洱海低污染水处理湿地中应用海菜花的可行性

陈书琴， 胡社荣， 储昭升

(1. 中国矿业大学 (北京)地球与测绘科学学院,北京 100083; 2. 安庆师范学院 资源环境学院, 安庆 246011； 3. 中国环境科学研究院 湖泊研究中心,北京 100012)

洱海(N25°25′～26°16′,E99°32′～100°27′)是云南大理白族自治州主要的饮用水源，自20世纪90年代以来，湖泊水质日趋下降。1996年和2003年，洱海两度爆发了蓝藻水华[1]，被国家“十一五”水体污染控制与治理科技重大专项定位为“富营养化初期湖泊”[2]。近年来，在云南省、大理州政府与“十一五”水专项课题组的共同努力下，洱海水质恶化趋势得到了遏制。2011年，环保部、财政部将洱海列入“国家良好湖泊生态环境保护专项”名单，引导洱海建立生态环境保护长效机制[3]。当前，对洱海继续保持“良好湖泊”构成较大威胁的是以农田退水、村落污水为主的低污染水。为降低洱海水质下降风险，治理低污染水已经刻不容缓。然而，相对于其他污水，低污染水水量较大、水质水量波动性强、污染物浓度及碳氮比相对较低，若使用传统污水深度处理方法治理，存在着技术及成本上的双重瓶颈。人工湿地净水系统投资省、运行费用低，对低污染水的治理效率较高，兼之洱海地处高原，四季温差不大，有利于湿地净化系统持续发挥作用[4,5]。

然而，人工湿地占地面积较大[6]，在洱海建设或恢复湿地必将占用农田，从而影响流域内占总人口67%的农业人口的生活。幸运的是，湿地系统并不单纯是水处理系统，它还兼有产出湿地产品(主要是植物)的功能，只要选择好具有较高经济价值的湿地植物，为农户创造经济效益，就能减少湿地(人工湿地)净水系统建设阻力，确保系统运行的稳定性和持续性。海菜花(Otteliaacuminata(Gagnep.) Dandy)属水鳖科(Hydrocharitaceae)沉水植物，为中国特有种，它营养丰富、外形优美，具有较高的食用、药用和观赏价值，市场潜力较大[7]，若能应用到湿地(人工湿地)净水系统中，必可取得环境与经济效益的双丰收。本文从技术、环境、生态和经济4个方面，系统论述了将海菜花应用到低污染水处理湿地中的可行性，以期总结经验，从而为洱海环境保护“一湖一策”提供具有启示性的理论依据。

1 海菜花应用到洱海低污染水处理湿地中的技术可行性

20世纪60年代—80年代初，洱海仍广布有海菜花，最大分布水深可达6 m，最大群落总盖度可达80%[8]，但自80年代中后期起，洱海海菜花开始退化，指示湖泊沼泽化的微齿眼子菜群落(P.maackianu)开始占据优势。1994年，中国设立了苍山洱海国家级自然保护区，加强了对包括海菜花在内的清水物种的保护。近年来，洱海流域又陆续开展了湿地建设、 “三退三还”和58 km湖滨带生态修复工程等水环境保护和修复措施，使洱海水体环境得到了较大的改善，但海菜花天然群落在1996年消失后，再未能恢复。最近几次沉水植物调查表明，洱海内仍无海菜花天然群落的身影[9]。

2011年3月，“十一五”国家重大水专项实施了“洱海湖滨带生物多样性恢复示范工程”，在大理镇才村小邑庄开展了规模为54 m×32 m的海菜花种植实验，其相关参数如表1。

表1 海菜花种植相关参数[10]

在采取了人工辅助定植、除草等措施后，2011年10月，该实验区海菜花幼苗成活率达60%，成苗成活率达80%。但在人工干预措施停止约1年后，笔者于2013年5月现场调查表明，由于风浪干扰及种间竞争，此地海菜花仅有零星分布，其群落衰败明显。据此可以判断，在自然条件下恢复海菜花并使之保持稳定，仍存在一定的难度。

人工湿地与天然湖泊不同，其环境相对封闭，水流速度相对较慢，可以克服天然湖泊中很难避免的风浪干扰。另外，人工湿地有常设的管理机构，配备有管理人员，其人工干预规范而又稳定。在大理州洱源县，有许多运行良好的海菜花种植水田，海菜花的人工种植技术及管理技术较为成熟。舒树森等[11]从选地整地、繁殖、种植及日常管理等方面对海菜花人工种植技术进行了系统总结，指出该类技术简单而便于掌握，在人工湿地中进行日常管理和产品采收十分方便。

