張嘉怡，田正林，宋向上，潘志林，倪佳敏

(廣東海洋大學 海洋工程學院，廣東 湛江 524088)

近年來，人類城市化活動及近岸親水生活的擴展，不可避免地對近岸水域的水體產(chǎn)生負面影響，威脅近岸海域景觀欣賞和海洋環(huán)境[1]。除人類活動的影響以外，近岸海域受到污染的其中一個重要原因是以往修建的部分海洋工程防波堤由于未充分考慮海水的交換作用，致使防波堤防護水域相對封閉，生態(tài)系統(tǒng)失去平衡，多年的使用之后，近岸水域水質(zhì)條件變差。任何一個相對封閉的水域都可視為一個小的生態(tài)系統(tǒng)，防波堤初建完成后，其封閉水域是一個調(diào)節(jié)能力比較強的生態(tài)系統(tǒng)，但隨著時間的增長，封閉水域內(nèi)的污染源越來越多，而封閉水域由于生物多樣性的缺失，其自然調(diào)節(jié)能力變差，導致近岸水域水體污染元素等超標。

治理污染水體可采用種植植物的原位處理技術(shù)，過去植物凈化水體的方法主要用于湖泊、河道等淡水的污水處理中。植物凈化水體主要通過營養(yǎng)物和金屬的吸收、生物膜的形成、胞外酶的釋放、污染物的沉降和結(jié)合以及懸浮物絮凝的增強等機制消除污染物。植物在水生環(huán)境可持續(xù)發(fā)展中起著關(guān)鍵作用，它可為許多生物提供食物和庇護所，并影響著河流、河口和沿海地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)[2]。Hu 等[3]開發(fā)了一個適用于富營養(yǎng)鹽水庫和湖泊凈化的生態(tài)淤泥浮床，在浮床上種植了一種抗污染且生長快速的挺生植物(菖蒲)以吸收養(yǎng)分、凈化水體。自然界中的湖泊、河道等由于水深原因凈化植物需以小型人工浮島形式浮于水面，人工浮島是一種由漂浮墊、漂浮水生植物、以沉積物為根基的新興濕地植物和相關(guān)生態(tài)群落(如藻類、生物膜和小型無脊椎動物)組成的浮體構(gòu)筑物[4]。人工浮島根據(jù)其規(guī)模、復(fù)雜程度有多種分類:人工濕地、漂浮處理濕地、浮動植物床系統(tǒng)等[5-7]。對于濕地系統(tǒng)，其水文、土壤和動植物是物質(zhì)循環(huán)的主要載體，有關(guān)濕地系統(tǒng)的研究很多:自然資源的時空分布[8]、水循環(huán)特性[9-10]、污染物特征識別[11-12]、物種間的競爭和演替[13]以及營養(yǎng)層次之間的能量流動和物質(zhì)循環(huán)[14-15]等。

近岸封閉海域也可通過種植凈化植物的方法[16]改善自然環(huán)境景觀、吸收水體中的超標污染源元素以恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，但是近岸海域水體屬于咸水，要求凈化植物具有高耐鹽性能。Hou 等[17]研究了耐鹽性植物(赤堿蓬)對鹽沼澤地分布特性的影響，指出:鹽沼澤植物密度對浸水情況比較敏感，鹽沼澤植物赤堿蓬的密度、成長環(huán)境與土壤水澇情況和土壤鹽分含量特性等有關(guān)。多項研究表明鹽堿地的植物受到很多因素的影響、生物因素包括食草植物[18]、螃蟹吃食[19];非生物因素包括土壤物理化學特性[20]、耐污性[21]、氣候影響[22]鹽度、浸沒度[23-24]、沉積物[25]、鹽危害[26]。由于近岸海域水深較淺、光照強度適宜，耐鹽性植物會更好地生長，海洋植物(如大型海藻、海草和濕地)在進化過程中也會不斷調(diào)整自身結(jié)構(gòu)，以便與環(huán)境相互作用并生存下來[27]。

