖泊，能改善水質、增加透明度、藍藻消失、增加生物多樣等。植物浮床技術應用從單一植物逐漸過度到多種植物[28-31]，FTW比表面流濕地提供了一種更便捷的處理氮磷濕地方式，由于不占有額外的陸地。Keizer vlek等[32]發現種植鳶尾的FTWs可以應用于溫帶氣候，以克服地表水藻類過度生長的問題。面對復雜的富營養化問題，尋求新的浮床技術非常必要，其中清除湖泊沉積物是減少湖泊內部營養的一種有效方法。有學者把生態污泥與菖蒲浮床聯合，從而實現對水體的凈化效果，種植的生態浮床對氮、磷和Chl-a有良好的去除效果，是一種生態友好的回收疏浚污泥的新方法[33]。研究人工浮動島嶼（AFIs）時發現，AFIs伴隨曝氣也是移除污染物的一個好方法，AFIs可以納入濕地，減少水污染的影響，有助于加強濕地恢復[34]。水生大型植物和人工浮島去除污染物的潛力，揭示了AFIs可以融入濕地，減少水污染的影響，促進濕地恢復。植物浮床除可以凈化湖泊河道的污染水體，還可以用來凈化養殖場、市政污水。為了獲得更高的經濟價值，在污水中種植蔬菜是另一個大膽嘗試，采用浮床法在水面種植水菜處理沼液，取得了很好的去污效果[35]。

2.3 構建水下森林——恢復沉水植物植被

“水下森林”是指通過種植沉水植物，吸收水中和底泥的污染物，創造魚蝦等動物棲息的生態系統，從而能夠有效促進水體的自凈和循環。水體富營養化及水生植被衰退引起水生態系統崩潰和水質惡化，進行水生植被（特別是沉水植被）的修復重建是改善湖泊水質和湖泊生態恢復的重要手段。

早在1992—1993年，李文朝[36]在富營養湖泊五里湖面積為 2 000 m2 的半封閉式圍隔試驗區中開展了常綠型人工水生植被組建試驗，選用耐寒植物伊樂藻和喜溫植物菱及鳳眼蓮 ，組建成常綠型人工水生植被，但未能解決耐寒型沉水植物伊樂藻與喜溫型沉水植物種類間的銜接過度，直至各種耐性沉水植物篩選出來后，沉水植物在水體中應用工作迅速展開。

近年來，國內外有關引種大型沉水植物進行湖泊生態修復的應用更加廣泛，通過種植水生植物降低湖泊中營養鹽濃度、凈化水體的方法在我國巢湖、東湖等地也取得了良好的效果[37-38]。在嚴重富營養化的東湖水果湖邊建立的圍隔中，采用多種措施對圍隔的底質和水質進行適當改善，依據自然湖泊中水生植被分布和植物種類組成的特點種植植物，發現植被重建后圍隔內的水質得到顯著改善，尤其是水的色度、透明度和葉綠素含量改善最為明顯，實現從“濁水態”向“清水態”的快速轉換。在較大的湖泊、江河中對水體采用“ 化整為零”的策略逐步恢復水生植被是一個可行方案。沉水植物構成的人工濕地去除富營養化和藻類效果顯著，可能是沉水植物與藻類的化感作用[39]。

2.4 生物操控

生物控制生態系統的功能，物種豐度的變化，特別是那些影響水中養分動態、營養相互作用或干擾機制的變化會影響生態系統的結構和功能。功能相似物種間環境敏感性的差異使生態系統過程具有穩定性，而功能不同物種間環境敏感性的差異使生態系統更容易受到變化的影響。因此，當前影響物種組成和多樣性的全球環境變化正在深刻地改變其功能[40-41]。

結合植物和動物對水體修復，不僅要考慮植物的適應能力，也要考慮動物的適應力和食物來源等問題，選用沉水植物金魚藻、苦草，挺水植物花葉蘆竹、香蒲、環棱螺構建模擬生態系統的長期試驗，追蹤調查麗娃河生態恢復的效果，發現水植物金魚藻、苦草，挺水植物花葉蘆竹、香蒲，環棱螺對不同程度富營養化水體適應性不同，但這一生態系統對水質有明顯改善作用[42]。從構建植物和動物群落、植物和微生物群落或者植物、動物和微生物一個完整生態系統都是更接近真實生態系統的策略。