因此，虽然海菜花的野外自然恢复未获成功，但在洱海低污染水处理湿地这样一个半人工系统中应用海菜花，其种植及管理技术则较为成熟，不存在技术方面的瓶颈。

2 海菜花应用到洱海低污染水处理湿地中的环境可行性

从环境角度看，水生植物通过向基质中释放氧气、改变水力传导能力、刺激根系微生物生长、直接吸收营养盐和圈定污染区等作用在人工湿地净水系统中扮演着重要的角色[12,13]。据统计，水生植物可以传输约90%的氧到根系周围，为微生物分解转化有机物提供氧分。由于植物根和根系对介质的穿透作用，还能在介质中形成许多微小气室或间隙，减小介质的封闭性，增强介质的疏松度，从而使得介质的水力传输得到加强和维持。成水平在人工湿地处理污水的试验中发现，经过3—5 个月的污水处理后，不种植物的对照土壤介质板结，发生淤积，而种有水烛和灯心草的人工湿地渗虑性能好，污水能很快地渗入介质[14]。另据研究，水生植物塘在生长旺季，氨氮去除率为80%～98%，总磷去除率为60%～96%；芦苇床(Phragmitascommunis)总磷去除率为75.6%，比空白床高26.9%；两栖榕(Ficussp.)人工湿地净水系统对生活污水的总氮、总磷有较好的净化效果，与未种植物的系统相比，总氮、总磷去除率分别提高了17%和12%[15]。

因此，从理论上讲，只要具备一定的水质净化能力，任何水生植物都可以作为湿地(人工湿地)净水系统的重要构件。然而，在中国大部分地区，水生植物生长具有明显的季节性，人工湿地的污水净化能力受气温影响较大[16]。

洱海地区四季气候比较平稳，气温波动不大，海菜花一年四季皆可生长，这就使海菜花在洱海低污染水净水系统中的应用具备了得天独厚的优势。同时，海菜花还具有抑藻净水功能，李杰等[17]使用海菜花种植水培养浮游藻类，发现种植水比例越高，浮游藻类生长越慢，这表明海菜花在生长过程中能产生抑制浮游藻类生长的生化物质。蒋岚岚等[18]在长江中下游使用复合型人工湿地工艺处理城镇污水处理厂尾水时，曾经报道第3级表面流湿地种植有海菜花，这是海菜花应用到湿地净水系统的一次尝试。

另外，湿地来水污染负荷对植物净化处理效果有重大影响，袁东海等[19]研究表明，污染负荷越低，植物处理效果越好。洱海低污染水各项指标ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(NH3-N)范围依次为2.3～6.3 mg/L、0.25～0.75 mg/L和0.6～4.5 mg/L，几乎与一般湿地研究所设的污染负荷的最小限值相当。而根据笔者对现有海菜花田的调查，虽然海菜花田一年要施用肥料2次，亩均施用复合肥达100 kg，但养殖田水中ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(NH3-N)含量分别介于0.8～4.5 mg/L、0.03～0.06 mg/L和0.1～0.5 mg/L之间，远低于低污染水各项指标数值，这说明海菜花一定存在某种独特的净水机制。

综上，洱海气候适宜，低污染水营养丰富，海菜花四季生长旺盛，具有一定的净水能力，虽然其净水作用机理尚待实验定量，但就环境可行性来讲，海菜花完全可以应用到洱海低污染水湿地净水系统中去。

3 海菜花应用到洱海低污染水处理湿地中的生态可行性

有研究者认为植物在人工湿地中对营养盐的去除作用其实很小[20]，姑且不论这个结论的科学性，仅从生态角度看，水生植物为湿地多种生物提供了独特的生境，在动植物保护方面具有重要的生态作用。具体到海菜花上，海菜花是云南湖泊的旗舰种，具有重要的生态指示意义，曾有人把云南的湖泊植物区系称为海菜花区系[21]。使用海菜花作为湿地植物的优势种，是濒危物种保护、恢复和利用的一举三得的有益尝试，具有多重的理论及实践意义。

