宋玉芝　張艷娜　黃曉峰等

摘要：隨著全球水環(huán)境問題的加劇，對濕地生態(tài)功能的認(rèn)識程度在不斷加深。農(nóng)田磷的流失在水體污染中占有重要的地位，是引起水體富營養(yǎng)化的重要原因，磷是植物生長所必需的元素，濕地植物對營養(yǎng)物質(zhì)的截留功能倍受關(guān)注。筆者就濕地植物對農(nóng)業(yè)面源污染物磷的去除及去除機(jī)理，以及影響去除效果的主要因子等方面的國內(nèi)外研究進(jìn)行回顧和總結(jié)，明確濕地植物種類及其組合對農(nóng)業(yè)面源磷負(fù)荷截流的重要性以及有關(guān)濕地植物未來的研究方向，為農(nóng)業(yè)面源污染控制和水體富營養(yǎng)化污染管理提供思路。

關(guān)鍵詞：濕地植物；農(nóng)業(yè)面源；磷污染；凈化作用

中圖分類號： X71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0005-04

收稿日期：2013-10-09

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)（編號：2012ZX07101-013-02）；國家自然科學(xué)基金（編號：41071341）。

作者簡介：宋玉芝（1970—），女，河南信陽人，副教授，主要從事水體富營養(yǎng)化方面的研究。E-mail：syz70@nuist.edu.cn。農(nóng)業(yè)面源污染物中的磷素是水體富營養(yǎng)化的主要限制性因子之一[1-2]，農(nóng)田流失的養(yǎng)分隨地表徑流或農(nóng)田退水進(jìn)入受納水體，導(dǎo)致下游水體富營養(yǎng)化，使水環(huán)境質(zhì)量保護(hù)面臨巨大的挑戰(zhàn)[3]。濕地是陸地和水體之間的一個(gè)過渡帶，它在匯集、轉(zhuǎn)化各種營養(yǎng)物質(zhì)和廢棄物方面具有其他系統(tǒng)不可替代的重要作用 。農(nóng)田徑流經(jīng)由濕地，有利于徑流水體水質(zhì)的改善[4]。濕地對磷素的凈化作用通過基質(zhì)的吸附和沉淀、植物吸收、微生物固定等作用來實(shí)現(xiàn)[5]。植物是濕地系統(tǒng)重要的組成部分，在濕地對營養(yǎng)物質(zhì)的截留功能中起著重要的作用[6]。植物存在與否對磷去除率的影響很大，種植植物的濕地系統(tǒng)對磷的去除率高于無植物濕地系統(tǒng)[6-8]。濕地植物不僅通過吸收作用直接去除濕地磷，濕地植物還能通過影響土壤理化性質(zhì)及微生物種類及數(shù)量等從而間接影響濕地磷的去除，而濕地生境中氮和磷含量的改變導(dǎo)致物種間競爭能力和對環(huán)境脅迫適應(yīng)能力的變化，進(jìn)而引發(fā)植物群落的改變，導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化[9-11]。濕地中植物及濕地磷循環(huán)關(guān)系越來越多地受到相關(guān)學(xué)者關(guān)注。濕地及濕地植物用在處理生活污水、養(yǎng)殖水、污染湖泊及河流水、景觀水、污水處理廠的尾水、復(fù)合廢水、工業(yè)廢水都有相關(guān)報(bào)道，在生活污水及工業(yè)污水處理方面研究較多，而將其作為凈化農(nóng)業(yè)面源磷污染及富營養(yǎng)化水體磷污染的研究還處在起步階段[12-13]，針對已有的關(guān)于濕地植物對凈化磷的研究進(jìn)行回顧和總結(jié)。闡述濕地植物對磷污染的凈化機(jī)理及影響因素，探討濕地植物種類及組合對磷污染控制的重要性，以期為農(nóng)業(yè)面源污染控制和水體富營養(yǎng)化污染管理提供理論依據(jù)。

1濕地植物對濕地磷的去除效應(yīng)

