水生植物净化水环境与水生植被的修复

水生植物净化水环境与水生植被的修复郭和蓉;卢小良【摘要】综述了高等水生植物对富营养化水环境、有机污染和重金属污染等受损水体的净化功能.在恢复水域生态环境过程中，应充分考虑水生植物与环境的协同作用，根据环境条件和群落特性，合理配置水生植物群落，形成稳定可持续利用的生态系统.【期刊名称】《长江大学学报(自然版)理工卷》【年(卷)，期】2005(002)005【总页数】4页(P65-68)【关键词】水生植物;水环境;净化作用;植被修复【作者】郭和蓉卢小良【作者单位】华南农业大学农学院，广东，广州,510642;华南农业大学农学院，广东，广州,510642【正文语种】中文【中图分类】Q948.8;X52水生植物包括湿生植物、挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物五种生活型。其中湿生植物、挺水植物、浮叶植物及漂浮植物的生产力接近于陆生植物，有些在富营养化条件下其生产力可以超过陆生植物［1］。利用水生植物富集N、P是治理、调节和抑制水环境富营养化的有效途径之一［2］。1水生植物对水环境的净化作用1.1水生植物对富营养化水域N、P的吸收，为营养物质提供输出渠道当大量的N、P等进入水体，就会引起水环境富营养化，导致浮游藻类大量生长，形成水华，而这些营养元素同样为大型水生植物生长所必需。实验证明，水生植物修复具有明显去除N、P的效果［2~6］。沉水植物可以直接吸收湖水中的营养盐，降低湖水营养水平，抑制浮游藻类的生长［7］。水环境包括水体和底质两部分，水体中的N、P可由生物残体沉降、底泥吸附、沉积等迁移到底质中［8］，沉水植物则通过根部吸收底质中的N、P和植物体吸收水中的N、P,从而具有比浮水植物更强的富集N、P的能力［9］。大型水生植物由根从底泥中吸收的PO4-P足以满足其正常生长的需要［10,11］。为适应水中生长，沉水植物的茎、叶和表皮都与根一样具有吸收作用，而且表皮细胞含叶绿素，能进行光合作用［12］。因此，沉水植物水域溶解氧含量大大超过漂浮植物水浮莲水域［13］。沉水植物从底泥中吸收的PO4-P可输入茎、叶，并释放于水中［14,15］。以一个面积30km2的中型湖泊为例，如果植物的干生物量为500g-m-2，那么正常固定的N为195t,P为45t［16］。金送笛等［17］研究表明，菹草(Potamogetoncrispus)可直接吸收底质中的NH4-N、PO4-P。在水层中NH4-N含量较低(<0.35mg-L-1)时，优先吸收NO3-N而与浮游植物选择吸收NH4-N互补，死亡后迅速腐解，释放大量营养盐，能充分调动底质肥力，加速N、P循环，提高水体生产力。宋福等［18］和乔建荣等［19］用8种沉水植物菹草、苦草(Vallisneriaspiralis)、狐尾藻(Myriophyllumspicatum)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)、篦齿眼子菜(Potamogetonpectinatus)、微齿眼子菜(P.maackianus)、轮藻(Charasp.)、伊乐藻(Elodeacanadinsis)对草海水体总N、总P去除速率的研究发现，8种沉水植物对水体(含底泥)中的N、P都有去除能力，其中伊乐藻和苦草去除能力最强。1.2高等水生植物对藻类生长具有克制作用高等水生植物和藻类，存在着相互竞争(allelospoly)和相生相克(allelopathy)。高等水生植物对藻类的克制作用，一方面是因为水生植物与浮游藻类争夺营养和光照而抑制藻类的过量生长［20］；另一方面也是最主要的原因是克生化合物的存在。相对于浮游藻类而言，挺水植物、浮叶植物及漂浮植物在光能竞争上占绝对优势，沉水植物在光能竞争上略显优势，但在营养竞争方面占优势。俞子文等［21］研究证实了水花生(Alternantheraphiloxeroides)、水浮莲(Pistiastratiotes)、满江红(Azollaimbricata)、紫萍(Spirodelapolyrhiza)和西洋菜(Siumsuavevar.angustifolium)与雷氏衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)有相生相克关系，并和水葫芦(凤眼莲,Eichhorniacrassipes)的作用进行了比较，发现5种水生植物均有克制效应，但不如水葫芦强。