沉水植物修复湖泊富营养化水体研究

董文龙 余颉

（湖北生态工程职业技术学院，湖北武汉 430200）

1 引言

根据2019 年生态环境部公布的最新资料，在其监测的107 个湖泊（水库）中，贫营养的湖泊占9.3%，中营养的湖泊占61.7%，富营养化的湖泊占29%。

目前，防治湖泊富营养化的技术方法主要有物理法、化学法和生物法。其中，物理法有排水改道、底泥疏浚、深层排水等；化学法有化学处理、凝聚沉淀和化学除藻等；生物法有生态修复、生态系统控制和生物利用等。生态修复作为生物法核心技术，主要有浮游动物和鱼类的修复、微生物修复和水生植物的修复。

水生生态系统的组成部分众多，沉水植物作为重要的组成部分，可与浮游植物竞争光照和营养物质，净化富营养化水体，还可为浮游底栖动物、附生真菌和细菌等提供适宜的生长环境，维持生态系统多样性［1］，因此，以沉水植物为主的水生植物修复技术是治理湖泊富营养化水体的一项重要举措。

2 沉水植物对湖泊富营养化水体的净化作用

湖泊水体生态系统中的初级生产者主要为沉水植物，恢复和构建沉水植物群落可以降低湖泊富营养化水体营养负荷，净化水体中多种有机物，改善水体溶解氧和透明度，抑制藻类生长，有效增加生态空间。目前，研究和应用较广的沉水植物有菹草、苦草、马来眼子菜、微齿眼子菜、伊乐藻、黑藻、金鱼藻、狐尾藻等［2］。

2.1 降低氮磷营养负荷

沉水植物以氮磷为营养物质，沉水植物整株浸没于水中，具有吸收作用的组织有根、茎、叶和表皮，叶绿素出现在皮层细胞，这种特殊的结构可以吸收水体中的氮和磷。

李芸等［3］研究认为，湖泊中NH4＋－N 的浓度会直接影响沉水植物的生长活动，NH4＋－N 的浓度不宜过高或过低，不适宜的浓度会胁迫沉水植物的生长。通过构建合理的水体环境，沉水植物可以有效降低水体中NH4＋－N 的浓度。胡一帆等［4］以黑藻、苦草和狐尾藻3 种常见的沉水植物作为研究对象，在室内静水条件下，综合比较其对受污染水体的净化能力。实验结果表明，3 种沉水植物均可有效降低受污染水体中COD，NH3－N，TN，TP。常素云等［5］研究了狐尾藻、金鱼藻、篦齿眼子菜不同组配方式对水体净化效果的影响，研究表明，对TN 去除效果最好的组配方式为狐尾藻、金鱼藻和篦齿眼子菜组合。樊恒亮等［6］选取太湖中沉水植物优势种金鱼藻、狐尾藻、苦草和马来眼子菜为研究对象，结果表明，水体营养变化规律上，植物各器官氮、磷含量变化基本相似，叶片氮含量最高，根系最低，根系磷含量最高。选取的4 种沉水植物，叶片氮元素积累的能力最高；氮磷较低浓度时，氮积累量狐尾藻的最大，磷积累量苦草的最大，氮磷低浓度下种植收割，去除水体中的氮磷效果较好。

2.2 净化多种有机物

研究发现，沉水植物水体生态系统中，通过降解可以使有机物大分子转化为小分子，再通过水体中小型水生动物或浮游动物进一步吸收，实现水体中悬浮性物质的降低。

钟铮等［7］以沉水植被为研究对象，通过构建沉水植被，分析其对白云湖示范区水质改善的情况，发现指标CODMn为6.89 mg/L，BOD5为11.80 mg/L，分别下降了39.6%和39.7%。

戴青松等［8］以狐尾藻、金鱼藻和伊乐藻3 种沉水植物为研究对象，分析了其在秋季对人工湖泊水质的净化情况。结果表明，3 种沉水植物均有一定的净化作用，在对COD 去除效果方面，狐尾藻和伊乐藻最好，去除率超过57%，金鱼藻较差，为51.74%。

大量研究表明，沉水植物对湖泊水体有机物有一定的去除效果，但水体中COD 的去除率并不一定随着时间的增长而持续上升，植物吸收充足且在自身代谢作用下会导致其对水中COD 去除有所减缓，乃至基本维持在某个数值左右。后期阶段，由于沉水植物凋亡、腐化、根腐烂与分解及微生物代谢，产生新的有机物溶入水中，导致水体COD 回升，甚至高于原水。温度变化对沉水植物对COD 的去除有较大影响，低温环境更容易造成植物的死亡腐烂而引起COD 上升，因此在实际应用过程中，需要定期收割和处理老化植物，以控制水体COD。

