磷的环境效应及水生植物修复技术研究进展

2009-11-29秦巧燕朱建强

长江大学学报(自科版) 2009年11期

关键词：沉水植物富营养化水体

秦巧燕，朱建强

(长江大学农学院，湖北荆州 434025)

磷的环境效应及水生植物修复技术研究进展

秦巧燕，朱建强

(长江大学农学院，湖北荆州 434025)

分析了水中磷的来源、形态及环境效应，综述了水生植物对富营养化水体中磷的修复技术，展望了该技术的发展前景。

富营养化；限磷；水生植物；修复技术

1 磷的环境效应

磷在自然界的循环是人们极为关注的问题，这是因为磷一方面是生态系统中必不可少的营养元素，另一方面过剩的磷会导致水域的富营养化，使生态平衡遭到破坏，从而影响水资源的利用，给饮用、工农业供水、水产养殖、旅游以及水上运输等带来巨大损失，并对人体健康构成危害[1]。一般认为，当水体中总磷超过0.02 mg/L，无机氮为0.3 mg/L 以上时，即可认为水体处于富营养化[2]。水体出现富营养化现象时，由于浮游生物大量繁殖，往往使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河湖泊中叫水华(水花)，在海洋中称赤潮。2008年，我国湖泊(水库)富营养化问题突出，太湖、滇池、巢湖等大型湖泊及东湖和西湖等城市内湖均处于富营养化状态[3]。富营养化是湖泊等天然水体面临的最为严重的环境问题之一，而总磷浓度是限制浮游藻类生长的最重要因素，限磷可有效控制富营养化。挺水植物、沉水植物、浮水植物等水生植物都能有效吸收水体中的磷，有效降低水体的富营养化水平。

最新研究结果表明[4～8]：湖泊富营养化的主因是磷而不是碳和氮,只需限磷即可使富营养湖泊得以恢复。无论总氮浓度是高还是低,总磷浓度都是限制浮游藻类生长的最重要因素,在野外条件下藻类总量决定于总磷而不是总氮，其研究结果得到北美长期全湖实验的证实。

2 水体中磷的来源

天然水体中磷的含量很低，水体中磷的来源主要有以下5个方面:

(1) 地表径流与土地的侵蚀对水田磷素的迁移研究表明[9～11]，地表径流是水中磷的主要来源。我国水土流失的面积已达国土总面积的38%，每年流失的土壤有50亿t。小区和大田试验结果表明，来自水田的总磷负荷略高于旱田(总磷负荷量：来自水田1.65～2.37 kg/hm2，旱地1.54～2.21 kg/hm2)。

(2) 农业排水作物对磷肥的利用率很低，通常情况下当季作物利用率只有5%～15%，加上后效一般也不超过25%，所以占施肥总量75%～90%的磷滞留在土壤中。由于磷素投入量高于其带出量，农田生态系统中的磷素盈余使得土壤中的总磷和有效磷水平不断上升。在肥料过量施用的情况下，农业排水是导致水体富营养化的重要磷素来源，甚至是重要的污染源。稻区田间高水平磷肥投入促进了土壤富磷化，增大了磷素流失风险[12]。

(3) 底泥释放的磷由于磷化合物的溶解性差，大部分磷化合物进入水体后就转入水体的底泥中。进入沉积物的磷不只是简单堆积，随着氧化还原等环境条件的改变，沉积磷相应地要发生一系列变化。进入沉积物-水界面的磷，由于有机质的矿化分解，以溶解态形式进入沉积物间隙水中，进而通过扩散作用到上覆水体重新参加循环[13]。

(4) 城市污水生活污水、粪便、合成洗涤剂和食物污物都含有大量的磷。据估算我国人均体内排出的磷为1 g/d左右。

(5) 工业污染源食品加工企业、化肥生产企业等工业废水中都含有大量的磷，当这些工业废水不加处理或处理不充分时，都将导致大量的磷化合物进入水体。

3 水中磷的形态及循环

图1 水中磷的循环Figure 1 The cycle of phosphorus in water

4 水生高等植物修复技术

水生植物生长过程需要吸收大量氮、磷作为营养物质合成自身物质，利用植物的这一生理生化特性，在富营养化水体中有选择地种植一些植物，能够有效地吸收水体中的氮、磷元素，减轻水体的富营养化程度，实现对水体的原位修复，还能在一定阶段收获植物作为饲料，获得一定的经济效益。近年来，国内外研究了多种水生植物对氮磷营养物质的去除效果，结果表明：挺水植物、沉水植物、浮水植物都能有效吸收水体中的氮、磷，降低水体的富营养化水平。

