劉韓 王漢席 盛連喜

摘要：中國湖泊水體富營養(yǎng)化嚴重，生態(tài)治理技術因不會帶來污染物且對環(huán)境影響小而受到廣泛關注。對當前湖泊水體富營養(yǎng)化生態(tài)治理技術進行總結，指出中國北方湖泊生態(tài)治理難度大，采用具有可再生性的生物炭作為基質修復富營養(yǎng)水體，效果較好。另外，采用復合型人工濕地和立體生態(tài)浮床技術治理富營養(yǎng)水體，效果顯著。當前水生植物和基質材料在湖泊富營養(yǎng)生態(tài)修復中發(fā)揮著重要作用，但是植物生物量利用率低，特別是基質材料退役后未能得到資源化利用，因此提出在以后的研究中應注重提高湖泊水體富營養(yǎng)生態(tài)治理水平，實現資源化利用，降低湖泊治理成本。

關鍵詞：湖泊;富營養(yǎng)化;植物;生態(tài)治理;人工濕地;生態(tài)浮床

中圖分類號：X524 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）01-0005-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.01.001 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Eutrophication of lake water in China is serious， and ecological control has attracted widespread attention because of its no pollution and small environmental impact. Ecological control technology of the lake water rich nutrition were summarized. It is pointed out that it is difficult to control the lake ecology in northern China， and the effect of using biochar with reproducibility as substrate to repair eutrophication water body is good. In addition， the effects of complex constructed wetland and three-dimensional ecological floating bed technology on eutrophic water body are remarkable. At present， aquatic plants and substrate materials play an important role in eutrophic restoration of lakes， but the utilization rate of plant biomass is low. Especially， the matrix materials have not been used as resources after retirement. In the future， we should pay attention to improving the level of eutrophication and ecological control of lakes， realize the utilization of resources and reduce the cost of lake control.

Key words： lakes; eutrophication; plants; ecology control; constructed wetland; ecological floating beds

近些年來，中國經濟快速發(fā)展促進了湖泊的過度開發(fā)利用，再加上農田化肥農藥過量使用、畜禽糞便和秸稈處理不及時，降雨形成的地表徑流將污染物帶入地表水體，導致湖泊地表水體營養(yǎng)鹽和污染物的量急劇增加，從而引起水體富營養(yǎng)化。根據2012年《中國環(huán)境狀況公報》，湖泊輕度富營養(yǎng)化和中度富營養(yǎng)化約占25%，湖泊的富營養(yǎng)化導致生態(tài)系統(tǒng)浮游植物群落的變化，改變底棲動物生境，進而引起整個生態(tài)系統(tǒng)失衡[1-4]。中國湖泊富營養(yǎng)化治理經歷了調查診斷、控源治污、湖泊綜合治理和以湖泊生態(tài)安全、綠色流域建設為核心的湖泊流域綜合治理4個階段[5]。富營養(yǎng)化成因復雜，外源輸入與內源釋放是其主要原因，對于外源輸入，在提高污水處理率和完善配套管網的同時，重點在加強管理;對于內源釋放，主要采取底泥疏?；蚋采w、微生物凈化、生物浮床和人工濕地建設等方法[6-9]。研究發(fā)現，當前湖泊富營養(yǎng)化治理以控制面源污染為重點，特別是控制污染物輸入，尤其是氮磷含量高的污染物的輸入[10-12]。

針對湖泊的富營養(yǎng)化，目前國內外開展研究的較多。總體上說，通過實施產業(yè)結構調整控污減排、污染源工程治理與控制、提高水體含氧量和開展污染生態(tài)修復等，能夠使湖泊的污染受到控制[13-15]。實踐證明，以生態(tài)浮床為載體的生態(tài)工程，綜合運用水體分割技術、底棲動物增擴技術、人工附著介質技術和水生植被恢復技術等多項技術手段能夠明顯改善富營養(yǎng)化水體[16]。投加抑制劑、控制酸堿度、提高溶解氧（DO）來抑制底泥中磷的釋放[17-23]，采用水下臭氧殺菌改變活性污泥[24]，雖然都能夠改善底棲生境，緩解湖泊的富營養(yǎng)化狀態(tài)，都不具有可持續(xù)性，生態(tài)處理技術能夠克服這一缺陷。然而生態(tài)處理方法受環(huán)境條件限制，治理效果有限。研究發(fā)現，影響生態(tài)沉水植物恢復的核心條件是水下光照條件，水下光照條件受富營養(yǎng)水平、懸浮物濃度與水深等因子的影響，主要水環(huán)境因子有水溫、高錳酸鹽指數、總氮、總磷和透明度等，其與沉水植物相互作用[25-27]。有研究從水生態(tài)系統(tǒng)演替的角度出發(fā)，采用“食藻蟲—沉水植物—魚類”立體復合生態(tài)修復，結果浮游植物生物多樣性增加，藍藻得到有效控制，水體富營養(yǎng)化得到控制[28，29]。以機械化方式收割沉水植物能夠削減湖泊內各種營養(yǎng)鹽的積累，轉移各種氮磷營養(yǎng)鹽，實現湖泊富營養(yǎng)化治理和資源開發(fā)兼顧的目的[30]。通過浮床種稻原位修復、稻田濕地異位修復和稻魚生態(tài)種養(yǎng)3種模式可以有效地凈化或減少地表水體中氮磷等養(yǎng)分物質，實現湖（庫）富營養(yǎng)化治理的同時，還能夠有效利用氮磷養(yǎng)分[31]。

