宋梦廷 刘睿 陈芳
(1. 东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110819;2. 东北大学秦皇岛分校资源与材料学院,河北秦皇岛 066004;3. 云南大学生态与环境学院高原湖泊生态与污染治理研究院,云南昆明 650500)
水体、植物资源与人类共存于地球,与人类日常生活息息相关,具有维持生态系统平衡稳定、休闲娱乐等服务功能。随着经济快速发展,越来越多的地区流域水生态系统失调,水体富营养化加重。联合国环境规划署报告显示,全球30%~40%的地表水体发生不同程度的富营养化现象[1]。2020 年《中国生态环境状况公报》显示[2],我国110 个重要湖泊流域中,处于富营养化状态的湖泊占比29%。虽然在近几十年里持续对富营养化的流域水体治理修复,但富营养化现象依旧频繁发生,水体富营养化成为水环境治理中的一大挑战。
流域的水陆交错带是连接水体生态系统与陆地生态系统的核心枢纽[3],作为“过滤器”和“净化器”,是保护流域水体的最后一道天然绿色屏障,具有改善流域水体水质质量、稳定岸坡基底拦截外源污染物、促进流域生态平衡稳定等作用。一些地区的城镇化快速发展,使水陆交错带生态退化,植物多样性降低,净化、拦截功能丧失,导致大量含氮磷营养物通过径流进入水环境,此外,流域生态环境具有脆弱性,一经破坏就难以恢复至平衡稳定状态。改善富营养状况是保护流域水体的首要步骤,从流域生态整体性出发,建立完整流域植物群落体系。尤其是流域的水陆交错带作为最后的保护屏障,急需筛选建立净化、拦截效果较好,对环境适应性强的植物群落体系,来应对水体中污染物种类多、污染浓度大以及环境胁迫影响等问题[4]。
本文主要从植物筛选、应用净化效果等方面,对流域富营养化水体中氮磷污染修复植物筛选及效能研究进行综述,并对当前存在的问题进行探讨,对未来的发展方向进行展望,以期为水陆交错带植物筛选体系在富营养化水体治理中的应用提供借鉴与参考。
水陆交错带(见图1)涵盖陆向辐射带、水位变幅带以及水向辐射带[3],植物种类丰富度较广,包含乔木、灌木、草本和水生植物[5]。
图1 水陆交错带植物群落示意
当前关于高效氮磷净化植物筛选方式主要是植物组合搭配净化水体实验,对比不同植物及组合对氮磷削减能力,期望筛选出净化效果好的特异性植物[6]。随着高效净化富营养化水体植物研究的加深,关于植物筛选不再片面偏向于植物组合配比对水体净化效果的研究,逐渐从淹浸/干旱、盐碱地、污染物浓度等方面筛选植物,探究植物在环境胁迫下自身响应以及净化效果。此外,植物是否是土著物种、对不同区域的季节适应性等也纳入筛选指标,逐渐全方位完善植物筛选方法体系。表1 为各种筛选方式获取的植物。
表1 不同筛选方式下获得的优异植物
2.2.1 组合搭配方式筛选研究
植物组合搭配是目前关于高效净化植物筛选的主要方向,包括植物单一净化或植物组合搭配净化实验,以氮磷去除率作为评价指标,对比择优筛选出净化效果较好的植物。Zhao 等[7]对比南荻、芒、茭白、再力花、香根草、菖蒲对富营养化水体氮磷的削减效果,得到芒对TN,TP 去除率分别为59.9%和91.5%,作用效果均高于其余5 种植物。Sudiarto 等[8]探究水葫芦、大薸、水鬼花、浮萍对水体氮磷的削减效果,结果表明,大薸对TN 去除率最高,为63.15%,浮萍对TP 去除率最高,为36.15%。