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摘要：指出了水生植物種植載體因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)高效、具有良好的區(qū)域美化效果以及持久耐用而被人們廣泛采用。探討了不同類型水生植物載體在水環(huán)境治理中的應(yīng)用，分析了不同類型水生植物載體的特點(diǎn)，總結(jié)了不同類型水生植物載體應(yīng)用現(xiàn)狀以及對水體的凈化效果等，同時(shí)展望了水生植物載體的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：水生植物載體；水環(huán)境治理；應(yīng)用現(xiàn)狀

1引言

目前，我國地表水的污染狀況不容樂觀，尤其是水體的富營養(yǎng)化問題日益加劇，水體中的氮、磷等元素嚴(yán)重超標(biāo)，水環(huán)境修復(fù)成為一項(xiàng)艱巨的工程。物理和化學(xué)的修復(fù)方法，如添加磷酸銨鎂來去除氮磷，雖然去除率高，反應(yīng)速率快，但容易引起二次污染。種植水生植物來修復(fù)污染水體，一方面可以達(dá)到凈化水質(zhì)、去除水中氮磷元素的效果，另一方面種植的水生植物價(jià)格低廉，投資少，有的還可以作為經(jīng)濟(jì)植物并且有一定的區(qū)域美觀效果。常見的水生植物種植載體有人工浮床、人工沉床、生態(tài)護(hù)坡等。其主要機(jī)理都是利用高分子材料作為基質(zhì)的載體，種植不同種類水生植物、選取不同種類的填料，通過植物發(fā)達(dá)的根系以及吸附在植物根系上的微生物來去除水體中的氮磷等污染物。近年來，我國的水生植物種植技術(shù)取得了一系列成果，對污染地表水的生態(tài)修復(fù)起到了積極的作用。筆者總結(jié)了水生植物種植載體在水環(huán)境修復(fù)方面的應(yīng)用，展望了其發(fā)展前景。

2人工浮床

人工浮床又稱為人工浮島、生態(tài)浮床等，是一種無土栽培技術(shù)，人工浮床種植的大型水生植物在生長過程中對氮、磷等元素進(jìn)行吸收，并且植物的根系具有巨大的比表面積，能為水體中的微生物提供吸附載體，形成生物膜，對水體中的懸浮物質(zhì)進(jìn)行吸附，而且植物根系還能夠富集水體中的一系列的重金屬元素和有機(jī)污染物，最終在植物生長成熟之后，將植物搬離水體，使水體中的污染物大幅度減少，水質(zhì)得到改善［1］。自1991年以來，我國利用生態(tài)浮床技術(shù)，成功地在大型水庫、湖泊、河道、運(yùn)河等不同水域種植了46個(gè)科的130多種陸生植物，累積面積達(dá)10余hm2。其中種植的大面積單季水稻產(chǎn)量在8．5t／hm2以上，最高可達(dá)10．07t／hm2；黑人蕉、旱傘草等花卉比在陸地種植取得了更好的群體和景觀效果［2］。人工浮床因其植物茂密的根系和為水生動物提供相對穩(wěn)定的特點(diǎn)而具有良好的發(fā)展前景。

