湖泊湿地水质净化功能研究进展

李 峰，冯明雷，陈宏文*，鲁秀国

(1.江西省环境保护科学研究院，330029，南昌；2.华东交通大学土木建筑学院，330013，南昌)

湖泊湿地水质净化功能研究进展

李 峰1,2，冯明雷1，陈宏文1,2*，鲁秀国2

(1.江西省环境保护科学研究院，330029，南昌；2.华东交通大学土木建筑学院，330013，南昌)

湿地具有强大的水质净化能力。作为一种典型的湿地，湖泊湿地同样在水质净化方面有强大的生态效益，在维护湖泊生态平衡和水质稳定方面发挥着重要作用，因此很有必要对湖泊湿地的水质净化功能展开深入的探讨。在简要概述了湿地水质净化功能的基础上，重点介绍了湖泊湿地在湖泊水质净化中的功能，并对其影响因素等进行了分析，继而对湖泊湿地水质净化功能的研究方面进行了展望。

湖泊湿地；水质净化；氮磷；重金属；生态系统

0 引言

湖泊湿地，即是因湖泊而形成的湿地，是以Cowardin提出的成因分类法为依据而对湿地进行的分类[1]。它也指由陆地到湖面水体的过渡带，并以湿生植物为标志，是湖泊与其周围环境的物质和能量交换通道，在湖泊营养平衡和生物生产方面起着极其重要的作用[2]。湖泊湿地的水质净化功能是湖泊的重要生态功能之一，研究表明，鄱阳湖湿地具有涵养水源、调蓄洪水功能、调节气候、降解污染、固定C和释放O2、控制侵蚀、保护土壤、营养循环和生物栖息地等生态功能，其湿地降解污染功能一项价值可达139.6亿元[3]，对长江中下游生态系统维持十分重要。

我国幅员辽阔，湖泊数量众多、类型全、分布广。据《中国湖泊志》[4]记载，20世纪90年代全国共有面积大于1.0 km2的湖泊2 759个，总面积91 019.6 km2，而到2010年这一数据降低为2 693个(不包括干盐湖)，总面积81 414.6 km2[5]。可见，我国湖泊数量和面积呈现降低趋势，同时湖泊的富营养化等问题更加突出。以鄱阳湖为例，2006年农业非点源污染负荷N、P已达到湖区非点源污染负荷的93%和97%[6]，对鄱阳湖富营养化产生重要影响，因此，加强湖泊保护研究刻不容缓。

世界范围内在20世纪初即开始有湿地生态系统服务功能的研究，20世纪50年代开始着手对湿地净化功能的研究[7]，在我国则相对较晚，湿地生态系统服务功能的相关研究始于20世纪70年代。随着近年来对湖泊湿地的研究大量增加，尤其是在对鄱阳湖、洞庭湖、太湖等大型淡水湖泊的保护研究方面，取得了大量成果，主要包括水质的演变分析、生态服务功能价值的评估、常见湿地植物净化水体的研究等等。本研究简要介绍了国内外湖泊湿地净化氮、磷、重金属和悬浮物的研究进展，总结了影响湖泊湿地净化功能的主要因素，并探讨湖泊湿地净化功能未来的研究方向，提出了湖泊湿地的保护的若干建议。

1 湿地水质净化功能概述

湿地的水质净化功能即湿地的自净功能，是指湿地生态系统通过自身的自然生态过程和物质循环作用，将水体中的污染物质(如氮、磷等富营养化物质)予以吸收、转化、再分配，使水体得以净化的能力[8-9]。自净能力是衡量湿地生态系统是否健康的重要标志，同时湿地的自净功能也是湿地生态系统功能最为重要的体现，恢复湿地生态系统的自净能力是湿地生态系统恢复的基本任务。有不少学者为了证明湿地有强大的水质净化功能进行过诸多研究，如李云鹏[10]等就对向海自然保护区境内的碱地泡子的净化水质能力做了研究，发现碱地泡子湿地对22个水质参数有净化作用，平均净化率为52%。同时，国内外学者普遍认为作为湖泊湿地核心的湖滨带可以通过截留水体中的营养物质来净化水质，是湖泊湿地的一道天然屏障，在水质净化方面有无法被替代的作用。对衡量天然湿地水质净化功能的研究，目前还处于起步阶段，学者多采用室内实验和野外模拟等方法，或者在进出湿地处做水质监测，通过水质对比来表述天然湿地的水质净化功能，但这些方法难于真实反映出湖泊的自净能力，尤其一些大型湖泊的自净能力，所以对这方面的研究属于一个难点。