杨帆等[9]在早熟禾、紫羊茅、白花三叶草拦截地表水体径流氮磷研究中,得到三者对TN 去除率为10.79%~27.51%,对TP 去除率为10.60%~25.81%,TN,TP 拦截效果最佳的分别为白花三叶草、早熟禾。通过对比不同植物氮磷净化效果虽能筛选出高效特异性植物,但净水效果差异大,同一植物可能对水体氮磷某一项指标去除效果较好,而对其他指标去除效果相对较差,由此可见,单一植物吸收氮磷能力受到一定限制[10]。仅从单一植物净水效果筛选特异性植物相对片面,需要从其他方面对植物筛选进行补充评价。
与单一植物相比,多种植物组合可弥补生态位不足,种群间优势互补,减少了不利因素的影响,达到更理想的净化效果。相关研究表明[11],相比单一植物净化效果,多种植物组合搭配有利于构建稳定的植物群落,促进流域生态恢复,改善水体质量。Xu 等[10]选用8 种植物构建3 类植物组合探究对水体的氮磷净化效果,得到苦草+水龙+鸭舌草+三白草对TN 去除率为79.10%,削减效果优于苦草+雍菜+菖蒲+香蒲、苦草+香蒲+水龙+萤蔺组合;苦草+香蒲+水龙+萤蔺对TP 去除率为91.96%,削减效果优于苦草+雍菜+菖蒲+香蒲、苦草+水龙+鸭舌草+三白草组合。洪瑜等[12]以芦苇、香蒲、慈姑、茭白、睡莲探讨植物组合对氮磷的净化效果,得到香蒲+芦苇+睡莲对TN,TP 去除率分别为79.19%和68.65%,且作用效果均高于其余植物组合。Rodriguez 等[13]探究不同植物组合是否优于单一植物作用效果,发现芦苇+虉草对TN,NH4+-N 削减效果介于芦苇和虉草单一植物之间,虉草对NO3--N 削减效果最好,这与有些研究认为植物组合更有效净化水体氮磷结论相反。从宏观角度来看,该现象是植物间的种类搭配、数量配比不同而导致;从微观角度来看,是植物分泌信号物质,产生植物化感作用、化学通讯识别、植物亲属识别、根系化学识别和行为模式等一系列植物种间或种内化学作用,使植物间发生相互抑制[14]。
目前通过单一植物净水实验筛选削减效果较好的特异性植物研究较多,其中绝大部分都是对于熟知的植物进行研究筛选,缺少对新物种的筛选驯化。植物组合筛选主要以氮磷削减效果来评价,缺少植物相互作用机理方面的探究。由于植物种间或种内作用会限制植物组合对氮磷的削减能力,今后研究中可通过代谢组学等方式研究植物分泌的信号物质阐述种间关系,为植物组合配比提供依据,以期筛选出优异的植物。
2.2.2 环境胁迫方式筛选研究
在实际环境应用中的植物易受不同程度干旱/淹浸、盐碱地、污染浓度[15]等多种因素胁迫侵害,于植物体内产生氧自由基发生氧化应激并对植物产生毒理作用,使得生理代谢错综复杂影响到光合作用、生长发育等,影响到水陆交错带植物群落结构稳定性、物种多样性,导致流域生态环境不能良性循环发展[16]。Chl,MDA,Pro,SOD 等[15]生理指标与植物抗逆性有直接关联,这些指标能反映出植物在逆境环境下受损程度或自我保护能力。在逆境胁迫中对比不同植物的生理反应,揭示其对胁迫的适应机制以及耐性,有助于筛选出对环境适应性强、净化水质优异的特异性植物[17]。刘文竹等[18]通过耐盐胁迫评价得到6 种植物的耐盐性为:小茨藻>篦齿眼子菜>金鱼藻>苦草>轮叶黑藻>穗花狐尾藻,在0~15‰盐度内小茨藻耐盐性最高为15‰,其Chla/b,Pro 含量均维持稳定状态,正常生理反应受胁迫侵害低。