1.近年來工業(yè)化和城市化進(jìn)程導(dǎo)致水域生態(tài)系統(tǒng)氮、磷含量急劇增加，加速水質(zhì)惡化，嚴(yán)重影響水體功能性。我國7大水系、湖泊、水庫等水域受到了不同程度污染，污染指標(biāo)主要為總氮、總磷、高錳酸鉀指數(shù)、生化需氧量等。水質(zhì)污染已嚴(yán)重影響我國經(jīng)濟發(fā)展，開展水體污染及其防治的研究一直污染生態(tài)學(xué)研究的重點和難點。從有效性和安全性出發(fā)，調(diào)控水體目前常用生物法，即利用生物的生命代謝活動來降低存在于環(huán)境中有害物質(zhì)的濃度，從而使水環(huán)境得以凈化修復(fù)，水生植物兼具城市景觀功能及生態(tài)功能，在水質(zhì)處理中受到廣泛關(guān)注。

2.水生植物凈化水質(zhì)的機理

2.1植物根系的吸收

水生植物在其生長過程中需要吸收營養(yǎng)物質(zhì)，水環(huán)境中的某些污染物正好可被植物作為自身營養(yǎng)物質(zhì)加以利用。水生植物吸收Pb、Zn后，不同器官富集存在顯著差異，表現(xiàn)為根 >莖 >葉。水溶性污染物通過兩個途徑到達(dá)根表面：第一條是通過質(zhì)體流途徑，即污染物隨植物的蒸騰拉力，在植物吸收水分的同時與水一同到達(dá)植物根部；另一條則是擴散途徑，即通過擴散到達(dá)根表面。植物將污染元素作用自身營養(yǎng)物質(zhì)吸收后，通過人為收割，將大量污染物移除水環(huán)境。

2.2植物富集作用

水生植物也可通過富集作用對水質(zhì)進(jìn)行凈化，水生植物在吸收污染物尤其是重金屬離子等有機物之后，便富集、固定在其體內(nèi)，同時植物也具有將污染物轉(zhuǎn)化成安全、低毒的結(jié)合態(tài)的機制。植物在吸收重金屬離子后，通過金屬轉(zhuǎn)運細(xì)胞將重金屬離子轉(zhuǎn)運至根細(xì)胞，隨后轉(zhuǎn)運至液泡中。在重金屬脅迫條件下，植物會形成適應(yīng)性，即耐受基因型合成較多植物螯合肽（PC），并與重金屬離子螯合。在對菹草葉細(xì)胞的超微定位觀察中發(fā)現(xiàn)，重金屬離子主要富集于植物細(xì)胞壁上，植物細(xì)胞壁成為十分重要的離子交換場所。在植物細(xì)胞壁與金屬離子結(jié)合未達(dá)到飽和前，植物細(xì)胞壁的金屬沉淀作用會對植物對污染物的耐受性起到一定作用。

2.3微生物作用

植物根系的分泌物能為根系微生物提供養(yǎng)分，促進(jìn)其生長，根系微生態(tài)系統(tǒng)中，微生物數(shù)量顯著高于其他區(qū)域，且根系微生物能對有機污染物起到降解和代謝作用。根系微生物在土壤修復(fù)的研究中已有大量報道，在水域環(huán)境中，根系微生物同樣能起到修復(fù)污染水體的作用。在水生植物在水環(huán)境中利用光合作用生成氧氣，并通過通氣組織，將氧氣從植物體的上部輸送到底部，經(jīng)過釋放和擴散，在植物根部形成一個好氧區(qū)域，這個區(qū)域?qū)芏辔⑸镉绕涫窍趸?xì)菌來說，是極好的繁衍棲息區(qū)域，因此這個區(qū)域的微生物相當(dāng)活躍，能夠?qū)λ鷦游镉泻Φ陌钡D(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。鳳眼蓮又稱水葫蘆，是一種根系發(fā)達(dá)的高等水生植物，被廣泛運用于污水治理，其發(fā)達(dá)的根系是其凈化水質(zhì)的重要因素。在鳳眼蓮存在在水環(huán)境中，其根系微生物具有降酚作用，鳳眼蓮根系微生物能提高鳳眼蓮降酚效率和多酚氧化酶活性。在對鳳眼蓮根系微生物群落結(jié)構(gòu)分布、組成與功能的研究中發(fā)現(xiàn)，根系微生物群落參與水體氮循環(huán)，其中氨氧化細(xì)菌占根系微生物數(shù)量總數(shù)的10％，并同時發(fā)現(xiàn)了參與硝化——反硝化作用的細(xì)菌。

2.4對藻類的抑制作用

水生植物對藻類的抑制作用主要來自兩個方面。第一個方面是水生植物的生長同樣需要營養(yǎng)物質(zhì)及光熱條件等環(huán)境因素，因此會與藻類形成競爭效應(yīng)。高等水生植物根系發(fā)達(dá)，在與藻類的競爭中處于優(yōu)勢地位，對氮、磷等營養(yǎng)元素的吸收能力較強，藻類由于缺少限制性營養(yǎng)元素，生長受到抑制，從而避免了水華的發(fā)生。同時水生植物的存在也會阻礙光照進(jìn)入水體，進(jìn)一步抑制藻類生長繁殖。

