水生植物修复富营养化水体研究

李燕

（1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安 710075；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安 710075）

水生植物修复是将生物法、生态法联合的通用技术，同时兼具效果佳、绿色环保、美化景观、成本低等优势，在土水一体化联合修复特别是城市景观湿地修复中得到广泛应用[1]。水体及沉积物中的氮、磷是水生植物生长必需的营养物质，植物通过吸收水体和沉积物中营养物质维持自身生长，以营养繁殖方式快速积累生物量，固定氮、磷的能力很高，同时水生植物根部为微生物生长营养物质、生长繁殖环境与条件[2-3]。水生植物生长直接吸收水体中营养物质的同时，还改变水环境基质的理化性质、提高溶解氧含量，根系释放氧气在缺氧/好氧区促进硝化和反硝化，促进水体中其他水生生物代谢，抑制沉积物的二次悬浮[4-5]。目前，对于水生植物修复水体环境的研究主要有生物调查、植物群落多样性、生态恢复措施、修复植物选择，人工湿地系统、植物浮床等净化能力，植物修复过程中水体和沉积物中营养物质吸释机理与容量，涉及室内模型试验、田间中试及工程化应用等[6]。随着各地湿地景观的大力开发，以荷花为主的水生植物大量用于湿地，使之成为集观赏、食用、净化于一体的生物资源[7]。主要利用植物修复、控制城市景观湿地的内源沉积物污染，研发生态环保、可持续发展的环境友好型修复技术，培育筛选观赏、食用、修复为一体的高性价比修复物种，对解决全球普遍关注的水体及沉积物污染具有重要意义。

1 修复植物筛选

水体富营养化是地表水体普遍存在的重要水环境问题之一，水体中氮、磷负荷过量是水体富营养化的主要原因。植物修复是富营养化水生态环境修复不可缺少的部分，国内外用于修复富营养化水体及其沉积物的植物主要是超富集类植物，一般应具备：（1）富集污染物（重金属和有机污染物等）容量大；（2）较强的抗逆能力，如耐污能力、抗病虫害能力、抗热抗寒能力；（3）良好的污染物净化能力，不仅能够同时积累几种重金属，还能够吸收沉积物中的有机污染物；（4）生长快、生物量大、易于管理；（5）综合利用价值高，后续处理方便；（6）对于城市水体环境修复植物，还应具有一定的景观价值。

目前，用于水体修复的植物主要有挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物以及湿生植物5类（表1）。地表水体修复植物选择的主要影响因素有：所处区域自然环境、气候特征，当地土著物种、优势物种、特有种及其主要天敌植物生长特征及分布，拟选择修复植物生长环境条件及适应能力，修复水体污染物类型、污染程度、污染范围、修复水质目标、水动力学特征以及水体环境功能区划等因子。此外，对于渔业水域还采用生菜、油菜、空心菜、水芹等蔬菜，在净化水质的同时，最大限度利用资源、最大化经济效益，降低植物修复后续处理成本，避免二次污染[8]。

表1 常见修复植物分类

2 修复植物栽植

水生植物生长状况受修复水体水质、底质污染状况，水位波动、水体清洁程度及当地（试验）环境条件等多因素影响，在科学试验或水体修复工程实施过程中，选择适宜的植物栽植地点是修复成功的关键。

2.1 水体水质状况

修复水体水质状况直接决定修复植物类型及其存活的可能性。河流、湖库等长期接纳外来生活污水与工业废水，水体污染后高氮、磷的同时多表现为高CO2、高盐分，同时伴有重金属和有机污染物。其中，高CO2伴随着水体中较充足的可利用无机碳源，有利于水生植物特别是沉水植物生长；高氮、磷造成水体富营养化的同时，满足植物生长营养所需。水体中盐分过高将胁迫植物生长发育，抑制植物组织及其器官生长分化，直接导致叶绿素破碎。研究表明，不同水生植物的耐盐性有较大差异，一般在0～0.5 mg/L含盐量范围内较好生长，含盐量＞5 mg/L时影响大多水生植物生长，如水生植物如在滨海高盐水体中川蔓藻和篦齿眼子菜耐盐性高于狐尾藻、金鱼藻、线叶眼子菜、枯草等，且可作为沿海河道沉水植物重建的先锋植物[9]。此外，水体中一定量的重金属和有机物有助于水生植物生长，但高浓度会影响其正常生长发育。水生植物耐受常见重金属的浓度为：Hg2+＜ 1 mg/L、Cu2+＜ 2 mg/L、Ni2+＜ 2 mg/L[10]。