4.1 沉水植物的修复技术

沉水植物的根或根状茎生于水底泥中，茎、叶全部沉没于水中，仅在开花时花露出水面。它们的根有时不发达或退化，植物体的各部分都可吸收水分和养料，通气组织特别发达，有利于在水中缺乏空气的情况下进行气体交换。这类植物的叶子大多为带状或丝状，如苦草(Vallisneria)、金鱼藻(Ceratophyllum)、狐尾藻(Myriophyllum)、黑藻(Hydrilla)等。沉水植物的根能吸收水底泥中的N、P，茎和叶能吸收水体中的N、P，比其他水生植物具有更强的富集N、P的能力。菹草(PotamogetoncrispusLinn.)、苦草、狐尾藻、金鱼藻、篦齿眼子菜(Potamogetonpectinatus)、微齿眼子菜(PotamogetonmaackianusA. Bennett)、轮藻(Charophyta)、伊乐藻(Elodeacanadensis)等8种沉水植物对磷的去除速率与水体总磷(TP)浓度呈显著正相关;随着停留时间的延长，水体中剩余TP浓度呈负指数形式衰减;伊乐藻、菹草、苦草等具有较高的去除能力[15]。伊乐藻、金鱼藻、苦草、菹草(PotamogetoncrispusL.)、马来眼子菜(PotamogetonmalainusMiq)等常见沉水植物对太湖水体中的磷均有一定去除能力，菹草对总磷的去除能力最强，金鱼藻次之。由菹草自身发挥的去除总磷的效率为93.11 μg/(d·g鲜重),分别是苦草和伊乐藻的1.7和1.8倍；不同植物对总溶解态磷的去除表现出与去除总磷能力相似的规律，由金鱼藻自身发挥的去除总溶解态磷的效率最高，为42.02 μg/(d·g鲜重)，略强于菹草，是伊乐藻的2.0倍，苦草的2.2倍[16]。在富营养浅水湖泊(武汉东湖)中建立大型试验围隔系统，沉水植物重建后水体N、P营养水平明显降低；试验期间，季节性波动远低于对照围隔水和大湖水体[17]；沉水植物生长过程使水体的pH、Eh以及藻类含量的变化，使铁磷、有机磷等主要化学形态磷的释放得到明显的控制，同时沉水植物的生长使沉积物中总磷水平也有明显的降低。所以恢复沉水植物是控制湖泊内源磷负荷的有效方式[18]。沉水植物不仅可以吸收富营养化湖水中的磷，亦可抑止沉积物和上覆水中的碱性磷酸酶活性(APA)，并可抑止沉积物的再悬浮，使上覆水中各形态磷浓度均保持在较低的水平，对于控制内源磷释放有抑止作用[19，20]。

比较不同季节富营养化水体的优势种群的去磷效果，可以筛选出分别适合在夏秋季(较高温季节)和冬春季(较低温季节)用来进行富营养化水体植物生态修复工程的高效除磷植物材料，以达到常年保持高效净化水质之目的。高镜清等采用人工模拟方法，选取武汉市东湖的春季优势种金鱼藻、伊乐藻和菹草，夏季优势种类金鱼藻、狐尾藻和苦草，在春夏两个季节分别对东湖重度富营养化水体磷的去除效果进行了比较研究。结果表明，金鱼藻在春夏季节表现出较好的生长和净化水体磷的能力，且其耐污能力强，有可能成为以东湖为代表的重度富营养浅水湖区植物修复的先锋种之一[21]。

4.2 漂浮植物修复技术

漂浮植物又称完全漂浮植物，是根不着生在底泥中，整个植物体漂浮在水面上的一类浮水植物。这类植物的根通常不发达，体内具有发达的通气组织，或具有膨大的叶柄(气囊)，以保证与大气进行气体交换。如槐叶萍(Salviniacae)、浮萍(LemnaminorLinn.)、凤眼莲(Eichhirniacrasslpes)等。不同的漂浮植物在特定的水质条件下对营养盐的去除差异很大。凤眼莲是公认的去除氮磷效果最佳的植物[22,23]。大漂(PistiastratiotesLinn.)、凤眼莲、紫萍(Spirodelapolyrrhiza(L.) Schleid.)等3种漂浮植物对去除富营养化水体中的全N和全P、增加水体中的溶解氧有明显效果，且能有效抑制藻类生长，处理效果大漂gt;凤眼莲gt;紫萍。大漂和凤眼莲均具有较强的环境适应能力，但大漂生长繁殖较易控制，且对富营养化水体治理效果佳和改善水质，有综合利用价值[24]。软隔离小区试验结果表明凤眼莲、黄花水龙(JussiaenrepensL.)、空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.)、水鳖(Hydrocharisdubia(Bl.) Backer.)和四角菱(TrapaquadrispinosaRoxb.) 5种不同漂浮植物对富营养化景观水体都有较好的净化效果，且易于成活，容易管理，其中凤眼莲、黄花水龙处理围区的水质净化效果最好，对总磷的去除率超过50%；水鳖、四角菱、空心莲子草对总磷的去除率分别为45%、 31%和22%。漂浮植物的生长在一定程度上还可以减缓由于底泥释放磷引起水体中磷含量升高的影响，尤其以凤眼莲的处理效果最好[25]。大漂和冬牧70(SecalecerealeL.)分别是夏秋季和冬春季对富营养化水体中的P素及其他污染物去除效果最好的植物材料。大漂、冬牧70、矮秆美人蕉(Cannaflaccida)、串叶松香草(Silphiumperfoliatum)等比较适合修复高磷(0.50 mg/L)污染水体；水鳖、多花黑麦草(LoliummultflorumLam.)比较适合生长于低磷水体中，除磷效果较差[26]。