另一方面，植物會分泌出抑制藻類生長的化感物質(zhì)，這類物質(zhì)主要分為五大類：脂肪族、芳香族、含氮雜環(huán)化合物、類萜和含氮化合物。研究表明，化感物質(zhì)可通過影響藻類細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、呼吸作用、光合作用、酶活性及基因表達(dá)以達(dá)到抑制藻類生長的目的。研究發(fā)現(xiàn)，隨著蘆葦?shù)?種水生植物浸出液濃度的升高，小球藻密度的最大值開始下降，并出現(xiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)溶解破壞的現(xiàn)象。蘆葦浸出液在10mg/L的濃度下，對小球藻的抑制率為97.6%，當(dāng)浸出液濃度升高到20mg/L時，其抑制率則達(dá)到100％，藻類被完全抑制，無法生長。研究表明，水生植物的離體器官仍具有分泌化感物質(zhì)的能力，在今后的研究中亦可利用這一特性對化感物質(zhì)進(jìn)行分離、提純。

3.水生植物的種類及作用

水生植物是指能夠在水中長期生活的植物，我國水生植物資源豐富，高等水生植物多達(dá)300余種。按照不同生活型將水生植物分類，目前主要分為4大類。

3.1挺水植物

又稱濕生、沼生植物，是水生植物中最具觀賞價值的一類。大部分生活在水岸邊或是較淺水體中，有完善的通氣組織、維管束、機械組織和保護(hù)組織。植株高大、挺拔，絕大部分挺水植物有莖、葉的分化，莖葉立于水面之上，根或地下莖扎入底泥，有些種類還具有非常發(fā)達(dá)的根狀莖。常見的挺水植物有蓮、香蒲、千屈菜、菖蒲、水蔥、蘆葦、風(fēng)車草等。目前挺水植物已廣泛用于城市污染水體修復(fù)、河道修復(fù)等工程，兼具生態(tài)及景觀價值，并已有大量研究報道，主要討論不同種類挺水植物對氮、磷等元素的去除效果，以篩選出最適宜的挺水植物。各種對比研究發(fā)現(xiàn)，寬葉香蒲、黃花鳶尾等對污染水體的修復(fù)效果尤為突出，已被廣泛栽種于城市人工濕地并取得良好效果。

3.2浮葉植物

浮葉植物的漂浮于水面或高于水面，根或地下莖生于泥中，常具有發(fā)達(dá)粗壯的根狀莖，地上莖不明顯或莖細(xì)弱不能直立，體內(nèi)常貯藏大量氣體，使得植物能穩(wěn)定漂浮于水面上，葉子的表面有角質(zhì)層，可以防止水分蒸發(fā)過快。常見的浮葉植物有睡蓮、芡實、紅菱、荇菜等。目前浮葉植物用于污染水體修復(fù)的研究報道較為零星，且浮葉植物營漂浮生活，難以管理，因此在水環(huán)境治理中并沒有挺水植物使用廣泛。包先明等（2005）探討了荇菜對富營養(yǎng)化湖泊氮磷營養(yǎng)水平的影響，實驗結(jié)果表明隨著荇菜的生長，水體中氮、磷元素顯著降低，藻類生長受到抑制，水體透明度得到改善。移植或栽種浮葉植物是重建湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要作用措施之一。

3.3漂浮植物

漂浮植物的種類較少，整個植株漂浮于水中，隨水流、風(fēng)浪移動，因此難以控制，常見的漂浮植物有鳳眼蓮、浮萍、滿江紅等。其中鳳眼蓮對于污染水體中氮、磷元素的去除效果尤為明顯，但其本身的快速生長容易成為新的污染源，大面積占據(jù)水面遮蔽了陽光進(jìn)入水體，導(dǎo)致中下層水體缺氧，使水生生物的生存受到威脅。因此若使用鳳眼蓮進(jìn)行水體修復(fù)，則要加強管理，避免外溢。

2.4沉水植物全部植株沉沒于水中，有發(fā)達(dá)的通氣組織，利于在溶解氧較低的水體中進(jìn)行氣體交換。葉多為狹長或絲狀，植株各部分均能吸收水中養(yǎng)分，在弱光的水體環(huán)境中仍能正常生長。沉水植物的種類較多，常見的有有黑藻、苦草、金魚藻、馬來眼子菜等，多用于觀賞水體的造景材料。近年來沉水植物的生態(tài)功能也越來越受到重視，沉水植物的生態(tài)功能主要有三點。第一點是影響水體流速，沉水植物會隨水流形成彈性扭曲現(xiàn)象，影響水體流動，多數(shù)情況下，對流速的影響力會隨著植株的生長而增大。第二點是為水生動物提供生存環(huán)境，既作為初級生產(chǎn)者又為水生動物作為食物，維持水域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。第三點則是對水質(zhì)的凈化所用，黑藻對Pb、Cu、Zn的富集量較高，穗花狐尾藻對Zn的富集最強，龍須眼子菜對Zn、Cn均有較大富集。