2．1人工浮床的類型

人工浮床分為兩類———濕式浮床和干式浮床。干式浮床是水生植物與水面相互不接觸的浮床，濕式浮床為植物與水面相互接觸的浮床。干式浮床沒有凈化水質(zhì)的效果，主要起到美化水域的作用。一般的大型干式浮床是用混凝土或者發(fā)泡聚苯乙烯制作的。濕式浮床植物與水面直接接觸，凈化效果相對來說比較好。濕式浮床又分為兩類，有框型和無框型浮床。通常來說，有框型浮床的框架由高強(qiáng)度輕型材料如塑料、混凝土、不銹鋼加發(fā)泡聚苯乙烯板材、鹽化乙烯合成樹脂、特殊發(fā)泡聚苯乙烯加特殊合成樹脂等高強(qiáng)度新型材料制成。無框型浮床通常采用椰子纖維編制而成。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用濕式浮床的大約占70％左右［3，4］。傳統(tǒng)的生態(tài)浮床一般是由3部分組成：浮床的整體框架、水下固定裝置和水生植物。框架采用最多的是硬聚氯乙烯（UPVC）管材和竹子框架等，水生植物一般所采用的是濕生植物，美人蕉、鳶尾、菖蒲等。一般基本的固定方法有重力型、桿定型和錨定型等。將3部分很好地結(jié)合在一起，組成了傳統(tǒng)式人工浮床［5］。組合式人工生態(tài)浮床是傳統(tǒng)浮床技術(shù)的改進(jìn)，主要包括2種類型，即在植物和浮體的基礎(chǔ)上增加基質(zhì)和在植物、填料和浮體的基礎(chǔ)上增加濾食性動物［6］。傳統(tǒng)水生植物浮床僅種植一些大型水生植物，生物組成相對來說較單一，構(gòu)成完整生態(tài)系統(tǒng)的水生生物及微生物環(huán)節(jié)較為薄弱，阻礙了生態(tài)功能的發(fā)揮，有限的植物和生物量也制約了其水質(zhì)凈化效能的進(jìn)一步提高［7，8］。組合型生態(tài)浮床則是在原有浮床基礎(chǔ)上增加了水生動物與微生物的數(shù)量從而提高凈水效果。

2．2人工浮床的應(yīng)用現(xiàn)狀

人工浮床在我國已經(jīng)有20多年的發(fā)展歷史，近幾年來，利用浮床技術(shù)原位修復(fù)污染水體，取得了許多研究成果。例如，王金麗等（2011）［9］研究了人工浮島對模擬滯流景觀水體的水質(zhì)改善效果，并比較了5種植物對污染物的去除效率，發(fā)現(xiàn)鳶尾對TN、NH3－N和COD的去除效果較好，美人蕉對藻類暴發(fā)的延緩與抑制作用最強(qiáng)，千屈菜和旱傘草的除磷效果較好。王芳等（2014）［10］構(gòu)建新型立體組合式生態(tài)浮床系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)浮床種植美人蕉對NH3－N的去除效果比黃菖蒲好，并且美人蕉與黃菖蒲兩者混合栽種對NH3－N的去除效果比單一美人蕉的效果明顯。王鄭等［11］研究由水生植物與人工填料構(gòu)建的組合型生態(tài)浮床對某農(nóng)家樂污水的凈化效果，對化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、氨氮（NH＋4－N）和總磷（TP）都有較好的去除效果，去除率分別達(dá)到79．71％、73．88％、88．67％和85．61％。陳友媛等（2017）［12］研究了鹽生植物堿蓬和微生物構(gòu)建的組合型浮床對富營養(yǎng)化微鹽堿水體的凈化效果，組合型浮床對水體中的總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)的平均去除率分別為70．5％、34．7％、70．7％，其中微生物對污染物的去除率高于植物。常雅軍等［13］運(yùn)用天然礦物海泡石、膨脹蛭石、工業(yè)副產(chǎn)物爐渣、粉煤灰以及微生物固定化載體海藻酸鈣（包埋反硝化聚磷菌－DPAOs）制成低價(jià)高效的浮床復(fù)合基質(zhì)，制成的生態(tài)浮床對富營養(yǎng)化水體具有高效脫氮除磷效果，尤其解決了植物浮床在水體磷去除方面效果較差的缺陷。趙藝［14］提出了一種新型生態(tài)浮島———風(fēng)光互補(bǔ)曝氣污水處理系統(tǒng)，將人工浮島與風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)結(jié)合。將風(fēng)能和太陽能轉(zhuǎn)換為電能帶動曝氣裝置的運(yùn)行，增加了水中的溶解氧，使植物和微生物更好地生長，提高了處理脫氮的效率，且該裝置利用太陽能和風(fēng)能，具有良好的生態(tài)效益，同時(shí)具有區(qū)域美觀的作用。從生態(tài)浮床的應(yīng)用現(xiàn)狀看，傳統(tǒng)生態(tài)浮床已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足對水質(zhì)凈化效果的要求，組合式生態(tài)浮床的形式越來越多樣化，越來越復(fù)雜，生態(tài)浮床的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。但形式多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的浮床背離了“植物是浮床凈化水質(zhì)的主體”的初衷，更應(yīng)該被稱為“水體凈化的組合裝置”。