無論是在淡水還是咸水的污水處理中，污水的處理效果都與凈化植物的特性關(guān)系密切。周曉燕等[28]通過實驗研究了挺水植物蘆葦、慈姑和浮葉植物睡蓮、荇菜對污水的凈化效果:4種水生植物對水體中氮元素去除率分別為:蘆葦77.25%、慈姑76.16%、荇菜75.13%和睡蓮71.69%;對磷元素去除率分別為:蘆葦78.97%、慈姑75.76%、荇菜75.23%和睡蓮73.09%。Zhu等[29]通過原位實驗測試了人工濕地的凈化效果:植物根、莖、葉的N、P含量與分布和植物種類有很大的相關(guān)性。劉淑媛等[30]利用泡沫板栽培水芹、水雍菜去除氮磷，結(jié)果表明，水雍菜對N、P的去除率＞90%，水芹對N、P的去除率達到75%，經(jīng)水培蔬菜處理后，水中的氮、磷大幅度降低，水質(zhì)得以修復(fù)。劉士哲等[31]認為風車草、彩葉草和茉莉凈化富營養(yǎng)化污水的能力為:風車草最好，彩葉草次之，茉莉最差。這些研究成果為近岸海域水體污染整治與修復(fù)提供了研究思路和框架，可為近岸海域生態(tài)系統(tǒng)的管理和修復(fù)提供參考。

綜上，在水體污染嚴重的水域中引入各種水生植物可以增加生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性，通過生態(tài)修復(fù)技術(shù)可凈化水體，使自然生態(tài)系統(tǒng)得以修復(fù)。但在海洋工程領(lǐng)域由于海水固有的特性，有關(guān)海洋水體的生態(tài)凈化研究較少，適合海水生長的植物習性也需進行研究。關(guān)于海洋污染水體生態(tài)凈化處理技術(shù)，需要系統(tǒng)研究凈化植物的特性，甚至是馴化改良已有物種。因此，對海洋近岸水體交換性差海域的水體污染原因進行系統(tǒng)調(diào)查研究，是目前近岸海域水體污染整治的基礎(chǔ)性研究之一。本文根據(jù)海洋近岸水體交換性差的海域水體污染原因，分析了水域污染特性，進而選擇適應(yīng)海域的凈化植物。

1 近岸海域污染

1.1 近岸海域污染原因

由于未充分考慮水體的交換性，有些防波堤破壞了其所處的近岸海域的生態(tài)平衡，致使水質(zhì)變差、水體污染嚴重。近岸水域水體污染可導致赤潮、水華等發(fā)生，污水中所含的N、P等元素可使污染水域中的藍藻(藍細菌)、綠藻、腰鞭毛蟲等生物大量繁殖，進而導致水體變色。大量微生物可能會導致海水耗氧量增加，致使近岸的魚類、蝦蟹等生物因缺氧而大量死亡、尸體腐爛堆積，加劇水體污染。有機物降解產(chǎn)生NH3、H2S等，導致水體發(fā)臭。此外Fe2+、Mn2+與S2-形成FeS、MnS，導致水體呈黑色、渾濁、散發(fā)腥臭味，從而形成黑臭水體[31]。

1.2 近岸海域污染處理要求

近岸水域一旦污染，水體質(zhì)量明顯下降，生態(tài)遭到破壞。近岸水域水體污染會影響城市生態(tài)文明建設(shè)，嚴重情況下會影響人類身心健康，因此需要對近岸流通性差的水域水體進行有效處理。近岸水域污染水體處理后應(yīng)該滿足以下要求:①水體不黑不臭，并有大量浮游生物出現(xiàn)，水體各項指標滿足優(yōu)良水質(zhì)要求;②海域具有一定的生態(tài)恢復(fù)能力，在較長一段時間內(nèi)都能維持水體的各項指標滿足要求;③生物多樣性增加，明顯出現(xiàn)魚類等的活動;④氧氣在水體中的總含量得以改善，超標水體元素含量顯著下降，海域水體變得清澈透明[32]。

