控养速生植物治理污染水体的研究进展

刘国锋+何俊+华伯仙+徐跑+吴霆+徐增洪

摘要：基于当前的水体污染现状，论述常见水体治理措施及效果，着重指出以凤眼莲为代表的速生水生植物控养的可移动式湿地在水体治理中的显著作用。从水体净化效果、作用机制等方面对其进行了阐述，并以滇池凤眼莲实验性种植工程的运行为例论述了其在水体净化中的优越性；并特别指出以政府为主导、企业为运行主体的水体治理生态补偿机制的未来发展方向，以期为水体生态治理提供理论依据和参考。

关键词：速生水生植物；水体污染；凤眼莲；水体治理；生态湿地

中图分类号： X52文献标志码： A[HK]

文章编号：1002-1302（2017）21-0001-05[HS）][HT9SS]

收稿日期：2016-06-02

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（编号：41101525）；江苏省海洋与渔业局水产三新工程（编号：Y2016-11、D2016-18）；江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（16）004]。

作者简介：刘国锋（1979—），男，河南驻马店人，博士，副研究员，研究方向为水环境生态及污染生态治理。E-mail：liugf@ffrccn。

通信作者：徐跑，博士，研究員，研究方向为工业化循环水养殖及净水渔业，E-mail：xup@ffrccn；吴霆，博士，水产高级工程师，研究方向为养殖水体环境治理，E-mail：648119025@qqcom。

由于工农业发展、城镇化进程加快及农业面源污染的影响，湖泊、河流等水体因营养盐的积累而持续受污染[1]。受全球气候持续变暖的影响，湖泊等水体中以蓝绿藻为代表的水华的发生呈现愈演愈烈的趋势[2]，大量的藻华聚集、快速死亡后，可造成水体发黑、发臭，俗称湖泛、黑水团等，是一种极端的水污染现象[3-4]，对当地居民的生活及社会造成了极大不良影响。营养盐（特别是氮和磷）是支撑地球上作物生长的必需元素，可从陆地进入到水体中，却不能从水体再回到陆地生态系统中，因而造成了既威胁粮食生产安全又损害生态环境和饮[JP3]水安全的现状，使得营养盐的生物地球化学循环断裂[5]，而人类目前尚无有效的技术措施与管理手段解决这一问题。水体污染不但影响饮用水的安全性，而且影响生态环境与社会经济的发展，甚至会对人类的生存与发展产生影响[2，6]。

水体污染的治理，尤其是目前大水域、广范围空间尺度下水体富营养化的治理，是包括污染物的源头控制、综合流域管理、污染物的中间持留、水质生态修复及可用物的循环再利用等多学科交叉、多目标并存的系统工程[7-9]。许多水体在外源污染得到有效控制后，并不能立即实现水环境的改善，其主要原因之一是内源污染物的释放（吸附在底泥上的氮磷等会释放到水体中，成为新的污染源），甚至内源污染的“源汇”转换，致使受损生态系统的恢复过程非常缓慢[10-11]。因此在污染物源头得到有效控制的条件下，内源污染物的控制以及消减成为水体污染治理成败的关键。目前常用的治理措施有物理方法（底泥疏浚[12]、人工曝气[13-14]、引水稀释[15-16]等）、化学方法（化学絮凝[17]、复合措施的底泥覆盖[18-20]等）、生物操纵法[21-22]、水生植物生态净化[23]等，这些方法对于某些特定条件下水体污染的治理具有一定的效果，但总体上缺乏多学科交叉、多种技术集成的多种目标修复原理，缺乏同时满足安全、高效、低成本与可持续、无二次污染的治理目标[24-25]，尤其是作为饮用水源水体的生态治理方法更是缺乏标本兼治、应急与长效治理兼备的水体综合控制与治理的技术体系集成[26-27]。

长期以来，在污染水体治理方面，人们多以物理方法、化学方法等作为水体污染治理的应对措施，从水体生态环境的角度来看，这些措施仅仅是进行了小范围的水生植物恢复。水生植物的生态治理是未来水体污染治理的发展方向与趋势，但目前所采用的植物主要是沉水植物、挺水植物等，不适用于风浪扰动强烈、透明度较低的大水域[28]。水生植物若不能有效地被打捞上岸，将增加植物体分解后产生二次污染的风险；另外，水生植物具有植物体生物量低、扩繁生长慢、适应性差的特点，这些特性限制了其对水体中污染物的去除，同时也不利于机械化操作，而人工操作不但费用高昂，且效率低下，这些因素极大地限制了其实际应用和推广[29-30]。另外这些水生植物对水文气象条件、水体物理化学指标、水体污染物含量与种类等要求严格，区域分布性强，较高的环境要求使其成功栽植与扩繁受到了限制，严重制约了其大规模的应用[31]。