2.5 植物修復技術改進

城市雨水的處理由于間歇性水文和污染物輸入的高度可變性，對處理技術提出了挑戰，改良版的浮床技術很好地解決了這個問題。浮動水生植物處理濕地（FTWs）是一種雜交濕地，提供對高度變化的流動的處理。FTWs利用扎根的、涌現的生長在漂浮在植物表面的墊子或筏子上的大型植物，能夠忍受典型的暴雨引起水深的波動，沒有植物被淹死的危險，而且根垂在浮墊下，形成大面積的生物膜[43]。人工濕地（CWs）能有效地從廢水中去除過多的營養物質。同時，會導致重要的溫室氣體（GHG）的流動，如一氧化二氮（N2O）、二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4），這些氣體會減輕CWS的環境效益。用大型植物構建人工濕地的同時進行曝氣，不僅可以減少溫室氣體流量，促進污水中氮素釋放，提高植物對氮素吸收[44]。

2.6 構建生物模型

計算機技術與生物學、環境工程學交叉后，促進了理論與實踐的結合，構建生物模型是對未知的一種預測，避免浪費與失敗。污水中去除有機物和養分的混合人工濕地，過程性能和多動力學模型[45] ，通過構建垂直流和水平流串聯的中試規模混合人工濕地，建立實用的預測模型，推導污水處理中有機物和養分的去除率常數，對實際研究有事倍功半的效果[46]。

3 影響植物修復效果的因素

3.1 植物收割

構建濕地后植物收割與否對水體氮磷去除以及濕地和植物本身的影響一直是爭論的熱點。研究認為收割對水體氮磷去除有顯著的作用，Zheng等[47]在2年的運行期內，采用2種中試規模的地面水流浮床處理被城市和工業廢水污染的城市河流。第一年采收的蘆葦植物和第二個在生長季節結束時收獲的蘆葦濕地。收割組濕地比未收割組有更高的密度（175芽/m2）和生物量（1.4 kg/m2）。收割組氮磷去除效果略好于未收割組。水體中營養物質濃度是否是植物浮床最適濃度;植物生長周期中哪個時期收割比較合適。

安徽農業科學2021年

3.2 污染物滯留時間

污染物在水體中滯留時間會影響植物的吸收效果，隨著污染物滯留時間的延長，微生物降解廢水的時間也隨之延長。Holcov等[48]研究人工濕地在（生長期）營養期和非營養期處理水平地下水流條件下的保留時間，冬季示蹤劑的試驗組保留時間和對照組保留時間幾乎相等，而夏季試驗組比對照組高2倍，普通蘆葦可以通過蒸散（ET）將大量的水從液體轉化為氣體，從而延長水在系統中的滯留時間。濕地處理池塘廢水的效率更高，可能是根面積形成的廣泛區域，有利于廢棄物的滯留和吸附以及養分的吸收[49]。因此，在處理富營養化水體時，要考慮污染物在水體中的滯留時間。

3.3 影響植物生長的因素

人工濕地氮磷去除途徑包括植物吸收、水體微生物降解、根際微生物降解和介質吸附。植物生長受溫度、季節影響很大，在春、夏季溫度較高時，生物量大，去除能力好，在冬季，生長受影響，去除營養鹽的能力差;植物的種植密度對水體氮磷去除有顯著的影響，在一定范圍內種植密度越高去除率越高;植物耐受性，體現了植物對水體的適應能力，水體中營養鹽濃度以及水體其他條件對植物去除能力有顯著影響，生長和養分去除潛力受到許多因素的影響，如溫度、水鹽度和植物的生理限制[16]。植物去除氮磷與季節有關，夏季凈化效果好于秋季。10月降低氮和磷濃度的效果比8月差很多，但不能確定植物混合組合在降低氮和磷方面比單一品種更有效[22]。Sun等[50]發現鹽度的增加改變了植物吸收、溶液中微生物降解和根際微生物降解的不同途徑的去除貢獻。不同植物構成的人工濕地在富營養化水體中遭受脅迫時，對主要污染物均有去除效果，但植物之間去除效果是有差別的，植物可以通過脅迫鍛煉適應脅迫環境，相比沒有受到脅迫的植物，其對水體凈化能力要強。但當富營養化廢水含量較高時表層流系統中藻類和浮游生物的旺盛生長，會有降低處理性能[50-51]。

