湿地植物对农业面源磷污染净化作用的研究进展

宋玉芝　张艳娜　黄晓峰等

摘要：随着全球水环境问题的加剧，对湿地生态功能的认识程度在不断加深。农田磷的流失在水体污染中占有重要的地位，是引起水体富营养化的重要原因，磷是植物生长所必需的元素，湿地植物对营养物质的截留功能倍受关注。笔者就湿地植物对农业面源污染物磷的去除及去除机理，以及影响去除效果的主要因子等方面的国内外研究进行回顾和总结，明确湿地植物种类及其组合对农业面源磷负荷截流的重要性以及有关湿地植物未来的研究方向，为农业面源污染控制和水体富营养化污染管理提供思路。

关键词：湿地植物；农业面源；磷污染；净化作用

中图分类号： X71 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0005-04

收稿日期：2013-10-09

基金项目：国家科技重大专项（编号：2012ZX07101-013-02）；国家自然科学基金（编号：41071341）。

作者简介：宋玉芝（1970—），女，河南信阳人，副教授，主要从事水体富营养化方面的研究。E-mail：syz70@nuist.edu.cn。农业面源污染物中的磷素是水体富营养化的主要限制性因子之一[1-2]，农田流失的养分随地表径流或农田退水进入受纳水体，导致下游水体富营养化，使水环境质量保护面临巨大的挑战[3]。湿地是陆地和水体之间的一个过渡带，它在汇集、转化各种营养物质和废弃物方面具有其他系统不可替代的重要作用 。农田径流经由湿地，有利于径流水体水质的改善[4]。湿地对磷素的净化作用通过基质的吸附和沉淀、植物吸收、微生物固定等作用来实现[5]。植物是湿地系统重要的组成部分，在湿地对营养物质的截留功能中起着重要的作用[6]。植物存在与否对磷去除率的影响很大，种植植物的湿地系统对磷的去除率高于无植物湿地系统[6-8]。湿地植物不仅通过吸收作用直接去除湿地磷，湿地植物还能通过影响土壤理化性质及微生物种类及数量等从而间接影响湿地磷的去除，而湿地生境中氮和磷含量的改变导致物种间竞争能力和对环境胁迫适应能力的变化，进而引发植物群落的改变，导致湿地生态系统结构和功能的变化[9-11]。湿地中植物及湿地磷循环关系越来越多地受到相关学者关注。湿地及湿地植物用在处理生活污水、养殖水、污染湖泊及河流水、景观水、污水处理厂的尾水、复合废水、工业废水都有相关报道，在生活污水及工业污水处理方面研究较多，而将其作为净化农业面源磷污染及富营养化水体磷污染的研究还处在起步阶段[12-13]，针对已有的关于湿地植物对净化磷的研究进行回顾和总结。阐述湿地植物对磷污染的净化机理及影响因素，探讨湿地植物种类及组合对磷污染控制的重要性，以期为农业面源污染控制和水体富营养化污染管理提供理论依据。

1湿地植物对湿地磷的去除效应

湿地植物是湿地生态系统中重要的组成部分，在湿地生态系统对磷去除率中占据重要的位置[6-7，14-15]。已有研究表明，植物湿地系统春夏季磷的平均去除率在60%以上，即使在冬季也能达到40%以上，出水水质稳定，而无植物湿地系统磷的去除率仅为28%[7]；Cui等在垂直流人工湿地系统的研究表明，风车草的生物量每增加1 000 g，其地上部分TP积累量增加4.9 g[14]；宋英伟等通过人工湿地试验表明，人工湿地种植植物后对总氮（TN）、总磷（TP）的去除率比无植物状态时分别提高13.6%和19.5%[15]。彭婉婷等研究表明，有植物湿地相对于无植物的湿地其最大净化率提高了4373%[6]。农业面源污水具有污染物浓度较低、成分复杂等特点[16]，而湿地植物在处理轻度富营养化水的人工湿地中，植物吸收对磷的去除起主要作用，植物平均磷积累量对去除水中磷的贡献率为510%[17]。农业面源污染径流水经过湿地植物的同化吸收、富集等作用从而减轻下游受纳水体的磷污染负荷。不同植物类型的湿地对水体磷的去除效果存在差异，与湿地植物去除磷的机制密切相关。