Chen等[15]研究川蔓藻在单一盐胁迫与盐碱复合条件之间的差异,发现盐度和碱度(pH)值的增加导致Chl含量骤减,Pro,MDA 含量剧增。盐度从0 增至9‰,pH 为7,9 时,Chl 含量分别降低4.2%,36.7%,说明高盐碱对植物生理产生侵害。TN,TP 的削减效果亦呈现相同趋势,盐度为6‰,pH 为7,9 时,TN 的去除率分别为0.094,0.059 mg/(g·d)。盐度为12‰时,pH为8,9 时,TP 去除率分别降低到0.009,0.005 mg/(g·d)。胡茜靥等[16]研究水位梯度对6 种水生植物的生理影响,对Chl,MDA,SOD 指标综合分析得到泽苔草适应任何水位梯度胁迫,花菖蒲、黄花鸢尾和美人蕉、再力花、水葱分别只对低水位和高水位抗逆性强。吴慎独等[19]研究表明,鸢尾在低水位对TP,NH4+-N 去除率均在80%以上,且去除率明显高于高水位。
氮磷是植物生长发育必需的核心营养元素,通过植物作用削减水体中氮磷污染源是控制水体富营养化的重要途径[20]。相关研究[21]表明,高浓度氮磷污染物会破坏植物可溶性碳水化合物和游离氨基酸的代谢平衡,抑制其生长甚至导致死亡。Xiao 等[22]研究污染物浓度梯度对千屈菜、睡莲、苦草生理反应和修复效率的综合影响,发现除Chl 外,MDA,SOD等含量变化与污染物浓度正相关。随浓度梯度增加,MDA 含量持续升高发生氧化应激,诱导抗氧化酶反应抵消植物体内活性氧自由基侵害。TN,TP 去除率在一定浓度范围内升高,但也受到高浓度水平的抑制。综合考虑生理反应和污染物去除率,适合植物修复TN,TP 浓度水平分别在15.0,3.5 mg/L 以内,相关最大去除率分别为76.0%,77.4%。表明污染物浓度过高导致植物适应性生理调节受到抑制,从而导致植物衰退和净化效率降低。关于植物对不同污染物浓度梯度适应性的研究,除植物对不同污染物浓度梯度胁迫响应外,还可以采用吸收动力学方式,通过米氏方程得到离子吸收动力学参数Imax,Km[23],通过对氮磷吸收能力和亲和能力来评估植物适应的浓度范围。Li 等[24]对狐尾藻、凤眼莲、喜旱莲子草进行吸收动力学分析,得到狐尾藻、凤眼莲、喜旱莲子草对于NH4+-N 的Imax分别为(37.7±9.2),(32.9±2.6),(11.12±0.3)mg/(g·DW·h);Km分别为(841.9±117.1),(873.7±86.1),(238.5±17.7)mg/L。与狐尾藻、凤眼莲对比,喜旱莲子草对NH4+-N 的Imax,Km值显著较低,且对NH4+-N 的吸收能力随着被处理废水中NH4+-N浓度的增加显著降低。此外,3 种植物对硝氮、磷酸盐的Imax,Km与氨氮结果类似,表明喜旱莲子草不太适合处理高浓度氮磷废水。
研究环境对植物胁迫的生理反应,有利于构建完善的高效植物筛选体系,有助于获取环境适应性广、净化能力强的特异性植物,为实际工程治理提供有利依据。不同区域的流域环境复杂,水体或者近岸除滞留典型污染物重金属、有机物以外,也存在新型污染物,如微塑料(MPs)、药品及个人护肤品(PPCPs)、新型阻燃剂(OPFRs)等的汇入[25],研究表明,MPs[26]、双酚A[27]等可以改变土壤的结构和性质以及植物的性能,诱导植物生态毒性和遗传毒性等,导致植物功能代谢机制受损甚至消亡,难以发挥该有的净化作用以及经济、景观等价值。到目前为止,缺乏关于新型污染物对植物影响的系统评价信息。随着多学科交叉互融发展,功能性材料广泛应用于环境治理中,水陆交错带、人工湿地构建中,应用功能性材料可改善土壤基质加强其对污染物净化效果[28],但其同时会释放毒害物质对植物产生胁迫影响,导致植物吸收氮磷能力减弱[29]。未来需要加强典型污染物、新型污染物以及混合污染物和功能性材料对植物胁迫响应机理、氮磷削减效能影响的探究。
