沉水植物修復湖泊富營養化水體研究

董文龍 余頡

（湖北生態工程職業技術學院，湖北武漢 430200）

1 引言

根據2019 年生態環境部公布的最新資料，在其監測的107 個湖泊（水庫）中，貧營養的湖泊占9.3%，中營養的湖泊占61.7%，富營養化的湖泊占29%。

目前，防治湖泊富營養化的技術方法主要有物理法、化學法和生物法。其中，物理法有排水改道、底泥疏浚、深層排水等；化學法有化學處理、凝聚沉淀和化學除藻等；生物法有生態修復、生態系統控制和生物利用等。生態修復作為生物法核心技術，主要有浮游動物和魚類的修復、微生物修復和水生植物的修復。

水生生態系統的組成部分眾多，沉水植物作為重要的組成部分，可與浮游植物競爭光照和營養物質，凈化富營養化水體，還可為浮游底棲動物、附生真菌和細菌等提供適宜的生長環境，維持生態系統多樣性［1］，因此，以沉水植物為主的水生植物修復技術是治理湖泊富營養化水體的一項重要舉措。

2 沉水植物對湖泊富營養化水體的凈化作用

湖泊水體生態系統中的初級生產者主要為沉水植物，恢復和構建沉水植物群落可以降低湖泊富營養化水體營養負荷，凈化水體中多種有機物，改善水體溶解氧和透明度，抑制藻類生長，有效增加生態空間。目前，研究和應用較廣的沉水植物有菹草、苦草、馬來眼子菜、微齒眼子菜、伊樂藻、黑藻、金魚藻、狐尾藻等［2］。

2.1 降低氮磷營養負荷

沉水植物以氮磷為營養物質，沉水植物整株浸沒于水中，具有吸收作用的組織有根、莖、葉和表皮，葉綠素出現在皮層細胞，這種特殊的結構可以吸收水體中的氮和磷。

李蕓等［3］研究認為，湖泊中NH4＋－N 的濃度會直接影響沉水植物的生長活動，NH4＋－N 的濃度不宜過高或過低，不適宜的濃度會脅迫沉水植物的生長。通過構建合理的水體環境，沉水植物可以有效降低水體中NH4＋－N 的濃度。胡一帆等［4］以黑藻、苦草和狐尾藻3 種常見的沉水植物作為研究對象，在室內靜水條件下，綜合比較其對受污染水體的凈化能力。實驗結果表明，3 種沉水植物均可有效降低受污染水體中COD，NH3－N，TN，TP。常素云等［5］研究了狐尾藻、金魚藻、篦齒眼子菜不同組配方式對水體凈化效果的影響，研究表明，對TN 去除效果最好的組配方式為狐尾藻、金魚藻和篦齒眼子菜組合。樊恒亮等［6］選取太湖中沉水植物優勢種金魚藻、狐尾藻、苦草和馬來眼子菜為研究對象，結果表明，水體營養變化規律上，植物各器官氮、磷含量變化基本相似，葉片氮含量最高，根系最低，根系磷含量最高。選取的4 種沉水植物，葉片氮元素積累的能力最高；氮磷較低濃度時，氮積累量狐尾藻的最大，磷積累量苦草的最大，氮磷低濃度下種植收割，去除水體中的氮磷效果較好。

2.2 凈化多種有機物

研究發現，沉水植物水體生態系統中，通過降解可以使有機物大分子轉化為小分子，再通過水體中小型水生動物或浮游動物進一步吸收，實現水體中懸浮性物質的降低。

鐘錚等［7］以沉水植被為研究對象，通過構建沉水植被，分析其對白云湖示范區水質改善的情況，發現指標CODMn為6.89 mg/L，BOD5為11.80 mg/L，分別下降了39.6%和39.7%。

戴青松等［8］以狐尾藻、金魚藻和伊樂藻3 種沉水植物為研究對象，分析了其在秋季對人工湖泊水質的凈化情況。結果表明，3 種沉水植物均有一定的凈化作用，在對COD 去除效果方面，狐尾藻和伊樂藻最好，去除率超過57%，金魚藻較差，為51.74%。

大量研究表明，沉水植物對湖泊水體有機物有一定的去除效果，但水體中COD 的去除率并不一定隨著時間的增長而持續上升，植物吸收充足且在自身代謝作用下會導致其對水中COD 去除有所減緩，乃至基本維持在某個數值左右。后期階段，由于沉水植物凋亡、腐化、根腐爛與分解及微生物代謝，產生新的有機物溶入水中，導致水體COD 回升，甚至高于原水。溫度變化對沉水植物對COD 的去除有較大影響，低溫環境更容易造成植物的死亡腐爛而引起COD 上升，因此在實際應用過程中，需要定期收割和處理老化植物，以控制水體COD。