在開展地表水體富營養(yǎng)化治理時，首先應確定流域低污染水類型、污染負荷及分布，探明氮磷的輸入量，進行氮磷平衡計算[32-34]。研究水體富營養(yǎng)化成因和潛在機制，發(fā)現導致水體富營養(yǎng)化的總氮（TN）和總磷（TP）釋放通量變化基本一致，水流循環(huán)過程中，污染物的去向和遷移與營養(yǎng)物質、浮游植物和水生植物之間是相互作用的[35，36]。中國南北氣候差異大，在湖泊富營養(yǎng)治理時，還應充分考慮地區(qū)氣候特點。相比而言，中國北方地區(qū)零度以下氣溫時間長，湖泊自身凈化能力差，水體富營養(yǎng)化相對嚴重。另外，北方地區(qū)植物生長周期短，植物修復技術應用受到限制。因此，開展中國北方地區(qū)湖（庫）水體富營養(yǎng)化生態(tài)治理研究具有重要意義。

1 ?植物吸收和基質材料吸附水體中污染物

1.1 ?植物吸收

河湖水體的富營養(yǎng)化改變水生植物的群落結構[37]，反過來，水生植物通過自身調節(jié)凈化富營養(yǎng)化水體。試驗表明，水生植物對總氮、銨態(tài)氮、總磷和透明度指標改善明顯[38]。研究發(fā)現，美人蕉在營養(yǎng)生長期和開花期均能夠迅速有效地使富營養(yǎng)化水體各種營養(yǎng)物質濃度降低（表1）。但美人蕉對富營養(yǎng)化水體中氮、磷元素吸收存在差異，對總氮的吸收，營養(yǎng)生長期要略優(yōu)于開花期;而對總磷的吸收，開花期優(yōu)于營養(yǎng)生長期[39]。如表2所示，美人蕉、再力花和千屈菜3種植物對水體TN、TP的吸收能力差異顯著[40]。其中再力花對TN的吸收明顯優(yōu)于美人蕉和千屈菜，而對TP的吸收，美人蕉則優(yōu)勢更為明顯。

如表3所示，美人蕉、蘆葦、水蔥、鳳眼蓮和水芹菜5種植物對化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、TN和TP的吸收能力差異顯著，植物的去除率遠高于水體自身的凈化[41]。凈化效果最好的是美人蕉，其次為鳳眼蓮，而水芹菜對COD的凈化效果最差，僅略高于自然凈化。

研究發(fā)現，鳳眼蓮對TN的去除率隨TN初始濃度的增加而減少，對TP的去除率隨TP初始濃度的增加而增加（表4），同時需防止根系對懸浮物的捕獲以及鳳眼蓮和懸浮物的腐爛引起水質惡化[42，43]。陳書琴等[44]研究發(fā)現，海菜花人工種植技術較為成熟，四季生長旺盛，可以充分利用來吸收水中營養(yǎng)鹽，獲得經濟和景觀效益。何連生等[45]對白洋淀水體富營養(yǎng)化研究發(fā)現，當荷花種植密度為3株/m2時，水體中的總氮、總磷和氨氮的平均去除率均超過40%。劉存歧等[46]研究發(fā)現，人工種植菱和睡蓮能顯著提高水體透明度和物種多樣性指數，降低浮游植物密度，抑制水華的發(fā)生。鳳眼蓮對富營養(yǎng)化水體修復明顯，在應用過程中，除清除枯萎的葉片外，還應控制其擴張和蔓延引起外來物種入侵?？傊λ参飳Ω粻I養(yǎng)化水體的修復效果顯著，考慮不同植物在不同生長期對總氮和總磷的吸附量存在較大差異，采用幾種植物混合種植能有效提高修復效果。

從以上研究可以看出，總體上，美人蕉對TP和TN的吸附效果顯著，均在70%以上，最高達90%，同時具有景觀效果，是理想的富營養(yǎng)化水體修復植物。蘆葦作為常用的修復植物，對TP和TN的吸附效果較好。另外，再力花在富營養(yǎng)化水體中表現出對TP和TN較好的吸收。盡管鳳眼蓮對水體N和P的修復效果較好，但是常常會引起外來物種入侵，在采用時應采取有效的措施。