由于湿地系统是一种介于水生植物处理和土地处理之间的自然污水处理系统，较为特殊，故其对污染物质的去除作用也十分复杂。从宏观的角度上看，一般认为是物理、化学及生物化学作用协同影响的结果。物理作用主要包括机械吸附、过滤和沉积。化学作用主要包括离子交换、络合和水解等。生物化学作用是湿地去除有机物的主要作用，主要包括微生物的分解作用和植物根系的吸收作用等。对此，有一些学者通过研究来确定湿地净化功能的作用，如郗敏[7]等认为当径流进入流域湿地后，湿地去除污染物质的过程主要有沉积过程、过滤过程、吸附过程、沉淀过程、生物化学转化过程。李红艳[11]等认为扎龙湿地的水质净化作用主要包括沉淀作用、离子吸附作用，碳酸平衡、氧化还原平衡、生物化学作用、生物吸收作用等。国外还有学者认为生物沉积和生物同化输出是湖泊湿地净化功能的主要作用，这两种作用不仅能保护自身水体，而且能对过往的水体进行水质净化[12]。

2 湖泊湿地对水质净化的功能

2.1净化氮磷的研究

一般排放进入湖泊湿地的氮以有机氮和无机氮2种形式存在，无机氮主要包括氨态氮、硝态氮和亚硝态氮等，基本都是以溶解形态出现，而有机氮则为溶解态和固态。湿地去除氮的作用包括土壤的吸附和过滤、氨挥发(pH>8)、植物吸收、微生物硝化和反硝化作用等[13]。磷是农业非点源污染的重要元素之一，又是导致湖泊湿地及下游水体富营养化的重要原因。水体中磷的存在形式包括溶解有机磷和颗粒有机磷、溶解无机磷和颗粒无机磷。湿地系统对磷的去除机制十分复杂，目前尚未明晰，许多生物和非生物过程都会影响湿地对磷的去除。学者采用了贮留净化率、质量守恒定律、野外试验模拟等多种方法从宏观角度对我国一些湖泊湿地的净化能力进行了研究，成果详见表1，总体上表明湖泊湿地净化氮磷的能力显著。目前学术界已初步达成共识，就氮的吸收转化而言，硝化与反硝化作用占主导地位[14]，就磷的迁移转化而言，主要是通过土壤颗粒对磷的吸附与沉淀作用进行的[15]，这些作用共同维持着氮磷的净化。

表1 国内湖泊湿地净化氮磷的部分研究成果

目前，由于开展实际研究的湖泊较少且类型不全，仅限于一些大型的浅水淡水湖泊，基础相对薄弱。随着湖泊富营养化问题的日益突出，对湖泊湿地去除氮磷的机制研究将成为未来的热点。

2.2去除重金属的研究

当污水中的重金属进入湖泊湿地后，可对湖泊湿地造成一定程度的毒害作用，对此，一些湖泊湿地植物逐渐演化出一套特定的生理机制来脱毒。一般而言，这类植物是通过螯合和区室化等作用来耐受并吸收富集受污水体中的重金属，以此达到对水体中重金属的去除。已有大量研究表明，湿地植物对重金属的富集能力决定了湿地对重金属的净化能力，并且湿地植物的科属不同，其对重金属的富集能力也会有所不同，对此，吴艳红[22]等通过研究对比龙感湖湖滨湿地和湖泊沉积物中元素的含量和时间序列，得出湖滨湿地可以明显拦截湖沼中的金属元素。