针对上述问题与污染水体治理的目标，综合比较多种水体治理措施的优势与不足，选择生长快、适应性强、生物量大、易机械化处理的漂浮植物（如凤眼莲等）作为水体污染治理的水生植物，在污染严重的水域构建水草控制性种养围栏，实现污染物的植物净化，并于植物生长季节结束时进行机械化采收、资源化处置加工再利用，实现污染物循环过程阻断、营养物再利用和生态修复的目标[9]，从而实现污染水体的生态治理。该措施已成为当前乃至今后污染水体治理的一个方向，并引起了学术界和政府部门的广泛注意与重视[32]。目前以凤眼莲为代表的漂浮植物治理污染水体的研究多在室内模拟试验尺度下进行，而对在上百亩乃至上万亩的较大水体中集合各种生态治理措施的研究尚缺乏系统的总结。因此，有必要对凤眼莲修复污染水体的技术进行深入研究，以期为更好地利用凤眼莲进行污染水体生态治理的大水面应用推广及凤眼莲在我国南方多地区泛滥的防控与治理提供思路与指导。

1凤眼莲（Eichhornia crassipes）是治理污染水体的一种优良植物[BT）]

凤眼莲属雨久花科、凤眼莲属，俗称水葫芦，为漂浮性水生植物中最为出名的恶性入侵杂草，主要分布于热带、亚热带以及部分温带地区的河流、湖泊，可通过有性和无性2种方式进行繁殖，但主要以无性繁殖（克隆生长）的方式迅速在水体中繁衍、孳生[33]，因其快速繁殖而形成的相互联结且厚重的凤眼莲“草席”对当地社会、经济均造成不良影响[34]。作为一种入侵植物，由于没有本土捕食者的控制及病害的影响，凤眼莲的环境适应能力、资源竞争力及扩繁速度等方面具有其他水生植物所不可比拟的优势；在降低营养盐浓度和减少藻华影响等方面凤眼莲也具有其他植物所不具备的优势，主要是由于它具有强大的环境适应能力（分布广泛、根系庞大、生长速度快、生物量大、抗逆性强、生长期长等）[33，35-36]，且具有易管理、易机械化打捞采收和资源化利用的优点，因此，凤眼莲它具有广泛的应用前景[37]。endprint

凤眼莲可在各种类型的污染水体中生长，尤其在富营养水体中的生长更为迅速，其生长速率随着水体中氮磷含量的增高而增加[38]。海水中过高的盐度（超过6‰的盐度将会导致凤眼莲死亡）是其向海洋中蔓延的主要限制因子[33，39-40]，因此，从其原产地南美洲传开后，凤眼莲现在已分布到南北纬40°之间的全球大部分淡水水体中[41]。

