水體富營養(yǎng)化成因?現(xiàn)狀及修復技術研究進展

王敏 張暉 曾惠嫻 宋曉 周勝 李永泉

摘要 綜述水體從寡營養(yǎng)狀態(tài)逐漸演變成富營養(yǎng)狀態(tài)的過程，分析水體富營養(yǎng)化成因和危害，進而對水體富營養(yǎng)的概念進行拓展，并結合全球范圍的最新實例數據闡明水體富營養(yǎng)化的現(xiàn)狀，針對目前常規(guī)性的水體富營養(yǎng)治理方案，強調植物生態(tài)修復的優(yōu)勢，尤其引入水生鄉(xiāng)土木本植物進行綜合治理的必要性。

關鍵詞 富營養(yǎng)化;修復技術;木本植物;成因

中圖分類號 X 52? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）06-0001-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.06.001

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress on the Causes， Current Status and Remediation Technology of Water Eutrophication

WANG Min， ZHANG Hui， ZENG Hui-xian et al

（College of Horticulture and Landscape Architecture， Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou， Guangdong 510225）

Abstract Review over the succession of oligotrophic-eutrophic paradigm driven by anthropogenic activities， including a practical update on our knowledge of eutrophication on a global scale and lead to new discussions and efforts to deal with the threat of accelerated eutrophication， highlighting the efficiency for the phytoremediation， especially， future remedial scenarios focused specifically on aquatic native woody species.

Key words Eutrophication;Remediation technology;Woody species;Cause

基金項目 2021年度廣東省林業(yè)局自然資源事務管理-生態(tài)林業(yè)建設專項資金（KH2101501）;廣東省現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系創(chuàng)新團隊項目（2020KJ137）;廣州市科技計劃項目（201804010303）。

作者簡介 王敏（1989—），女，湖北天門人，副教授，博士，從事城市綠地土壤碳循環(huán)及生態(tài)修復等研究。

*通信作者，教授，博士，從事植物資源開發(fā)與生態(tài)修復應用等研究。

收稿日期 2021-06-19;修回日期 2021-12-03

隨著全球供水需求的迅速增長，水質的退化、生物多樣性的喪失、過量的沉積等一系列由富營養(yǎng)化（eutrophication）引起的水生態(tài)問題已成為全球熱點問題。人類活動的強烈干擾在加劇全球氣候變化的同時也導致全球水資源面臨急速的富營養(yǎng)化，這已成為世界范圍內水體生態(tài)亟待解決的難題。

人類活動造成水生態(tài)的急速惡化，其中富營養(yǎng)化有關的環(huán)境問題多樣，潛在危害極嚴重，造成富營養(yǎng)化的原因錯綜復雜，不能簡單分離成某方面的生態(tài)循環(huán)失調。水體富營養(yǎng)化是全球共同面臨的挑戰(zhàn)，據不完全統(tǒng)計，全球約1/2的水域正處于或曾經歷富營養(yǎng)污染，而我國超1/3的水域為三類劣質水平。

各個國家應對富營養(yǎng)化的措施多樣，但目前而言，生物治理是對生態(tài)環(huán)境最友好的方法，而水生木本植物作為一種新興治理材料，具有強大的應用前景。

基于此，該研究綜述水體富營養(yǎng)化的成因及危害、現(xiàn)狀以及治理手段，分析世界各地該現(xiàn)象的嚴重程度以及目前人類為控制或減輕其生物影響所做出的努力，闡述在全球氣候變化和人類活動強烈干擾下的全新的富營養(yǎng)化概念及相關研究。

1 富營養(yǎng)化的成因及危害

富營養(yǎng)化又稱為優(yōu)營養(yǎng)化[1]，是由于湖泊、河流、水庫等水體中氮、磷等營養(yǎng)物質含量過多所引起的水質污染現(xiàn)象。水體中氮、磷營養(yǎng)物質的富集會引起藻類及其他浮游生物的快速繁殖，最終導致水體溶解氧含量下降，造成水生動植物衰亡甚至滅絕。早在1907年，德國沼澤學家C.A.Weber等學者創(chuàng)建了泥炭沼澤土壤的營養(yǎng)水平的統(tǒng)一標準，用富營養(yǎng)的（eutrophic）、中營養(yǎng)的（mesotrophic）和貧營養(yǎng)的（oligotrophic）3個術語進行分級描述;20世紀70年代后，生態(tài)界放棄過去認為的原因和后果指標，換之以初級生產者的生物量和生產量為主要依據來進行水體營養(yǎng)類型的劃分（表1）[2-4]。

