富营养化水体湿地生态修复研究与应用进展

陈贺涵，张 菁，尹立鹏，姜学霞，谢春生

(1.肇庆学院 环境与化学工程学院，广东 肇庆 526061；2. 观星(肇庆)农业科技有限公司，广东 肇庆 526070)

1 引言

湖泊等水体的富营养化主要是由于水体中氮、磷等养分含量过高，从而引起一系列的环境问题，进而给生态环境带来直接或间接的危害。目前，我国富营养化水体规模不断增大，生物多样性下降、生态功能退化、生态环境恶化等问题日益突出。针对富营养化水体修复问题，常用的方法有物理方法、化学方法和生态修复方法等[1]。在富营养化水体生态修复的研究中，湿地生态修复是富营养化水体修复的研究重点之一。湿地生态修复是通过对湖泊、河道等水体内部及周边环境进行规划建设，选取合适的植物，从而提高湿地对富营养化水体的治理和修复效率。通过建立湿地生态系统进行富营养化治理，是目前我国富营养化水体防治的主要措施。在对水体进行净化的湿地系统中，主要有自然恢复、人工或半人工加强湿地、人工湿地三大类。目前，国内外的研究与应用表明，构建湿地生态修复系统是解决湖泊富营养化问题的有效途径[2]。本文从人工湿地的水文条件、植被群落的选取、湿地的生态修复与维护等几个方面，综述国内外在影响湿地生态修复效果和系统构建方面研究和应用的进展，为湿地生态修复的建设与应用提供理论和技术支持。

2 影响湿地生态修复效果的因素

2.1 植物选择

水生植物是湿地处理系统中主要生长的植物，在生态修复处理中，水生植物主要起到的作用是为微生物的生长提供了良好平台。在北方地区，一些植物的茎秆可以为水体水面形成冰层提供一定的支持，也为许多野生动物提供了一个良好的栖息地点[3]，对湿地内部的水生动物以及鸟类的迁徙和繁衍意义很大。适当地选择水生植物进行搭配选择可以提高对富营养化水体的修复效率，这在湿地生态修复中至关重要[4]。此外，植物种类的增多还可以提高湿地的生物多样性，改善湿地生态系统的自我调节与修复能力，从而增强湿地抵御外界冲击能力[5]。

2.2 水力条件

水力条件主要包括水力停留时间和水力负荷。湿地生态修复系统可分为地表和地下两个区域，由于地表侵蚀层和植被之间的水力传导特性的差异，其水力流动的规律也有一定的差别，在不同的深度会产生不同的水流阻力，从而导致水力停留时间的延长[6]。选用不同水力负荷的污水通入人工湿地，对其治理效果也有一定的影响[7]。徐祥熙等[8]通过建立6个不同的人工湿地模型，采用不同的水力学条件进行研究，发现在相同的水力条件下，垂直流人工湿地对污染物的去除率最高，表面流人工湿地的去除率最低；总氮去除效果最好的是垂直上行人工湿地，总磷、化学需氧量去除效果最好的是垂直下行人工湿地，氨氮去除效果最好的是水平潜流人工湿地；各人工湿地处理效果都随水力负荷的增加而劣化。李程等[9]的研究也表明，随着水力负荷的增加，人工湿地对污水中的主要污染物的去除率呈现出逐步降低的趋势，并且在低水力负荷的情况下，对主要污染物的去除率明显高于高水力负荷条件。

2.3 营养物质

水体的富营养化主要表现为水中的高氮水平，以及藻类的大量繁殖，使一系列的环境问题变得更为严峻。氮以不同的形式存在于水中，对植物产生环境胁迫，达到一定浓度后，就会导致植株死亡[10]。水草可通过释放某些物质抑制藻类生长，降低藻类的生物量，实现竞争效应，改善水质。一些植物在死后腐烂分解，也会生成各种不同形态的氮，可以被活着的植物所吸收[11]。

