湿生植物对富营养化水体修复研究

王朴 梁玉婷 康凯丽

摘要 从湿地植物修复水体能力，湿地植物在水体修复中应用形式以及影响植物修复效果等方面对植物修复富营养水体的研究进行总结，并对植物修复工作进行了展望。植物材料对氮磷吸收能力不同，筛选净化能力好的植物是植物修复工作的基础。植物修复富营养化的形式主要是浮床、浮岛、湿地等，在此基础上配合水生动物、微生物净化水体的案例越来越多。基于植物对富营养化修复的研究现状，建议今后筛选氮磷去除能力强的湿生植物，首先要考虑本地区存在的优势物种，具有抗寒抗冻且不易感染病虫害的植物;根据不同水体环境和类型构建多种形态组合的湿地或浮床，在湿地和浮床构建中引入新技术也是一种趋势;另外开展模型预测等多学科研究有待加强。

关键词 植物;修复;富营养化;水体

中图分类号 X-52  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）12-0008-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.12.003

开放科学（资源服务）标识码（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

富营养化通常指营养盐输入使水体的生产力增加的一个自然过程。营养盐的输入是一个自然过程，但近几十年来各种人类活动增加，导致过量的营养盐向水体输入，水体中藻类加速累积，由此产生一系列后果，包括有害和有毒藻华、溶解氧耗盡和水下植被及底栖动物损失。这些因素是互相关联的，通常认为水体富营养化对水质、生态系统健康和人类具有负面影响[1-6]。富营养化是当今人类快速发展所面临的重大环境问题。随着工业的快速发展，水体富营养化已成为全球性的水域环境污染问题。为解决富营养化问题，涌现出很多处理水体富营养化的技术，其中有碳纳米管、电处理、光催化器等物理技术;向水体添加化学药品等化学手段;微生物处理、生物膜技术、构建湿地、植物浮床技术、重建水下森林等生物手段。其中构建湿地、植物浮床技术、重建水下森林通称植物修复，植物修复在水体富营养化修复中较其他技术便捷、经济、环保，在实际中应用更广。

1 植物修复的基础

1.1 筛选吸收氮磷能力强且适应性好的湿生植物 Best[7]认为湿生植物是生长在沼泽地或沿岸带的大型草本植物， Hartog等[8]认为湿生植物有漂浮、沼生植物和假水生植物等。赵家荣等[9]则按照形态特征和生活方式，将湿地植物分为挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物四大类。湿地植物大都具有发达的根系，能极大限度扩展人工湿地污水净化空间，提高吸收能力。大型植物作为湿地常见植物，在处理污水方面具有显著的作用，为鸟类、昆虫、水生动物提供栖息环境，同时美化景观，使人心情愉悦等[10] 。因此，筛选生长量大、适应能力强、净化效果好又兼具景观效果的湿生植物是植物修复工作的一个重要方面。

凤眼莲是最早用于净化水质的植物之一，国外利用凤眼莲净化水质的历史，可以追溯到1948年Dymond[11]、1996年Gawel等[12]的研究。凤眼莲的研究主要从去除重金属、吸收氮磷、抑藻作用展开[13]。吴振斌等[14]在武汉东湖富营养浅水湖泊中建立大型试验围隔系统，结果发现重建沉水植物是修复重建富营养湖泊生态系统的重要措施。以沉水植物为主的水生植被恢复后，可以有效地降低营养循环速度，控制浮游植物过度增长，而且沉水植物可以对富营养化和重金属污染的水体和底泥起到净化作用[15]。

大多数研究采用水培法比较植物间去除水体氮磷能力以及对水质物理指标的评定。植物对氮磷去除能力不同，有的植物对氮素去除较好，有的植物对磷素去除较好，有的兼具2种去除能力[16]。随着植物修复模式的改进，观赏效果好、适应能力强、适应不同形态湿地环境、不同富营养化水质的水生植物筛选工作大量展开。Ling等[17]对5种景观植物对垂直流河流景观水体的净化效果进行研究，结果发现5种植物的生活力有显著差别，凤眼莲长势最好，表现为凤眼蓝> 绿萝>鸡冠花>金盏花>一串红 。植物应用在水体和湿地中，湿生植物的适应性好于陆生植物。当利用湿生植物处理不同形态的富营养水体时，发现湿生植物之间的净化效果具有差异性，但植物组处理富营养化水体优于无植物组[18]。

