生態(tài)護(hù)坡植物在河道水質(zhì)凈化中的研究進(jìn)展

孔宇，王子杰，閔辰琦1，，許鍇，林子增，王鄭

(1.南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210008；2.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210092；3.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

在堤壩和道路等工程的建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)造成邊坡的破壞，從而導(dǎo)致了河岸坍塌、水土流失、生態(tài)破壞等問(wèn)題的發(fā)生[1]。傳統(tǒng)護(hù)坡雖然能夠防止邊坡受到?jīng)_刷，起到了加固、防洪等功效，但與此同時(shí)也會(huì)改變?cè)械纳鷳B(tài)環(huán)境，引發(fā)生物多樣性的降低[2]。生態(tài)護(hù)坡是一種以植物為核心，結(jié)合植物學(xué)、生態(tài)學(xué)、工程力學(xué)等多種學(xué)科，構(gòu)建而成的綜合性護(hù)坡系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的河道護(hù)坡，生態(tài)護(hù)坡不僅能夠滿足水土保持、防洪排澇等基本要求，還具有生態(tài)恢復(fù)、水質(zhì)凈化以及美化環(huán)境的功效，迎合了生態(tài)文明以及綠色發(fā)展的新時(shí)代理念，在近年來(lái)逐步成為了國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)[3]。本文闡述了生態(tài)護(hù)坡植物的水質(zhì)凈化機(jī)理，分析了生態(tài)護(hù)坡植物的配置要素，總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)護(hù)坡植物水質(zhì)凈化能力的研究現(xiàn)狀。

1 生態(tài)護(hù)坡植物的水質(zhì)凈化機(jī)理

生態(tài)護(hù)坡植物在具備了較強(qiáng)景觀功能的同時(shí)，還能夠?qū)铀械目偟?TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)、固體懸浮物(SS)等污染物進(jìn)行吸收凈化，抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生，這主要依賴于生態(tài)護(hù)坡植物的吸收作用、生化作用和競(jìng)爭(zhēng)作用。其中，吸收作用主要源于植物旺盛的根系，可以對(duì)河道中的污染物質(zhì)進(jìn)行生物吸收，并且富集于自身或者土壤內(nèi)[4]。生化作用分為兩個(gè)部分，第一部分是植物的光合作用，其產(chǎn)生的氧氣經(jīng)過(guò)根系釋放進(jìn)河水中，能夠使根系附近的污染物氧化分解。第二部分是微生物的代謝作用，植物旺盛的根系使得水體和土壤之間構(gòu)成了很多小型的好氧和厭氧區(qū)域，水中的微生物因此獲得了良好的生長(zhǎng)空間。這些微生物能夠把植物的代謝產(chǎn)物作為碳源利用，并通過(guò)硝化、反硝化等反應(yīng)將含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，從而達(dá)到脫氮的效果[5]。競(jìng)爭(zhēng)作用指的是植物在水中和浮游藻類爭(zhēng)奪養(yǎng)分、相互競(jìng)爭(zhēng)，借此可以抑制藻類生長(zhǎng)，防止水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生[6]。

2 生態(tài)護(hù)坡植物的配置要素

2.1 植物品種的組合

鑒于邊坡環(huán)境有一定的特殊性，選取的邊坡植物通常需要具備較好的抗旱性、擴(kuò)展性、綠期長(zhǎng)、易繁殖、易管理等性質(zhì)[7]。目前，較常用的植物種類為藤本、草本、灌木和喬木植物，其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