2.2.3 其他方式筛选研究
筛选流域富营养化水体治理效果优异的特异性植物,不仅需要适应恶劣因素胁迫,对氮磷吸收能力强,还需要考虑区域性差异,是否能适应不同区域气候条件,是否为外来物种会对生态系统产生危害。植物修复是一个迟缓的进程,气候、季节条件可能会影响到植物的生理生化反应,冬季温度极低时容易枯萎并进入休眠状态,对污染物净化效能降低。因此为适应不同地区气候差异,选择适应冬季低温和植物休眠期较短的物种尤为重要[30]。淡水流域已被确定为极易受到入侵物种的影响,物种入侵导致土著物种的生态位、资源被掠夺,群落结构稳定性和物种多样性失调。不过研究表明[31]外来物种有较强的适应性、耐污性和高效吸收净化能力,在流域水体治理中能有效利用水体氮磷营养盐限制藻类生长,降低水体富营养化程度。物种入侵既是严峻挑战也是潜在机遇,对外来物种筛选应用于流域治理需慎重考虑,如何将外来物种转变为一种宝贵资源需要进一步研究。此外,还可以从植物根系发达程度、根系泌氧能力、植物分泌化感物质、抗风浪侵蚀及抑制沉积物悬浮能力、是否多年生植物、生物量大小、经济利用、生态景观角度等[32]进行辅助筛选,既能有效治理环境,又能实现资源循环发展,同时美化环境。
构建完善的水陆交错带植物体系在流域水生态系统中占有重要的生态地位。作为一种能耗低、效果好的新技术,以流域生态整体性作为出发点,依靠陆向辐射带、水位变幅带以及水向辐射带植物体系,巩固岸坡拦截滞留外污染源,降解吸收内污染源,不断改善生境,促进流域绿色生态恢复。
陆向辐射带区域主要配置陆生植物和湿生植物,形成乔、灌、草单一或复合结构体系,改善地表径流、渗流的外污染源拦截滞留能力,减少面源污染物向水体扩散,缓解流域水体容纳污染物的环境承载力。研究中也发现,构建应用的陆向辐射带植被体系氮磷处理能力受到植被带类型[33]、种植密度[34]、宽度及坡度[35]的影响,且限制因素与部分植物筛选方式相吻合。Aguiar 等[33]调查不同地点的乔、灌、草缓冲带对氮磷的净化效果,发现不同宽度、类型植被带对污染物削减效果存在差异。60 m 的植被带中,乔木植被带对氮磷去除率为100%,灌木植被带对氮去除率为83%、对磷去除率为66%,草本缓冲带对氮去除率为61%、对磷去除率为53%。随着乔、灌、草缓冲带宽度的缩减,氮磷削减能力也均逐渐下降,且乔木植被带对氮磷吸收能力优于灌木、草本植被带。Lv等[34]也发现随植被带宽度扩大,径流中TN 浓度降低,且宽15 m 时净化效果最好,去除率达65.08%,宽度大于15 m 时,TN 去除趋势逐渐趋于平缓乃至下降。3 种不同植被类型对TN 削减效果依次为混交林>杨树林>中山杉林,混交林的TN 去除效率为65.57%。此外,还得到不同种植密度影响污染物削减效果,与其他种植密度对比,1 000 茎/hm2具有更高除氮能力,TN 去除效率为62.67%。Wu 等[35]研究中同样发现植被类型对氮磷削减有影响,得到狗牙根缓冲带比茅草、三叶草对TN,TP 削减效果好,去除率分别为45.7%,43.4%。研究还发现较陡的缓冲坡度会导致较低的污染物削减效果,2%梯度的斜坡缓冲带的TN,NH4+-N,TP 去除率最高,比5%梯度的高15%。
