摘要 介绍了在修复富营养化水体中具有重要地位的高等水生植物种类，综述了其在水体治理中的作用机制及高等水生植物修复技术的应用情况，提出了未来高等水生植物修复富营养化水体的研究方向。
关键词 高等水生植物；富营养化水体；生物治理
中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）32-104-03
Abstract The paper reviews the important advanced aquatic plants in treatment of eutrophic water. The mechanisms and applications of advanced aquatic plants for eutrophied water treatment are summarized and the further study about advanced aquatic plants in bioremediation of eutrophic water are prospected.
Key words Advanced aquatic plants； Eutrophication water； Bioremediation
随着经济的发展，人们对水生态系统干扰日益严重，我国湖泊（水库）水环境质量日趋富营养化，富营养化水体的控制治理成为迫待解决的问题。富营养化水体治理有物理、化学、生物等修复手段。由于生物修复在成本、原料来源、生态环境效益、经济效益等方面具有物理、化学修复所不具备的优点[1]，因此水体生物修复研究成为人们关注的焦点。目前，生物修复的研究范围包括利用藻类、微生物、基因、高等植物、水生动物等治理富营养化水体[2]。高等水生植物修复是生物修复的一种。由于高等水生植物独特的环境生物学特征和生态功能，其在水体生物修复中具有重要的地位，国内外学者对其抑藻净水机制及应用进行了广泛深入的研究，并取得了一定的成果。
1 高等水生植物修复
高等水生植物修复是指通过植物的吸收、吸附作用和代谢功能，将水体中的氮磷等营养物质进行吸附、沉淀、分解和吸收[3]。其基本思想是通过人工控制浮叶植物、沉水植物、挺水植物、漂浮植物等高等水生植物的比例，降低水体中的营养物质含量，起到修复水体的作用。成功的高等水生植物修复需具备以下条件：一是植物对污染物具有强的耐受性及洁污净化能力。林连升等研究发现，不同富营养化的水体中，植物修复能力存在差异，选择适应性强的水生植物对修复效果至关重要[4]。二是水生植物代谢产物不会产生二次污染。有研究发现，凤眼莲等植物若收割不及时，植物腐烂后会释放出大量的有机物和营养盐，造成水体二次污染[5]。因此，在利用水生植物进行水体富营养化治理时，要管理恰当，避免抑制了藻类但又影响了环境。三是将环境景观效益和经济效益相结合。目前水生植物修复研究多注重环境景观效益，经济效益方面涉及较少。黄海平研究了水蕹菜浮床在精养鱼池中的应用，结果表明，建植水蕹菜浮床的池塘利润是没有设立水蕹菜浮床池塘利润的1.74倍[6]。因此，利用经济价值高的水生植物进行生态修复，具有环境、经济双重效益。四是投资、维护等费用低。
2 修复富营养化水体的高等水生植物种类
水体富营养化是一种水质生态恶化的水体效应，主要是水中输入过量的氮、磷等营养盐引起。能否有效地去除过量的氮磷，成为修复富营养化水体的关键。已报道的能去除富营养化水体中氮磷的高等水生植物有挺水植物（如菖蒲、灯心草、水田芥、芦苇、香蒲、水葱、梭鱼草、茭白、美人蕉、鸭跖草、短叶茳芏、风车草、鸢尾、旱伞草、红掌对叶草、薄荷草、大柳、水白菜、宝塔草、香根草、再力花、花叶芦竹、水葱、蜘蛛兰、蒲草、三棱草、水芹菜等）、沉水植物（如金鱼藻、菹草、轮藻、微齿眼子菜等）、漂浮及浮叶植物（如水蕹菜、睡莲、空心莲子草、水葫芦、荷花、莼菜、黄花水龙等）[5-14]。不同种类高等水生植物的净化能力不同。刘燕等研究表明，挺水及沉水植物对氮磷吸收富集能力较强，浮叶和漂浮植物较低[14]。根部是挺水植物吸收底泥中营养盐的主要器官，浮叶植物和漂浮植物一般通过根、茎吸收营养物质，沉水植物的根茎叶能较好地去除污染物[15]。