从水花生、水浮莲和水葫芦的种植水中得到的分泌物粗提物，也表现出对雷氏衣藻的克制效应。孙文洁等［22，23］对上海一条富营养化水域进行治理，发现种植了凤眼莲的水体藻类大量减少。在室内模拟实验中排除凤眼莲和雷氏衣藻之间的竞争后，藻类生长仍受到抑制。将种植凤眼莲的水过虑后培养藻类发现，雷氏衣藻光合作用效率显著降低，叶绿素a被破坏，细胞还原能力显著下降，在荧光显微镜下看到藻细胞由鲜红色变为淡蓝绿色，进一步证明种植过凤眼莲的水中含有杀藻物质。用生物检测法测试凤眼莲无菌苗对衣藻的克制效应。结果表明，在无根际微生物着生条件下，凤眼莲种植水仍显示了克藻作用，说明克藻物质是由凤眼莲分泌的。因此表明水生植物在旺盛生长时能向湖水中分泌某些生化物质，杀死藻类或者抑制其生长繁殖。1.3水生植物对受污染水环境中有毒物质的吸收和去除随着城市化和工农业的迅猛发展，城镇污水、畜牧业与食品加工业废水已成为水体有机污染和重金属污染的主要污染源，传统的污水处理工厂已无法满足目前污水处理的需要，国内夕卜学者正在寻求一种多元化的污水处理方式。利用水生植物吸收去除水环境中的有机物和重金属元素，是目前研究的焦点。研究最多的是漂浮植物凤眼莲。谢心仪等［24］用凤眼莲净化生活污水的研究表明，当污水中COD起始值为189.33-375.92mg-L-1时，经过5~9d去除率可达79.38%,BOD5起始值50~110mg-L-1时经过5~11d去除率可达91.8%;对污水中的Cu、Zn经过15d分别去除50%、78%，而对Pb经过10d可去除10.7%。肖乡［25］对化粪池污水的净化试验结果也表明，凤眼莲对COD去除率达92%。刘光良等［26］对造纸污水的研究表明，经过9d凤眼莲对马尾松硫酸盐浆污水COD去除率为24.6%，对阔叶混合材半化学浆污水COD去除率为35.3%。杨继武［27］用凤眼莲净化石油钻井污水，凤眼莲种植30~40d对污水色度去除率为33.3%~39.3%，使COD由178.2mg-L-1降到114.7mg・L-1。刘建武等［28］报道，水葫芦对萘污水的适应和净化能力最强，细叶满江红最差，其生长适应和净化能力依次为:水葫芦〉水花生〉浮萍〉紫萍〉细叶满江红。在起始浓度分别为2.5、6.5、16.1mg-L-1的萘污水中冰葫芦的7d净化率分别为97.1%、93.7%和90.4%。曾健等［29］利用水葫芦、水花生、水浮莲、浮萍四种水生植物净化三肼污水的研究表明，水葫芦对三肼污水具有较高的适应性，对偏二甲肼、甲基肼也具有良好的去除作用。水葫芦对浓度不超过60mg-L-1的偏二甲肼和甲基肼污水的净化速率分别是自净速率的2.2~5倍，在平均气温24°C时，净化浓度约10mg-L-1的偏二甲肼、甲基肼污水，仅需12~16d就可降至0.1mg-L-1o利用挺水植物净化水体近几年研究也较多。用芦苇(Phragmitesaustralis)、凤眼莲、香蒲(Typhaorientalis)净化地热废水，除氟的效率分别是37%、40%、36%,含氟量由3.96mg-L-1分别降至2.49、3mg-L-1;含盐量分别是1500、1395、1442mg-L-1，完全可以用于农业灌溉［30］。石菖蒲(AcorusgramineusSoland.)种植在污水中后，根系活力增强，叶绿素含量增加，对污水中的重金属也有较强的吸收富集作用［31］。成水平等［32］研究显示，香蒲、灯芯草(Juncuseffusus)人工湿地对COD的去除率均达94%以上。丹麦Schierup等［33］用芦苇和宽叶香蒲(Typhalatifolia)湿地系统净化城市污水试验表明，BOD去除率为60%-80%。捷克科学家Vymazal等［34］研究也表明，用芦苇作湿地植被，BOD、COD和SS去除效果好。廖新佛等［35］用风车草(Cyperusalternifolius)和香根草(Vetiveriazizanioides)等湿生植物处理猪场废水的研究结果也表明，风车草可以在COD2800mg・L-1、NH4-N390mg-L-1以下的猪场废水中生长，香根草可以在COD1300mg・L-1、NH4-N200mg/L以下的猪场废水中生长。风车草、香根草在CODCr825mg・L-1、BOD5500mg・L-1、NH4-N130mg-L-1和TP23mg-L-1的猪场废水中种植4d后，上述污染指标的去除率分别达到64%、68%、20%和18%。