国内外学者对湖泊湿地去除重金属污染的研究主要是选取湖泊湿地中常见的植物，转移至人工湿地中进行模拟实验研究，然后将部分研究成果用于湿地的重金属污染修复中。如李鸣[23]等以鄱阳湖湿地为研究对象，对湿地中22种植物富集重金属的能力进行了分析研究，得出灰化苔草、飞廉、小窃衣、南荻、一年蓬、鼠曲草等植物可以作为鄱阳湖湿地重金属污染修复植物的选择对象，对鄱阳湖湿地的重金属污染防治起到很大作用。而董萌[24]等则是针对洞庭湖湿地中土壤镉的污染现状，分析了湖滨带优势植物的镉富集特征及其修复效果，取得了相似的部分研究成果与上述李鸣的研究成果相同。这方面的研究在国内已经形成了一个热点。

2.3去除悬浮物的研究

悬浮物作为污染物的吸附或携带载体，是有机物的主要来源。水体中的悬浮物一般来自入湖河流或因风浪来自湖泊底泥，而对一些过水性湖泊而言，大量的悬浮物质会随入湖水体进入湖泊，同时也会带入有机物[25]。湖泊湿地对悬浮物质的去除主要靠沉淀作用来完成，河水流入湿地时，会被分散到了巨大的面积，从而大大降低了入湖水体的流速；另外，湿地中的水生植物也会减小水中风浪的扰动，加之湖滨湿地中植被根部的阻滞作用，都在一定程度上降低了水流速度，使得入湖的悬浮营养颗粒或胶体沉降到底泥中。由于污染物和营养物质常粘结在沉积物上，便和沉积物一并沉积下去，成为湿地植物的养料，并被吸收，然后经化学和生物学过程进行转换，最终被植物储存起来。有学者实地考察过湖泊湿地去除悬浮物的效果，如向军[26]等对太湖水体中的颗粒悬浮物静沉降规律做了研究，得出太湖悬浮物的沉降速率在0.002～0.005 cm/s之间，从一定程度可以证明湖泊湿地能够去除悬浮物；又如李红艳[11]根据研究发现扎龙湿地上游西侧边缘汇入的某一带的悬浮颗粒物高达1 192.0 mg/L，而湿地核心区悬浮颗粒物降至18～19 mg/L，去除率达98.4%。

3 湖泊湿地水质净化功能的主要影响因素

随着人们对湖泊生态系统的日渐关注，对湖泊湿地水质净化功能影响因素的研究也在逐渐兴起，这些研究对湖泊湿地的保护与水质净化功能的修复起到关键作用。参考国内外学者的研究成果，本研究认为影响湖泊湿地水质净化功能的主要因素为植物、水文条件、微生物、土壤和污染负荷等，这些因素互相影响互相制约，共同维持着湖泊的水质净化功能。

3.1植物因素

湖泊水生植物能够不同程度地清除受污水体中的氮、磷及重金属，在净化水质中得到了密切的关注。因为植物在水质净化方面有巨大的作用，用湿地植物净化污染物质的研究已经成为了目前的一个热点研究。如尹峻岭[27]等通过对衡水湖水生植物的研究，得出衡水湖水生植物有促淤防蚀澄清水质功能和抑制藻类等功能。也有学者研究了哪些植物因素可以影响湿地水质净化，比如李莎莎[28]认为湿地湖滨植物群落物种组成和空间格局对湿地水体净化功能具有重要作用，而徐德福[29]等研究后认为湿地植物生物量是吸收氮磷的主要影响因素，此外，周露洪[30]等利用稳定同位素示踪方法，发现湖泊湿地中常见的沉水植物苦草能增强底泥对氨氮的滞留能力从而达到净化水质的作用。