11富营养水体中营养盐的去除

凤眼莲具有庞大的根系，与其他水生植物相比，其繁殖能力较强、获取的生物量较大[33，42]。因此在过去的30～40年中人们首先利用其优点开展了去除高含量营养盐、高化学需氧量（chemical oxygen demand，简称COD）生化需氧量（biochemical oxygen demand，简称BOD）的污水净化治理研究，早在20世纪70年代DeBusk等在美国弗罗里达州开展了利用凤眼莲吸收因生活污水直排导致的水体中高浓度磷含量的研究[43]。Rommens等研究了凤眼莲吸收硝酸盐、铵盐和磷酸盐的能力，结果表明，1 kg凤眼莲（鲜质量）每天可吸收236 mg氨态氮（溶液中浓度为 339 mgL）、113 mg硝酸盐（溶液浓度为123 mgL）和 039 mg 磷酸根[44]。从治理的角度来分析，这些研究结果可以用来估计种养凤眼莲并采收后对水体中营养盐的去除量。除了利用凤眼莲净化生活污水外，众多学者开展了利用凤眼莲去除因集约化农田径流、畜禽养殖废水等造成的水体中营养物超量积累的研究[45]。Lu等的研究结果表明，凤眼莲湿地净化系统可去除养鸭场废水中6444%的COD、2178% 的总氮（total nitrogen，简称TN）和2302%的总磷（total phosphorus，简称TP），水体中的溶解氧（dissolved oxygen，简称DO）含量与透明度都有显著的提高[46]，且该系统在中试规模和示范推广中都具有不俗的表现[47]。Reddy等进行的1年期研究结果表明，凤眼莲净化[JP3]36 d后可去除水体中78%～81%的NO3-、NH4+和54%的磷[48]。Polprasert等研究了在COD输入量为200 kg（hm2·d）、水体持留时间为10～20 d的条件下凤眼莲对养猪厂废水的净化效果发现，在小规模池塘中COD的去除率可达74%～93%，而在中试规模下去除率可达50%[49]。Sajn等通过建造凤眼莲表面流人工湿地来净化水体污染物发现，它对悬浮物（suspended solids，简称SS）、TN、COD、BOD等的去除率分别可达到646%、380%、672%、721%[50]。余远松等利用凤眼莲湿地净化系统处理养猪场废水，在COD为800 mgL、TN浓度为600 mgL的条件下，当凤眼莲覆盖度为60%、进水量为600 m3d、水体停留时间为30 d时，对COD、TN的去除率分别为563%、616%，均取得了良好的净化效果[51]。在污水处理中关于水生植物生物量和消减营养盐能力的研究发现，凤眼莲的表现要优于水浮莲等植物[52]，且凤眼莲与其他水生植物如浮漂等进行合理的搭配可以达到更好的净化效果[53]。在利用凤眼莲进行各种污染水体的治理中，最常规的就是利用凤眼莲治理富营养化水体，目前在江苏太湖和云南滇池开展的大规模控养凤眼莲对水体净化效果的研究表明，对水体扰动强、水动力作用大、凤眼莲控养面积占水面面积比例小的生态工程的净化效果不如水动力作用小、凤眼莲控养面积占水面面积比例高的治理效果显著；这種大规模（6667 hm2以上的控养面积）应用凤眼莲净化污染水体的生态工程措施在国内外尚不多见，在解决了打捞、处理及资源化再利用的问题后，可以充分发挥其显著的净化作用；2011年度在草海中构建以凤眼莲为主的、面积为533 hm2的生态净化工程后，凤眼莲吸收、同化的氮磷量分别占水体中氮磷总消减量的64%、139%；通过2011年度采收、打捞凤眼莲的生物量及其干物质中的氮磷含量折算可得，凤眼莲从水体中吸收、转化为生物质后所带出氮、磷的量分别为486、331 t，生态工程净化水体的效果显著，在工程运行期间水质从劣五类上升到五类水标准，实现了水质快速改善的目标[54]。

12重金属、有机污染物及其他污染物

凤眼莲庞大的根系、较大的植物体可以在重金属污染水体中吸收、积累大量的金属离子，因而受到众多研究者的关注[55-57]，由于凤眼莲具有较好的适生性和较强的耐污性，研究者已逐渐把凤眼莲作为污染物植物修复的首选物种引入到湿地中，特别是在重金属污染水体中，凤眼莲具有较强的吸收、转运金属离子能力[58]。Zhu等研究了在控制条件下凤眼莲对几种重金属离子的吸收和转运能力，结果表明，凤眼莲具有较高的吸收金属离子的能力，且吸收后的金属离子多聚集在根部，而且其对痕量金属离子具有较高的生物富集系数，如对Cd的转运系数为2 150，Cr为1 823和Cu为595[59]。同时，凤眼莲还可以去除纸浆、造纸、制革及印染废水中的营养盐[52]、工业废水中的颜色[60]及水体中的农药污染[61]，且在净化造纸、制革、印染废水前，进行一定程度的稀释后其净化效果将表现得更好[62]。Trivedy等研究表明，利用凤眼莲净化纺织废水，经过3～4 d的处理，可去除水体中的 974%COD、624%总悬浮物（total suspended solids，简称TSS）[63]。Nor利用模拟试验研究了凤眼莲去除水体中酚、铜和锌的作用，结果表明，凤眼莲对水体中的酚、铜、锌具有较快的吸收速率和较大的吸附容量[64]，这与乐毅全等利用凤眼莲进行降酚的研究结果[65]类似，表明凤眼莲对酚等有机物具有较强的降解和转化能力。凤眼莲在污水净化和废水染料去除过程中表现出了较好的生物过滤和消减效果[53]。

13去除机制

凤眼莲强大的去除污染物和迅速改善水体的能力，不但在于其具有快速扩繁、增加植株个数的能力，并且在于其庞大根系形成的凤眼莲“草席”可以改变水体的物理-化学和水动力条件，此外，其根系可以为微生物提供附着场所并形成生物膜，从而快速降解有机质[66]。水体中大量有机悬浮颗粒物被凤眼莲根系吸附，部分因重力作用而沉降到水体底部，有机质降解的主要机制是通过附着在根系上的水体微生物的生物氧化分解作用[66]；微生物主要利用有机质生产能量和合成新细胞，其总的生化反应可表示为以下化学过程[67]：endprint