对常见的能修复富营养化水体的高等水生植物进行分析，发现部分高等水生植物能分泌化感抑藻物质来控制藻类的生长。边归国对国内外漂浮、浮叶、挺水、沉水等62种植物化感抑藻的研究成果予以综合评述报道，较完整地归纳了能够产生化感物质的水生植物，其中沉水植物所占的比例最大[16]。有学者对这一现象的原因解释为：沉水植物与浮游藻类在同一生长环境下，对光照、营养盐的竞争十分激烈，致使其选择化感作用来抑制藻类的生长[17]。不同类型的高等水生植物的抑藻能力不同，如穗花狐尾藻的抑藻能力较强，水浮莲的抑藻能力中等，菹草的抑藻活性较弱[17]。同一水生植物不同器官的抑藻能力也有区别，如芦苇的根、茎抑藻能力比叶片弱，菖蒲的根比茎、叶抑藻能力强[18-19]。水生植物释放的化感物质有高抑低促的特点。吴湘等研究发现，黄花水龙化感物质在低浓度时会促进铜绿微囊藻的生长，在高浓度下才逐渐表现出对铜绿微囊藻的抑制作用[20]。
3 高等水生植物在富营养化水体生物修复中的作用
高等水生植物是水生态系统的重要组成部分，具有控制藻类生长，维持生物多样性以及净水清水，维持生态稳定等功能。高等水生植物主要是通过物理、吸收、协同、竞争、化感等作用来修复富营养化水体。
3.1 物理作用
富营养化水体的透明度较差，水生植物可以通过过滤沉淀等物理作用提高水体透明度。一方面，水生植物对水体的流速有重要影响，其对水流的缓冲及稳定作用有利于沉积物的沉降，从而提高水体透明度[21]。朱红均等研究了漂浮植物凤眼莲对水流的影响，发现凤眼莲对相对水流紊动强度分布影响明显[22]。另一方面，高等水生植物，一般根系发达，接触水体的面积大，当水流经过时，污染物在根系表面进行吸附、沉淀等物理作用，其中不溶性胶体被根系粘附，悬浮性的有机物和代谢产物被菌胶团沉淀下来[23]。研究发现，沉水植物、浮叶植物、挺水植物均能通过沉淀、吸附、过滤等作用减少沉积物的再悬浮，提高水体透明度[24-26]。
3.2 吸收作用 大型水生植物是胡泊生态系统营养盐循环的核心环节。水中的氮磷等营养盐可以被植物的叶片、根系等器官吸收，并被其固定在系统内部转化为生物量。然后通过收割植物的方式从水体中输出，以此达到净化水质的目的。蒋跃平等认为，在处理轻度富营养化水中，植物吸收对氮磷的去除起着主要作用，贡献率达50%以上[27]。但多数学者认为，通过收割植物去除的氮磷量很小，植物吸收作用不是去除氮磷的主要机制[28-30]。影响植物吸收氮、磷等营养盐的因素主要有水体营养盐浓度、植物种类、生物量、温度等。此外，随着植物的衰败、死亡、腐烂，体内的营养盐会重新释放到水体中，只有及时组织收割，才能真正实现对水体的净化。
3.3 协同作用
协同作用是指微生物和大型水生植物通过相互作用对污水中营养物进行降解[31]。水生植物群落是微生物附着基质和栖息场所的提供者，其茎叶为形成生物膜提供空间，根系为微生物提供基质。生长过程中，水生植物能分泌大量的低分子有机物，促进了根际微生物的代谢，而微生物的活动又加快了根际有机磷、有机氮的分解及其他矿质元素的活化，从而净化水体[32]。研究发现，水体污染物的去除主要是通过植物、微生物、基质之间的联合作用，植物的吸收作用去除营养物的贡献较小[28-30]。通过微生物和植物联合治理富营养化水体，可以提高治理效果。例如，胡绵好等研究结果表明，风眼莲+固定化氮循环细菌联合作用对富营养化水体中总氮和铵态氮的去除率比用凤眼莲单独处理时的去除率高[33]。
3.4 竞争作用
高等水生植物与藻类都是浅水胡泊的初级生产者，二者在空间、光照、营养等生存条件上存在竞争。特别是沉水植物，由于与藻类的生态环境完全相同，其与藻类的竞争表现的最为激烈。例如，吴功果等分析了1977～2009年云南洱海水生植物与浮游植物的历史变化，发现洱海从贫-中营养到富营养化初期，沉水植物种类减少，水生植物分布面积缩小，浮游植物数量大量增长，水体透明度降低[34]。因此，高等水生植物与藻类对营养物质、光照的竞争也是一条缓解水体富营养化的途径。
3.5 化感作用