除了浮水植物和挺水植物外，沉水植物對水環(huán)境的影響不可忽視。沉水植物能夠減緩風浪﹑固定底泥、抑制和吸附懸浮物，從而能夠顯著降低水體濁度[47]。陳少毅等[48]研究發(fā)現，沉水植物苦草和黑藻對氨氮和磷的吸收速率和米氏常數不同，將兩者應用于水體富營養(yǎng)修復的不同階段具有重要意義。邵飛等[49]研究發(fā)現，條斑紫菜生長速度快，氮磷去除效率高，生態(tài)修復潛力大。任文君等[50]對白洋淀的3個地方研究發(fā)現，菹草對水體中總磷的吸收凈化存在較大差異，最大去除率達80%以上（表5）。由于沉水植物受到水體中動物食用、水溫和水質等影響，對富營養(yǎng)化水體修復能力有限。在實際應用中，挺水植物和浮水植物結合修復水體，能夠顯著提高對水體的修復效果。中國北方地區(qū)寒冷，適用于水體修復的植物少，另外植物生長周期短，對水體的凈化效果有限。因此，開發(fā)新的水體修復植物品種成為北方地區(qū)植物修復水體的關鍵。

1.2 ?基質材料吸附

由于基質材料能夠促進植物的生長和對水體中污染物的吸收，采用基質材料吸收水中的污染物改善水體富營養(yǎng)化具有重要意義。采用木質和煤基活性炭基質凈化富營養(yǎng)化水體，試驗發(fā)現木質活性炭對人工湖中葉綠素a和濁度的去除率較高，煤基活性炭對TN和藍藻的去除率較高（表6）[51]。采用“微曝氣+缺氧”兩段式多級土壤滲濾系統(tǒng)凈化低有機廢水，發(fā)現水溫的降低會直接降低系統(tǒng)的脫氮效率;水力負荷降低會提高TN的去除率，在添加碳源木屑或聚羥基丁酸戊酸酯時，表現出較好的強化脫氮性能[52]。對兩種生物質炭（花生殼炭、小麥秸稈炭）基質進行鐵改性處理后，對硝態(tài)氮的吸附量隨著水溶液中硝態(tài)氮濃度的上升而升高，其對硝態(tài)氮最大吸附潛力分別為2 674、1 285 mg/kg，且pH至中性條件時有利于改性生物質炭對硝態(tài)氮的吸附[53]。有研究發(fā)現，采用礫間接觸氧化工藝對低污染水具有較好的脫氮除碳效果，采用礫間接觸氧化法處理低污染河水，在分段進水的情況下，較佳工況下系統(tǒng)CODMn、NH3-N、TN去除率均超過40%[54，55]。以種植水芹的濕地系統(tǒng)為對象，發(fā)現加入1%煅燒溫度為700 ℃和500 ℃生物炭的系統(tǒng)對表面水TN去除、氨揮發(fā)損失以及生物量和養(yǎng)分累積量均有提高[56]。

生物炭基質對水體中的污染物具有較好的吸附性，對總氮和總磷的去除效果明顯。由于生物炭具有可再生性，應用前景廣闊。另外，由于基質材料長期運行后對污染物的吸附易達到飽和，同時污染物易堵塞基質材料，因而吸附效果會逐漸降低，基質需要及時更換。更換的基質應得到有效妥善處理，其中資源化利用是重要方向，需加強研究。為提高效率，開發(fā)低成本高吸附性能的材料是未來發(fā)展的關鍵。

2 ?人工濕地凈化

人工濕地修復湖泊（庫）富營養(yǎng)化水體，成本低且效果好。針對潛水湖泊富營養(yǎng)化，采取人工復合植物群落生態(tài)修復系統(tǒng)技術+圍隔擴展技術、人工浮島修復系統(tǒng)-濕生植物群落構建與鑲嵌技術+長時間低強度曝氣技術、自然處理系統(tǒng)或暴雨塘技術、冬季曬湖-底質翻耕+繁殖體播撒技術等復合技術能夠有效地治理湖泊富營養(yǎng)化[57]。通過對圓幣草、大聚藻、睡蓮、浮萍、黃菖蒲、香蒲、再力花、花葉蘆竹8種植物進行匹配，構建人工濕地，結果表明，挺水植物圓幣草和大聚藻構建的表面流人工濕地對氮磷污染物凈化效果好（表7）[58]。對不同質量濃度的NH3-N在水平潛流人工濕地進行研究，發(fā)現在水力停留時間為2.5 d，蘆葦濕地對TN的去除率隨著濃度的提高而降低且平均值均高于60%[59]。采用地表漫流式、串形溝灌滲濾式和弓形溝灌滲濾式連續(xù)進水方式，在水稻拔節(jié)期和灌漿期，稻田濕地對低污染水中TN和TP的去除率分別可達77%～93%和87%～96%[60]。在氧化塘-表流濕地-潛流濕地-表流濕地的復合型人工濕地中，氧化塘和表流濕地中硝化作用強于潛流濕地，NH3-N和TN的平均去除率均達50%左右[61，62]。人工濕地實現基質和植物凈化的結合，特別是復合型人工濕地，對湖泊和水庫的水體中的污染物的去除效果明顯，能夠有效地治理湖泊（庫）富營養(yǎng)化水體。近些年人工濕地的發(fā)展也推動了湖（庫）水體富營養(yǎng)化的治理，特別是排入湖（庫）的水體經過人工濕地前置處理，效果明顯。然而人工濕地植物的生長受到氣候的影響，因此，開發(fā)無植物人工濕地或提高人工濕地植物對污染物的凈化效果具有重要意義。

