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中国环境问题较为突出,包括由氮、磷浓度过高所引起的水体富营养化和工业化工程中产生的重金属污染等。水体富营养化会影响水质,降低水的透明度,影响水中植物的光合作用,导致溶解氧的过饱和状态,从而对水生动物产生危害,严重时可导致鱼类大量死亡等[1]。由于重金属在水体中不能被微生物降解,当重金属在水体中积累到一定程度时就会对水生动植物和水体生态系统产生危害。当生物体内重金属含量达一定限度时,将出现生理受阻、发育停滞等受害症状,严重时导致死亡。目前,针对水体富营养化和重金属污染的治理主要有物理、化学和生物方法。水体富营养化的物理处理方法包括截污、调水冲污、膜过滤法及人工曝气等;化学方法主要是添加化学药剂和吸附剂以去除水中的悬浮物和有机质,如氧化法、非氧化法和物化法等;生物方法包括人工湿地、生物膜法、人工浮岛等[2-4]。水体重金属污染的物理处理方法有蒸发法、换水法和稀释法等;化学方法包括电解法和化学沉淀法等;生物方法有微生物絮凝法和生物吸附法等[5-7]。在处理富营养化和重金属污染水体时,传统的物理方法难以达到根治目的,如引水冲污和稀释的效果不能长期保持,且在缺水地区的可行性较差[2]。化学方法虽效果明显但易产生残留和造成二次污染,如沉淀和絮凝可应用于常规的污水处理,治理程度小的污染,对程度大的污染有一定的局限性[8]。生物方法主要通过利用微生物、水生动植物及其构成的生态系统对污染物进行迁移、转化和降解,达到水体净化的目的。相对于物理化学方法而言,生物方法具有处理效果好、能耗少、成本低和污染小等优点,能够与绿化环境及景观改善相结合,实现生态修复的最大效益。因此,利用生物方法修复受污染水体受到越来越多的关注。本文通过文献查阅与野外调查,整理了不同生活型水生植物的常见种类,阐释了其降氮除磷及消减重金属等的差异性表现,以期对农业面源污染防治提供理论依据。
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水生植物是指能够长期在水中正常生活并顺利繁殖下一代的植物,对水的依赖性较大,具有分布广、生长速度快、病害少等特点。根据水生生物的生态习性,一般分为4类,即挺水植物、漂浮植物、浮叶植物和沉水植物[9-10]。
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挺水植物的根或地下茎生长于泥土中,下部或基部沉于水中,茎和叶绝大部分挺立水面。其茎秆一般直立,通气组织发达,能有效行使疏导作用。常见挺水植物有禾本科Gramineae的芦苇Phragmites australis,茭白Zizania latifolia,莎草科Cyperaceae的荸荠Eleocharis dulcis,荆三棱Scirpus fluviatilis,香蒲科Typhaceae的香蒲Typha orientalis,天南星科Araceae的菖蒲Acorus calamus及其他科的一些种类。
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漂浮植物的根沉于水中,但不接触基底,株体漂浮于水面。常见漂浮植物中蕨类植物占绝大多数,如浮萍科Lemnaceae浮萍Lemna minor,紫萍Spirodela polyrhiza,满江红科Azollaceae满江红Azolla imbricate,槐叶萍科Salviniacae槐叶萍Salvinia natans等,还有部分水鳖科Hydrocharitaceae的植物等[9-10]。
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浮叶植物植株扎根基底、根状茎发达,无明显的地上茎或茎细弱不能直立,叶片漂浮于水面上。常见浮叶植物有睡莲科Nymphaeaceae睡莲Nymphaea tetragona,菱科Trapaceae菱Trapa bispinosa和龙胆科Gentianaceae莕菜Nymphoides peltatum等。
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沉水植物根茎生于泥中,整个植株沉入水中,具发达的通气组织。该类植物的有性繁殖部分可沉水、浮水或挺立于水面。常见沉水植物主要包括眼子菜科Potamogetonaceae的马来眼子菜Potamogeton wrightii和微齿眼子菜Potamogeton maackianus,金鱼藻科Ceratophyllaceae金鱼藻Ceratophyllum demersum,水鳖科Hydrocharitaceae的黑藻Hydrilla verticillata和苦草Vallisneria natans,茨藻科Najadaceae的大茨藻Najas marina,水马齿科Callitricheaceae,小二仙草科Haloragidaceae,轮藻科Characeae等植物。
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通过查阅文献和野外调查,发现55种水生植物在污水防控中经常使用(表 1)。其中,挺水植物有24种,漂浮植物9种,浮水植物8种,沉水植物14种。在这55种水生植物中,1年生草本植物有8种,多年生草本植物43种,多年生或稀1年生植物4种,无木本植物。沉水植物与浮叶植物中1年生草本数量多于挺水植物与漂浮植物。