2 污染水域處理方法

流通性差的海域隨時間的增長會出現(xiàn)污染問題，因此應(yīng)根據(jù)既定水域污染特性找出污染的原因，最終進行有針對性的處理。水體污染通常是水體中的某些物質(zhì)元素含量過高，造成水體的富營養(yǎng)化，常用的黑臭水體處理方法有物理方法:化學方法、生物治理方法等。本文將從生態(tài)和非生態(tài)的角度出發(fā)，對各種處理方法進行簡單描述和分析。

2.1 非生態(tài)處理方法

非生態(tài)處理方法是指采用物理方法或化學方法消除水體中的污染物質(zhì)元素，亦即采用非植物自身凈化能力的凈化水體方法[34]。非生態(tài)凈化水體方法投資較大，治理效果欠佳，存在一定的不穩(wěn)定性。物理方法:如在水體加入吸附劑，利用其強大的吸附性能，去除水中的污染物，改善水質(zhì)條件?；瘜W方法:如在污染水體中加入Q3，利用O3同水體中的有機污染物發(fā)生化學反應(yīng)，消除污染物質(zhì)。O3方法后期運行管理費用較高。

當前我國水環(huán)境修復(fù)常采用的物理方法有人工爆氣、引水沖刷或稀釋等。人工爆氣方式需要向水中供氧，恢復(fù)水底層的溶解氧，對鐵元素、H2S或氨氮等物質(zhì)進行溶解，降低其濃度，實現(xiàn)對水體中磷活化及擴散的有效抑制，增強水體本身的自凈能力。而化學方法一般利用化學絮凝處理技術(shù)進行污水治理。這一方式能實現(xiàn)對水質(zhì)的改善和水體污染物質(zhì)的去除，治理效率較高，效果好。但該方法處理不當易引發(fā)對水生物的危害，可能引起二次污染問題。

2.2 生態(tài)化處理方法

生態(tài)處理方法作為一種新的水體治理與修復(fù)技術(shù)，利用在水體中種植的植物對污染水體進行原位修復(fù)[33]。生態(tài)處理方法具有可操作性強、凈水功能良好、運行成本低、景觀功能效果好和生態(tài)風險小等優(yōu)點，其應(yīng)用前景十分廣闊。水生植物根系可吸附水中的懸浮污染物質(zhì)凈化水體，也可為微生物成長提供適宜的營養(yǎng)環(huán)境[28]。利用高等水生植物凈化黑臭水體是國內(nèi)外學者研究的熱點，目前主要集中于水質(zhì)凈化能力分析[34-35]和水生植物N、P吸收能力的研究[36-37]，水生植物的凈化作用均有一定的承載限度[38]，因此對不同類型植物的凈化特性進行分析很有必要。

2.3 非生態(tài)與生態(tài)處理方法的比較

非生態(tài)污水處理過程中，雖然能在較短時間內(nèi)完成對水體質(zhì)量的改善，但投加絮凝劑、物理自由沉淀等方法導致耗藥量大，產(chǎn)生的污泥量大。在水體清淤過程中，會因為擾動使更多污染物進入水體，破壞系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)平衡。非生態(tài)處理方法會引起二次污染，存在一定的治理風險，不是污染水體的長效治理辦法[28]。而生態(tài)處理辦法對環(huán)境影響小，能最大限度降低污染物濃度，提高水體自凈能力，恢復(fù)水環(huán)境生態(tài)多樣性，并可結(jié)合景觀設(shè)計打造優(yōu)美的植物景觀。但生態(tài)處理方法缺點是周期性長，因此可配合其他工程聯(lián)合使用。生態(tài)處理方法與非生態(tài)處理方法的對比見表1。

表1 非生態(tài)與生態(tài)水體處理方法的對比Table 1 Comparison between the non-ecological and the ecological treatment methods

由于不同類型植物對富營養(yǎng)化水體的凈化機理及凈化效果的不同，不同類型植物對不同特性水體的影響也不盡相同。因此，當采用種植植物的生態(tài)處理方法時，應(yīng)先篩選出凈化效果最佳的植物，闡明其對不同富營養(yǎng)化水體的凈化機理，對凈化修復(fù)有重要作用。本文以生態(tài)化處理方法為主，來探究其植物的選型與應(yīng)用。