嚴重的水體富營養(yǎng)化不僅會導致水體缺氧，引起藻類水華，產生毒素、有害氣體和異味物質，進而影響供水安全，而且還會引起魚類死亡，導致食物網簡化和生物多樣性下降，最終破壞水體生態(tài)系統(tǒng)，降低景觀效果和休憩價值[5-7]。

水體富營養(yǎng)化的形成過程可以簡單歸納為5個階段（圖1a）：

第一階段：隨著人類活動干擾及自然變化，過剩的營養(yǎng)物質匯集到最初處于健康狀態(tài)的水體中。第二階段：水中的浮游植物依賴過剩的營養(yǎng)物質進行大量繁殖。第三階段：藻類隨之發(fā)生大暴發(fā)，陽光無法射入水中，植物大量死亡。第四階段：微生物開始降解動植物殘骸，進一步消耗氧氣。第五階段：最終水體中氧氣被耗盡，成為死區(qū)。

隨著沖積物和水生生物殘骸在水體底質的不斷沉降淤積，經過很長一段時間后，水體會逐漸由貧營養(yǎng)狀態(tài)向富營養(yǎng)狀態(tài)演變，而人類活動的強干擾則成為導致富營養(yǎng)污染的關鍵因素[8]。目前，富營養(yǎng)化的來源主要有大氣沉降、底泥滲透、居民生活污水、工農業(yè)廢水、浮游生物有機分解等[9-10]。在多種因素的共同作用下，水體由貧營養(yǎng)狀態(tài)逐漸演化為富營養(yǎng)化狀態(tài)，伴隨整個生態(tài)系統(tǒng)的演化（圖1b）。

2 國內外水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀

水體富營養(yǎng)化是全球共同面臨的挑戰(zhàn)，根據聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署報告顯示，自20世紀90年代以來，拉美、非洲和亞洲超過50%的河流出現(xiàn)病原菌（如糞大腸菌等）污染和有機污染加劇的現(xiàn)象，有近1/3的河流出現(xiàn)鹽度污染加劇的現(xiàn)象，水體污染已達到嚴重程度[11]。美國聯(lián)邦環(huán)保局數據顯示，在美國超過35%的湖泊氮含量超標、超過40%的湖泊磷含量超標，有10%的美國湖泊被劃分為貧營養(yǎng)型、35%為中營養(yǎng)型、34%為富營養(yǎng)型、21%為超富營養(yǎng)型[12]，超過40%的河流小溪呈現(xiàn)富營養(yǎng)狀態(tài)[13]?；赗obert Diaz博士的文獻檢索匯編世界缺氧和貧營養(yǎng)化沿海地區(qū)地圖（圖2），由于該地圖依賴于可用數據庫，可依據數據可用性較高的地理區(qū)域（如美國）顯示較多的問題。2013年，墨西哥灣死水區(qū)達到1.51萬km2，且受密西西比河養(yǎng)分的輸入，墨西哥灣每年夏季都會發(fā)生水體缺氧水生動物大量死亡的現(xiàn)象[14]。研究數據顯示了762個因富營養(yǎng)化而受影響的沿海地區(qū)水質狀況，其中有479個地區(qū)正在遭受著缺氧、55個地區(qū)曾經遭受缺氧，此外還有228個沿海地區(qū)水體有富營養(yǎng)化的現(xiàn)象，并且出現(xiàn)了綠潮、物種豐富度降低和珊瑚礁群落減少的現(xiàn)象[15-16]。

我國是水資源較為豐富的國家之一，流域面積超過50 km2的河流共45 203條，水面面積常年≥1 km2的湖泊共2 865個，總水域面積7.89萬km2，其中淡水湖1 594個、咸水湖945個、鹽湖166個、其他類型160個（圖3a）[17]。2019年，國家生態(tài)環(huán)境部對我國110個重要湖泊（水庫）的監(jiān)測數據顯示，水質低于Ⅲ類的湖泊（水庫）占31.9%，其中劣Ⅴ占7.3%。對我國107個重要湖泊（水庫）開展營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測的數據顯示，中營養(yǎng)狀態(tài)占62.36%、輕度富營養(yǎng)狀態(tài)占22.40%（圖3b、圖4a）[18]。富營養(yǎng)化問題最突出的三大湖是滇池、巢湖和太湖[19]。據我國生態(tài)環(huán)境部統(tǒng)計的《2020上半年全國地表水和環(huán)境空氣質量狀況》顯示[20]，太湖為輕度污染、輕度富營養(yǎng)，總磷為其主要污染指標;巢湖為水質良好、輕度富營養(yǎng);滇池為重度污染、中度富營養(yǎng)，總磷、化學需氧量和高錳酸鹽指數為其主要污染指標。