C5H7O2N+5O2→5CO2+NH3+2H2O+能量。

凤眼莲根系具有较强的有机质降解能力，主要原因在于其根系可形成生物膜结构且具有泌氧能力，研究结果表明，凤眼莲的根系泌氧能力为24～100 g（m3·d），有助于根系附着的微生物对有机质和颗粒进行降解[68-69]。

凤眼莲可直接吸收水体中的氮，是其去除氮的一个主要作用。植物通过吸收方式去除氮的效果与植物生长速率、种植密度、环境参数（如光照、水温等）等有关。凤眼莲可以直接吸收、同化铵态氮和硝态氮，与多数水生植物一样，它对铵态氮的吸收、同化速率要高于硝态氮，即使水体中2种离子含量相同[70]。氮的硝化反应是利用生物氧化作用把铵态氮转化为硝态氮，在此过程中，微生物只有利用氧气作为电子受体，铵態氮作为电子供体，才能正常进行；而在漂浮植物生长区内，由于受溶氧含量限制及较低的有机碳影响，常会导致硝化反应受到抑制。在水体及漂浮植物生长区缺氧后，反硝化反应就成为主要的氮去除机制，在厌氧微生物呼吸过程中，硝酸盐作为最终电子受体被还原为氮气或氧化亚氮（N2O）[69]。高岩等研究发现，凤眼莲有利于富营养化水体的硝化、反硝化、耦合硝化-反硝化反应的进行；研究表明，凤眼莲种植水体在整个培养期内释放的N2O气体浓度累积升高幅度较大，为453～4 055 nLL（未加硝化抑制剂处理），通过释放N2O而脱除氮素的量占整个水体氮消减量的136%，为相应未种植凤眼莲水体的431倍[71]。种植凤眼莲的水体在试验期间释放N2O的量与水体氨态氮或硝态氮浓度的变化量均存在显著相关关系（P<005），说明N2O的释放量受水体中NH4+、NO3-浓度变化的影响。凤眼莲的种植可在试验中后期增加水体中硝化、反硝化细菌的数量，但其数量远低于凤眼莲根系附着的硝化、反硝化细菌；水体中反硝化细菌数量与水体释放N2O浓度之间并无显著相关性，说明种植凤眼莲的水体反硝化脱氮释放N2O过程可能主要由根系共生微生物驱动[71-72]。同时，水体中大量存在的、凤眼莲自身分泌的有机酸可以吸附或螯合金属离子，从而减轻植物受金属离子的毒害作用，增加凤眼莲对金属离子的吸附、转运效能[73]。

2凤眼莲净化水体效果显著，可操控性强

当前，以江苏省农业科学院为代表的相关研究单位，在以水葫芦为代表的水生植物控养实践中，采用桩基围栏或锚基钢管浮球围栏的方式实现了水生植物的有效控养，降低了水生植物的逃逸风险；同时，研发的水生植物水面机械采收船实现了水生漂浮植物的机械化快速采收，植物上岸后经过发酵可制成基肥、有机肥等，实现了植物养分资源化利用的目标，从而解决了以往水生植物采收后无法利用甚至导致二次污染的问题[32]。作为该集成技术综合利用实施的示范，2011—2012年在云南滇池进行了较大规模的凤眼莲人工放养净化水质试验性工程。凤眼莲的实际最大覆盖面积达 926 km2，其中草海凤眼莲覆盖面积约556 km2，约占草海水域面积的50%，凤眼莲的全年鲜草累计生物量达50万t，其中草海水葫芦生物量约35万t[54]。通过项目的实施，滇池草海水质状况已得到明显改善，主要污染指标已接近甚至优于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅴ类水标准[74]。

依照“控制得住、处置得完、利用得好”的原则和要求，在凤眼莲安全种养与资源化利用技术体系中，植物控养、机械打捞、快速处置和资源化利用等各环节的关键技术装备已经研发成功并进行了实际应用。目前更重要的是在原有研究的基础上，进一步优化工艺流程，主要包括植物种苗保种工作、植物控养地点及控养围栏构造等[74]；研发、定型和升级专用设备，包括适用于不同种类水草、不同加工要求等的专用设备，需要加快研发并根据需求进行技术和设备制造的升级；为有效推动漂浮植物在较大水域、污染严重水体中水体净化功能的发挥，需要加强政府的主导功能，包括水体净化的生态补偿政策和条例研究，建立适合本地区的生态补偿机制，从而有效吸引并调动企业的积极性，形成以政府为主导、企业为主体、治理有效果的良性循环发展。