目前国内筛选净化能力好的湿生植物研究较多，已用于或可用于浮床种植来净化水体的挺水植物主要有美人蕉、芦苇、荻、多花黑麦草、稗草、水稻、香根草、牛筋草、香蒲、菖蒲、石菖蒲、海芋、凤眼莲、水芹菜、水蕹菜、芝麻花、旱伞草、灯心草。去除TN和TP净化能力较好的湿地植物有黄菖蒲、芦苇、美人蕉、香蒲、水葱，去除TN能力较好的湿地植物有水蕹菜、黄蝴蝶花、西伯利亚蝴蝶花、互花附子、水生美人蕉和芒金鱼藻、狐尾藻、凤眼蓝、菖蒲;去除TP能力较好的湿地植物有慈姑、窄叶泽泻、花叶菖蒲、美人蕉、千屈菜、伊乐藻、菹草、苦草、金鱼藻。

1.2 植物组合在湿地构建和浮床中的应用

多数试验结果认为不同生活型的水生植物物种的合理镶嵌组合形成的水生植物群落，比单一生活型水生植物氮磷去除率更高，且净化效果更为稳定，刘足根等[19]通过试验确定了乡土种穗花狐尾藻+狭叶香蒲的镶嵌组合为不同生活型水生植物组合净化氮磷效果最优模式。Coleman等[20]采用3种常见的阿巴拉契亚山脉植物对水体净化效果比较，发现水深度对湿地处理没有影响但对植物生长形式有影响，碎石有净化效果，植物有更好的净化效果，香蒲长势和净化效果显著好于灯心草和水葱，混合效果好于单一物种，香蒲在混合中是优势种，当营养物质受限时，水体中会产生毒性物质，影响其生长。Fraser等[21]在构建的湿地中利用4种湿生植物去除土壤渗出液2种水平的氮（N）和磷（P），植物在降低土壤渗滤液中总氮和总磷浓度时，比未种植的更有效;降低氮和磷的潜力方面存在不同的物种效应;但不能确定植物混合组合在降低氮和磷方面比单一品种更有效，植物对氮磷具有一定的去除效果，总体来讲植物群落效果好于单一物种，栽植的无氮磷基质有去除氮磷效果。

2 植物修复技术

2.1 湿地构建

不同类型人工湿地对生活污水的处理效果，受到许多因素的影响，其中不同湿地类型，会造成人工湿地对主要污染物COD、TN和TP的净化效果的差异，在水平潜流、垂直上行流和下行流人工湿地中对人工合成的生活污水的处理效果和主要污染物（COD、TN 和TP） 去除率随季节变化，在垂直上行流和垂直下行流去除效果不同，香蒲在垂直下行流湿地去除有机污染物效果最好，去除率可达85.55%;水葱在垂直上行流湿地去除TN效果最好，去除率可达57.52%，香蒲在垂直上行流湿地去除TP效果最好，去除率可达84.28%[22]。HFCW水平流和VFCW垂直流人工湿地对不同污染物均有明显的去除效果，VFCW不仅在COD和BOD去除方面比HFCW更有效，且由于潮汐垂直流的存在，可以渗透更多的氧气，而且体积小，滞留时间长。VFCW具有粒径小、出水水质高、硝化效果好等优点，比HFCW具有更好的污水处理效果[23]，Barco等[24]构建了水平次面流（HSSF）床、沉降池和FTW层组成的混合人工湿地（H-CW）处理城市废水的净化性能，该结构由一组HSSF层和FTW层组成，其显著降低氮的总量。除了解决静态污水处理，湿地也用来处理动态污水，Moore等[25]利用水生植被对模拟径流中的硝态氮、铵态氮和可溶性活性磷进行修复，这项新研究的结果突出了物种内部和物种之间在养分特定吸收方面的内在变异，以及物种在养分保留方面的时间变异。通过这种自然变化，学者可以设计对改善农业径流水质有更大影响的植物修复。混杂湿地水平流和垂直流湿地具有更好的净化效果[26]，今后对不同形态水体、不同污染程度水体进行植物筛选仍是工作重点。因此构建不同类型的湿地是目前研究的新突破点。