3 凈化植物的特性與分類

各種凈化植物有不同的耐鹽能力、吸污能力、吸收元素能力、環(huán)境的適應(yīng)性等特性，致使其凈化能力存在很大差異，所以應(yīng)對植物的凈化原理和凈化特性進行分析。

3.1 植物凈化原理

植物有吸污凈化作用，可高效去除水體中N、P和K 等污染物質(zhì)，因此被廣泛應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)及環(huán)境改善中。植物凈化水體的機理:①植物根系吸收水體中含量過高的N、P 和K 等元素，通過生化反應(yīng)加以消化，降低水體中的元素含量;②植物會吸附污染物顆粒，導致顆粒沉降、溶質(zhì)輸運變慢等;③植物可改變水體溶解氧(DO)含量，沉水植物的光合作用能直接提高水中DO 含量[39]，挺水植物可通過根莖通氣組織將葉片產(chǎn)生的氧氣輸運至根部[40];④植物生長提供了基質(zhì)微生物的代謝能量“碳源”[41]，根系環(huán)境成為大量微生物及底棲生物的棲息場所，被認為是地球上最富有活性的界面之一[42];⑤植物的生長吸收水體中的營養(yǎng)鹽[43]。

植物凈化水體是通過植物根系對水體中含量過高的N、P和K 等元素進行吸收，使得水體中過量的元素含量降低至滿足水體水質(zhì)要求的指標。植物根系分泌大量的酶，利用酶和微生物降解、吸收水體中有機污染物，從而達到凈化水質(zhì)的目的[44-45]，為多種微生物創(chuàng)造適宜的生境。凈化水體是通過浮島植物根部及根際微生物等的吸收、吸附等作用，消減、還原水體中的N、P和有機物質(zhì)，從而達到凈化水質(zhì)的功能[46]。

3.2 植物凈化特性

污染水域水體中含量過高的N、P和K 等污染元素也是植物生長所需要的營養(yǎng)元素，可通過種植植物的方法凈化水體。對于不同類型的植物其凈化效果也各不相同[47-48]，如不同類型植物泌氧速率由高至低為:蘆葦、香蒲、荇菜、水芹菜和荷花[49]，植物的光合作用和呼吸作用也會使水體中溶解氧DO 濃度呈晝夜周期性變化。在浮島上栽植成功且具有較好水質(zhì)凈化效果的植物主要有香根草、菖蒲、美人蕉、風車草、千屈菜等。種植香根草的人工浮島能夠明顯降低水體中的N、P、COD、BOD 等污染物濃度[50];種植美人蕉的人工植物浮島對戶外城市景觀用水凈化效果較好，對總氮、總磷和COD 的去除率分別為60%、84.33%、24.25%[51]。不同植物的習性也決定了植物的特定功效，有些水生植物的吸氮耗氮能力很強，如蘆葦通過莖稈向根系供氧的能力在根系附近形成脫氮區(qū)，包括脫氮所需的好氧和缺氧區(qū)域[52]，具有較強的耗氮能力。近岸海域水體鹽分含量較高，凈化植物需要有高耐鹽性，耐鹽性植物能夠吸收水中的鹽分，并能很快將多余的鹽分排出。適合近岸海域高鹽分水體的喜鹽型植物包括紅樹林、蘆葦、赤堿蓬等，它們在鹽漬土壤里可以很好地生長。

3.3 凈化植物分類

根據(jù)不同植物的生活習性、吸收物質(zhì)、好氧特性、吸污能力等，可以將植物進行分類，從而針對目標水域水體進行科學有效地凈化。由于各水域污染源的不同，導致水體水質(zhì)各不相同，選擇的凈化植物類型也會有較大區(qū)別。植物凈化能力與水體中存在的污染物質(zhì)特性有關(guān)，如狐尾藻對受污染的水體(含底泥)中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮的去除率能達到90%，且對環(huán)境的影響較小，被稱為脫氮“精靈”[47]。