表 1 常见水生植物
Table 1. Analysis of common aquatic plants
生态类型 科 属 种名 生活型 实际应用 挺水植物 伞形科 天胡荽属 香菇草Hydrocotyle vulgaris 多年生草本 氮、磷污水 水芹菜属 水芹Oenanthe javanica 多年生草本 氮、磷污水,低浓度铅、铬 小二仙草科 狐尾藻属 聚草Myriophyllum spicatum 多年生草本 氮、磷污水 寥科 寥属 水寥Polygonum hydropiper 1年生草本 锰(超积累)、汞等 苋科 莲子草属 喜旱莲子草Alternanthera philoxeroides 多年生草本 高氮污水,铜、铅和锌 水蕹属 水蕹属 水蕹置Ipomoea aquatica 多年生草本 锌、铜、铬、镉和砷等 千屈菜科 千屈菜属 千屈菜Lythrum salicaria 多年生草本 氮、磷污水 禾本科 芦苇属 芦苇Phragmites australis 多年生草本 氮、磷污水,铜、锌、铅、铬、镉等 菰属 茭白Zizania caducjflora 多年生草本 氮、磷污水,铅、镉等 芦竹属 芦竹Arundo donax 多年生草本 氮、磷污水,铜、锌、铅、铬等 天南星科 天南星属 水芋Calla palustris 多年生草本 氮、磷污水 菖蒲属 石菖蒲Acorus tatarinowii 多年生草本 氮、磷污水 菖蒲A. calamus 多年生草木 氮、磷污水,镉富集强,铅、锌较弱 鸢尾科 鸢尾属 鸢尾Iris tectorum 多年生草本 氮、磷污水 黄菖蒲I.pseudacorus 多年生草本 氮、磷污水 莎草科 荸荠属 荸荠Eleocharis dulcis 多年生草本 抑制藻类生长 薦草属 荆三棱Scirpus yagra 多年生草本 氮、磷污水 水葱S. lacustris var. tabernaemontani 多年生草本 镉富集量高 莎草属 茳芏Cyperus malaccensis 多年生草本 氮、磷污水,铬、镉等 风车草 C. alternifolius 多年生草本 氮、磷污水,磷去除率高 纸莎草C. papyrus 多年生草本 氮、磷污水,适应性差 泽泻科 慈菇属 慈菇Asarum sagittaria 多年生草本 氮、磷污水,铜、铅、锌等 香蒲科 香蒲属 香蒲Typha orientalis 多年生草本 氮、磷污水,总氮去除率高,铬的去除 灯芯草科 灯心草属 灯芯草Juncus effusus 多年生或稀
1年生草本铜、锌、铅、镉等 漂浮植物 天南星科 大藻属 大薸Pistia stratiotes 多年生草本 氮、磷污水 雨久花科 凤眼蓝属 凤眼莲Eichhornia crassipes 多年生或1
年生草本氮、磷污水,锌、铅、汞、镉、铜等 浮萍科 浮萍属 浮萍Lemna minor 多年生草本 氮、磷污水,硼、铬、铅、镉、硒等 紫萍属 紫萍Spirodela polyrhiza 1年生草本 富集硼、铬、镍、硒等 满江红科 满江红属 满江红Azalla imbricate 1年生草本 氮、磷污水 水鳖科 水鳖属 水鳖Hydrocharis asiaticus 多年生或稀
1年生草本铜、铅、锌等 睡莲科 莼属 莼菜Nymphoides peltata 多年生草本 富集锌 槐叶苹科 槐叶苹属 槐叶苹Salvinia natans 1年生草本 富集铬、镍、硒等 柳叶菜科 水龙属 水龙Lussieua repens 多年生草本 氮、磷污水 浮叶植物 寥科 寥属 两栖寥Polygenum amphibium 多年生草本 锌净化能力较强 菱属 菱Trapa quadrispinosa 1年生草本 镉、铅等 睡莲科 莲属 荷花Nelumbo nucifera 多年生草本 氮、磷污水,总氮去除率高 睡莲属 睡莲Nymphaea albalinna 多年生草本 氮、磷污水,铬、铜、锌等 龙胆科 莕菜属 莕菜Nymphoides peltatum 多年生草本 氮、磷污水,锌、铜、铅、镍、铬去除率相对弱 金银莲花N. indica 多年生草本 氮、磷污水 柳叶菜科 丁香寥属 黄花水龙Ludwigia peploides 多年生草本 氮、磷污水,抑制藻类生长 花蔺科 水罂粟属 水罂粟Hydrocleys nymphoides 多年生草本 低浓度氮、磷污水 沉水植物 水鳖科 水筛属 水筛Blxa japonica 1年生草本 砷、锌、铜、镉、铅等 伊乐藻属 伊乐藻Elodes canadensis 多年生或稀1
年生草本氮、憐污水,总氮去除率高,镉去除率好 苦草属 苦草Vallsnerria spiralis 多年生草本 铜、镉、锌、汞等 黑藻属 黑藻Hydrilla verticillata 多年生草本 氮、磷污水,砷、锌、铜、镉、铅等 眼子菜科 眼子菜属 菹草Potamogeton crispus 多年生草本 氮、憐污水,总憐去除率高,铜、铅、锌等 微齿眼子菜P. maackianus 多年生草本 氮、磷污水 马来眼子菜P. malaianus 多年生草本 氮、磷污水 篦齿眼子菜P. pectinatus 多年生草本 氮、磷污水 泽泻科 慈菇属 矮慈菇Sagittaria pygmaea 1年生草本 铜、铅和锌等 金鱼藻科 金鱼藻属 金鱼藻Ceratophyllum demersum 多年生草本 氮、磷污水,砷、锌、铜、镉、铅 轮藻科 轮藻属 轮藻Chara vaillant 多年生草本 氮、磷污水 茨藻科 茨藻属 大茨藻Najas marina 1年生草本 氮、磷污水 小二仙草科 狐尾藻属 狐尾藻Myriophyllum sp. 多年生草本 氮、磷污水,锌、铅和铜 大聚藻M. aquadcum 多年生草本 氮、磷污水,耐低温