2湿地植物对水体磷素去除机理

2.1直接吸收作用

磷是植物生长所必需的营养元素，湿地植物通过根系、茎以及叶直接吸收水中的无机磷，同化成为自身的组成成分，从而减少水体磷的含量。湿地往往具有较高的初级生产力，高生产力导致湿地植被有较高的矿物质吸收率。已有的研究[18-19]表明，大型湿地植物吸收磷量为1.8～18 .0 g/（m2·年），其中芦苇地上部分吸收磷量大约为6.7 g/（m2·年），大部分沼生植物的干物质生物量中磷的含量为0.15%～105%。植物磷积累量主要集中在植物的地上部，平均磷积累对去除水中磷的贡献率40.5%[20]，鲁静等研究表明，洱海流域44种湿地植物地上部分分别占有整株72%的生物量、75%的磷含量[10]，说明收割湿地植物的地上部分可以高效去除湿地生态系统中的氮和磷。但也有研究表明，植物通过吸收作用对湿地系统除磷的作用很小，收割只能去除磷素的5%[21-22]。李林锋等研究表明，湿地植物对TP 的吸收量占人工湿地TP 去除量的1.4%～41.2%[23]，由于湿地植物吸收的TP 中有相当一部分是储存在湿地植物的地下部，通过收获植物地上部TP 吸收量仅占人工湿地TP 去除量的0.8%～19.6% 。由此可见，不同学者就湿地植物去除磷作用大小存在分歧，可能与试验植物种类、湿地植物收割频率以及具体的试验条件密切相关。湿地植物对TP 吸收存在的差异，除与湿地植物自身组织磷含量和生物量有关外，还可能与湿地植物根表铁氧化胶膜形成有关。王震宇等研究表明，芦竹根表铁氧化物胶膜吸附的磷占根系吸附吸收磷的81.7%，香蒲是85.7%[24]。相关研究还刚开始，还需要进一步研究阐明。

2.2与微生物协同作用

湿地植物直接吸收磷量仅占去除磷量的一小部分，湿地植物去除磷的主要途径是通过与微生物的协同作用。湿地磷主要包括颗粒磷、溶解性有机磷和无机磷，无机磷可被植物直接吸收利用，但颗粒磷及溶解性有机磷却不能被湿地植物直接吸收利用。而农业面源污染带来的磷往往以颗粒磷为主[25-26]，这些磷必须经过磷细菌的代谢活动转换成溶解性无机磷才能被植物或基质吸附利用或通过吸附转化作用而直接固定下来，从而从水体中去除[27]。湿地植物对湿地微生物影响很大，有植物的湿地系统，细菌数量显著高于无植物系统，植物根部的细菌比周围介质细菌高1～2个数量级[28]，磷素去除率与湿地植物根际的磷细菌数目呈正相关[29]。因湿地植物将氧气从上部输送到根部，在根区或根际形成一种好氧环境，促进微生物生命活动和降解有机物[30]。植物根系分泌物也可促进某些嗜磷细菌的生长，促进磷释放与转化，从而间接提高净化率[31]。但也有人认为，微生物存在与总磷的去除效率之间并无显著相关，微生物死亡后体内吸附的磷几乎全部迅速分解释放，回到水体当中，但却认同微生物分泌的酶促进有机磷水解，水解后的磷被植物吸收后，最终达到去除磷的目的[27]，通过植物和微生物的协同作用来去除磷。

2.3其他途径

湿地植物除了直接吸收以及通过影响微生物而影响湿地除磷效果外，湿地植被还通过物理作用有效吸附截留水中的悬浮物和颗粒态磷，促进磷的沉降[32-33]。李文朝等研究表明，28 d内，单位鲜重伊乐藻上吸附的固体干物质量达2871 g/kg，干物质中TP 的平均含量为0.311%[32]。而漂浮植物发达的根系与水体接触面积很大，能形成一道密集的过滤层，当水流经过时，不溶性胶体会被根系黏附或吸附从而沉降下来。当植物死了以后，在原来根系的地方会留下空隙，形成根孔，根孔的形成增强了湿地的过滤作用和扩大了湿地的吸附容量。李静等研究表明，苇地土柱的净化能力大于麦地土柱，其中对磷的净化能力最强[34]。湿地植物向根区输入的氧气，不仅影响微生物活动，进而影响水体磷的浓度，而且对土壤和底泥理化性质产生影响而影响磷的存在形态。Reddy等研究表明，土壤和底泥对磷的吸附主要发生在表层[35]，这是由于表层土壤和底泥处于好氧状态，铁、铝呈无定性的氧化态形式，吸附能力强，能与磷形成难溶的复合物。在好氧条件下，铁和铝能吸附87%的磷。湿地植物生长对湿地磷的去除具有重要的角色，湿地植物通过多种途径影响湿地磷的去除作用。