3 ?生態(tài)浮床技術凈化

生態(tài)浮床技術是以浮床植物吸收或植物和浮床基質聯(lián)合吸收吸附相結合的方式凈化水體。生態(tài)浮床形式自由，漂浮于水面，通過植物和浮床的基質吸收，實現對污染物的治理。生態(tài)浮床技術在湖泊（庫）中對富營養(yǎng)的治理效果明顯，浮床上種植的植物同時獲得生物量，實現經濟效益和環(huán)保效益雙贏。研究發(fā)現，蕹菜浮床、蕹菜-聚苯乙烯纖維繩組合浮床、蕹菜-麻繩組合浮床對水中TN、NH3-N、TP和DIP均有較好的去除效果，采用網箱、粘扣式網床和捆綁式網床3種種植方式種植苦草、水盾草和輪葉黑藻，網箱種植方式下沉水植物的生長狀況最好，對水質的凈化效果最好[63]。對太湖入湖河流低污染水進行處理，結果如表8所示，發(fā)現垂向移動式生態(tài)床技術對NH3-N、NO3--N和TP的去除率高于生態(tài)浮床技術，但生態(tài)浮床技術對COD和TN的去除效果略優(yōu)于垂向移動式生態(tài)床技術[64]。采用水芹植物浮床技術修復受污染的河水，發(fā)現其對水體中TN和TP的去除，植物吸收有限，僅占25%左右[65]。以植物美人蕉、菹草和動物泥鰍相結合，采用天然沸石基質組成的綜合生態(tài)浮床技術對TN和TP的去除率均達到70%以上[66]。由此可見生態(tài)浮床技術對湖泊（庫）的凈化效果明顯。特別是組合式生態(tài)浮床技術的發(fā)展極大地推動了水體富營養(yǎng)化治理技術的進步。另外，由于浮床漂浮于水面，而重金屬一般沉淀于河湖底泥中，因而生態(tài)浮床對富營養(yǎng)化水體修復后，浮床植物和基質可進行資源化利用，提高了生態(tài)浮床的經濟價值。

4 ?小結與討論

通過對中國北方湖泊水體富營養(yǎng)化生態(tài)治理技術進行分析，得出以下主要結論：①中國北方地區(qū)低溫時間長，湖泊自凈能力差，富營養(yǎng)化治理難度大;②美人蕉、蘆葦和再力花等水生植物對富營養(yǎng)化水體凈化效果好，對總氮和總磷的吸收能力強;③生物炭基質對富營養(yǎng)化水體中的氮磷吸附能力強，具有可再生性，且處理富營養(yǎng)化水體后基質可資源化利用，因而應用價值高;④復合型人工濕地對污染物的去除效果明顯，能夠有效地治理湖泊富營養(yǎng)化水體;⑤立體生態(tài)浮床技術能夠實現浮床植物吸收、水生動物凈化和基質吸附相結合，對湖泊水體富營養(yǎng)化改善明顯。

由于中國湖泊分布范圍廣，富營養(yǎng)化程度差異大，生態(tài)治理仍然是一個難點。中國湖泊水體富營養(yǎng)生態(tài)治理存在的主要問題有：①中國北方地區(qū)湖泊水體自凈能力差，治理難度大;②水生植物和基質材料在湖泊富營養(yǎng)生態(tài)修復中發(fā)揮著重要作用，但是目前植物生物量利用率低，基質材料退役后未能得到資源化利用;③目前人工濕地利用率低，易發(fā)生堵塞現象、植物生長慢、處理率低、基質處理易產生二次污染等問題;④生態(tài)浮床技術修復周期長，資源化利用率低。因此，應加強研究，提高湖泊水體富營養(yǎng)生態(tài)治理的水平，實現治理與資源化利用相結合。

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