2019年，我國夏季呈富營養(yǎng)化狀態(tài)的海域面積共42 710 km2，其中重度富營養(yǎng)化海域面積達13 080 km2，主要集中在遼寧灣、長江口、杭州灣、珠江口等近岸海域（圖4b）。同年，我國海域共發(fā)生赤潮38次，累計面積1 991 km2[21]。

3 水體富營養(yǎng)化治理研究

防治水體富營養(yǎng)化是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及學科包括社會、經濟、人文、地理、氣象、環(huán)境、生物、物理和化學，是水體污染治理中最為棘手的問題[22]?！翱卦唇匚?、生態(tài)修復”已成為水體富營養(yǎng)化防治的主流觀念[23]。但是對于景觀水體富營養(yǎng)化的治理，不僅要防止外源性污染物匯入水體，更要控制內源性污染物污染水體[24-25]。在水體富營養(yǎng)化的防治方面，氮、磷是主要的污染物，其作為水體富營養(yǎng)化的主導因子對水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)安全產生嚴重威脅，造成一系列的水環(huán)境問題，制約社會經濟的可持續(xù)發(fā)展[8，26-27]。氮、磷的污染源十分復雜，不僅包括從外部排放進入水體的氮、磷（外源），還包含水體內部沉積物自身釋放并再次進入水體的氮、磷（內源）[28-29]。物理凈化技術、化學凈化技術和生物凈化技術是目前水體富營養(yǎng)化的主要防治技術，針對治理對象、適用范圍和經濟耗用不同可有不同的選擇（表2）[30]。

（1）物理凈化技術是采用物理的、機械的方法對富營養(yǎng)化水體進行人工凈化，具體有底泥疏浚法、換水稀釋法、河道深層曝氣、人工打撈、人工造流和引水等[33-35]方法。

（2）化學凈化技術是通過向污染水體中投入化學藥劑，使藥劑與污染物質發(fā)生化學反應，從而達到去除水體中污染物的目的。但是由于化學技術而死亡的藻類會釋放藻毒，從而產生二次污染，同時由于化學藥品的生物富集和生物放大會對整個生態(tài)系統(tǒng)產生的負面影響，因而被視為一種短期行為或是權宜之計[30]。

（3）生物凈化技術是解決水體富營養(yǎng)化問題最環(huán)保、最經濟的方法。植物不僅能吸收水中的營養(yǎng)物質，同時還能顯著降解氮、磷和泌氧的含量，為微生物提供一個適宜的生存空間。主要包括人工濕地法[36]、生物操縱法[37]、微生物凈化法[38]、高等水生植物防治法[22]。

4 植物生態(tài)修復的優(yōu)勢

N和P是湖泊水體富營養(yǎng)化的主要因子，也是植物生長發(fā)育所需要的必要元素。富營養(yǎng)化的治理可將污染生態(tài)學與植物營養(yǎng)生態(tài)學相結合，有助于探索人工濕地凈化氮磷的機理，研究植物在人工濕地中的營養(yǎng)策略，并摸清污染物的最終去向[39-40]。

4.1 植物凈化機理

利用植物凈化水體富營養(yǎng)元素主要有2個方面：一是植株正常生長時促使根系吸收污染水體中的氮磷元素;二是利用根系的分泌物來集聚和繁殖大量微生物，通過與微生物的協(xié)調作用，加速富營養(yǎng)化元素的分解凈化[41]。植物修復水體的技術主要包括5個方向：植物提取、植物固定、植物揮發(fā)、根際過濾、植物轉化[42]。

植物對水體污染的治理作用可從以下6個方面考慮：

4.1.1 物理作用。

植物個體較大，在水環(huán)境中能有效避免水中風浪的過度擾動，有利于水中懸浮物質的沉淀去除以及避免已沉淀物質的再次懸浮。植物發(fā)達的根系在水環(huán)境中也會形成較好的過濾結構，有效吸附、截留水中的有機膠體、不溶性物質，在富營養(yǎng)化水體的凈化工作中扮演著十分重要的角色[42]。植物對浮游藻類還具有競爭抑制作用。在富營養(yǎng)化的水體中，藻類植物會快速生長，加劇水質的惡化。在水中種植植物之后，水生植物會和浮游藻類進行競爭，同時分泌抑制藻類生長的物質，破壞藻類的正常生理代謝，最終導致藻類死亡，從而減少藻類所產生毒素對水體的污染[43]。