由表1可知，單一的植物物種很難滿足生態(tài)護(hù)坡的需求。將草本植物作為生態(tài)護(hù)坡的先鋒植物，再配合其它植物的組合種植，是目前較為常用的方法。元文革等[8]以灤河河水為實(shí)驗(yàn)用水，對(duì)比研究了黃花鳶尾、水蔥、小香蒲、千屈菜和不同組合種植時(shí)的水質(zhì)凈化效果。結(jié)果表明，在組合種植的情況下，植物組合對(duì)TN、TP和COD均有較好的去除效果，且比單一植物的去除能力更強(qiáng)。呂家展等[9]研究了水鬼蕉、花葉蘆竹、美人蕉、風(fēng)車草、鳶尾及其植物組合對(duì)華中科技大學(xué)醉晚亭湖湖水的水質(zhì)凈化能力。結(jié)果表明，當(dāng)將美人蕉、鳶尾和蘆竹組合種植時(shí)，對(duì)COD、TP和TN的去除效果最優(yōu)，去除率分別可以達(dá)到86.5%，90.7%，60.5%。但是，一些植物在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)表現(xiàn)出對(duì)其他植物成長(zhǎng)發(fā)育的抑制作用。鄭足紅等[10]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，菖蒲和蘆葦?shù)慕M合種植能夠?qū)OD和TP起到較好的去除作用，去除率分別高達(dá)72%和87%。但是當(dāng)引入狐尾藻后，兩者的去除率均有所降低。原因是狐尾藻的生長(zhǎng)速度過(guò)快，抑制了菖蒲和蘆葦?shù)陌l(fā)育，使得去除能力隨之下降。因此，在配置植物之前充分考慮生態(tài)護(hù)坡植物間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系也是十分重要的。

2.2 氣候的影響

我國(guó)地域遼闊，不同地域的生態(tài)環(huán)境和氣候差異非常顯著。為了使生態(tài)護(hù)坡植物能夠達(dá)到較好的河道水質(zhì)凈化效果，根據(jù)不同地域的實(shí)際情況配置相對(duì)應(yīng)的植物種類至關(guān)重要。植物對(duì)于季節(jié)性溫度變化的適應(yīng)能力有所不同，可以將其分為冷季型植物和暖季型植物。冷季型植物具有較強(qiáng)的抗寒抗凍能力，但是抗旱和抗熱能力較差，通常適合種植在北方地區(qū)。暖季型則具有較強(qiáng)的植物抗旱抗熱能力，但是抗寒能力較差，通常適合種植在南方地區(qū)[11]。目前，常用于南方地區(qū)的護(hù)坡植物有狗牙草、馬尼拉草、結(jié)縷草等，常用于北方地區(qū)的護(hù)坡植物有小糠禾、紫羊茅、小冠花等[12]。另外，生態(tài)護(hù)坡所在地區(qū)的本地植物通常適應(yīng)性強(qiáng)、存活率高，也是一種較好的選擇[13]。

