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摘要：指出了水生植物種植載體因為其經濟高效、具有良好的區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境治理中的應用，分析了不同類型水生植物載體的特點，總結了不同類型水生植物載體應用現狀以及對水體的凈化效果等，同時展望了水生植物載體的發展前景。
關鍵詞：水生植物載體；水環境治理；應用現狀
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化問題日益加劇，水體中的氮、磷等元素嚴重超標，水環境修復成為一項艱巨的工程。物理和化學的修復方法，如添加磷酸銨鎂來去除氮磷，雖然去除率高，反應速率快，但容易引起二次污染。種植水生植物來修復污染水體，一方面可以達到凈化水質、去除水中氮磷元素的效果，另一方面種植的水生植物價格低廉，投資少，有的還可以作為經濟植物并且有一定的區域美觀效果。常見的水生植物種植載體有人工浮床、人工沉床、生態護坡等。其主要機理都是利用高分子材料作為基質的載體，種植不同種類水生植物、選取不同種類的填料，通過植物發達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取得了一系列成果，對污染地表水的生態修復起到了積極的作用。筆者總結了水生植物種植載體在水環境修復方面的應用，展望了其發展前景。
2人工浮床
人工浮床又稱為人工浮島、生態浮床等，是一種無土栽培技術，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進行吸附，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，水質得到改善［1］。自1991年以來，我國利用生態浮床技術，成功地在大型水庫、湖泊、河道、運河等不同水域種植了46個科的130多種陸生植物，累積面積達10余hm2。其中種植的大面積單季水稻產量在8．5t／hm2以上，最高可達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定的特點而具有良好的發展前景。
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度輕型材料如塑料、混凝土、不銹鋼加發泡聚苯乙烯板材、鹽化乙烯合成樹脂、特殊發泡聚苯乙烯加特殊合成樹脂等高強度新型材料制成。無框型浮床通常采用椰子纖維編制而成。根據統計，使用濕式浮床的大約占70％左右［3，4］。傳統的生態浮床一般是由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部分很好地結合在一起，組成了傳統式人工浮床［5］。組合式人工生態浮床是傳統浮床技術的改進，主要包括2種類型，即在植物和浮體的基礎上增加基質和在植物、填料和浮體的基礎上增加濾食性動物［6］。傳統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，構成完整生態系統的水生生物及微生物環節較為薄弱，阻礙了生態功能的發揮，有限的植物和生物量也制約了其水質凈化效能的進一步提高［7，8］。組合型生態浮床則是在原有浮床基礎上增加了水生動物與微生物的數量從而提高凈水效果。
2．2人工浮床的應用現狀
人工浮床在我國已經有20多年的發展歷史，近幾年來，利用浮床技術原位修復污染水體，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改善效果，并比較了5種植物對污染物的去除效率，發現鳶尾對TN、NH3－N和COD的去除效果較好，美人蕉對藻類暴發的延緩與抑制作用最強，千屈菜和旱傘草的除磷效果較好。王芳等（2014）［10］構建新型立體組合式生態浮床系統，在實驗中發現浮床種植美人蕉對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建的組合型生態浮床對某農家樂污水的凈化效果，對化學需氧量（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建的組合型浮床對富營養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］運用天然礦物海泡石、膨脹蛭石、工業副產物爐渣、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）制成低價高效的浮床復合基質，制成的生態浮床對富營養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浮島———風光互補曝氣污水處理系統，將人工浮島與風光互補技術結合。將風能和太陽能轉換為電能帶動曝氣裝置的運行，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能，具有良好的生態效益，同時具有區域美觀的作用。從生態浮床的應用現狀看，傳統生態浮床已經遠遠不能滿足對水質凈化效果的要求，組合式生態浮床的形式越來越多樣化，越來越復雜，生態浮床的應用范圍也越來越廣泛。但形式多樣、結構復雜的浮床背離了“植物是浮床凈化水質的主體”的初衷，更應該被稱為“水體凈化的組合裝置”。