4.1.2 吸收作用。

富營養(yǎng)化水體的產生是由于水環(huán)境中過量氮、磷等營養(yǎng)鹽存在，而這些營養(yǎng)鹽正是植物自身生長所必需的營養(yǎng)組分，植物可以通過根系吸收將這些營養(yǎng)物質固定在自身體內，以保證其正常生長和發(fā)育繁殖的需求[44]。此外，植物不僅可以通過根部吸收營養(yǎng)物質，還可通過浸沒在水體中的莖葉吸收營養(yǎng)物質[45]。因此，植物吸收同化作用是富營養(yǎng)化水域中氮、磷等營養(yǎng)物質去除的重要途徑。

4.1.3 富集作用。

植物具有非常頑強的生命力，且有一定的耐污染能力。植物可以將污染水體中的各種有機物和重金屬離子等污染物富集在莖葉中，從而降低污染水體的污染物濃度[44]。植物根系是各類污染物進入植物體的重要途徑之一，淹水環(huán)境條件下，許多濕地植物根系都可向根際環(huán)境釋放氧氣和氧化性物質，在根表和根際形成鐵、錳氧化物膜的能力，而生長在植物根表的錳氧化物膜就是植物根系吸收養(yǎng)分和污染物的門戶[46]。

4.1.4 化感及競爭作用。

化感物質是植物的次生代謝產物，能有效地阻止浮游藻類瘋長，逐漸降低水中污染物的含量，減少浮游藻類的存在，實現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的有效治理[47]。

藻類的大量繁殖是導致水體污染的一個重要原因。藻類和水生維管束植物均以水體中的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質作為養(yǎng)料，由此水生維管束植物與水下生長的藻類因爭奪共同的營養(yǎng)物質而形成競爭關系。水生維管束植物具有較為完善、發(fā)達的機械組織，在競爭中占據優(yōu)勢，能夠有效抑制藻類的生長，從而避免水體污染[48]。

4.1.5 傳輸及釋放氧氣作用。

水生植物通過光合作用產生的氧氣主要通過枝條和發(fā)達的根系進行傳輸，一部分用于自身的生長，另一部分則傳輸到根區(qū)，進而擴散到水下相對缺氧的區(qū)域。水生植物的根部區(qū)域氧氣充足，能為微生物的繁殖和生長提供良好的環(huán)境，同時好氧微生物就能夠充分發(fā)揮作用，進而對污染水體進行凈化。

4.1.6 協(xié)同降解作用。

協(xié)同作用一方面指水生植物之間的協(xié)同性，其對水體的凈化作用不僅與植物的種類、組織和生長季節(jié)有關，還與水體的污染程度有關。合理的植物搭配不僅滿足了物種多樣性、保持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，而且水生植物之間的協(xié)同作用還可提高湖泊水體的修復效果和水體的觀賞價值，形成更良好的生態(tài)循環(huán)[43]。

另一方面指水生植物與微生物的協(xié)同降解作用，水生植物利用光合作用提高水體中溶解氧的濃度，并依靠植物根部分泌氨基酸等有機物質，有效刺激根部微生物活性，促進植物根部微生物的代謝活動，加大富營養(yǎng)化水體中污染物的去除與轉化程度。植物發(fā)達的根系不但能為微生物的附著、棲生和繁殖提供場所，而且還能分泌出一些有機物質促進微生物的新陳代謝作用。

植物根系微生物是指聚居在根際，以根際分泌物為主要營養(yǎng)的一群微生物，同時作用于周圍環(huán)境產生根際效應。根際微生物不僅種類和數量遠高于非根際微生物，其代謝活性也比非根際微生物高。高等水生植物能將氧氣從上部輸送至根部，在根區(qū)和遠離根區(qū)的底泥中形成有氧和厭氧環(huán)境，從而促進底泥微生物中的硝化與反硝化作用[49]。

植物-微生物系統(tǒng)對氮的去除是以細菌為主的，包括浮游細菌和根際細菌。氮循環(huán)過程包括生物固氮、氨化、硝化、反硝化及同化等作用，其中生物固氮、氨化、硝化及反硝化是微生物的特有過程。氮的去除途徑主要是硝化、反硝化作用，而不是靠植物的吸收[50]。

