奚霄松（上海園林綠化建設(shè)有限公司， 上海 200335）

大量氮元素、磷元素通過(guò)工業(yè)廢水、生活廢水、農(nóng)業(yè)行為和其他方式進(jìn)入水體，造成水體各類指標(biāo)惡化，生物多樣性降低、統(tǒng)稱為水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程[1]。城市景觀水體中，由于流動(dòng)性較差，大部分是采用人工建塘的方式建成，初始生物多樣性較低，更易快速進(jìn)入富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程[2]，因此，針對(duì)城市景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化特點(diǎn)，研究如何有效控制小流域中氮、磷的轉(zhuǎn)化是關(guān)鍵問(wèn)題[3]。傳統(tǒng)預(yù)防與修復(fù)方法中，無(wú)論是客水置換、化學(xué)淋溶等常規(guī)措施，都存在人力維護(hù)成本高、材料成本高等客觀問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，水生植物的引進(jìn)，尤其是沉水植物先鋒種的構(gòu)建與種群養(yǎng)成，是一種簡(jiǎn)單可控、材料成本低、環(huán)境影響小、景觀效益大的修復(fù)措施[4]。沉水植物的作用行為和季節(jié)緊密相關(guān)，大部分沉水植物為一年生并且在高水熱交替季節(jié)里逐漸停止生命史，大量吸收養(yǎng)分元素后的沉水植物因?yàn)樽匀凰劳鲈俅芜M(jìn)入底泥系統(tǒng)自然腐解，也會(huì)造成二次污染[5]。本文從凈化效果、凈化機(jī)制兩個(gè)方面綜述沉水植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的改良過(guò)程。

1 沉水植物對(duì)氮、磷的凈化效果

廣泛被研究的沉水植物包括但不限于苦草、伊樂(lè)藻、黑藻、金魚(yú)藻、狐尾藻等。在各類研究中，類型各異的沉水植物擁有不同的吸收轉(zhuǎn)化速率。田琦等[6]發(fā)現(xiàn)，金魚(yú)藻對(duì)總磷和總氮的吸收轉(zhuǎn)化能力比苦草和伊樂(lè)藻更強(qiáng)，林春風(fēng)等[7]也印證了這一觀點(diǎn)。對(duì)比單一沉水植物修復(fù)體系，合理配作不同類型的沉水植物能更好地針對(duì)目標(biāo)元素進(jìn)行針對(duì)性修復(fù)，雷澤湘等[8]研究發(fā)現(xiàn)黑藻＋苦草組合對(duì)太湖富營(yíng)養(yǎng)化水體總氮的除率達(dá)到 90.3%。常素云等[9]在對(duì) TP、NH4+-N的去除效果的研究中發(fā)現(xiàn)，沉水植物與香蒲的組合去除率達(dá)到 83.9% 和 62.1%。李歡等[10]對(duì)多種挺水與沉水植物的研究也印證了相似結(jié)果。因此，多類型水生植物和沉水植物復(fù)配生態(tài)系統(tǒng)下的凈化效果也更為優(yōu)秀。景觀水域底泥沉積物富含大量氮、磷元素，沉水植物的種植可以通過(guò)其生命史促進(jìn)河床底泥中的有機(jī)物礦化，從而降低富營(yíng)養(yǎng)元素含量，影響各種形態(tài)氮、磷的轉(zhuǎn)化遷移。馬久遠(yuǎn)等[11]發(fā)現(xiàn)，對(duì)比與稀疏群落系統(tǒng)，擁有大量沉水植物群落系統(tǒng)的河床底泥中沉積物中的富營(yíng)養(yǎng)元素均有降低，總氮、有機(jī)氮作用更加顯著。王立志等[12]發(fā)現(xiàn)，黑藻、苦草和菹草沉積物中總磷（TP）含量最大降低幅度分別達(dá) 35.34 mg/kg、 60.67 mg/kg、25.92 mg/kg。但部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)這種定向的降低并不是絕對(duì)的，也有可能通過(guò)活化作用釋放河床底泥中的富營(yíng)養(yǎng)元素，反而增加了水中活化態(tài)的氮、磷含量，這可能和底泥中不同元素的化學(xué)構(gòu)成和結(jié)構(gòu)有緊密關(guān)系。