在长期的社会经济发展过程中，洱海流域天然湿地大多被农田和鱼塘侵占。随着2006年以来“三退三还”工程的开展，滨湖湿地有所恢复，但其恢复规模较小、恢复水平较低。因此，在云南洱海湖滨带的生态恢复及湖滨缓冲带建设研究中, 从20世纪末开始，研究者陆续提出了建立湿地净水系统的建议。“十二五”伊始，在云南省、大理州政府及国家重大水专项的促成下，洱海流域开展了浩大的“三万亩湿地建设工程”，湿地植物的选择已成为当前迫切需要解决的问题。王圣瑞等[22]认为，必须将不同地域的差异和特殊性作为湿地净水系统植物选择中要考虑的重要因素。而在很多湿地净水系统设计中，在植物选择上多倾向于净水能力较大的物种，常常不考虑其与本地环境的适应性及与本地物种的竞争性，极易造成外来物种入侵。海菜花是洱海本地种，在水质较好的历史时期，一度在该湖6 m水深以浅水域占据优势。因此，在洱海大规模湿地建设中，选用海菜花作为重要的湿地植物，符合湿地构建水生植物选择的“适地适种、适应当地气候条件、地形条件和人文景观条件”原则，能有效避免生态风险。

从生态美学角度看，湿地净水系统的清洁性、独特性、愉悦性和可观赏性主要是通过植物来体现的，陈飞星等[23]通过荷花-睡莲系统不仅改善了北京动物园的水环境，而且改善了园区景观。岳春雷等[24]通过种植吉祥草(Reineckeacarnes)和黑麦草(LoliuwnperenneL.)构建湿地净水系统处理景区污水，不但净水效果较好，而且也美化了周围环境。而海菜花“长茎长叶，叶似车前叶而大，皆藏水内。抽草作长苞，十数花同一苞，花开则出于水面；三瓣色白，瓣中凹，视之如六，大如杯，多皱而薄；黄蕊素尊, 照耀涟漪”[25]，造景效果极佳。因此，构建海菜花湿地，能给洱海再添迤逦风光，生态美学效果较好。

总之，将海菜花应用到洱海低污染水湿地净水系统中，不仅可以规避外来物种入侵风险，而且有利于濒危物种的恢复，更有助于增加洱海的生态景观效益，生态可行性较好。

4 海菜花应用到洱海低污染水处理湿地中的经济可行性

人们考虑湿地经济价值，一般从环境容量价值、资源价值和社会价值入手。其中资源价值又分为人工湿地产出物(主要是植物) 和净水价值。但在实际操作中，大都崇尚湿地净水系统的自我管理，因此并不特别重视人工湿地产出物价值。直到近年来，人工湿地生态系统中植物的经济价值才开始得到重视。胡焕斌[26]报道用经济价值更大的木本植物作为人工湿地主要植被，其净水效果和芦苇接近，黄时达等[27]在将灯芯草作为处理四川黔江地区白岩煤矿坑酸性污水和生活污水的湿地净水系统植物，主要也是考虑了灯芯草是四川农民经常栽种的经济作物。

根据研究，海菜花的叶和花葶蛋白质含量与豆类相当[28]，粗脂肪含量高，碳水化合物和粗纤维含量较低，灰分较条浒苔和海带低，P、K含量为最高，具有较高的食用价值[29]。同时，海菜花还具有一定药用食用价值，可治咯血、哮喘、便秘等多疾病，经常食用具有明显的减肥和美容效果[30]。因此，海菜花具有极高的经济价值。另外，Quan等[31]在研究拉市海人类行为对水鸟的影响时指出，由于过度开发，海菜花在其主要栖息湖泊中发生了大规模的退化，进而导致了市场价格的抬高。在人工种植条件下，海菜花产量高而施肥量少，种植成本低。每年产海菜花可达7500 kg/hm2，按2007年高产期市场最低价5.00元/kg计算，每年每公顷水田净经济收入可达到30000元以上[11]。

长期以来，洱海上关农民就有人工培植海菜花销售盈利的丰富实践，将海菜花应用到湿地净水系统中，可以充分利用来水中营养盐，变废为宝，同时持续稳定地产生较好的经济效益，为失地农民提供生活保障。

5 结论

当前，洱海低污染水中N、P入湖量占外源入湖总量的1/3，为降低洱海水质下滑风险，治理低污染水已经刻不容缓。相较于其他污水，低污染水水量较大、水质水量波动性强、污染物浓度及碳氮比相对较低，若使用传统污水深度处理方法治理，存在技术及成本上的双重瓶颈。洱海地处高原，四季温差不大，有利于湿地净水系统持续发挥作用。采用湿地净水系统处理低污染水时，充分发挥海菜花的作用，具有极强的可行性，可以取得环境效益、生态效益、经济效益乃至社会效益的多重丰收，值得深入开展研究。

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