2.3 改善水體溶解氧和透明度

大量研究表明，通過構建沉水植物生態系統，可以實現水體溶解氧和透明度的改善。湖泊水體中，沉水植物的葉片等器官可以進行光合作用，產生一定的氧氣，提高湖泊水體的溶解氧濃度，有利于改善水體環境。同時，沉水植物生長的區域，可以減緩水體流動的速度，葉片等器官可以吸附水體中的懸浮物，根系可以固定底泥，減少內源性的磷釋放，防止沉積物的再懸浮，改善水體的透明度。

王學雷等［9］通過研究洪湖水環境的特征與湖泊濕地的凈化能力，發現沉水植物經過根系的呼吸作用，通過自身輸導組織將一定的氧釋放到沉積物中，改善水體環境的溶解氧濃度。

2.4 抑制藻類生長

一些學者研究發現，湖泊水體中，沉水植物對藻類生長有一定的抑制作用，其機理主要有兩種可能，一是沉水植物生長過程中與藻類生長存在某些競爭關系。植物生長過程中，需要滿足適宜的外界環境才能正常生長，主要的影響因素包括溫度環境、光照條件和適宜的植物營養等。在水體中引入沉水植物后，會與藻類爭奪營養環境等，而沉水植物一般情況下競爭力更強，使藻類的生長相對處于劣勢［10］。二是沉水植物生長繁殖過程中，其根、葉等植物器官會向水體釋放一定量的化感物質，這些物質能對藻類的正常生長起到不良影響。

目前，已發現的具有抑制藻類生長的沉水植物有苦草、馬來眼子菜、黑藻、金魚藻和水劍葉等。

3 沉水植物修復湖泊富營養化水體的技術

在湖泊水體中，構建沉水植物生態系統是治理湖泊富營養化水體的一種重要水生植物修復技術。目前，富營養化水體植物修復技術主要有生態沉床、原水位種植、人工濕地和聯合固定化微生物等。

3.1 生態沉床技術

通過在水和底質兩大營養庫之間構建沉水植物，實現兩庫之間的有機結合，形成多樣化的湖泊生態系統。生長繁殖過程中，沉水植物占優勢時，通過凈化作用可以很好地降低湖泊水體的污染負荷，改善水質，豐富生物多樣性。生態沉床技術就是借助有基質材料的沉床載體，通過固定樁將沉水植物種植在水和底質兩大營養庫之間，利用沉水植物消化水體中的氮磷等營養元素，對富營養化水體進行凈化，從而達到水體修復的目的。生態沉床技術的沉床裝置包括沉床載體、浮力層和升降調節系統3 個部分［11］。沉床載體主要用于負載沉水植物，是沉水植物根系附著的區域；浮力層和升降調節系統主要用于控制沉水植物離水面的距離，調節光照和光合作用，提高水體修復效果。

3.2 原水位種植技術

由于原水位種植沉水植物難度高、成活率較低、根系不容易固定等，目前該技術使用較少，且一般只適用于淺水區域或者污染程度較輕的水體。主要的種植方式有直接種植、定植毯種植和網箱種植等。直接種植主要有拋植、配重拋植、人工扦插、工具輔助扦插；定植毯種植比較容易實現模塊化種植，一般也需要配重；網箱種植相對于其他種植技術，沉水植物比較容易固定，種植效率較高，在原水位種植技術中普遍被采用。

3.3 人工濕地技術

利用沉水植物修復富營養化水體的人工濕地技術是指在有一定面積和底面坡度的洼地上，人為地將石、砂、煤渣等填料與土壤按一定比例混合構成基質，并有選擇性地種植沉水植物的動植物污水處理系統。利用土地、植物、微生物構成的生態系統，通過沉淀、吸附和降解等協同作用，達到凈化水質的目的。劉繼平等［12］以深圳荔枝湖為研究對象，采用以人工濕地技術為主協同技術進行治理，對BOD5，TN，TP 和葉綠素等指標進行分析，發現該技術可以達到較好的去除效果，其中，BOD5和TN 的去除率超過55%，TP 的去除率在80%～90%之間，葉綠素的去除率超過63%，出水水質可以達到Ⅲ～Ⅳ類水質標準。

3.4 聯合固定化微生物技術

篩選和培養馴化特定功能的菌群可以達到降解轉化氮磷及有機物的作用。聯合固定化微生物技術就是利用沉水植物與特定菌群的聯合作用對富營養化水體進行修復，由于特定菌群可以降解轉化水體污染物，通過聯合作用，沉水植物修復湖泊富營養化水體的效果會顯著提高。目前，在特定功能菌群的篩選和培養馴化，沉水植物與特定菌群的協同作用和聯合方式上還存在諸多難點，是今后的努力方向，值得進一步探究。

4 結語

目前，全國處于富營養化狀態的湖泊眾多，歸根結底主要是水體中攝入大量的氮磷等無機營養物質導致的。去除湖泊營養物質的方法主要有物理法、化學法和生物法等。其中，生物法中的沉水植物修復技術是治理湖泊富營養化水體的一項重要舉措。研究分析沉水植物對湖泊富營養化水體的凈化作用和沉水植物修復湖泊富營養化水體技術，總結該技術的應用情況、相對空白的領域以及存在的問題，有利于對修復湖泊富營養化水體的進一步探索。