4.3 挺水植物修复技术

挺水植物即植物的根、根茎生长在水的底泥之中，茎、叶挺出水面。常分布于0～1.5 m的浅水处，其中有的种类生长于潮湿的岸边。这类植物在空气中的部分，具有陆生植物的特征；生长在水中的部分(根或地下茎)，具有水生植物的特征。常见有芦苇(Phragmitesaustralis)、蒲草(Typhaangustifolia)、荸荠(Eleocharistuberosa)、水芹(Oenanthejavanica(Blume) DC.)、茭白(Zizanialatifolia)、莲(Nelumbonucifera)、石菖蒲(Acorusgraminei)等。石菖蒲能增加水体的溶解氧，对氮磷的富集能力很强，且富集系数随培养时间的延长有增加的趋势[27]。孙瑞莲通过室外盆栽实验，研究了8种挺水植物在不同水力停留时间对污染水体的净化效果，结果表明各实验植物对TP的去除率随水力停留时间的延长而增加。茭白和宽叶香蒲TP去除性能较好，其TP去除率分别提高10.8%和11.2%，其余6种植物的TP去除率与对照之间均无显著差异[28]。在天然沟渠湿地中自然生长着芦苇、茭草等挺水植物，每年秋季芦苇和茭草地上部分收割以后，可带走103.6 kg/hm2和28.9 kg/hm2的P；芦苇收割2个月以后，收割区0～20 cm深度底泥中的TP含量明显低于未收割区，即收割减轻了湿地TP的污染；但由于芦苇和茭草的利用价值低，农民不会主动回收，植物残株在冬季死亡后，地上部分发生分解，造成水体和表层底泥中污染物含量上升；茭白对N、P吸收能力高，地上部分组织中的P含量为1.90 mg/L，通过人为种植茭白取代自然生长的芦苇和茭草，可有效吸收沟渠湿地底泥中富集的N、P营养物质，既可减轻河流和湖泊的富营养化，秋季收获的茭白可为当地农民带来可观的收益[29]。

4.4 发展趋势

将不同物种进行合理搭配，去磷效果明显。除利用水生植物外还可以根据当地的实际来选用生长速率快，经济价值高的经济作物净化富营养化水体[30]。将经济植物进行合理搭配做成植物浮床，以净化水质。宋样甫等[31]进行的浮床水稻(Oryzasativa)试验表明，水稻在富营养化水体表面生长、发育良好，同时对水体中氮、磷营养物质有显著的去除效果。以植物-微生物为基础的原位生物修复体系不但可以降低水体中的营养盐水平，而且还同步实现生态系统结构的改善与经济效益的获得。因此，应用营养生态学理论，利用高等植物实现污染物的资源化，同时借助固定化接种微生物的使用可以强化营养物质的循环和转化。

水生动植物镶嵌搭配，设计合理的空间布局和生物量同时适度控制大漂的覆盖度，利用大漂、苦草和鲢鱼构建生态系统的方式可有效控制三峡库区库湾的水体富营养化。含大漂的试验池对TP的去除效果较好，到试验结束时大漂池和大漂-苦草-鲢鱼池对TP的去除率分别达到了98.81%和97.55%[32]。

5 小结

水生植物在生长期间可以增加水体中的氧气含量，抑制有害藻类繁殖，遏制底泥营养盐向水中的再释放，有利于水体的生物平衡；有些水生植物还可以食用，如莲藕、菱角，水芹，豆瓣菜，水蕹菜等。与其他物理、化学及工程的方法相比，利用水生植物来吸收水体中的磷，不仅可以控制水体富营养化，而且具有成本低、能耗小、治理效果好，对环境污染小，有利于资源化，有利于整体生态环境的改善等优点。但是，水生植物的生长易受季节的影响, 在不同的季节需选育不同的植物种类，且要注意在植物生物量最高时需及时收获，将其移出水体。目前环保投入有限，而环境污染和生态破坏严重，种植水生植物是一项既行之有效又保护生态环境的实现水体原位修复的有效途径。

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2009-09-10

湖北省教育厅资助项目(Z200712002)

秦巧燕(1972-)，女，山西绛县人，农学硕士，副教授，主要研究方向为农业环境保护.