化感作用是指植物、藻类等生物释放的次生代谢产物对生物和农业系统产生的影响[31]，这些次生代谢产物被称为化感物质。化感作用被认为是大型沉水植物抑制藻类生长的有效方式。高等水生植物的化感物质可以利用多种途径直接或间接杀死藻细胞，从而抑制藻类的生长，其主要途径有：①降低叶绿素a含量，破坏光合系统；②破坏细胞膜结构；③改变酶活性，破坏抗氧化系统；④细胞膜内超微结构受损；⑤基因表达异常[35-38]。目前，关于植物化感抑藻机理的细胞水平研究较多，还不能完全解释高等水生植物化感机理方面出现的问题。随着分子生物学的发展，关于化感抑藻机理的分子或基因水平研究将有利于解决化感物质抑藻机理出现的问题。
4 高等水生植物修复技术的应用
生物浮床技术、人工湿地技术是高等水生植物应用于富营养化水体治理的有效途径。生物浮床技术、人工湿地技术不仅治理效果显著，还具备一定的观赏价值及经济效益。
4.1 生物浮床
生物浮床技术就是应用无土栽培技术，把水生植物等移栽到水面或移植到人工载体材料上，通过植物吸收水体中的营养物质，并定期将植物体进行收集，从而提高水质[39-40]。目前，对生物浮床去除氮磷能力的研究以组合浮床为主，已有报道的组合浮床种类有：水生植物+陶粒基质、水生植物+水生动物+微生物、植物吸收+滤料吸附+生物挂膜、生物净化槽/强化生态浮床、微曝气生态浮床系统、水生植物-生物绳组合系统[41]。相关的研究发现，组合浮床对富营养化水体的净化效果较好。例如，濮培民等在贵州贵阳红枫湖/水库右二湾富营养化水体通过种植一定数量的水面植物，配合运用微生物技术进行局部（围隔水体面积1.33 hm2）生态修复试验，结果表明，当植物浮岛覆盖率超过1/5～1/3时，此生态工程可以调控浮游植物种群结构和丰度，工程内与工程外比较，藻类丰度减少53.6%，生物量减少39.1%，透明度提高了10 cm以上，红枫湖局部水体实现了水质改善和富营养化控制[42]。
4.2 人工湿地
人工湿地是一种由人工建造和控制运行的模拟自然湿地的人工生态系统，主要利用生态系统中的土壤、人工介质、植物、微生物的协同作用，来实现对污水的高效净化[43]。目前，许多流域已在用人工湿地治理水体污染。例如，济宁市在流入南四湖的重点流域开展了人工湿地建设工程，其中新薛河人工湿地示范工程已种植卢竹、莲藕、芡实等湿地植物200 hm2，香蒲、苦江草等水生植物133.3 hm2，实现了挺水植物带、浮叶植物带、沉水植物带的优化配置，水体中的主要污染物去除效果明显，出水水质达到了地表水3类标准[44-45]。母国宏对重庆市杜市镇饮用水源地石龙水库人工湿地工程建成前后的水质监测进行分析评估，人工湿地措施净化效果总体比较明显，对氮、磷具有明显的去除效果，总氮的下降趋势好于总磷，基本达到了净化水体的预期目标[46]。目前，人工湿地的研究主要涉及到生态环境方面，经济效益研究较少。寇祥明等通过模拟湿地环境，采用“水花生+克氏原螯虾（鱼）”、“水花生+水芹菜+克氏原螯虾（鱼）”、“水芹菜+伊乐藻+克氏原螯虾（鱼）” 3个水生动植物群落组合进行养殖效益研究，结果表明，其平均经济效益分别达4.662 0、5.140 5、5.529 0万元/hm2[43]。
5 展望
利用高等水生植物控制水体富营养化是一种有效的生物治理方法，其材料来源广，经济、环境效益高，因此在未来的富营养化水体修复中具有广阔的前景。虽然高等水生植物净化富营养化水体取得一定的成果，但还有很多问题需深入的研究和探讨。高等水生植物物种丰富，但被研究且产生效果的仅数10种，因此，筛选和培育能够修复污染水体的新型水生植物，尤其是当地抗污强、净化效果佳的植物，以及不同植物在不同生长阶段的净化效果仍是优先考虑的研究内容。相关的研究表明，植物、微生物、基质间的协同作用是水体中营养物去除的主要途径，植物的吸收作用仅占系统去除氮磷的一小部分[35-37]。由于生态浮床系统缺少基质的作用，因此对高等水生植物在其系统中营养盐的去除途径，转化效率还有待深入研究。虽然由高等水生植物组建的人工复合生态系统在富营养化水体治理时具有独特优势，但目前这一技术在开放水体中的应用范围有限。因此，今后要加强其在自然开放水体中大规模应用的研究，并就其大规模应用所带来的生态安全性、资源化利用等进行详细的研究，以期能够更好地开展水体富营养化治理。
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