濕地植物是濕地生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，在濕地生態(tài)系統(tǒng)對磷去除率中占據(jù)重要的位置[6-7，14-15]。已有研究表明，植物濕地系統(tǒng)春夏季磷的平均去除率在60%以上，即使在冬季也能達(dá)到40%以上，出水水質(zhì)穩(wěn)定，而無植物濕地系統(tǒng)磷的去除率僅為28%[7]；Cui等在垂直流人工濕地系統(tǒng)的研究表明，風(fēng)車草的生物量每增加1 000 g，其地上部分TP積累量增加4.9 g[14]；宋英偉等通過人工濕地試驗(yàn)表明，人工濕地種植植物后對總氮（TN）、總磷（TP）的去除率比無植物狀態(tài)時(shí)分別提高13.6%和19.5%[15]。彭婉婷等研究表明，有植物濕地相對于無植物的濕地其最大凈化率提高了4373%[6]。農(nóng)業(yè)面源污水具有污染物濃度較低、成分復(fù)雜等特點(diǎn)[16]，而濕地植物在處理輕度富營養(yǎng)化水的人工濕地中，植物吸收對磷的去除起主要作用，植物平均磷積累量對去除水中磷的貢獻(xiàn)率為510%[17]。農(nóng)業(yè)面源污染徑流水經(jīng)過濕地植物的同化吸收、富集等作用從而減輕下游受納水體的磷污染負(fù)荷。不同植物類型的濕地對水體磷的去除效果存在差異，與濕地植物去除磷的機(jī)制密切相關(guān)。

2濕地植物對水體磷素去除機(jī)理

2.1直接吸收作用

磷是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，濕地植物通過根系、莖以及葉直接吸收水中的無機(jī)磷，同化成為自身的組成成分，從而減少水體磷的含量。濕地往往具有較高的初級生產(chǎn)力，高生產(chǎn)力導(dǎo)致濕地植被有較高的礦物質(zhì)吸收率。已有的研究[18-19]表明，大型濕地植物吸收磷量為1.8～18 .0 g/（m2·年），其中蘆葦?shù)厣喜糠治樟琢看蠹s為6.7 g/（m2·年），大部分沼生植物的干物質(zhì)生物量中磷的含量為0.15%～105%。植物磷積累量主要集中在植物的地上部，平均磷積累對去除水中磷的貢獻(xiàn)率40.5%[20]，魯靜等研究表明，洱海流域44種濕地植物地上部分分別占有整株72%的生物量、75%的磷含量[10]，說明收割濕地植物的地上部分可以高效去除濕地生態(tài)系統(tǒng)中的氮和磷。但也有研究表明，植物通過吸收作用對濕地系統(tǒng)除磷的作用很小，收割只能去除磷素的5%[21-22]。李林鋒等研究表明，濕地植物對TP 的吸收量占人工濕地TP 去除量的1.4%～41.2%[23]，由于濕地植物吸收的TP 中有相當(dāng)一部分是儲存在濕地植物的地下部，通過收獲植物地上部TP 吸收量僅占人工濕地TP 去除量的0.8%～19.6% 。由此可見，不同學(xué)者就濕地植物去除磷作用大小存在分歧，可能與試驗(yàn)植物種類、濕地植物收割頻率以及具體的試驗(yàn)條件密切相關(guān)。濕地植物對TP 吸收存在的差異，除與濕地植物自身組織磷含量和生物量有關(guān)外，還可能與濕地植物根表鐵氧化膠膜形成有關(guān)。王震宇等研究表明，蘆竹根表鐵氧化物膠膜吸附的磷占根系吸附吸收磷的81.7%，香蒲是85.7%[24]。相關(guān)研究還剛開始，還需要進(jìn)一步研究闡明。

2.2與微生物協(xié)同作用

濕地植物直接吸收磷量僅占去除磷量的一小部分，濕地植物去除磷的主要途徑是通過與微生物的協(xié)同作用。濕地磷主要包括顆粒磷、溶解性有機(jī)磷和無機(jī)磷，無機(jī)磷可被植物直接吸收利用，但顆粒磷及溶解性有機(jī)磷卻不能被濕地植物直接吸收利用。而農(nóng)業(yè)面源污染帶來的磷往往以顆粒磷為主[25-26]，這些磷必須經(jīng)過磷細(xì)菌的代謝活動(dòng)轉(zhuǎn)換成溶解性無機(jī)磷才能被植物或基質(zhì)吸附利用或通過吸附轉(zhuǎn)化作用而直接固定下來，從而從水體中去除[27]。濕地植物對濕地微生物影響很大，有植物的濕地系統(tǒng)，細(xì)菌數(shù)量顯著高于無植物系統(tǒng)，植物根部的細(xì)菌比周圍介質(zhì)細(xì)菌高1～2個(gè)數(shù)量級[28]，磷素去除率與濕地植物根際的磷細(xì)菌數(shù)目呈正相關(guān)[29]。因濕地植物將氧氣從上部輸送到根部，在根區(qū)或根際形成一種好氧環(huán)境，促進(jìn)微生物生命活動(dòng)和降解有機(jī)物[30]。植物根系分泌物也可促進(jìn)某些嗜磷細(xì)菌的生長，促進(jìn)磷釋放與轉(zhuǎn)化，從而間接提高凈化率[31]。但也有人認(rèn)為，微生物存在與總磷的去除效率之間并無顯著相關(guān)，微生物死亡后體內(nèi)吸附的磷幾乎全部迅速分解釋放，回到水體當(dāng)中，但卻認(rèn)同微生物分泌的酶促進(jìn)有機(jī)磷水解，水解后的磷被植物吸收后，最終達(dá)到去除磷的目的[27]，通過植物和微生物的協(xié)同作用來去除磷。