2.4 温度

湿地的生物降解是一种生物化学反应，水体中污染物的生物降解速率受温度的影响较大。因此，在冬天，由于水温较低，水体的生态修复效率会大大下降[12]。在人工湿地中，水生植物是处理富营养化水体的重要环节之一，而温度又是影响植物生长的主要因素。由于四季更替，气温发生变化，部分植物无法一直适应温度变化，对于氮元素的需求量也会随之改变。如：凤眼莲、金鱼藻、苦草等在春季末夏季初开始进入生长旺季，大量繁殖。又如：美人蕉无法在气温低的环境下发挥良好除氮效果；反之，石菖蒲由于低温耐受力强，同时除氮效果良好，可以用于季节互补性种植。利用水生植物植物去除氮，需定时清理植物。寇晓梅等研究发现，在生长季节，水生植物会吸收营养物质供自身生长，而进入秋、冬季节，许多植物无法存活，植物体死亡后部分营养物质暂时储存于体内，若要完全去除则需要在植物腐败前进行清理，同时利用季节性互补的植物种植以保障对氮的去除效果[13]。

3 湿地生态修复系统的构建

与人工湿地类似，湿地生态修复系统按照系统布水方式的不同分为自由表面流湿地(Free Water Surface Wetland，FWS)和潜流型湿地(Subsurface Flow Wetland，SFS)[14]。潜流型人工湿地则分为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。人工湿地包括填料、植物和微生物3个主要成分，它们在湿地处理污水的过程中分别起着不同的作用，只有综合发挥三者的优势，才能达到更好的生态修复效果[15]。

3.1 湿地植物选择

水生植物是指在水里生长的植物，在我国的湿地生态修复中起着举足轻重的作用，通过合理的植物搭配，可以有效地促进水体的恢复。按照生物习性，水生植物以沉水植物、挺水植物、浮游植物居多，植物品种的选择要尽量降低对周边环境的威胁，防止外来生物的入侵。湿地生态修复常用的水生植物可以分为以下几类。

3.1.1 挺水植物

挺水植物是指生长在浅水或水岸边的植物。它的根或地下茎生长在泥土中，通常有发达的通气组织，茎和叶绝大部分挺立水面。挺水植物大多植株高大，造型美观，在湿地生态修复中应用广泛(表1)。

表1 生态修复常用的挺水植物

由表1可知，在COD的去除方面，汇总的各类挺水植物如美人蕉，铜钱草等均可达到50%以上，而芦苇，香蒲去除效能更是显著，可达80%以上。而对于去除总磷，慈姑、香蒲和芦苇效率极高，可作为主力植物。上述挺水植物植株高大，造型美观且种植简易，耐受力强，适合在浅水体或水岸边大面积种植以对水体进行生态修复。

3.1.2 沉水植物

沉水植物是指整株植物全部位于水层下面营固着生存的大型水生植物。

据表2所示，狐尾藻、金鱼藻对COD和总磷的去除率非常高，适宜条件下可达到80%以上，并且栽种简单，可作为深水体的净水主要植物。轮叶黑藻等则可作为辅助植物，提高生态修复效率。此外还可以用于湿地造景，提高湿地群落丰富度，提高生态多样性。

3.1.3 浮水植物

浮水植物也称浮叶植物，根、根茎生于水中底泥又或者完全漂浮于水面之上从而随水而动，叶片浮于水面上方。常用生态修复的浮水植物见表3。

表2 生态修复常用的沉水植物

表3 生态修复常用的浮水植物

浮水植物多数均有较强的净水效能，但易大量繁殖，堆积河道，对其他水生动植物造成危害，所以一般不作为生态修复的主要植物，可用作辅助净化的一类植物。

在生态修复过程中，采用多种植物进行综合栽培，既能改善水体的修复效果，又能保证整个系统的长期稳定运转。根据不同的作物品种，根据其不同的生长距离、根系深度、土壤污染、种植效益以及对环境的影响，选用合适的品种。植物在吸收和清除污染物的过程中，也为填料中的微生物提供了良好的生活环境，这是提高生态修复效果的一个关键因素。综合考虑，宜选择芦苇、美人蕉和旱伞草作为湿地的挺水植物部分，狐尾藻、金鱼藻和苦草作为沉水植物部分，浮叶植物选择芝麻萍，所选植物均具有良好的适应性、较好的根系和较好的抗污染及净化性能。同时选用上述多种不同种类的植物组合种植，最大化提高湿地生态修复的效率。