2 沉水植物對(duì)氮、磷的凈化機(jī)制

2.1 沉水植物對(duì)氮的凈化機(jī)制

在沉水植物生命史周期內(nèi)，其對(duì)氮、素的吸收與生命史保持高度相關(guān)性。以穗花狐尾藻和蓖齒眼子菜的氮元素積累舉例，蘇倩等[13]發(fā)現(xiàn)其在 7 月、8 月 2 個(gè)月累積量最大。沉水植物葉片在富營(yíng)養(yǎng)化元素的轉(zhuǎn)化吸收中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)位置，通常情況下，其對(duì)硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的富存量遠(yuǎn)大于其他組織水平。除此之外，同種植物對(duì)不同形態(tài)的氮素利用也有很大差別，徐昇等[14]發(fā)現(xiàn)苦草對(duì)銨態(tài)氮的吸收顯著高于硝態(tài)氮。其他學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，同化吸收并不是沉水植物凈化氮的主要機(jī)制, 吸收所去除的氮量?jī)H占期其全部去除量的 2%～5%[15]，主要機(jī)制為沉水植物與微生物的協(xié)同轉(zhuǎn)化。植物的根系效應(yīng)使根系形成富氧-缺氧的氧化還原微環(huán)境，使氮循環(huán)微生物同時(shí)出現(xiàn)并發(fā)揮作用，含氮有機(jī)物經(jīng)異養(yǎng)菌的氨化作用轉(zhuǎn)化成氨氮，再通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}和硝酸鹽態(tài)氮，最終通過(guò)反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴乃信懦鯷16]。部分研究顯示，沉水植物種植狀態(tài)下，部分富營(yíng)養(yǎng)化水體氮循環(huán)微生物指數(shù)級(jí)增加，其中，硝化與反硝化細(xì)菌數(shù)量增加 1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)，在沉水植物莖葉表面呈現(xiàn)出復(fù)雜的氧化還原微環(huán)境，例如，Korner[17]在沉水植物莖葉表面監(jiān)測(cè)到與沉積物中相當(dāng)?shù)南趸饔?。此外，沉水植物可以通過(guò)以下方式為水體氮去除提供必要條件：①根系有機(jī)碳分泌微環(huán)境提高微生物養(yǎng)分?jǐn)z取源活性，Herrmann 等[18]發(fā)現(xiàn)泌氧狀態(tài)下的根系微環(huán)境顯著提高厭氧古菌的群落豐度，孔祥龍等[19]證明了苦草根系-底泥交界處提高了底泥電子受體活性，進(jìn)而影響硝化和反硝化細(xì)菌生命史。②光合作用下 CO2吸收及改善水體酸堿度，促進(jìn)氮素循環(huán)。趙聯(lián)芳等[20]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)伊樂(lè)藻生物量為 2 g/L 處理 12 d 內(nèi)，水體 pH 提高 1.1 個(gè)單位，由 7.5 上升至 8.6，當(dāng)沉水植物生物量較大時(shí)，微小的酸堿度變化即可快速促進(jìn)氮素的循環(huán)[18]。

2.2 沉水植物對(duì)磷的凈化機(jī)制

河床底泥和底泥孔洞中的磷元素是沉水植物的主要來(lái)源。Smith 等[21]研究發(fā)現(xiàn)狐尾藻的年均磷吸收量是 3 g/m2，其中根系吸收的比例達(dá)到 73.3%。植物以根系為主要磷吸收介質(zhì)有限制前提，部分研究說(shuō)明當(dāng)?shù)啄嗪偷啄嗫紫端辛自睾窟^(guò)高時(shí)，沉水植物以根系吸收為主。但當(dāng)區(qū)域水體中磷含量偏高時(shí)，葉片的吸收作用便會(huì)大于根系。區(qū)域水體磷含量＞5 mmol/m3，葉片的吸收占主導(dǎo)作用。沉水植物的磷吸收不局限于根系作用，葉片的獨(dú)立吸收轉(zhuǎn)化完全可以提供其生命史的磷元素閾值需求，尤其對(duì)于根系系統(tǒng)欠發(fā)達(dá)甚至退化的部分類型植物，主要通過(guò)葉片和莖作用來(lái)吸收磷元素，例如常見(jiàn)沉水植物黑藻等。根莖和葉片作用不僅能夠?qū)υ赝瓿晌蘸娃D(zhuǎn)化，同時(shí)還能夠通過(guò)吸附、固定區(qū)域水體里的可見(jiàn)懸浮顆粒物，從而降低附著在顆粒物上的其他形態(tài)磷元素。在兩相交互界面，通過(guò)沉水植物頻繁的光合作用和根系分泌作用，可以有效影響和改善交互界面的微生物種群，進(jìn)而通過(guò)微生物的生物作用加速磷元素的吸收和轉(zhuǎn)化[22]。部分沉水植物類型可以通過(guò)根系分泌作用加強(qiáng)磷酸酶的生物活力，在交互界面將難以吸收的有機(jī)態(tài)磷元素活化為其他易吸收形態(tài)，再通過(guò)根系和葉片的作用進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)移，但該結(jié)論并不具有普適性，由于根系分泌作用的不同，部分沉水植物反而會(huì)降低目標(biāo)磷酸酶活力，阻礙磷的活化轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生該矛盾的原因尚未有深層次的研究和報(bào)道[23]。在磷的形態(tài)中，NaOH-P 形態(tài)最容易受沉水植物生命史影響，交互界面的根系環(huán)境和微生物區(qū)系是產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因，根系自身和微生物分泌的低分子有機(jī)酸通過(guò)降低交互界面的區(qū)域 pH 從而達(dá)到活化作用。