3 生態(tài)護(hù)坡植物對(duì)污染物的去除作用

3.1 對(duì)COD的去除作用

3.2 對(duì)TN的去除作用

TN是水中有機(jī)和無(wú)機(jī)氮的總和，是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一。TN的含量過(guò)多會(huì)引起水中藻類、微生物等的大量繁殖，使得溶解氧大幅度減少，水體的水質(zhì)變差。Zhao等[18]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)河岸帶植物和植樹(shù)造林均能夠起到水質(zhì)凈化的作用，密云水庫(kù)河岸帶植物在5個(gè)月內(nèi)對(duì)TN和TP的總吸收量分別為1 214.18 t和148.66 t。植樹(shù)造林之后，對(duì)TN和TP的去除量增加了2.56和2.17倍。沉水植物不僅能夠吸收水中的氮類物質(zhì)、提高水中溶解氧，還能為水生生物提供食物和棲息地、增加水中微生物的含量[19]。金樹(shù)權(quán)等[20]分別對(duì)比研究了微齒眼子菜、穗狀狐尾藻、金魚(yú)藻、苦草和輪葉黑藻的水質(zhì)凈化能力，結(jié)果表明，不同沉水植物在實(shí)驗(yàn)期間的凈增生物量差別較大，并且凈增生物量越大，對(duì)TN的去除效果最好。其中，輪葉黑藻的凈增生物量最大，是微齒眼子菜的8.5倍，而且輪葉黑藻對(duì)TN的去除能力最強(qiáng)，其次為金魚(yú)藻、苦草、穗狀狐尾藻、微齒眼子菜。于此同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)沉水植物的吸收作用在水質(zhì)凈化過(guò)程中小于沉水植物的增效作用。楊洪云等[21]選取北京某河道的河水作為實(shí)驗(yàn)用水，對(duì)比了千屈菜和黃菖蒲對(duì)河道水質(zhì)的凈化能力。結(jié)果表明，黃菖蒲對(duì)TN的去除能力要高于千屈菜，去除率為73.4%。同時(shí)，兩種植物均可通過(guò)收割的方式來(lái)有效地除去河水中的含氮物質(zhì)，兩者對(duì)氨氮的去除率都>95%。劉旻慧等[22]對(duì)比研究了菖蒲和鳳眼蓮對(duì)水體的凈化能力，結(jié)果表明，鳳眼蓮對(duì)TN的去除能力要高于菖蒲，可以使水體的TN從3.7 mg/L降低至1.7 mg/L，去除率為54%，能夠滿足河道治理的要求。Zhang等[23]對(duì)比研究了種植狐尾藻、空心蓮子草和無(wú)植被3種情況下，對(duì)水體TN的去除效果。結(jié)果表明，在培養(yǎng)了30 d之后，狐尾藻對(duì)TN的去除率最高，達(dá)到了96.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他兩種情況。同時(shí)，研究結(jié)果表明水體中微生物的硝化-反硝化對(duì)脫氮起到了主要作用，而水生植物能夠促進(jìn)水中微生物的生長(zhǎng)發(fā)育。

3.3 對(duì)TP的去除作用

TP可以用于表示水體中磷的總含量，是影響水質(zhì)的關(guān)鍵因素。TP含量過(guò)高易導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生，引發(fā)水華或赤潮，對(duì)水質(zhì)造成嚴(yán)重的破壞。楊帆等[24]針對(duì)阿什河流域水污染嚴(yán)重的問(wèn)題，研究了香蒲、狹葉香蒲、水蔥、顯脈苔草、菰、蘆葦、慈姑、澤瀉、菖蒲和千屈菜的水質(zhì)凈化能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各植物間的凈增生物量差別較大，最高可相差1.91倍。而且不同植物對(duì)TP的去除能力也有差別，10種植物中千屈菜、菰、蘆葦和水蔥的處理能力較好。與此同時(shí)，研究表明植物對(duì)TP的去除能力同凈增生物量干質(zhì)量和濕質(zhì)量有很大的關(guān)系。唐相臣等[25]選取了蘆葦、黃花鳶尾、千屈菜、水培冬青、花葉蘆竹、圓幣草和聚草7種植物，研究了它們和生物柵、人工水草在水質(zhì)凈化能力方面的差別。結(jié)果表明，生態(tài)植物雖然在脫氮和去除COD方面不及人工載體，但是在除磷方面卻有著很好的效果，并且充氧和收割均能提高植物對(duì)TP的去除能力。在實(shí)驗(yàn)的植物中，聚草的水質(zhì)凈化能力最強(qiáng)，對(duì)TP的凈化能力為3.05 g/(m2·a)。Lang等[26]選擇香蒲和輪葉狐尾藻作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究了兩者對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的處理效果。結(jié)果表明，輪葉狐尾藻對(duì)TP的去除效果更好，去除率高達(dá)76%，并且在種植后30～90 d內(nèi)就能達(dá)到較好的去除效果。Rodrigo等[27]通過(guò)蘆葦和鳶尾的組合種植，研究了植物組合對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的處理效果。結(jié)果表明，9個(gè)月內(nèi)，植物組合累計(jì)去除了約7 109 t的磷。這主要依靠蘆葦?shù)母吒采w率，促進(jìn)了附近香蒲和雀稗屬植物的成長(zhǎng)，同時(shí)也減少了水體中微藻的數(shù)量，成功控制了水體富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)象。