刘士哲等［36］研究也表明，风车草对生活污水中的总氮、硝态氮、总磷、CODCr的去除率分别为68%、98%、78%、90.6%。2受损水环境水生植被的恢复与重建水生植物具能拦截外源营养、吸收水体中的氮磷元素和有毒物质。另外，一些植物对藻类有抑制作用。因此水生植被的恢复与重建正日益受到关注，恢复水生植被已被作为治理受损水环境的重要生态措施。恢复水生植被不是简单地〃栽种水草”，而是在已经被破坏了的水环境基础上重新构建良性水环境生态。研究结果显示，挺水植物莲(Nelumbonucifera)和芦苇、浮叶植物菱(Trapasp.)和r-选择型的沉水植物苦草、菹草等在武汉东湖水果湖、汤逊湖和后湖等3个水生植被恢复示范区均可以恢复，这说明了水生植被的组建、恢复是可行的。但也存在一些问题，如黄丝草(Potamogetonmaackianus)、伊乐藻、黑藻等在后湖示范区可以恢复，在水果湖恢复未能成功，黑藻在汤逊湖示范区也未能恢复［37］,这说明了水生植被恢复与重建的复杂性和艰巨性。因此，在设计水生植被时必须注意以下3个方面：2.1优先考虑水生植被在污染净化、营养平衡和生态平衡方面的作用地面水水质标准中对总N、总P都有要求，营养平衡原则是指N、P输入总量与输出总量在水中浓度小于或等于总N、总P的前提下达到平衡。生态平衡原则是指恢复水生植被必须达到一定的规模，以保障水质和控制蓝藻水华，同时又要防止因水生植物过度发展引起沼泽化问题。2.2要考虑光照条件和水体pH两个环境因子水体pH不同，直接影响到水体中无机碳源的存在形式。水下光照条件和透明度是富营养化水体中水生植物生长的主要限制因子，对沉水植物的生长和分布影响尤其明显，只有在实际水深小于光补偿浓度的水域，沉水植物才能生长。不同的沉水植物对光照和水体pH的耐受能力不同。Titus等［38］和Rogers等［39］的研究表明，狐尾藻和金鱼藻在不同温度条件下都具有较高的光补偿点，而苦草的光补偿点较低。Madsen等［40］、Stanley等［41］和Adams等［42］报道，狐尾藻具有较低的CO2补偿点，在一系列碱性水体中(pH7.5~8.8)对形式的碳源有很强的吸收能力。2.3合理配置水生植物群落，根据环境条件和群落特性构建稳定可持续利用的生态系统在水域生态系统中，水生高等植物是水体保持良性运行的关键生态类群，其中沉水植物因其完全水生的特点，使得在水生植物各生活型中对环境胁迫的反应最为敏感，因此，恢复水生植被要注意水生植物与环境的协同演替作用，保持水域生态平衡。—般来说，以沉水植物为基础的水环境生态系统则是一种良性循环的生态系统。尽管水葫芦也能吸收大量的营养元素，但由于溶解氧低下，水体本身的自净能力得不到提高，一旦污水源源不断流入，湖水又会继续恶化，因此以水葫芦为基础的水环境生态系统很难组织起优化的生态系统，而是非良性循环的生态系统。苦草由于具有较低的光补偿点及较强的对高pH的耐受力，因此可以用作先锋种，种植于水质较为恶劣的水域；而狐尾藻、大茨藻(NajarsmajorAll.)和金鱼藻具有克制藻类大量繁殖的作用，可配合种植，改善水质，提高透明度；在水质较好的水域配合种植一些如菹草等产氧强的品种改善溶解氧状况，逐步形成稳定的良性循环的水域生态系统［43］。3利用水生植物净化水环境的前景污染水体净化的重点是水生态系统功能的恢复，尤其是高等水生植被的恢复。高等水生植被具有清淤固沙、净化水质、增加水生生物和克制藻类大量繁殖等生态学效应，能使系统内部的物质循环和能量流动处于动态平衡之中。潘继征等［44］对滇池东北岸生态修复区的环境效应研究表明，修复区具有捕获富集和分解消除漂浮性蓝藻的作用，同时能通过水生植物的遮荫作用抑制藻类的光合作用。黄民生等［45］对苏州河污染支流绥宁河进行了生物修复试验，结果表明，采用曝气复氧、投加高效微生物及生物促生液和放养凤眼莲等组合生物修复技术，可以消除黑臭，使水体COD下降50%,DO升高2mg-L-1，透明度增加10%。屠清瑛等［46］在北京什刹海进行了生态恢复试验，结果表明，以物理除藻为前提，通过实施基底修复而后开展水体充氧等手段以及高等水生植物栽植与优化配置，达到恢复水生植被的根本目的，总N、总P下降了4.74mg-L-1和0.45mg-L-1，去除率达79%和91%。［参考文献］［1］ 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