2．3人工浮床在應(yīng)用中的問題

（1）選擇合適的水生植物來凈化污染水體。據(jù)國內(nèi)外研究調(diào)查，約有240種以上的水生植物有利于治理富營養(yǎng)化水體，如美人蕉、蘆葦、菖蒲、水芹、黃花水龍等。不同植物對富營養(yǎng)化水體修復(fù)的效果不同。如在總氮、總磷的去除方面，不同植物去除氮、磷的能力不同，有研究表明，在水蔥、虉草、寬葉香蒲等幾種植物中，水蔥的效果最好，虉草最差［15］。從對氮磷的去除率、植物是否易于存活以及經(jīng)濟(jì)適用性4個(gè)方面綜合考慮，優(yōu)先考慮種植慈菇和茭白，其次為金魚藻、水花生和滿江紅，最后考慮菹草和菱角。有些水生對富營養(yǎng)化水質(zhì)也有很好的凈化效果，如鳳眼蓮、黃花水龍等，種植時(shí)需嚴(yán)格控制。（2）浮床載體的選擇也影響水質(zhì)凈化效果。現(xiàn)大部分浮床載體材料多由高強(qiáng)度輕型材料塑料、混凝土、不銹鋼加發(fā)泡聚苯乙烯板材、鹽化乙烯合成樹脂、特殊發(fā)泡聚苯乙烯加特殊合成樹脂等高強(qiáng)度新型材料制成。但這種載體比表面積較小，且表面較為光滑，不易于掛膜，長期使用將產(chǎn)生白色污染。1999年鄭世華等［16］研制出一種陶瓷浮島。這種浮島以火山灰碳化硅為原料燒制而成，呈板狀，可浮于水面，能承重，具有較高的強(qiáng)度，材料穩(wěn)定性高，可在各種水體環(huán)境使用，不污染水體，不為微生物破壞，重復(fù)利用率高，克服了聚苯乙烯泡沫板強(qiáng)度低的缺點(diǎn)和造成的白色污染問題，更避免了植物根莖浮島的微生物分解所造成水質(zhì)污染的問題。（3）如何改善生態(tài)浮床在冬季的凈化效果。生態(tài)浮床對污染水質(zhì)的凈化是利用植物與微生物的結(jié)合而起到較好的凈化效果。冬季溫度較低，植物體內(nèi)酶活性降低，植物的生存能力也隨之降低甚至死亡。且有學(xué)者［17］認(rèn)為，硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌的生長繁殖速率和活性會受到低溫的抑制，受溫度的影響較大，微生物硝化反硝化反應(yīng)速率降低，污水的凈化效果受到嚴(yán)重嚴(yán)重影響。此外，溫度降低，水面結(jié)冰，水中的溶解氧量逐漸減少，植物微生物無法繼續(xù)生長，水質(zhì)處理效果受到影響。改善生態(tài)浮床在冬季的凈化效果，可以通過改變進(jìn)水速率或在浮床裝置中安裝曝氣裝置，提高水中的溶解量。在浮床濾料表面增加覆蓋物，對浮床具有保熱效果。覆蓋物的選擇，一方面要注重其保溫效果，另外一方面要也要注意覆蓋物是否會在使用過程中產(chǎn)生污染，影響水體。有資料顯示，若用含碳量較高的木屑，會使植物生長期引起氮缺乏，此類覆蓋物分解，將會降低系統(tǒng)處理效果［18］。另選用耐低溫的植物和微生物也可以改善其凈化效果。