2.2 植物浮床

解决富营养化问题需要大量人力、物力、财力，植物浮床作为经济便捷的手段应运而生。植物浮床也称植物浮岛、生态浮岛或人工浮岛，主要采用无土栽培技术将植物种植在聚乙烯泡沫板或者高分子材料，然后悬垂于水中。植物浮床修复污水是生物、物理和化学综合的过程，利用水生植物和根基微生物吸收氮、磷，降低有機物含量。影响污染物去除率的因素有植物、温度、季节、处理时间、覆盖度、初始浓度等。从植物及其组合、生态系统结构的转变和水生资源的利用等方面展望了生态系统的发展方向，探讨了生态系统的建设和管理技术，实现了景观效益和生态功能的双赢[27]。利用浮床种植植物治理富营养化湖泊，能改善水质、增加透明度、蓝藻消失、增加生物多样等。植物浮床技术应用从单一植物逐渐过度到多种植物[28-31]，FTW比表面流湿地提供了一种更便捷的处理氮磷湿地方式，由于不占有额外的陆地。Keizer vlek等[32]发现种植鸢尾的FTWs可以应用于温带气候，以克服地表水藻类过度生长的问题。面对复杂的富营养化问题，寻求新的浮床技术非常必要，其中清除湖泊沉积物是减少湖泊内部营养的一种有效方法。有学者把生态污泥与菖蒲浮床联合，从而实现对水体的净化效果，种植的生态浮床对氮、磷和Chl-a有良好的去除效果，是一种生态友好的回收疏浚污泥的新方法[33]。研究人工浮动岛屿（AFIs）时发现，AFIs伴随曝气也是移除污染物的一个好方法，AFIs可以纳入湿地，减少水污染的影响，有助于加强湿地恢复[34]。水生大型植物和人工浮岛去除污染物的潜力，揭示了AFIs可以融入湿地，减少水污染的影响，促进湿地恢复。植物浮床除可以净化湖泊河道的污染水体，还可以用来净化养殖场、市政污水。为了获得更高的经济价值，在污水中种植蔬菜是另一个大胆尝试，采用浮床法在水面种植水菜处理沼液，取得了很好的去污效果[35]。

2.3 构建水下森林——恢复沉水植物植被

“水下森林”是指通过种植沉水植物，吸收水中和底泥的污染物，创造鱼虾等动物栖息的生态系统，从而能够有效促进水体的自净和循环。水体富营养化及水生植被衰退引起水生态系统崩溃和水质恶化，进行水生植被（特别是沉水植被）的修复重建是改善湖泊水质和湖泊生态恢复的重要手段。

早在1992—1993年，李文朝[36]在富营养湖泊五里湖面积为 2 000 m2 的半封闭式围隔试验区中开展了常绿型人工水生植被组建试验，选用耐寒植物伊乐藻和喜温植物菱及凤眼莲 ，组建成常绿型人工水生植被，但未能解决耐寒型沉水植物伊乐藻与喜温型沉水植物种类间的衔接过度，直至各种耐性沉水植物筛选出来后，沉水植物在水体中应用工作迅速展开。

近年来，国内外有关引种大型沉水植物进行湖泊生態修复的应用更加广泛，通过种植水生植物降低湖泊中营养盐浓度、净化水体的方法在我国巢湖、东湖等地也取得了良好的效果[37-38]。在严重富营养化的东湖水果湖边建立的围隔中，采用多种措施对围隔的底质和水质进行适当改善，依据自然湖泊中水生植被分布和植物种类组成的特点种植植物，发现植被重建后围隔内的水质得到显著改善，尤其是水的色度、透明度和叶绿素含量改善最为明显，实现从“浊水态”向“清水态”的快速转换。在较大的湖泊、江河中对水体采用“ 化整为零”的策略逐步恢复水生植被是一个可行方案。沉水植物构成的人工湿地去除富营养化和藻类效果显著，可能是沉水植物与藻类的化感作用[39]。

2.4 生物操控

生物控制生态系统的功能，物种丰度的变化，特别是那些影响水中养分动态、营养相互作用或干扰机制的变化会影响生态系统的结构和功能。功能相似物种间环境敏感性的差异使生态系统过程具有稳定性，而功能不同物种间环境敏感性的差异使生态系统更容易受到变化的影响。因此，当前影响物种组成和多样性的全球环境变化正在深刻地改变其功能[40-41]。

结合植物和动物对水体修复，不仅要考虑植物的适应能力，也要考虑动物的适应力和食物来源等问题，选用沉水植物金鱼藻、苦草，挺水植物花叶芦竹、香蒲、环棱螺构建模拟生态系统的长期试验，追踪调查丽娃河生态恢复的效果，发现水植物金鱼藻、苦草，挺水植物花叶芦竹、香蒲，环棱螺对不同程度富营养化水体适应性不同，但这一生态系统对水质有明显改善作用[42]。从构建植物和动物群落、植物和微生物群落或者植物、动物和微生物一个完整生态系统都是更接近真实生态系统的策略。