3.4 對(duì)其它污染物的去除作用

目前，生態(tài)護(hù)坡植物在河道水質(zhì)凈化方面主要用于降低COD、TN和TP等污染物指標(biāo)。但是隨著水污染的日益嚴(yán)重，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始致力于植物對(duì)其它污染物去除作用的研究。蔡婧等[28]以上海市進(jìn)木港生態(tài)河道的河水作為實(shí)驗(yàn)用水，對(duì)植草、灌叢墊和柴籠三種生態(tài)護(hù)坡的水質(zhì)凈化作用進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，柴籠對(duì)SS的去除率最高，最高可以達(dá)到80.95%。灌叢墊對(duì)SS的去除能力最差，但是對(duì)于水溶態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果較好，最高可以達(dá)到92.94%。植草護(hù)坡對(duì)水體中粒徑較小的SS有較好的去除效果，對(duì)水溶態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除率最高為85.33%。龐海東等[29]從眾多植物中篩選出了對(duì)重金屬抗性較強(qiáng)的促生芽孢桿菌，將促生芽孢桿菌用于對(duì)狹葉香蒲進(jìn)行了強(qiáng)化，并研究了強(qiáng)化后的狹葉香蒲對(duì)重金屬Cd的去除效果。結(jié)果表明，篩選出的芽孢桿菌能夠提高狹葉香蒲的生長(zhǎng)速率，并且增強(qiáng)狹葉香蒲對(duì)Cd的去除能力，強(qiáng)化狹葉香蒲對(duì)Cd的去除率最高可達(dá)79.5%。Liu等[30]通過(guò)統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，植物能夠通過(guò)植物修復(fù)作用(植物吸收、植物累積、植物揮發(fā)和植物降解)來(lái)去除水體中的有機(jī)磷農(nóng)藥，平均去除率約為6.19%。Tang等[31]研究了風(fēng)車草、美人蕉、黃菖蒲、龍須草和側(cè)柏5種植物對(duì)農(nóng)藥毒死蜱的去除效率，結(jié)果表明，植物去除毒死蜱的主要途徑是吸附，而且植物可以通過(guò)增強(qiáng)系統(tǒng)的生物降解來(lái)提高毒死蜱的去除效率。同種植物對(duì)于不同濃度的毒死蜱，均能起到較好的去除效果，去除率在94%～98%之間。而對(duì)于不同的植物，去除效果并沒(méi)有顯著的差異。從總體去除效果來(lái)看，風(fēng)車草、美人蕉和黃菖蒲更適合用于農(nóng)藥的去除。Tai等[32]選取了美人蕉、龍須草和鳶尾3種植物用于去除水中的脫水紅霉素A、羅紅霉素、克拉霉素和替米考星4種抗生素。結(jié)果表明，抗生素是通過(guò)吸附作用固定在植物體內(nèi)，而且相比于美人蕉和鳶尾，龍須草對(duì)抗生素的去除能力更強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中能夠促進(jìn)水體中抗生素的去除。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)近年來(lái)眾多的研究成果可以看出，生態(tài)護(hù)坡植物對(duì)河道中的COD、TN、TP等多種污染物質(zhì)均有著較好的去除效果，能夠滿足河道水質(zhì)凈化的要求。但是，在生態(tài)護(hù)坡植物間的組合應(yīng)用、生態(tài)護(hù)坡植物的強(qiáng)化以及生態(tài)護(hù)坡植物與護(hù)坡材料的配合方面，還需要進(jìn)一步研究和突破。在未來(lái)，生態(tài)護(hù)坡植物在河道水質(zhì)凈化中的研究依然會(huì)是生態(tài)護(hù)坡發(fā)展的重點(diǎn)，生態(tài)護(hù)坡將會(huì)具有更多的植物組合選擇、更強(qiáng)大的水質(zhì)凈化能力。