2．3人工浮床在應用中的問題
（1）選擇合適的水生植物來凈化污染水體。據國內外研究調查，約有240種以上的水生植物有利于治理富營養化水體，如美人蕉、蘆葦、菖蒲、水芹、黃花水龍等。不同植物對富營養化水體修復的效果不同。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濟適用性4個方面綜合考慮，優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。有些水生對富營養化水質也有很好的凈化效果，如鳳眼蓮、黃花水龍等，種植時需嚴格控制。（2）浮床載體的選擇也影響水質凈化效果。現大部分浮床載體材料多由高強度輕型材料塑料、混凝土、不銹鋼加發泡聚苯乙烯板材、鹽化乙烯合成樹脂、特殊發泡聚苯乙烯加特殊合成樹脂等高強度新型材料制成。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，具有較高的強度，材料穩定性高，可在各種水體環境使用，不污染水體，不為微生物破壞，重復利用率高，克服了聚苯乙烯泡沫板強度低的缺點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污染的問題。（3）如何改善生態浮床在冬季的凈化效果。生態浮床對污染水質的凈化是利用植物與微生物的結合而起到較好的凈化效果。冬季溫度較低，植物體內酶活性降低，植物的生存能力也隨之降低甚至死亡。且有學者［17］認為，硝化細菌和亞硝化細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速率降低，污水的凈化效果受到嚴重嚴重影響。此外，溫度降低，水面結冰，水中的溶解氧量逐漸減少，植物微生物無法繼續生長，水質處理效果受到影響。改善生態浮床在冬季的凈化效果，可以通過改變進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人工浮床的價值
浮床應用廣泛。一方面因為浮床的成本較低，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達的根系來吸收水中的有機物、N、P等元素，因此不需要專業的機械設備，并且治污效果明顯。生態浮床也可以作為景觀美化環境，如干式浮床。但生態浮床也存在著一些不足之處，如生態浮床制作施工周期較長、生態浮床上的植物大都不能過冬，而且生態浮床如若想要大規模推廣，則需要經常及時采收，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與植物體表面的微生物三大部分組成，可通過浮力來調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70年代以來，水生植物開始受到人們的關注，許多植物的耐污及治污能力被發現，多種以大型水生植物為核心的污水處理和水體修復生態工程技術被開發［19，20］。然而，有些污染嚴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。人工沉床技術則是根據這一問題而設計出的生物—生態水體原位修復技術。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復雜的物理、化學和生物過程，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同構成。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。根區以內的好氧微生物進行硝化反應而根區以外的厭氧微生物則進行反硝化以及對厭氧水中的有機物進行厭氧分解。植物通過根還可釋放很多有機復合物，這種釋放的數量目前還不清楚，有報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飛快發展。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輕度污染水體的試驗，結果表明所選取的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種填料進行研究，通過對化學需氧量、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。上述的兩個研究表明，輕質多孔的無機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———生態懸床技術構建水生生態系統，對河道水體進行原位生態凈化。生態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和防護系統組成。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，為沉水植物提供生長基質和適宜的光照條件。項目實施后，對于河道型微污染水源地中有機物的去除效果不顯著，對于總磷、氨氮的去除效果較好。