水位变幅带及水向辐射带区域主要是水生植物生存空间,涵盖挺水、浮水、沉水植物体系,对内污染源降解吸收和抑制沉积物、间隙水中的氮磷源向上覆水释放,并分泌化感物质抑制藻类活性。陶燕东等[36]通过构建苦草、伊乐藻、龙须眼子菜沉水植物群落修复滴水湖外围河道,工程实施后植物覆盖率达到85%,TN,TP 去除率均为43.86%,水体富营养化指数降低19.31%。王璨等[37]在太湖流域构建湖滨带植被恢复工程,其中贡湖湾2.32 km2示范区水生植物覆盖度高达57%,氮磷污染负荷去除率均高于60%,水质由劣Ⅴ类提升至Ⅲ~Ⅳ类水质量标准,植被恢复与生境改善效果显著[38]。苏小妹等[39]对松雅湖治理采用水生植物恢复措施,与未修复区对比,示范区内水体TP 去除率高达70%以上,修复后水域水质符合Ⅲ类地表水要求。通常认为水生植物对流域水体富营养化治理起到正反馈作用,不会产生不利影响。但也有研究表明[40],水生植物对流域生态发挥正反馈的同时也在产生负反馈,影响到植物对氮磷的净化效果,只不过行为相对缓慢。在水文、气候等因素影响下会加速植物体消亡再次释放氮磷污染物,使得植物负反馈强于正反馈,导致流域转变成藻型富营养化水体。所以构建水生植物群落进行环境治理时,一方面需要考虑多因素变化,根据植物耐污能力,对气候条件、水位波动适应性等合理配置构建;另一方面要完善修复后管理体系,定时收割植物,或采用生物操纵技术,依靠食物链、食物网机制,防止植物群落消亡产生负反馈作用。
植物修复在流域富营养化水体中占据重要地位,是维护流域生态系统稳定的核心关键。为应对复杂多变的流域生态环境,防止流域植物群落退化,降低水体富营养化程度,亟须筛选构建适应强、净化效果好的水陆交错带植物体系。关于植物筛选研究主要集中在通过单一、组合植物净水实验,对比氮磷污染物去除率优筛优异植物,且许多研究只是对于熟知的植物进行研究筛选,缺少植物组合间的相互作用机理方面探究。关于植物对不利因素胁迫响应的研究相对较少,仅在干旱/淹浸、盐碱地、氮磷污染浓度梯度对植物胁迫侵害方面探讨。另外,将植物根系发达程度、根系泌氧能力、植物分泌化感物质、抗风浪侵蚀及抑制沉积物悬浮能力、是否多年生植物、生物量大小、经济利用、生态景观等纳入筛选指标,可辅助完善植物筛选与评价。在流域生态富营养化水体治理研究中,植物修复技术应用与场地示范已取得显著成效,不过仅从单一区域植被构建治理水体污染过于片面。
未来需要加强对流域中的野生新物种的筛选驯化研究,并建立特异性植物物种库。通过代谢组学等方式加深植物种间或者种内关系探讨,为筛选净化能力优异的植物、合理配置植物群落提供依据。
还需要深入研究植物在复杂多变环境下的胁迫响应,加强典型污染物对植物胁迫侵害的研究,更要探明新型污染物以及多种典型、新型污染物混合交叉对植物的侵害影响,完善典型和新型污染物对植物影响的系统评价信息,弥补植物组合配比筛选的片面性,构建完善高效的植物筛选体系,获取环境适应性广、净化能力强的特异性植物。
此外,材料领域交叉互融应用于环境治理,需要加强功能性材料对植物胁迫机理的探究。流域水体富营养化治理不仅仅是削减内源负荷,更需要内外结合。需要从流域生态整体性角度构建完善植被带体系,发挥外拦内减作用,降低水体富营养化程度,恢复流域生态平衡。