2．4人工浮床的價(jià)值

浮床應(yīng)用廣泛。一方面因?yàn)楦〈驳某杀据^低，并且可以用來種植的水生植物種類多；另一方面，浮床的治污原理是利用植物發(fā)達(dá)的根系來吸收水中的有機(jī)物、N、P等元素，因此不需要專業(yè)的機(jī)械設(shè)備，并且治污效果明顯。生態(tài)浮床也可以作為景觀美化環(huán)境，如干式浮床。但生態(tài)浮床也存在著一些不足之處，如生態(tài)浮床制作施工周期較長、生態(tài)浮床上的植物大都不能過冬，而且生態(tài)浮床如若想要大規(guī)模推廣，則需要經(jīng)常及時(shí)采收，需要大量的人力等。

3人工沉床

人工沉床主要由填料、沉水植物和附著在基質(zhì)與植物體表面的微生物三大部分組成，可通過浮力來調(diào)整床體在水體中的位置，克服水體透明度低的不利因素，提高植物的存活率。20世紀(jì)70年代以來，水生植物開始受到人們的關(guān)注，許多植物的耐污及治污能力被發(fā)現(xiàn)，多種以大型水生植物為核心的污水處理和水體修復(fù)生態(tài)工程技術(shù)被開發(fā)［19，20］。然而，有些污染嚴(yán)重的水體透光度較差，水中的一些植物尤其是沉水植物難以存活，在水體中腐爛又造成了水體的二次污染。人工沉床技術(shù)則是根據(jù)這一問題而設(shè)計(jì)出的生物—生態(tài)水體原位修復(fù)技術(shù)。其主要用法是：一方面，利用水生植物對水體氮磷元素的吸收，另一方面，人為的調(diào)控床體的高度來克服水深和透明度的問題，防止植物在水體中腐爛造成二次污染。人工沉床對水體的凈化是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程，既包括植物的吸收、植物及填料的物理吸附，也包括生物化感及微生物降解等作用［21］。其凈化過程主要由植物與微生物協(xié)同構(gòu)成。植物的根系為微生物提供了良好的附著界面，易形成生物膜。根區(qū)以內(nèi)的好氧微生物進(jìn)行硝化反應(yīng)而根區(qū)以外的厭氧微生物則進(jìn)行反硝化以及對厭氧水中的有機(jī)物進(jìn)行厭氧分解。植物通過根還可釋放很多有機(jī)復(fù)合物，這種釋放的數(shù)量目前還不清楚，有報(bào)道的值一般占光合作用固定碳的10％～40％，在某些植物中，由根分泌的這種有機(jī)碳可作為反硝化者的碳源從而增加了硝酸鹽的去除［22，23］。

3．1人工沉床對水體的凈化效果

近年來，我國的人工沉床技術(shù)飛快發(fā)展。人工沉床的凈化效果不僅受所種植的植物的影響，還取決于填料。常用的填料有陶粒、活性炭、沸石、爐渣等。程鵬飛等［24］研究了不同填料人工沉床修復(fù)輕度污染水體的試驗(yàn)，結(jié)果表明所選取的3種填料：爐渣、陶粒和鋸末，其中鋸末對CODMn、氨氮以及總氮的去除率效果最好，其原因在于鋸末具有較好的孔隙率和干容重，屬于輕質(zhì)多孔型填料。李金中等［25，26］選取頁巖、陶粒、礫石和麥飯石4種填料進(jìn)行研究，通過對化學(xué)需氧量、總氮和總磷的去除效果的綜合比較，陶粒是一種較為理想的人工沉床的填料選擇。上述的兩個(gè)研究表明，輕質(zhì)多孔的無機(jī)填料為較理想的人工沉床的填料選擇。蔣歡等［26］采用改良型人工沉床技術(shù)———生態(tài)懸床技術(shù)構(gòu)建水生生態(tài)系統(tǒng)，對河道水體進(jìn)行原位生態(tài)凈化。生態(tài)懸床是一種懸浮式沉水植物床，由可種植沉水植物的種植床與種植床連接的浮力系統(tǒng)和防護(hù)系統(tǒng)組成。在懸床工藝中，懸浮于水中距離水面一定深度的種植床中裝有種植基質(zhì)，為沉水植物提供生長基質(zhì)和適宜的光照條件。項(xiàng)目實(shí)施后，對于河道型微污染水源地中有機(jī)物的去除效果不顯著，對于總磷、氨氮的去除效果較好。