3影响湿地植物除磷的因素

3.1湿地植物种类及组合

不同生态类型植物对磷的净化效果不同。陈庆峰等研究表明，鸢尾对湿地中磷的吸收能力较强[36]。Koerselman等根据已有的关于各种类型湿地中植物磷含量的文献得出，湿地植物磷的范围为0.2～3.3 mg/g[37]；McJannet 等在标准营养条件（N ∶P ∶K=7 ∶11 ∶27）下栽培的41 种湿地植物总磷含量变化范围为1.3～5.1 mg/g[38]；鲁静等采集的洱海流域44 种湿地植物中总磷含量为1.4～6.5 mg/g，其中含量最低的马来眼子菜为1.4 mg/g，最高的野慈姑为6.5 mg/g[10]。总的来说，湿地植物对磷的吸收能力为挺水植物>漂浮植物>沉水植物。同生态类型不同种类植物的湿地对水体磷净化效果存在很大差异。杨长明等研究了风车草和香蒲水平潜流人工湿地对养殖水体中不同形态磷的去除效果差异。结果表明，风车草湿地处理系统总磷的去除率显著高于香蒲湿地[39]。廖新俤等研究发现香根草对总磷的去除效果要好于风车草[40]。刘长娥等对九段沙中沙湿地海三棱草、互花米草和芦苇3 种典型湿地植物群落的植物各构件中磷的分布、积累与动态进行研究。 结果表明，3 种湿地植物中磷含量存在很大差异，大小排序为海三棱草>芦苇>互花米草[41]；植物生长期对植物净化效果影响也很大。曹向东等在研究强化塘-人工湿地复合生态塘系统时发现，总磷的去除率在植物生长期为15.89%～27.64%，而非植物生长期为9.21%～1465%[42]。徐后涛等指出，磷在湿地植物生长初期含量较高，随着植物的生长发育其含量呈下降趋势，不同种类植物组合，净化效果不同[43]。夏汉平等指出，与单一芦苇系统相比，混合种不仅使湿地净化效率提高，而且净化效果变得更稳定[44]。彭婉婷等通过研究睡莲、鸢尾等不同生态型的湿地植物组合对污水中磷的去除效果，结果表明，不同生态型的湿地植物组合对污水中磷的去除率为85.67%～9987%，睡莲+再力花+鸢尾组合去除总磷效果最好，较无植物对照组的最大净化率提高了43.73%[6]。汪秀芳等研究了冬季低温环境下不同水生植物组合对富营养化水体的净化效果，结果表明，常绿水生鸢尾+羊蹄+金叶“金钱蒲”+反曲灯心草“蓝箭”组合对磷的去除效果最好，磷的去除率达70.1%，而吊兰和三穗薹草等植物长势差，其植物组合对磷的去除效果不显著[45]。由此可见，湿地植物对磷净化效果与湿地植物生态型、种类、生长状况以及不同植物组合等密切相关。

3.2水文条件

湿地水文条件主要包括水力负荷、水位等。王世和等研究表明，水力负荷过大或过小都不利于湿地植物对磷的净化处理[46]。Chris比较了流入污水的水质对湿地去除氮、磷的影响，停留时间从2 d增加至7 d，结果发现在没有种植植物的湿地中TP的去除率从12%增加36%，而种植了棒灯芯草时从37%增加到74%，湿地植物可随水力停留时间延长而提高对磷的去除效率[47]。柏祥等研究表明，黄菖蒲和美人蕉分蘖数随水位的升高而显著减少，植物地上部分形态指标变化不大，生理指标表明其生长已受到胁迫[48]。已有的研究表明，水位高低对湿地植物的生长、繁殖和生物量分配具有显著影响[46]，武夷慈姑和锐棱荸荠适宜生长在0～5 cm 水深处，小慈姑在20 cm 水深处生长较佳，而野荸荠适宜于0～20 cm 范围[49]，千屈菜扦插苗适于生长于0～10 cm的浅水环境中，最适水位为10 cm[50]，美人蕉最适应的水深10 cm，黄菖蒲适应的水深为 30～70 cm[48]。水力负荷、水位直接影响植物生长及局部好氧微环境的存在，影响磷的过量吸收与释放[46]。降雨径流也是影响湿地净化效果的重要水文要素，降雨不仅会增加湿地水力负荷，也是农田产流产磷的主要驱动力，是磷元素在湿地系统中发生迁移转化的重要条件[51]。降雨使得湿地内水流加快，对悬浮颗粒的沉降产生不利影响。同时流速加大使得磷素在湿地内停留时间减少，加速非点源磷汇入下游受纳水体。降雨会影响湿地水位变化，从而影响植物的生长及湿地系统的磷转化。水文条件的胁迫对湿地植物除磷效果的影响很大。

3.3其他因子

湿地植物对磷的净化作用还与温度、CO2、水体中磷的浓度等诸多因素密切相关[52]。植物对磷的净化率随温度的变化而变化，温度升高会导致植物、微生物生理活性升高，有利于磷的去除[53]。李睿华等研究表明，温度能够加速水生植物的光合作用，促进植物对磷的吸收利用[54]。杨昌凤等在模拟人工湿地处理污水的试验中发现，气温在22～32 ℃范围内时，系统对总磷的去除率随着温度的升高而增大[55]。Liikanen 等研究表明，不论在好氧还是厌氧条件下，磷的释放都随温度升高而增加，温度升高1～13 ℃，可使底泥中TP 的释放增加9%～57%[56]。由于夏秋季节植物吸收、微生物吸收和降解的共同作用远远大于底泥磷的释放量，使得夏秋季节净化磷的效果较冬、春季节好。众多研究表明，CO2浓度升高对根际、根外土壤中的微生物生物量以及微生物总数量有促进作用，与植物去除磷素密切相关的微生物生理类群，如解磷细菌的数量也有所增加，影响湿地植物对磷的净化效果[57]。通常湿地植物吸收的磷小于城市污水负荷的5%[19]，随着磷负荷的增加，湿地去除效率会降低[58]。陈博谦等通过模拟试验发现，当总磷的负荷量由 454 mg/（m2·d） 增加至 1 345 mg/（m2·d） 时，去除率从67.8%下降到56.2%[59]。