2.2 底质（基质）状况

底质是沉水植物和挺水植物等水生植物生长的基本基质，也是与植物生长有密切联系的微生物主要来源之一。自然水体中底质（沉积物）对水体修复工程水生植物生长有直接影响。底质营养的高低直接影响水生植物的生物量、株高、分支数量等。因水体类型不同，底质也有明显的分层，表层（过渡层）为流动浮泥，成絮凝状；中低层为氮、磷、有机物等营养物质与污染物聚集的污泥层，有利于植物扎根生长，是最适合水生植物种植的区域。

对于水生植物修复水体室内试验研究，多在采用自制栽植容器，如塑料盆栽桶、PVC圆桶、≥30 L的塑料盆（塑料箱）等，试验基质多为研究水体采集的底质或者铺设均质砂砾、陶砾等材料，铺设厚度为10～20 cm不等。此外，对于莲藕塘、鱼塘等水体修复研究，多采用定植孔塑料泡模板制作定植板。

2.3 水位波动影响

水位波动是影响水生植物生长和修复效果的关键因素。水位波动幅度直接影响水生植物的总生物量、茎生物量、叶生物量、根生物量、茎长、节点数、叶片数、分叶数、根长及叶面积等生物特征和酶活性、叶绿素含量等生理指标，同时改变不同水生植物种内及种间的竞争关系[11]。特别地，对潮感河段的植物修复，应选择对水位波动引发的环境改变适应性更强的植物。

3 修复效果分析

不同水生植物的水体净化能力差异较大。在中高浓度的富营养化水体中，水生植物有明显的除氮、除磷效果，氮、磷和总有机碳含量成明显降低趋势。常用的水生植物修复高浓度氮的效果为美人蕉＞睡莲＞空心菜＞水芹，除磷效果为睡莲＞美人蕉＞空心菜＞水芹；修复中浓度氮、磷的效果为美人蕉＞睡莲＞水芹＞空心菜，即高浓度水产养殖水域和自然水体环境中美人蕉和睡莲有更好的抗逆性和适应能力。对除氮除磷速率，不同植物净增生物量之间具有显著差异（P＜0.05），生物量的变化范围为492.71～939.19 g/m2[12]。研究表明，植物净生物量湿质量、干质量均与磷富集效率相关性较高，可作为修复植筛选的参考因素。

水生植物茎、叶、根等不同部位吸收氮、磷、重金属等污染物的贡献率也有一定差异，一般茎叶部高于根部，有效割除是彻底去除污染物、提高水体修复净化效果的重要手段之一。对于水体中重金属的修复效果，植物修复重金属的整体效果为：Cu＞Cr＞Ni＞Pb＞Cd，植物种植后底泥中各重金属形态含量的变化有随总量减小而减小的趋势，各种形态重金属的百分含量在植物种植前后未发生显著变化。但不同植物的各组织内累积不同重金属的效率有所差异，如Cu、Ni在睡莲中的分布特征为根＞叶＞茎，Cd和Pb为根＞茎＞叶，Cr为叶＞根＞茎。Cr、Ni在荷花中的分布特征一致，为茎＞叶＞根，Cu表现为茎＞根＞叶，Cd、Pb作为植物的有害元素，主要积累在荷花的叶部组织[13]。

4 结论

水生植物修复富营养化水体投资少、节约资源，同时兼具城市生态绿化与景观价值。对于地表富营养化水体，不同地域的水体所适用的修复植物受植物生长特性、区域自然环境、水体受污染状况等多因素影响，且不同种类植物对各级污染程度的水体修复效果存在较明显的差异。因此，针对不同修复水体选择适宜的水生植物进行科学种植与管护是确保修复效果的重要前提。