3．2人工沉床的優(yōu)缺點(diǎn)

人工沉床是一種由載體和人工基質(zhì)、水生植物結(jié)合成的小型水體生態(tài)系統(tǒng)，是一種生物生態(tài)水體修復(fù)技術(shù)，形成植物———微生物的協(xié)同凈化，能夠比較全面系統(tǒng)的修復(fù)水體。并且人工沉床通過人為的對植物在水中高度的調(diào)控，易于優(yōu)化水體現(xiàn)有的生物群落，可以有效的解決由于水深較大，透明度較差，水下光照條件較弱，直接載種于水底的沉水植物存活率較低的問題，避免了對水體的二次污染。但人工沉床要對承載植物和基質(zhì)的載體進(jìn)行人工調(diào)控，需要較高的機(jī)械技術(shù)，對于處在離河岸較遠(yuǎn)的水域，安裝工藝的要求變高，難度較大，并且不易進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化推廣應(yīng)用。不同的水域流體，其污染程度不同，水流、溫度、流速等都不盡相同，需要相應(yīng)地進(jìn)行植物設(shè)計(jì)組合搭配，才能較大程度的解決污染問題，很難制定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)［21，25］。

4生態(tài)護(hù)坡

人工浮床和人工沉床用于水體中，利用挺水植物和沉水植物來吸收去除水中的污染物，而生態(tài)護(hù)坡是在濱岸帶進(jìn)行植被重建，建立一個(gè)新的植物群落，用來截留面源污染，凈化水體，以期達(dá)到修復(fù)受損水體的目的。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，是基于水利工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)、力學(xué)、生物科學(xué)和生態(tài)學(xué)等學(xué)科的基本原理，利用植物與工程材料相結(jié)合，在邊坡上構(gòu)建具有生態(tài)功能的護(hù)坡系統(tǒng)，通過生態(tài)工程的自支撐、自組織與自我修復(fù)等功能，實(shí)現(xiàn)邊坡的抗沖蝕、抗滑動和生態(tài)恢復(fù)，以達(dá)到減少水土流失、維持坡面植物生存環(huán)境、提高坡面動物和微生物棲息地的質(zhì)量、營造生物多樣性、提高河流自凈能力，改善人居環(huán)境等目的［27］。

4．1生態(tài)護(hù)坡的類型

根據(jù)國內(nèi)外的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的理論研究和工程實(shí)踐，可以將以植物為主體結(jié)構(gòu)的生態(tài)護(hù)坡關(guān)鍵技術(shù)分為三類：全系列生態(tài)護(hù)坡、土壤生物工程以及復(fù)合式生物穩(wěn)定技術(shù)。全系列生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是從坡腳至坡頂依次種植沉水植物、浮葉植物、挺水植物、濕生植物（喬、灌、草）等一系列護(hù)坡植物，形成多層次生態(tài)防護(hù)，兼顧生態(tài)功能和景觀功能［28］。土壤生物工程是一種邊坡生物防護(hù)工程技術(shù)，采用有生命力的植物根、莖（桿）或完整的植物體作為結(jié)構(gòu)的主要元素，按一定的方式、方向和序列將它們扦插、種植或掩埋在邊坡的不同位置，在植物生長過程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和加固邊坡，控制水土流失和實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)［29］。復(fù)合式生物穩(wěn)定技術(shù)是生物技術(shù)與工程技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合式生態(tài)護(hù)坡技術(shù)。這種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)強(qiáng)調(diào)活性植物與工程措施相結(jié)合，技術(shù)核心是植生基質(zhì)材料，依靠錨桿、植生基質(zhì)、復(fù)合材料網(wǎng)和植被的共同作用，達(dá)到對坡面進(jìn)行綠化和防護(hù)的目的［30］。根據(jù)邊坡土質(zhì)條件，生態(tài)護(hù)坡還可以分為土質(zhì)生態(tài)邊坡防護(hù)和巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)。其中巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)的關(guān)鍵是建立創(chuàng)造植物生長的有利條件。常見的生態(tài)護(hù)坡支護(hù)形式有：人工自種草護(hù)坡、液壓噴播植草護(hù)坡、客土植生植物護(hù)坡、平鋪鋪草皮護(hù)坡、漿砌片石骨架植草護(hù)坡和植生混凝土護(hù)坡等［31］。