3.2水文条件

水文是湿地环境中最重要的因子之一，对湿地生态系统的结构与功能的影响十分明显。湖泊水文条件主要包括进出水体流量、水位、水温、面积、水体流速等。它能直接改变湖泊湿地的理化性质，进而影响到湿地的物种组成及丰度、第一生产力、有机物质的积累和营养循环等。如湖泊湿地的干湿交替变化可以增加土壤对磷的滞留作用[31]。同时，系统对污染物的净化也与水温有关，这主要是因为随着气温升高，植物和微生物的生理活性也会随之升高，这有利于污染物的去除。如有外国学者通过研究认为当水温降低时，湿地对磷的去除率也会降低[32]。水位对湖泊湿地净化功能的影响也非常明显，如张葆华[33]等发现浅水位芦苇湿地与深水位芦苇湿地相比对氮磷的去除率更高，但后者对氮磷的去除速度更快。此外，湿地面积、湿地与流域面积比等也是污染物净化的重要因子。研究发现湿地面积越大，其去磷的效果就越好于去除悬浮物的效果[34]。湿地与流域面积之比和湿地蓄水时间的长短也决定了湿地对污染物的吸收功能[35]，湿地与流域面积之比大，蓄水时间长，湿地对污染物的吸收率高；反之，湿地遭到大规模围垦而破坏，湿地与流域面积之比剧减，其对入湖污染物的拦截能力也大大降低。

3.3微生物因素

微生物对湖泊湿地水质净化功能的影响非常明显。大量研究表明湖泊湿地土壤中有数量极多的好氧、厌氧及兼性的微生物，而水体中营养物质经过沉降后，进入底泥中，随后转移进湿地土壤里，其在湿地土壤中的降解和转化主要都是靠微生物来完成的。一些好氧微生物可将有机物分解为可被植物吸收的硝酸根、磷酸根、硫酸根等离子，而一些厌氧微生物可将有机物分解为CO2、CH4、H2S、NH3、PH3等可挥发出去的气体[7]。陈博谦[36]等通过模拟研究表明微生物对降低水体污染负荷的作用十分重要。李淑英[37]等通过研究表明，水体中TN的去除是微生物与水生植物共同作用的结果，微生物的作用明显。微生物对湖泊水质净化功能的影响不容忽视。

3.4土壤因素

土壤是许多化学反应发生的媒介，同时也是大部分植物的养分库，当土壤具有较好的团粒结构时，微生物种类和数量也会较多，这对污染物质的去除非常有利。湿地土壤净化污染物质的作用主要有吸附与吸收作用、离子交换作用、氧化还原作用和代谢分解作用等[7]。陈博谦[38]等通过室内模拟湿地的方法表明，在不考虑植物因素的条件下，土壤-微生物系统对受污水体的污染物质依旧有较好的去除效果，这便肯定了土壤因素的重要性。此外，国外也有学者通过研究表明湿地土壤具有拦截过滤氮磷的作用[39]。另外，土壤硝酸盐浓度、土壤有机质含量、土壤温度和土壤氧化还原电位等因素会影响湖泊湿地的反硝化作用[40]。

3.5污染负荷

污染负荷也是湖泊湿地净化功能发挥的重要影响因素。如王沛芳[41]等就以长江中下游湖泊水体中典型沉水植物苦草作为研究对象，就其对不同浓度氮的净化效果做了研究，表明在氮浓度不同的条件下，苦草对氮的净化作用具有明显的差异。此外，多数学者通过实验证明氮磷比例是影响氮、磷去除效率的重要环境因素。康燕玉[42]等对裸甲藻的研究发现，氮磷比为6:1时是其生长的最佳营养盐条件。胡绵好[43]等通过研究表明，聚草在低氮磷比2:1时生物量最大，而黄花水龙在中等氮磷比10:1～20:1时生物量最大，喜旱莲子草在较高氮磷比20:1～40:1时生物量最大。国外的Friendlander[44]等研究发现，当氮磷比从2.5增加到20.0时，江蓠的生长速率明显提高，与徐永健[45]等的研究结果基本一致。因此，为维护湖泊湿地生态健康，除了保护湿地生态系统结构，还应加强外源污染负荷控制。