3．2人工沉床的優缺點
人工沉床是一種由載體和人工基質、水生植物結合成的小型水體生態系統，是一種生物生態水體修復技術，形成植物———微生物的協同凈化，能夠比較全面系統的修復水體。并且人工沉床通過人為的對植物在水中高度的調控，易于優化水體現有的生物群落，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的載體進行人工調控，需要較高的機械技術，對于處在離河岸較遠的水域，安裝工藝的要求變高，難度較大，并且不易進行標準化推廣應用。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，需要相應地進行植物設計組合搭配，才能較大程度的解決污染問題，很難制定一個統一的標準［21，25］。
4生態護坡
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，而生態護坡是在濱岸帶進行植被重建，建立一個新的植物群落，用來截留面源污染，凈化水體，以期達到修復受損水體的目的。生態護坡技術，是基于水利工程學、環境科學、力學、生物科學和生態學等學科的基本原理，利用植物與工程材料相結合，在邊坡上構建具有生態功能的護坡系統，通過生態工程的自支撐、自組織與自我修復等功能，實現邊坡的抗沖蝕、抗滑動和生態恢復，以達到減少水土流失、維持坡面植物生存環境、提高坡面動物和微生物棲息地的質量、營造生物多樣性、提高河流自凈能力，改善人居環境等目的［27］。
4．1生態護坡的類型
根據國內外的生態護坡技術的理論研究和工程實踐，可以將以植物為主體結構的生態護坡關鍵技術分為三類：全系列生態護坡、土壤生物工程以及復合式生物穩定技術。全系列生態護坡技術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）等一系列護坡植物，形成多層次生態防護，兼顧生態功能和景觀功能［28］。土壤生物工程是一種邊坡生物防護工程技術，采用有生命力的植物根、莖（桿）或完整的植物體作為結構的主要元素，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現穩定和加固邊坡，控制水土流失和實現生態修復［29］。復合式生物穩定技術是生物技術與工程技術相結合的復合式生態護坡技術。這種生態護坡技術強調活性植物與工程措施相結合，技術核心是植生基質材料，依靠錨桿、植生基質、復合材料網和植被的共同作用，達到對坡面進行綠化和防護的目的［30］。根據邊坡土質條件，生態護坡還可以分為土質生態邊坡防護和巖質邊坡生態防護。其中巖質邊坡生態防護的關鍵是建立創造植物生長的有利條件。常見的生態護坡支護形式有：人工自種草護坡、液壓噴播植草護坡、客土植生植物護坡、平鋪鋪草皮護坡、漿砌片石骨架植草護坡和植生混凝土護坡等［31］。
4．2生態護坡技術在水環境保護方面的應用
目前，生態護坡的應用多集中在傳統護坡改為生態護坡后，濱岸帶的生態效應的改善狀況。如，邊博等［32］探明砌塊式生態護坡對控制太湖流域降雨地表徑流污染削減效果，同時發現修復后護坡植物覆蓋度和種類明顯增加，生物多樣性更加豐富，群落結構將逐漸趨于穩定。陳小華等［28］在上海4個生態河道示范區，開展了以生態修復和河岸侵蝕控制為目標的河道生態護坡技術研究，3年后發現河岸生境得到改善，本地植物快速恢復，生物多樣性增加，河岸植物群落結構由單一結構向復雜結構轉變，生態穩定性逐漸增強。關于對河道、湖泊的水質改善方面，郭偉杰等［33］研究了合肥市南淝河美人蕉生態護坡對河道的水質改善作用，河水經流生態護坡后，對TSS、TN、NH＋4－N、TP和COD相應的平均去除率分別為76．4％、45．6％、57．5％、40．1％和29．0％。另外，美人蕉護坡微生物的數量顯著多于無植物坡岸（p＜0．01）。蔡婧等［34］在上海市進木港生態河道示范區，通過現場模擬徑流試驗，研究了柴籠、灌叢墊、植草3種不同類型的生態護坡對地表徑流的延滯作用和污染控制作用，結果表明，生態護坡在控制地表徑流污染方面具有良好的生態效益，在延滯地表徑流、攔截懸浮固體、截留營養鹽等方面的能力均顯著優于對照裸坡（p＜0．05）。
5展望
利用水生植物凈化水體，具有經濟性、區域美觀性以及不須投加藥劑不會造成二次污染等優點。利用水生植物凈化水體，關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、穩定的作用。不同類型的污染水體，可根據實際情況，選用不同的水生植物載體，從水面到水下，從岸邊到水中，全方位的進行水體修復。水生植物載體應向材料輕質化、比表面積大、便于組裝、穩定性好等方面發展。將地理信息系統技術（GIS）、遙感（RS）、水下攝像技術等應用于水體修復的規劃、設計、管理和評估等方面，可以提高工作效率，減少生態干擾。材料科學與信電技術的共同進步必將水生植物載體推向一個新的發展階段。
作者:張妮 萬蕾 單位:徐州工程學院