2.5 植物修复技术改进

城市雨水的处理由于间歇性水文和污染物输入的高度可变性，对处理技术提出了挑战，改良版的浮床技术很好地解决了这个问题。浮动水生植物处理湿地（FTWs）是一种杂交湿地，提供对高度变化的流动的处理。FTWs利用扎根的、涌现的生长在漂浮在植物表面的垫子或筏子上的大型植物，能够忍受典型的暴雨引起水深的波动，没有植物被淹死的危险，而且根垂在浮垫下，形成大面积的生物膜[43]。人工湿地（CWs）能有效地从废水中去除过多的营养物质。同时，会导致重要的温室气体（GHG）的流动，如一氧化二氮（N2O）、二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4），这些气体会减轻CWS的环境效益。用大型植物构建人工湿地的同时进行曝气，不仅可以减少温室气体流量，促进污水中氮素释放，提高植物对氮素吸收[44]。

2.6 构建生物模型

计算机技术与生物学、环境工程学交叉后，促进了理论与实践的结合，构建生物模型是对未知的一种预测，避免浪费与失败。污水中去除有机物和养分的混合人工湿地，过程性能和多动力学模型[45] ，通过构建垂直流和水平流串联的中试规模混合人工湿地，建立实用的预测模型，推导污水处理中有机物和养分的去除率常数，对实际研究有事倍功半的效果[46]。

3 影响植物修复效果的因素

3.1 植物收割

构建湿地后植物收割与否对水体氮磷去除以及湿地和植物本身的影响一直是争论的热点。研究认为收割对水体氮磷去除有显著的作用，Zheng等[47]在2年的运行期内，采用2种中试规模的地面水流浮床处理被城市和工业废水污染的城市河流。第一年采收的芦苇植物和第二个在生长季节结束时收获的芦苇湿地。收割组湿地比未收割组有更高的密度（175芽/m2）和生物量（1.4 kg/m2）。收割组氮磷去除效果略好于未收割组。水体中营养物质浓度是否是植物浮床最适浓度;植物生长周期中哪个时期收割比较合适。

安徽农业科学2021年

3.2 污染物滞留时间

污染物在水体中滞留时间会影响植物的吸收效果，随着污染物滞留时间的延长，微生物降解废水的时间也随之延长。Holcov等[48]研究人工湿地在（生长期）营养期和非营养期处理水平地下水流条件下的保留时间，冬季示踪剂的试验组保留时间和对照组保留时间几乎相等，而夏季试验组比对照组高2倍，普通芦苇可以通过蒸散（ET）将大量的水从液体转化为气体，从而延长水在系统中的滞留时间。湿地处理池塘废水的效率更高，可能是根面积形成的广泛区域，有利于废弃物的滞留和吸附以及养分的吸收[49]。因此，在处理富营养化水体时，要考虑污染物在水体中的滞留时间。

3.3 影响植物生长的因素

人工湿地氮磷去除途径包括植物吸收、水体微生物降解、根际微生物降解和介质吸附。植物生长受温度、季节影响很大，在春、夏季温度较高时，生物量大，去除能力好，在冬季，生长受影响，去除营养盐的能力差;植物的种植密度对水体氮磷去除有显著的影响，在一定范围内种植密度越高去除率越高;植物耐受性，体现了植物对水体的适应能力，水体中营养盐浓度以及水体其他条件对植物去除能力有显著影响，生长和养分去除潜力受到许多因素的影响，如温度、水盐度和植物的生理限制[16]。植物去除氮磷与季节有关，夏季净化效果好于秋季。10月降低氮和磷浓度的效果比8月差很多，但不能确定植物混合组合在降低氮和磷方面比单一品种更有效[22]。Sun等[50]发现盐度的增加改变了植物吸收、溶液中微生物降解和根际微生物降解的不同途径的去除贡献。不同植物构成的人工湿地在富营养化水体中遭受胁迫时，对主要污染物均有去除效果，但植物之间去除效果是有差别的，植物可以通过胁迫锻炼适应胁迫环境，相比没有受到胁迫的植物，其对水体净化能力要强。但当富营养化废水含量较高时表层流系统中藻类和浮游生物的旺盛生长，会有降低处理性能[50-51]。