3.6其他因素

除了污染负荷外，还有其他外界因素可以影响湖泊湿地的净化功能，如季节、大气等。万晓红[46]等通过研究发现不同月份里白洋淀排放氧化亚氮的量不同，这说明了不同季节里湖泊湿地的硝化和反硝化作用程度不同，即不同季节里湖泊湿地净化氮元素的效果也会不同。此外，大气中的O2、CO2等气体浓度对土壤中的微生物的生物量以及微生物总数量有影响，如有研究表明随着CO2浓度的升高，与植物去除磷密切相关的微生物如解磷细菌的数量也会随之增加，从而直接影响着湖泊湿地净化磷元素的效果[47]。

4 结论和建议

随着近年来我国湖泊污染加剧，湖泊湿地生态系统功能逐渐被人们认识，国内外学者对湿地水质净化功能的研究也日益增多，湖泊湿地对水体氮、磷、重金属、悬浮物等的净化功能已得到证实，植物、水文条件、微生物、土壤和污染物浓度是影响湖泊湿地水质净化的关键因素。然而湖泊生态系统十分复杂，其生态功能的发挥机理研究尚不明确，水质净化功能的研究还处在相对宏观的水平，且被研究的湖泊数目较少，衡量湖泊湿地的净化功能的尺度不一，更没有建立起完整的科学理论和方法体系。鉴于此，建议从以下几方面加强研究。

1)将全国主要湖泊归入统一监测管理，建立国家级湖泊湿地数据库，加强湖泊湿地环境监测，为湖泊湿地科学的研究由定性描述转为定量研究提供数据支撑。此外，统一湖泊湿地水质净化功能的衡量标准，并使之规范化。

2)定量化深入研究湖泊湿地水质净化功能的作用机制。包括宏微观尺度、影响机制、净化负荷等多方面的研究，广泛运用遥感、同位素示踪、微生物生态学等研究方法和技术手段，揭示湖泊湿地水质净化的影响方式和作用机理，为湖泊湿地的保护管理提供技术支持。

3)注重与人工湿地的研究相结合。对湖泊湿地净化功能的研究，有利于人工湿地工程在污水净化领域的广泛应用，反过来，对人工湿地的研究也有助于深化湖泊湿地水质净化功能的认识。

4)加强湖泊湿地对水体富营养化及藻类水华的抑制机理研究。在控制入湖污染负荷的基础上，恢复湖泊湿地生态功能是控制湖泊水体富营养化的根本方法，应针对当前湖泊水体富营养化及藻类水华突出的环境问题，重点研究湖泊湿地在控制水体富营养化及抑藻方面的机理研究，如微生物调控、植物协同等。

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ProgressontheWaterPurificationFunctionsinNaturalLakeWetlands

LI Feng1,2,FENG Minglei1,CHEN Hongwen1,2*,LU Xiuguo2

(1.Jiangxi Academy of Environmental Sciences,330029,Nanchang,PRC;2.East China Jiaotong University.School of Civil Engineering and Architecture,330013,Nanchang,PRC)

Generally,natural wetlands have strong water purification ability.Lake wetland,as an important wetland ecosystem,also have a strong eco-efficiency in high water quality purification,which plays a significant role in maintaining the ecological balance of lake and water quality stability.The research progress on water quality purification function in lake wetlands were reviewed in this paper,including the representation and mechanism of water quality purification and the relevant factors on pollutants′degradation of lake wetlands were summarized.And prospect the future research of water quality purification of lake wetlands.

lake wetlands;water purification ability;Nitrogen and Phosphorus;heavy metals;ecosystem

2014-07-28;

2014-08-26

李 峰(1989-)，男，江西九江人，硕士研究生，主要从事鄱阳湖水质和水生态研究。

江西省科技重大专项——鄱阳湖科学考察(20114ABG01100-3-13)；国家自然科学基金项目——水位波动节律改变后大型通江湖泊中优势水生植物体内碳氮代谢的生理响应机理研究(31200360)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.012

X171.1

A

1001-3679(2014)05-0624-07

*通讯作者：陈宏文(1971-)，男，研究员，江西南昌人，主要从事湖泊流域水环境保护研究。