2.3 改善水体溶解氧和透明度

大量研究表明，通过构建沉水植物生态系统，可以实现水体溶解氧和透明度的改善。湖泊水体中，沉水植物的叶片等器官可以进行光合作用，产生一定的氧气，提高湖泊水体的溶解氧浓度，有利于改善水体环境。同时，沉水植物生长的区域，可以减缓水体流动的速度，叶片等器官可以吸附水体中的悬浮物，根系可以固定底泥，减少内源性的磷释放，防止沉积物的再悬浮，改善水体的透明度。

王学雷等［9］通过研究洪湖水环境的特征与湖泊湿地的净化能力，发现沉水植物经过根系的呼吸作用，通过自身输导组织将一定的氧释放到沉积物中，改善水体环境的溶解氧浓度。

2.4 抑制藻类生长

一些学者研究发现，湖泊水体中，沉水植物对藻类生长有一定的抑制作用，其机理主要有两种可能，一是沉水植物生长过程中与藻类生长存在某些竞争关系。植物生长过程中，需要满足适宜的外界环境才能正常生长，主要的影响因素包括温度环境、光照条件和适宜的植物营养等。在水体中引入沉水植物后，会与藻类争夺营养环境等，而沉水植物一般情况下竞争力更强，使藻类的生长相对处于劣势［10］。二是沉水植物生长繁殖过程中，其根、叶等植物器官会向水体释放一定量的化感物质，这些物质能对藻类的正常生长起到不良影响。

目前，已发现的具有抑制藻类生长的沉水植物有苦草、马来眼子菜、黑藻、金鱼藻和水剑叶等。

3 沉水植物修复湖泊富营养化水体的技术

在湖泊水体中，构建沉水植物生态系统是治理湖泊富营养化水体的一种重要水生植物修复技术。目前，富营养化水体植物修复技术主要有生态沉床、原水位种植、人工湿地和联合固定化微生物等。

3.1 生态沉床技术

通过在水和底质两大营养库之间构建沉水植物，实现两库之间的有机结合，形成多样化的湖泊生态系统。生长繁殖过程中，沉水植物占优势时，通过净化作用可以很好地降低湖泊水体的污染负荷，改善水质，丰富生物多样性。生态沉床技术就是借助有基质材料的沉床载体，通过固定桩将沉水植物种植在水和底质两大营养库之间，利用沉水植物消化水体中的氮磷等营养元素，对富营养化水体进行净化，从而达到水体修复的目的。生态沉床技术的沉床装置包括沉床载体、浮力层和升降调节系统3 个部分［11］。沉床载体主要用于负载沉水植物，是沉水植物根系附着的区域；浮力层和升降调节系统主要用于控制沉水植物离水面的距离，调节光照和光合作用，提高水体修复效果。

3.2 原水位种植技术

由于原水位种植沉水植物难度高、成活率较低、根系不容易固定等，目前该技术使用较少，且一般只适用于浅水区域或者污染程度较轻的水体。主要的种植方式有直接种植、定植毯种植和网箱种植等。直接种植主要有抛植、配重抛植、人工扦插、工具辅助扦插；定植毯种植比较容易实现模块化种植，一般也需要配重；网箱种植相对于其他种植技术，沉水植物比较容易固定，种植效率较高，在原水位种植技术中普遍被采用。

3.3 人工湿地技术

利用沉水植物修复富营养化水体的人工湿地技术是指在有一定面积和底面坡度的洼地上，人为地将石、砂、煤渣等填料与土壤按一定比例混合构成基质，并有选择性地种植沉水植物的动植物污水处理系统。利用土地、植物、微生物构成的生态系统，通过沉淀、吸附和降解等协同作用，达到净化水质的目的。刘继平等［12］以深圳荔枝湖为研究对象，采用以人工湿地技术为主协同技术进行治理，对BOD5，TN，TP 和叶绿素等指标进行分析，发现该技术可以达到较好的去除效果，其中，BOD5和TN 的去除率超过55%，TP 的去除率在80%～90%之间，叶绿素的去除率超过63%，出水水质可以达到Ⅲ～Ⅳ类水质标准。

3.4 联合固定化微生物技术

筛选和培养驯化特定功能的菌群可以达到降解转化氮磷及有机物的作用。联合固定化微生物技术就是利用沉水植物与特定菌群的联合作用对富营养化水体进行修复，由于特定菌群可以降解转化水体污染物，通过联合作用，沉水植物修复湖泊富营养化水体的效果会显著提高。目前，在特定功能菌群的筛选和培养驯化，沉水植物与特定菌群的协同作用和联合方式上还存在诸多难点，是今后的努力方向，值得进一步探究。

4 结语

目前，全国处于富营养化状态的湖泊众多，归根结底主要是水体中摄入大量的氮磷等无机营养物质导致的。去除湖泊营养物质的方法主要有物理法、化学法和生物法等。其中，生物法中的沉水植物修复技术是治理湖泊富营养化水体的一项重要举措。研究分析沉水植物对湖泊富营养化水体的净化作用和沉水植物修复湖泊富营养化水体技术，总结该技术的应用情况、相对空白的领域以及存在的问题，有利于对修复湖泊富营养化水体的进一步探索。