生物浮床植物在水體的覆蓋度或者種植密度是值得關注的研究點。Iamchaturapatr等[52]認為在水生植物處理系統的有效設計中，應考慮種植面積和植物的幾何形狀（如根和芽）。因為基于面積計算和基于生物量計算的氮磷去除率是不同的。結果表明，浮生植物的養分去除率均以植株重量計算為最高，而大多數挺水植物的養分去除率均以種植面積計算為最高。其原因是突生植物根質量的權重大于其枝重，導致其總重量的低去除效率。 這一點在比較植物的凈化能力中尤為重要，可見篩選條件和篩選標準是需要界定的一項重要工作。

最佳覆蓋度和種植密度關系到后續水質情況，選擇沉水植物金魚藻和最佳覆蓋度，Dai等[53] 以0、20%、33%、50%的覆蓋度進行評估。結果顯示，濁度、TPNH4+-N，? Chla 這些指標與覆蓋度呈負相關。無顯著差異不同覆蓋度，基于全面考慮，20%是最佳覆蓋度。該覆蓋度是否與其他植物通用值得進一步研究。

如何在種植密度與污水中氮磷濃度進行匹配仍是一個疑問，水體中氮磷濃度會影響凈化效果，種植密度會影響凈化效果，在穗花狐尾藻和金魚藻能有效控制浮游植物的生物量并改善水體 SD（透明度） 的研究中，密度為 10 株/m2 穗花狐尾藻和密度為 20 株/m2 金魚藻的圍隔水體中ρ（TN） 和ρ（TP） 均明顯下降，SD 增加，浮游植物多樣性明顯增加，水體營養狀態指數（TSIM） 明顯下降;但高密度沉水植物可能造成水體ρ（Chla） 和營養鹽含量的反彈[54]。前人模擬浮萍對2種水平的氮和磷單一居民生活污水的營養物處理，氮含量越高，溶解氨含量越高，去除率越高[55]，氮在厭氧中的主要形式為溶解銨，這是浮萍的首選氮源，但隨著氮含量升高，pH增高，最終會抑制其生長。沉水植物種植密度越合理，越有利于改善水質。濕生植物與其他處理技術相結合可能是一種去除有機物和養分的可行方案。

基本營養物質如氮、磷和鉀的相對可利用性與濕地植被物種組成有關，與濕地植被物種組成的變化有關機制仍不清晰，與氮磷比和養分供應水平下混合生長的植物種類組成，濕地植物吸收能力不同，這一機制也不清楚。植物之間根重比、地上總生物量的相對貢獻差異與種間生物量氮和磷濃度的差異無關，植物之間氮和磷吸收速率有差異，這可能是由于根系生物量分配的差異造成的。氮磷供應比的影響應始終在總養分供應的不同水平上進行研究，因為這2個因素是相互作用的[56]。植物作為生態系統的一部分，其進行有機質生產和根區氧釋放是影響養分轉化和固存的關鍵因素[57]。

4 展望

4.1 鄉土濕地植物的應用

面對外來植物處理富營養水體帶來的一系列影響，研究本地種和外來種的研究具有重要意義。考慮到不同植物凈化效果的差異性，在排除外來入侵物種的前提下，找到我國富營養化水體凈化的最優鄉土植物具有重要現實意義和工程價值。

4.2 多種濕地形式結合 我國濕地湖泊眾多，濕地的立地條件各不相同，水質污染情況各不相同，在富營養化的基礎上疊加了其他影響因素，因此，構建濕地以及植物浮島等植物修復工程要多方面考慮，以達到最優的效果。

4.3 構建穩健生態系統的時機

修復水體最終的目的是恢復穩定的生態系統，因此在水質達到修復目標后，合適開展構建穩定生態群落，進而形成穩定的生態系統，是值得研究的問題。

4.4 人工維護和監督

植物修復在前期或者在任何一個發展階段需要什么樣的維護措施，需要在法律層面進行界定，否則一邊修復一邊退化，水質改善成為惡性循環，造成更大的浪費。

4.5 吸收機理研究

植物對富營養化水體修復主要是植物生長需要大量的氮磷等元素，從而移去水生生態系統的營養物質，降低水體中的氮、磷含量，減輕水體富營養化程度。植物吸收的氮、磷過程中是否需要其他條件，微生物是如何具體參與氮磷吸收過程的這類研究較少。

5 小結

濕地植物的篩選，首先要考慮本地區存在的優勢物種，具有抗寒抗凍且不易感染病蟲害的物種，其次是吸收氮磷能力強的物種。根據不同水體類型構建合適的濕地或浮床，開展模型預測等多學科研究。

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