此外，植物根系及其根際微生物通過釋放出酶和有機酸等物質，對污染物進行溶解、螯合、吸收或降解，從而達到凈化污染水體的作用。近年來，植物修復成為富營養(yǎng)化水體治理工作中的熱點話題，有研究表明，植物吸收同化作用只能去除富營養(yǎng)化水體中較少部分的氮磷等營養(yǎng)物質，微生物作用才是富營養(yǎng)化水體治理工作中的主導因素[51]。

4.2 木本植物生態(tài)修復特點及優(yōu)勢

4.2.1 木本植物生態(tài)修復特點。

木本植物是指植物的莖內木質部發(fā)達，質地堅硬的植物，一般直立、壽命長，能多年生長，相比草本植物，木本植物生長較為緩慢，因此多年生的樹木可作為監(jiān)測植物，反映該植物種植地區(qū)的污染歷史。由于木本植物根系龐大，不僅能通過根系吸收和利用污水中的氮、磷等物質，而且還能為微生物提供較大的附著面積，并通過根際釋放氧氣形成濕地床、植物根系及周圍的微環(huán)境依次呈現(xiàn)出好氧、缺氧及厭氧狀態(tài)，促進污水中有機物的有氧分解和氮的去除，且根系對介質的穿透能有效提高介質的孔隙度，加強和維持介質的水力傳輸，在污水的凈化中發(fā)揮重要作用[52]。

研究還發(fā)現(xiàn)，木本植物比草本植物具有更多的優(yōu)點，如根系更深、輸氧能力和新陳代謝更強，生長期更長，可減少和降低收獲物的“二次污染”及收獲成本，增加立體空間的生物多樣性等[53]。

4.2.2 草本和木本植物生態(tài)修復差異。

通過對木本植物和草本植物的凈化能力進行綜合對比發(fā)現(xiàn)，雖然草本植物的去污能力高于木本植物，但是到了冬季，多數草本植物的地上部分必須進行刈割，而經過污水處理的草不宜用作飼料也不宜燒毀，為防止其對大氣和土壤造成二次污染而達不到防治污染的最終目的[52]。草本植物在修復生態(tài)系統(tǒng)中的后期管理運行過程中需要持續(xù)投入人力成本，否則會出現(xiàn)在秋季草本植物產生莖葉枯萎腐爛、無人管理的狀態(tài)，最終導致草本植物吸收到的氮、磷等元素重新回到水體環(huán)境系統(tǒng)。例如，關于黃菖蒲和再力花固定西湖底泥中重金屬Cd和Pb能力的研究中，濕地景觀設計中配置一定比例的黃菖蒲和再力花，并于每年秋季種子成熟期收割黃菖蒲和再力花地上部分及挖除部分地下根莖進行適當處理，次年重復該過程，能夠起到凈化水體和底泥重金屬Cd和Pb污染的作用[54]。而木本植物則具有生長周期長、生物量大、根系大、耐修剪等多種優(yōu)點。

篩選出凈化水體效果較好的木本植物，木本植物也可產生一定的經濟效益。對生態(tài)修復系統(tǒng)內的木本植物進行周期性的采伐，使木本植物所吸收到的氮、磷等元素及時轉出系統(tǒng)外，與草本植物相比，木本植物更容易清理和后期維護，如果選取的木本植物也可產生經濟效益，則可以彌補部分濕地運行成本的消耗。

通過了解木本植物的生態(tài)特性和功能特點，將其在濕地中進行合理的配置應用，構建層次分明的植物群落，不僅能免去后期繁瑣的草本刈割工作、減少濕地的管理成本，還能保證濕地景觀的持久性，彌補草本植物季節(jié)性枯萎造成的生態(tài)位空缺、景觀效果缺失的現(xiàn)象，符合低養(yǎng)護持久景觀的植物群落構建理念，值得在濕地植物配置中大力推廣[55]。

在選擇凈化水質的植物種類時，不僅要考慮植物的凈化效果，還要充分考慮植物的生長分布、抗逆性和美觀價值等綜合因素，此外還要加強后期的維護和管理，使得植物的水體凈化功能得到最大化發(fā)揮。

5 展望

該研究對國內外水體富營養(yǎng)化的成因、危害和現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)分析，揭示了全球水體富營養(yǎng)化所面臨的威脅和挑戰(zhàn)，同時對水體修復技術進行了總結和歸納，闡明植物修復技術的優(yōu)勢，并進一步提出鄉(xiāng)土木本植物在水體富營養(yǎng)化修復方面的潛力。因此，今后的研究中應該更多地聚焦木本植物生態(tài)修復的機理及其效應，為水體富營養(yǎng)化的治理提供更多元的方法和更合適的技術。

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