3.2 场地搭配建设

场地建设可以在有限的用地面积条件下，最大限度地提高土地利用率，从而间接提高修复效率。潜流式人工湿地包括围护结构、防渗、结汇、湿地植被等，其排水在地表下流动，具有良好的隔热性能，对周围环境无明显影响，环境卫生状况良好，可在距离居民区较近的区域使用[12]。因此近年来较多选用潜流式人工湿地对富营养化水体进行修复[32]。若是地处偏远地区，可利用面积大，管理较为困难，则可采用水平流湿地进行修复。

3.3 水岸维护工程

大部分湿地水岸维护现状植被数量少，种类单一，且无一定的隔离措施或设备。针对部分湖泊或湿地的水岸保护问题，应在居民休闲活动的地区和湖岸附近建立生态隔离带，有效隔离人为活动干扰，为湿地生态修复提供稳定条件。生态隔离带可沿水岸线设置，植物种植稍宽。水岸主要以较陡边坡护岸为主，缓冲带宽度较窄，地形陡峭。根据现状地形地势，种植采用“乔木+灌木+草本+挺水植物”的组合方式，呈现出较为自然的面貌，促进了水质改善，优化了整体生态环境[33]。此外，湿地系统中鸟类繁多，在设计时可采用“微地形塑造+多序列植被修复+枯树”的组合方式，并根据不同鸟类的习性，种植鸟类喜爱的陆生、耐水生乔灌草和挺水、沉水植物，在满足鸟类需求的觅食、栖息繁殖的基础上还可增加植物类型，提高区域生物多样性。针对目前的实际状况，在靠近道路的区域设置一片密林隔离区，以减少人类活动对湿地生物的干扰，其次植被修复向水面延伸依次为乔、灌草、挺水植物及沉水植物，水面上配置部分浮水植物。

3.4 湿地系统维护

虽然湿地生态建设对富营养化水体修复作用效果显著，但考虑到植物生长周期与当地气候密切相关等因素，建设后期的维护工作显得尤为重要。如今大部分地区对于湿地生态修复维护主要以人力为主，小部分地区采用智能化系统控制管理。无论是人力维护还是智能化系统控制维护，都有其优势和不足之处。湿地系统维护通常分为湿地生态系统维护与湿地设施维护两部分，选择合理的系统维护措施，将对湿地生态系统产生很大的影响[34]。

4 结论与展望

湿地生态修复技术在我国富营养化水体治理、黑臭水体修复、水源地保护等领域的应用日益广泛。其中，合适的植物选择和水力条件是影响湿地生态修复的重要因素。国内外的研究与应用表明：芦苇、金鱼藻、凤眼莲是对富营养化水体净化效果较好的3种不同类型的水生植物，可以作为湿地修复的主力植物并根据其他水生植物不同的净化能力和经济价值，设计出不同的植物组合来搭配使用，以更好地发挥水生植物净化水体、美化环境的功能。水力条件的改变可以通过场地与相关设备的选择与改进来实现，进而对进水水力条件进行调整。影响湿地生态修复系统构建的因素较多，因地制宜地进行湿地生态修复工程设计，是湿地生态修复富营养化水体成败的关键因素。针对不同的地形、气候、选择适宜的植物组合，结合当地水力条件、排水设施及出水条件，进行合适的湿地生态修复工程建设，将有效提高湿地生态修复的成效。

由此可见，湿地生态修复的研究和应用热点仍主要集中在对不同类型的植物进行筛选和对比，从中选出适合实际使用的品种，并进行合理的组合，以提高湿地生态修复的效果。湿地生态系统中的基质，富含有机-无机成分和各种微生物，与植物共同构成植物-微生物-基质体系，是湿地生态修复系统污染物去除的主要场所。因此可见，加强湿地生态系统中基质选择、组成和应用的研究，不仅可以有效提高湿地生态修复的效率，还可以最大限度地降低当前人工湿地所面临的诸如堵塞和运行不稳定的问题，也是将来湿地生态修复研究和应用的重要方向。