2.3其他途徑

濕地植物除了直接吸收以及通過影響微生物而影響濕地除磷效果外，濕地植被還通過物理作用有效吸附截留水中的懸浮物和顆粒態(tài)磷，促進(jìn)磷的沉降[32-33]。李文朝等研究表明，28 d內(nèi)，單位鮮重伊樂藻上吸附的固體干物質(zhì)量達(dá)2871 g/kg，干物質(zhì)中TP 的平均含量為0.311%[32]。而漂浮植物發(fā)達(dá)的根系與水體接觸面積很大，能形成一道密集的過濾層，當(dāng)水流經(jīng)過時(shí)，不溶性膠體會(huì)被根系黏附或吸附從而沉降下來。當(dāng)植物死了以后，在原來根系的地方會(huì)留下空隙，形成根孔，根孔的形成增強(qiáng)了濕地的過濾作用和擴(kuò)大了濕地的吸附容量。李靜等研究表明，葦?shù)赝林膬艋芰Υ笥邴湹赝林?，其中對磷的凈化能力最?qiáng)[34]。濕地植物向根區(qū)輸入的氧氣，不僅影響微生物活動(dòng)，進(jìn)而影響水體磷的濃度，而且對土壤和底泥理化性質(zhì)產(chǎn)生影響而影響磷的存在形態(tài)。Reddy等研究表明，土壤和底泥對磷的吸附主要發(fā)生在表層[35]，這是由于表層土壤和底泥處于好氧狀態(tài)，鐵、鋁呈無定性的氧化態(tài)形式，吸附能力強(qiáng)，能與磷形成難溶的復(fù)合物。在好氧條件下，鐵和鋁能吸附87%的磷。濕地植物生長對濕地磷的去除具有重要的角色，濕地植物通過多種途徑影響濕地磷的去除作用。

3影響濕地植物除磷的因素

3.1濕地植物種類及組合

不同生態(tài)類型植物對磷的凈化效果不同。陳慶峰等研究表明，鳶尾對濕地中磷的吸收能力較強(qiáng)[36]。Koerselman等根據(jù)已有的關(guān)于各種類型濕地中植物磷含量的文獻(xiàn)得出，濕地植物磷的范圍為0.2～3.3 mg/g[37]；McJannet 等在標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)條件（N ∶P ∶K=7 ∶11 ∶27）下栽培的41 種濕地植物總磷含量變化范圍為1.3～5.1 mg/g[38]；魯靜等采集的洱海流域44 種濕地植物中總磷含量為1.4～6.5 mg/g，其中含量最低的馬來眼子菜為1.4 mg/g，最高的野慈姑為6.5 mg/g[10]?？偟膩碚f，濕地植物對磷的吸收能力為挺水植物>漂浮植物>沉水植物。同生態(tài)類型不同種類植物的濕地對水體磷凈化效果存在很大差異。楊長明等研究了風(fēng)車草和香蒲水平潛流人工濕地對養(yǎng)殖水體中不同形態(tài)磷的去除效果差異。結(jié)果表明，風(fēng)車草濕地處理系統(tǒng)總磷的去除率顯著高于香蒲濕地[39]。廖新俤等研究發(fā)現(xiàn)香根草對總磷的去除效果要好于風(fēng)車草[40]。劉長娥等對九段沙中沙濕地海三棱草、互花米草和蘆葦3 種典型濕地植物群落的植物各構(gòu)件中磷的分布、積累與動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究。 結(jié)果表明，3 種濕地植物中磷含量存在很大差異，大小排序?yàn)楹Ｈ獠?gt;蘆葦>互花米草[41]；植物生長期對植物凈化效果影響也很大。曹向東等在研究強(qiáng)化塘-人工濕地復(fù)合生態(tài)塘系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，總磷的去除率在植物生長期為15.89%～27.64%，而非植物生長期為9.21%～1465%[42]。徐后濤等指出，磷在濕地植物生長初期含量較高，隨著植物的生長發(fā)育其含量呈下降趨勢，不同種類植物組合，凈化效果不同[43]。夏漢平等指出，與單一蘆葦系統(tǒng)相比，混合種不僅使?jié)竦貎艋侍岣?，而且凈化效果變得更穩(wěn)定[44]。彭婉婷等通過研究睡蓮、鳶尾等不同生態(tài)型的濕地植物組合對污水中磷的去除效果，結(jié)果表明，不同生態(tài)型的濕地植物組合對污水中磷的去除率為85.67%～9987%，睡蓮+再力花+鳶尾組合去除總磷效果最好，較無植物對照組的最大凈化率提高了43.73%[6]。汪秀芳等研究了冬季低溫環(huán)境下不同水生植物組合對富營養(yǎng)化水體的凈化效果，結(jié)果表明，常綠水生鳶尾+羊蹄+金葉“金錢蒲”+反曲燈心草“藍(lán)箭”組合對磷的去除效果最好，磷的去除率達(dá)70.1%，而吊蘭和三穗薹草等植物長勢差，其植物組合對磷的去除效果不顯著[45]。由此可見，濕地植物對磷凈化效果與濕地植物生態(tài)型、種類、生長狀況以及不同植物組合等密切相關(guān)。