3 沉水植物腐解對(duì)水體中氮磷遷移轉(zhuǎn)化的影響

沉水植物大部分生命史較短，只能在水熱條件充足的季度里進(jìn)行固定生命史，但是在秋冬二季，大部分植物緩慢停止生長(zhǎng)并逐步死亡。由于溫度的關(guān)系，腐解物在冬季以固定養(yǎng)分的形式貯存在交互界面并固定，此時(shí)并不會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生顯著的 pH 影響和溶解氧影響，因此針對(duì)腐解物的研究大部分集中在初春到第二年生命史開(kāi)始之前的一段時(shí)間。以苦藻為例，其在 1—3 月份自然腐解里，能夠使區(qū)域水體里的總氮含量提高 60.96%、使總磷含量提高 144.40%，底泥中對(duì)應(yīng)元素含量也分別提高 9.41%、19.99%[24]。沉水植物的自然腐解分步進(jìn)行，具有多階段、快慢結(jié)合等特點(diǎn)。在腐解初期，構(gòu)成腐解物的有機(jī)顆粒和無(wú)機(jī)鹽會(huì)迅速進(jìn)入淋溶過(guò)程，后期在各類微生物和活化酶的輔助下對(duì)殘存難溶物質(zhì)進(jìn)行二次腐解。腐解初期，區(qū)域微水體及交互界面中的富營(yíng)養(yǎng)元素呈快速遞增趨勢(shì)并歸于平穩(wěn)，曹培培和唐金艷[25]的研究都印證了這一觀點(diǎn)，在菹草、狐尾藻的腐解試驗(yàn)中，區(qū)域水體中氮磷元素濃度均呈現(xiàn)迅速遞增、緩慢過(guò)渡、保持穩(wěn)定的趨勢(shì)。相較于氮元素，磷元素對(duì)腐解物的響應(yīng)更具敏感性，容易出現(xiàn)反復(fù)遞增的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于氮元素能夠通過(guò)硝化、反硝化作用生成氣體進(jìn)行逃逸，而磷元素一般通過(guò)形成沉積物向下遷移再溢出等反復(fù)過(guò)程而導(dǎo)致反復(fù)更迭[26]。沉水植物的腐解極易在固定月份對(duì)水體產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化作用，但是該過(guò)程也具有積極性。沉水植物生物量過(guò)大時(shí)，其腐解過(guò)程容易迅速形成厭氧環(huán)境，同時(shí)大量營(yíng)養(yǎng)元素的析出也是 1—3 月份水體富營(yíng)養(yǎng)化的原因之一。沉水植物腐解物隨著腐解的進(jìn)行，向上漂移覆蓋表面，在一定程度上阻礙交互面吸氧，造成水體溶解氧的反復(fù)變化。以苦草為例，腐解后的有機(jī)物產(chǎn)生的 CO2迅速降低了水體溶解氧和pH，周林飛[27]的觀點(diǎn)同時(shí)印證了不同類型沉水植物腐解均能夠?qū)е?2 項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的下降-上升趨勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

城市景觀水體恢復(fù)與構(gòu)建中，沉水植物是恢復(fù)生物多樣性的基礎(chǔ)，在水體自凈、水生態(tài)功能構(gòu)建中都具得天獨(dú)厚的功能與作用。根據(jù)上文表述，由于其大生物量和對(duì)氮、磷元素的高度親和、吸收、轉(zhuǎn)化等優(yōu)勢(shì)，是景觀水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要解決方案。結(jié)合當(dāng)下研究現(xiàn)狀和沉水植物自身特點(diǎn)，應(yīng)該從以下幾點(diǎn)出發(fā)，為后續(xù)研究提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

（1）加強(qiáng)根系微生物區(qū)系的協(xié)同構(gòu)建和恢復(fù)，建立沉水植物根系分泌物-微生物系統(tǒng)-交互界面語(yǔ)言系統(tǒng)，篩選具有高效利用價(jià)值的微生物種類。

（2）進(jìn)一步加強(qiáng)沉水植物-河床底泥交互界面氮、磷元素轉(zhuǎn)化的環(huán)境影響因子研究，在容易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的 1—3月份實(shí)施人工干預(yù)和調(diào)節(jié)。

（3）進(jìn)一步高效利用生命史生命旺盛階段的轉(zhuǎn)化能力，降低腐解階段的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。