4.水生植物在水環(huán)境中的處理方式

4.1 生態(tài)浮床

生態(tài)浮床是一種對于污染水域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的生態(tài)技術(shù)，將水生植物種植于能漂浮于水面的材料上，并人工搭建出不同造型，不僅能治理水環(huán)境，還能起到園林景觀效果。德國最早于1979年對生態(tài)浮床進(jìn)行研究，取得良好成效，此后日本、美國等發(fā)達(dá)國家為了達(dá)到凈化水質(zhì)的目的，對湖泊、河流等飲用水源進(jìn)行生態(tài)浮床修復(fù)。我國于20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行生態(tài)浮床的研究。自1991年，我國在大型水庫、湖泊、河道等水域環(huán)境中共種植水生植物130種。2000年，在國家“863”水環(huán)境治理專項項目之一的五里湖整治工程中分別使用了水面覆蓋率15%、30%、45%的生態(tài)浮床處理組，取得預(yù)期效果，其中45%處理組的水體中多項水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。2001年為進(jìn)行北京什剎海生態(tài)修復(fù)治理工程，在其上游來水區(qū)搭建了生態(tài)浮床，面積為50㎡×1.2m，最上層栽種高等水生植物，經(jīng)過10個月的治理，什剎海總氮水平由6mg/L下降至2mg/L，總磷水平由0.5mg/L下降至0.2mg/L.葉綠素A含量顯著降低，水體透明度提高，對什剎海水質(zhì)的總體評價為IV類，好于相鄰的西海（劣V類）和前海（劣V類）。

4.2人工濕地

人工濕地作為一種新型污水處理工程又具有城市景觀價值。于20世紀(jì)70年代發(fā)展起來，由耐受性較強的水生植物為主的高、低等生物和處于水飽和狀態(tài)的基質(zhì)構(gòu)成的人工復(fù)合體。在處理污水時，有機物的降解和轉(zhuǎn)化主要是由土壤微生物來完成的，不溶性的有機物通過濕地的沉淀、過濾，可以很快被截留下來，被土壤微生物加以利用，可溶性的有機物則通過生物膜的吸附和微生物代謝去除。磷的去除主要是由基質(zhì)的物理化學(xué)作用、植物的攝取和微生物的同化共同完成。土壤基質(zhì)對磷有吸附和化學(xué)沉降作用，濕地植物可強化根系和基質(zhì)對顆粒態(tài)磷的滯留、根際微生物對顆粒態(tài)磷的吸收和礦化等過程。水環(huán)境中無機氮作為植物生長的必須元素，可被濕地植物直接利用，合成植物蛋白，此外，氮的去除還可通過微生物硝化——反硝化作用去除，資料表明，人工濕地總氮去除率可大于60％。成都活水公園濕地塘床于1998年初建成，面積為0.24ha，監(jiān)測顯示，活水公園人工濕地系統(tǒng)對TP的去除率可高達(dá)97.4%，對COD的去除率最高可達(dá)89.07%，最終水質(zhì)可達(dá)到國家地標(biāo)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。表明濕地系統(tǒng)能實現(xiàn)污水資源化。

4.3凈化塘

凈化塘是以某種水生植物占絕對優(yōu)勢而組成的特殊水生生態(tài)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)通過水生植物群落的阻濾、沉降、吸附等物理作用以及植物體的吸收、積累等作用而達(dá)到對污水的凈化效果。最近幾年, 水生植物凈化塘在國內(nèi)外發(fā)展都比較快，能凈化的污水種類越來越多，已由凈化生活污水發(fā)展到工業(yè)廢水和城市混合污水;處理規(guī)模也越來越大 , 從利用人工的凈化塘發(fā)展到利用天然湖塘、湖灣放養(yǎng)水生植物凈化水質(zhì)和底泥。在水生植物的利用上 , 由一種植物為主發(fā)展到多種植物搭配，以相互取長補短，達(dá)到最佳的凈化效果。比如選用耐寒植物伊樂藻和喜溫植物鳳眼蓮及菱，組建成的常綠型人工水生植被。不僅使試驗區(qū)內(nèi)常年保持較好的水質(zhì), 而且對外來污染沖擊有很強的緩沖能力，它可用于水源保護(hù)、局部性水質(zhì)控制、污水凈化生態(tài)工程、小型富營養(yǎng)水體的生態(tài)恢復(fù)等。

5.結(jié)語

水生植物在水質(zhì)凈化過程中資金投入少，不存在殘留及二次污染，安全環(huán)保。調(diào)節(jié)水質(zhì)的同時，定期收獲這些植物能將過多的營養(yǎng)移出水體，從根本上治理水質(zhì)，還能產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益。