3.2水文條件

濕地水文條件主要包括水力負(fù)荷、水位等。王世和等研究表明，水力負(fù)荷過大或過小都不利于濕地植物對磷的凈化處理[46]。Chris比較了流入污水的水質(zhì)對濕地去除氮、磷的影響，停留時(shí)間從2 d增加至7 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在沒有種植植物的濕地中TP的去除率從12%增加36%，而種植了棒燈芯草時(shí)從37%增加到74%，濕地植物可隨水力停留時(shí)間延長而提高對磷的去除效率[47]。柏祥等研究表明，黃菖蒲和美人蕉分蘗數(shù)隨水位的升高而顯著減少，植物地上部分形態(tài)指標(biāo)變化不大，生理指標(biāo)表明其生長已受到脅迫[48]。已有的研究表明，水位高低對濕地植物的生長、繁殖和生物量分配具有顯著影響[46]，武夷慈姑和銳棱荸薺適宜生長在0～5 cm 水深處，小慈姑在20 cm 水深處生長較佳，而野荸薺適宜于0～20 cm 范圍[49]，千屈菜扦插苗適于生長于0～10 cm的淺水環(huán)境中，最適水位為10 cm[50]，美人蕉最適應(yīng)的水深10 cm，黃菖蒲適應(yīng)的水深為 30～70 cm[48]。水力負(fù)荷、水位直接影響植物生長及局部好氧微環(huán)境的存在，影響磷的過量吸收與釋放[46]。降雨徑流也是影響濕地凈化效果的重要水文要素，降雨不僅會(huì)增加濕地水力負(fù)荷，也是農(nóng)田產(chǎn)流產(chǎn)磷的主要驅(qū)動(dòng)力，是磷元素在濕地系統(tǒng)中發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化的重要條件[51]。降雨使得濕地內(nèi)水流加快，對懸浮顆粒的沉降產(chǎn)生不利影響。同時(shí)流速加大使得磷素在濕地內(nèi)停留時(shí)間減少，加速非點(diǎn)源磷匯入下游受納水體。降雨會(huì)影響濕地水位變化，從而影響植物的生長及濕地系統(tǒng)的磷轉(zhuǎn)化。水文條件的脅迫對濕地植物除磷效果的影響很大。

3.3其他因子

濕地植物對磷的凈化作用還與溫度、CO2、水體中磷的濃度等諸多因素密切相關(guān)[52]。植物對磷的凈化率隨溫度的變化而變化，溫度升高會(huì)導(dǎo)致植物、微生物生理活性升高，有利于磷的去除[53]。李睿華等研究表明，溫度能夠加速水生植物的光合作用，促進(jìn)植物對磷的吸收利用[54]。楊昌鳳等在模擬人工濕地處理污水的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氣溫在22～32 ℃范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)對總磷的去除率隨著溫度的升高而增大[55]。Liikanen 等研究表明，不論在好氧還是厭氧條件下，磷的釋放都隨溫度升高而增加，溫度升高1～13 ℃，可使底泥中TP 的釋放增加9%～57%[56]。由于夏秋季節(jié)植物吸收、微生物吸收和降解的共同作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底泥磷的釋放量，使得夏秋季節(jié)凈化磷的效果較冬、春季節(jié)好。眾多研究表明，CO2濃度升高對根際、根外土壤中的微生物生物量以及微生物總數(shù)量有促進(jìn)作用，與植物去除磷素密切相關(guān)的微生物生理類群，如解磷細(xì)菌的數(shù)量也有所增加，影響濕地植物對磷的凈化效果[57]。通常濕地植物吸收的磷小于城市污水負(fù)荷的5%[19]，隨著磷負(fù)荷的增加，濕地去除效率會(huì)降低[58]。陳博謙等通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)總磷的負(fù)荷量由 454 mg/（m2·d） 增加至 1 345 mg/（m2·d） 時(shí)，去除率從67.8%下降到56.2%[59]。