凈化植物需具有較強的抗污吸污能力、抗浸泡能力等，不同類型的植物具有各自不同的能力，因此需按類型對植物進行分類，以便有針對性地選擇近岸水域凈化植物。水生植物按生活特性可分為:濕生植物、挺水植物、浮葉植物和沉水植物[53]，4種植物特性的對比見表2。

表2 四類凈化植物的對比Table 2 Comparison of the four kinds of plants applied for the water purification

濕生植物是指生活在水中或周期性淹水土壤中的植物，喜歡潮濕環(huán)境，抗旱能力差，根具有抗淹性能。根據(jù)其生存環(huán)境特征，可分為陽性濕生植物(喜強光、潮濕土壤)和陰性濕生植物(喜弱光、潮濕大氣)，其典型植物為大米草[53]。挺水植物是指植物的根、根莖生長在水下底泥之中，莖、葉挺出水面的植物，常分布于0～1.5 m 的淺水區(qū)域，其中有些生長于潮濕的岸邊，其典型植物為香蒲、蘆葦、水蔥、燈心草和水蔥[53]。浮葉植物又稱浮水植物，是指根扎入水底基質(zhì)，葉片浮于水面的植物，生于淺水中，具有很高的水體凈化價值，喜肥、耐污，其典型植物為睡蓮、鳳眼藍[53]。沉水植物是指植物體全部位于水面下固著生存的大型水生植物，具有利于氣體交換的發(fā)達通氣組織，在水下弱光的條件下也能正常生長和發(fā)育，但對水質(zhì)要求高，水質(zhì)渾濁會影響其光合作用，其典型植物為金魚藻、狐尾藻等[53]。

4 海域凈化植物的選擇與應(yīng)用

由于近岸海域特點和水體污染特性不同，應(yīng)根據(jù)各自海域的特點、水體污染來源、各種水生植物的喜好特性等選擇需要凈化的近岸水域的凈化植物品種。污染海域與凈化植物需搭配合適才能達到良好的凈化水體的效果:蘆葦和大米草對水中懸浮物、氯化物、有機氮和硫酸鹽等具有較好的凈化作用;鳳眼蓮、浮萍、金魚藻、黑藻等有吸收水中重金屬的作用;水蔥能凈化水中的酚類。選擇植物凈化近岸海域水體時，首先根據(jù)海域水體污染的特性進行分析，然后選擇與海域相匹配的凈化植物，最后設(shè)計植物布局和浮運載體。

4.1 選擇凈化植物的原則

植物凈化污水過程中，凈化植物的選擇直接關(guān)乎海域污染的生態(tài)修復(fù)成敗。凈化植物選擇應(yīng)遵循以下原則。

1)與凈化海域有很好的適應(yīng)性

凈化植物應(yīng)優(yōu)先考慮本地物種，能較快適應(yīng)本土環(huán)境;當引入外來物種時，應(yīng)避免外來物種入侵問題。某些凈化能力較強、凈化效率高的水生植物(如水花生和水葫蘆)在引入時，可能會對本地生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重的破壞[54]。當植物選擇和管理不當時，引入的物種可能會變成入侵物種，對當?shù)剞r(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和生物多樣性造成不良的影響。因此，凈化水體的關(guān)鍵是凈化植物可以在污染水域很好地成活，且不對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成破壞。

2)有較強的水體凈化能力

水生植物由于生長周期、酶活性等不同，對水體內(nèi)污染源的吸收凈化能力差異較大。在選擇植物種類時，應(yīng)優(yōu)先選擇水體凈化能力強、根系發(fā)達、生物消耗量大的植物，吸取消耗掉水體中更多的污染物質(zhì)。盡可能選擇高吸收率的凈化植物，能夠在短期內(nèi)(3～6個月)完成海域水體凈化。

3)有較強的抗風抗浪能力

近岸污染海域一般與外海相通，會受到外海波浪的沖擊作用，也會受到一定的風作用。因此，要求凈化植物具有一定的抗風抗浪能力，以保證植物的安全。而植物本身對波浪也有一定的消減作用，如海草[55-57]、人工濕地[58]、海藻[59]等。