4．2生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在水環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

目前，生態(tài)護(hù)坡的應(yīng)用多集中在傳統(tǒng)護(hù)坡改為生態(tài)護(hù)坡后，濱岸帶的生態(tài)效應(yīng)的改善狀況。如，邊博等［32］探明砌塊式生態(tài)護(hù)坡對控制太湖流域降雨地表徑流污染削減效果，同時(shí)發(fā)現(xiàn)修復(fù)后護(hù)坡植物覆蓋度和種類明顯增加，生物多樣性更加豐富，群落結(jié)構(gòu)將逐漸趨于穩(wěn)定。陳小華等［28］在上海4個(gè)生態(tài)河道示范區(qū)，開展了以生態(tài)修復(fù)和河岸侵蝕控制為目標(biāo)的河道生態(tài)護(hù)坡技術(shù)研究，3年后發(fā)現(xiàn)河岸生境得到改善，本地植物快速恢復(fù)，生物多樣性增加，河岸植物群落結(jié)構(gòu)由單一結(jié)構(gòu)向復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，生態(tài)穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。關(guān)于對河道、湖泊的水質(zhì)改善方面，郭偉杰等［33］研究了合肥市南淝河美人蕉生態(tài)護(hù)坡對河道的水質(zhì)改善作用，河水經(jīng)流生態(tài)護(hù)坡后，對TSS、TN、NH＋4－N、TP和COD相應(yīng)的平均去除率分別為76．4％、45．6％、57．5％、40．1％和29．0％。另外，美人蕉護(hù)坡微生物的數(shù)量顯著多于無植物坡岸（p＜0．01）。蔡婧等［34］在上海市進(jìn)木港生態(tài)河道示范區(qū)，通過現(xiàn)場模擬徑流試驗(yàn)，研究了柴籠、灌叢墊、植草3種不同類型的生態(tài)護(hù)坡對地表徑流的延滯作用和污染控制作用，結(jié)果表明，生態(tài)護(hù)坡在控制地表徑流污染方面具有良好的生態(tài)效益，在延滯地表徑流、攔截懸浮固體、截留營養(yǎng)鹽等方面的能力均顯著優(yōu)于對照裸坡（p＜0．05）。

5展望

利用水生植物凈化水體，具有經(jīng)濟(jì)性、區(qū)域美觀性以及不須投加藥劑不會造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)。利用水生植物凈化水體，關(guān)鍵在于植物的正常生長，不同類型的水生植物載體對植物的生長起到固定、穩(wěn)定的作用。不同類型的污染水體，可根據(jù)實(shí)際情況，選用不同的水生植物載體，從水面到水下，從岸邊到水中，全方位的進(jìn)行水體修復(fù)。水生植物載體應(yīng)向材料輕質(zhì)化、比表面積大、便于組裝、穩(wěn)定性好等方面發(fā)展。將地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）、遙感（RS）、水下攝像技術(shù)等應(yīng)用于水體修復(fù)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和評估等方面，可以提高工作效率，減少生態(tài)干擾。材料科學(xué)與信電技術(shù)的共同進(jìn)步必將水生植物載體推向一個(gè)新的發(fā)展階段。

作者:張妮 萬蕾 單位:徐州工程學(xué)院