3生态补偿与评价

生态补偿机制的建立对区域水环境质量的改善有一定效果，但整体来说，这一机制仍处在探索发展期，许多问题尚没有得到根本解决，存在的问题主要有水环境生态补偿的法治理念尚未真正树立、水环境生态补偿机制的基本框架尚不健全、水环境生态补偿机制的法制保障尚不完善。为此，迫切需要树立新的生态补偿理念，进一步完善江苏省水环境生态补偿机制，明确水环境生态补偿的法治理念，树立可持续发展的生态补偿理念，妥善处理经济发展与生态保护之间的矛盾。利用水环境生态补偿机制可防止水环境发生代际退化，实现代际公平。树立预防为主、保护优先、公众参与的生态补偿理念，在水环境生态补偿法律机制的完善中，让预防为主、保护优先的指导思想发挥根本性的功效。

[HTK]31健全水环境生态补偿机制的基本框架，细化补偿主体与受偿主体[HT]

从行为性质的角度来看，因他人保护和改善生态环境、提高生态系统服务功能、增进生态利益而受益的或者环境资源的开发利用者，都应当成为补偿主体；相应地，因保护和改善生态环境、提高生态系统服务功能、增进生态利益而使自身利益受损的贡献者或者因他人开发利用环境资源而受损的，都应当成为受偿主体。通俗地说，水质达标了，下游补上游；水质恶化了，上游赔下游。

32设立多元化的补偿方式

水环境生态补偿的方式应当具有多元性，要在生态补偿的不同阶段运用不同的补偿方式，实行差别化补偿。例如水环境生态补偿中较重要的补偿方式有以财政转移支付为主要形式的资金补偿，目前国内主要以财政资金支付作为水环境生态改善的补偿，如江苏太湖、云南滇池等主要以污染水体中控养水生植物的生物量及所带出水体中污染物（富营养化水体中以氮磷为考核指标）的量作为资金补偿的考核标准；另外，还有以提供同资金等价的生产要素和生活要素为主要形式的实物补偿，以及在权限范围内利用制定政策的权力和优惠待遇为主要形式的政策补偿，其中政策补偿更符合“差别化”需求，主要包括异地开发、项目补偿、智力补偿3种[75]。endprint

33完善补偿标准及补偿核算方式

目前，江苏省水环境补偿核算是以断面水质是否达标为计算依据的，并没有考虑超标浓度等因素，因此建议对超标的不同浓度进行区分并设立差别补偿标准。在区分断面水质浓度的同时，也要对不同浓度的排放量作出区分，排放量越大，补偿标准也相应越高，从而更加合理公平地弥补生态系统服务贡献者的水环境保护成本。

34拓展补偿资金的来源并加强监管

江苏省水环境生态补偿资金来源除了政府的财政转移之外，补偿资金的来源比较匮乏，因此可以借鉴西方国家的市场化融资手段。同时，要完善水环境各区域政府的生态补偿资金监管制度，应当在市、县政府设立水环境生态补偿资金的专门账户和资金专项档案，严格实行专款专用，并追究违法使用责任[76]。

[HTK]35完善江苏省水环境生态补偿机制的法制保障，重视立法体系的完善[HT]

以《环境保护法》关于生态补偿的原则规定为基准，结合江苏省地方实践，对水环境补偿主体、补偿方式、补偿标准及补偿资金等以地方立法的方式加以具体细化。此外，由于水环境问题相当复杂，长江、运河以及太湖、微山湖等水域都是省际跨区域水体，因此应主动加强省际合作，并积极争取联合协作制定跨流域、跨省际的流域生态补偿办法或条例，为处理好涉及2个以上省份之间的跨流域生态补偿问题提供法律依据[77-78]。

4展望

以水葫芦为代表的速生水生植物，具有繁殖快、生物量大、适应性强等特点，具有快速净化污染水体的优势。在解决了控制性种养、机械化采收和资源化处置及利用等关键技术环节和问题后，在当前国内众多湖泊、河流等水体富营养化现象严重的状况下，可充分发挥大水域中控养水生植物而构建的可移动生态湿地的原位生态净化功能，实现水体的植物净化后循环再利用；同时，经过植物吸收而打捞上岸的养分，可再以基质或有机肥等形式回用到农田中，实现养分的循环再利用，从而形成生态循环农业发展模式。因此，在当前众多污染水体尚无更为高效治理措施的前提下，采用控养速生水生植物为主的生态治理措施，充分发挥水生植物的生态净化功能，将成为未来污染水体、尤其是较大污染水体生态治理的一种优选措施。

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