4)具有較強的抗腐爛能力

凈化植物是通過發(fā)達的植物根系對水體進行凈化的，植物根系需要長時間地浸沒于水中吸收水體中的污染元素，其中腐爛的、長時間浸泡的植物根莖和漂浮物質(zhì)也會成為污染源。因此凈化植物的根系要求耐水浸泡、抗沖刷力強、對水體環(huán)境不產(chǎn)生其他負面影響，關(guān)鍵是保證凈化植物可以很好地成活。

5)具有一定的針對性

近岸水域污染通常是由水體中的某些元素(如N、P、K 等)超標所致。因此，在水質(zhì)凈化前應(yīng)先調(diào)查水體污染的主要原因及污染元素，以便有針對性地選擇凈化植物。

6)多物種組合搭配

由于污染海域與外海的流通性差，致使海域水體中多種污染元素含量超標，而每一種植物最佳強度吸收的污染元素只有一種或幾種。因此，對于含量超標的其他元素的吸收需要另外布置物種凈化，以達到滿足水質(zhì)要求的目標。關(guān)于植物對水體中污染元素的去除效果及機理已有相關(guān)研究成果[60]，不同類型植物的凈化效果存在差異，合理的植物配置可提高凈化效果。

4.2 布局凈化植物的原則

1)考慮植物密度的影響

由于植物的種類及成長環(huán)境的不同，植物生長所需的空間也各不相同。株距會影響植物呼吸、授粉等，進而影響植物的生長狀況[61]，嚴重時會導致植物的死亡。因此，引入水生植物時要根據(jù)每種植物的習性選擇合適的株距，控制植物的密度。

2)考慮植物平面布局的影響

近岸水域植物區(qū)對光照具有遮擋作用，會影響其下方生物的活動，進而影響某些水下浮游生物對水體的凈化作用。植物帶的形狀會對水體的循環(huán)流動產(chǎn)生影響，尤其是在風浪作用較大時，水體的循環(huán)對水體的凈化影響較大。此外，植物分布帶的形狀對風浪具有一定的消減作用，也會影響到植物的浸沒深度。因此，確定凈化植物后還應(yīng)考慮植物在水平面上的形狀布局。已有學者研究了植物類型及分布對濕地水動力特性的影響[62-63]，目前植物的布局和平面形狀逐漸受到關(guān)注。

4.3 植物浮運載體設(shè)計

適合的浮運載體是近岸海域污染水體植物凈化方法得以完成的前提，在水深較大水域，可通過載體使凈化植物漂浮于水體表層附近。由于人工浮島與濕地的適應(yīng)性強、景觀性好、移動性靈活，人工浮島及濕地是廣泛采用的一種技術(shù)[46]。人工浮島及濕地需固定裝置將其固定在目標水域的中心位置，支撐裝置和錨鏈錨固是海上結(jié)構(gòu)固定常用方法，可根據(jù)水域條件及工程造價選擇固定方法。

5 結(jié) 語

凈化植物可有效治理近岸海域水體的污染，起到凈化水體、創(chuàng)建新生境、美化水域景觀等多重作用。本文針對近岸流通性差海域水體污染問題，分析了近岸水域水質(zhì)污染及凈化植物特性以及凈化植物的吸污特性和吸污強度，為適應(yīng)不同海域污染特性的植物選擇提供參考。

凈化植物對水體中的污染物質(zhì)具有天然的處理能力，針對海域特點選擇與之匹配的凈化植物，能有效地消除水體中含有的污染元素含量。植物凈化對環(huán)境比較友好，優(yōu)勢明顯，具有一定的推廣應(yīng)用前景，但凈化植物如何安放于水域中尚需研究。隨著生態(tài)建設(shè)和近岸親水生活的需求，近岸水域污染急需生態(tài)化處理，生態(tài)浮島及濕地等生態(tài)化處理工藝可與生態(tài)環(huán)境有機融合[64]，將來勢必會得到更多的推廣和應(yīng)用。因此，具有良好涉水性能、耐久性、可模性等優(yōu)點的新型浮島載體材料將會是研究熱點，可能在海洋環(huán)境治理問題中發(fā)揮巨大作用。