生物浮床植物在水体的覆盖度或者种植密度是值得关注的研究点。Iamchaturapatr等[52]认为在水生植物处理系统的有效设计中，应考虑种植面积和植物的几何形状（如根和芽）。因为基于面积计算和基于生物量计算的氮磷去除率是不同的。结果表明，浮生植物的养分去除率均以植株重量计算为最高，而大多数挺水植物的养分去除率均以种植面积计算为最高。其原因是突生植物根质量的权重大于其枝重，导致其总重量的低去除效率。 这一点在比较植物的净化能力中尤为重要，可见筛选条件和筛选标准是需要界定的一项重要工作。

最佳覆盖度和种植密度关系到后续水质情况，选择沉水植物金鱼藻和最佳覆盖度，Dai等[53] 以0、20%、33%、50%的覆盖度进行评估。结果显示，浊度、TPNH4+-N，  Chla 這些指标与覆盖度呈负相关。无显著差异不同覆盖度，基于全面考虑，20%是最佳覆盖度。该覆盖度是否与其他植物通用值得进一步研究。

如何在种植密度与污水中氮磷浓度进行匹配仍是一个疑问，水体中氮磷浓度会影响净化效果，种植密度会影响净化效果，在穗花狐尾藻和金鱼藻能有效控制浮游植物的生物量并改善水体 SD（透明度） 的研究中，密度为 10 株/m2 穗花狐尾藻和密度为 20 株/m2 金鱼藻的围隔水体中ρ（TN） 和ρ（TP） 均明显下降，SD 增加，浮游植物多样性明显增加，水体营养状态指数（TSIM） 明显下降;但高密度沉水植物可能造成水体ρ（Chla） 和营养盐含量的反弹[54]。前人模拟浮萍对2种水平的氮和磷单一居民生活污水的营养物处理，氮含量越高，溶解氨含量越高，去除率越高[55]，氮在厌氧中的主要形式为溶解铵，这是浮萍的首选氮源，但随着氮含量升高，pH增高，最终会抑制其生长。沉水植物种植密度越合理，越有利于改善水质。湿生植物与其他处理技术相结合可能是一种去除有机物和养分的可行方案。

基本营养物质如氮、磷和钾的相对可利用性与湿地植被物种组成有关，与湿地植被物种组成的变化有关机制仍不清晰，与氮磷比和养分供应水平下混合生长的植物种类组成，湿地植物吸收能力不同，这一机制也不清楚。植物之间根重比、地上总生物量的相对贡献差异与种间生物量氮和磷浓度的差异无关，植物之间氮和磷吸收速率有差异，这可能是由于根系生物量分配的差异造成的。氮磷供应比的影响应始终在总养分供应的不同水平上进行研究，因为这2个因素是相互作用的[56]。植物作为生态系统的一部分，其进行有机质生产和根区氧释放是影响养分转化和固存的关键因素[57]。

4 展望

4.1 乡土湿地植物的应用

面对外来植物处理富营养水体带来的一系列影响，研究本地种和外来种的研究具有重要意义。考虑到不同植物净化效果的差异性，在排除外来入侵物种的前提下，找到我国富营养化水体净化的最优乡土植物具有重要现实意义和工程价值。

4.2 多种湿地形式结合 我国湿地湖泊众多，湿地的立地条件各不相同，水质污染情况各不相同，在富营养化的基础上叠加了其他影响因素，因此，构建湿地以及植物浮岛等植物修复工程要多方面考虑，以达到最优的效果。

4.3 构建稳健生态系统的时机

修复水体最终的目的是恢复稳定的生态系统，因此在水质达到修复目标后，合适开展构建稳定生态群落，进而形成稳定的生态系统，是值得研究的问题。

4.4 人工维护和监督

植物修复在前期或者在任何一个发展阶段需要什么样的维护措施，需要在法律层面进行界定，否则一边修复一边退化，水质改善成为恶性循环，造成更大的浪费。

4.5 吸收机理研究

植物对富营养化水体修复主要是植物生长需要大量的氮磷等元素，从而移去水生生态系统的营养物质，降低水体中的氮、磷含量，减轻水体富营养化程度。植物吸收的氮、磷过程中是否需要其他条件，微生物是如何具体参与氮磷吸收过程的这类研究较少。

5 小结

湿地植物的筛选，首先要考虑本地区存在的优势物种，具有抗寒抗冻且不易感染病虫害的物种，其次是吸收氮磷能力强的物种。根据不同水体类型构建合适的湿地或浮床，开展模型预测等多学科研究。

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