Purification effect of aquatic plants on nitrogen, phosphorus and heavy metal polluted water
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摘要: 为了治理氮、磷浓度过高造成的水体富营养化和工业过程中产生的重金属污染问题,水生植物有去除效果较显著、易于获得、有良好景观改善作用等优势而被广泛地应用于水体净化中。通过文献查阅和野外调查,综述了不同生活型水生植物的常见种类,阐释了其对氮、磷及重金属等消减作用的机制和差异性表现。在此基础上,分析了水生植物在水体净化研究中存在的问题,并提出了研究展望。文章对于农业面源污染防治中水生植物的应用具有一定的指导意义和理论价值。Abstract: In order to control the excessive eutrophication which caused by concentration of nitrogen and phosphorus, and heavy metal pollution produced in industrial process, aquatic plants are widely used in water purification due to their remarkable removal effect, easy availability, good landscape effect and other advantages. Based on literature review and field investigation, this paper reviewed the common species of different life forms of aquatic plants, explained their mechanisms of reducing nitrogen, phosphorus, heavy metals and the differences of their performance. On the basis of review, we analyzed the existing problems in the research of the water purification effect of aquatic plants, and put forward the research prospect. This paper is of certain directive significance and theoretical value in terms of applying aquatic plants to the pollution control of agricultural non-point sources.
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Key words:
- environmental biology /
- aquatic plants /
- nitrogen and phosphorus /
- heavy metals /
- water purification /
- review
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表 1 常见水生植物
Table 1. Analysis of common aquatic plants
生态类型 科 属 种名 生活型 实际应用 挺水植物 伞形科 天胡荽属 香菇草Hydrocotyle vulgaris 多年生草本 氮、磷污水 水芹菜属 水芹Oenanthe javanica 多年生草本 氮、磷污水,低浓度铅、铬 小二仙草科 狐尾藻属 聚草Myriophyllum spicatum 多年生草本 氮、磷污水 寥科 寥属 水寥Polygonum hydropiper 1年生草本 锰(超积累)、汞等 苋科 莲子草属 喜旱莲子草Alternanthera philoxeroides 多年生草本 高氮污水,铜、铅和锌 水蕹属 水蕹属 水蕹置Ipomoea aquatica 多年生草本 锌、铜、铬、镉和砷等 千屈菜科 千屈菜属 千屈菜Lythrum salicaria 多年生草本 氮、磷污水 禾本科 芦苇属 芦苇Phragmites australis 多年生草本 氮、磷污水,铜、锌、铅、铬、镉等 菰属 茭白Zizania caducjflora 多年生草本 氮、磷污水,铅、镉等 芦竹属 芦竹Arundo donax 多年生草本 氮、磷污水,铜、锌、铅、铬等 天南星科 天南星属 水芋Calla palustris 多年生草本 氮、磷污水 菖蒲属 石菖蒲Acorus tatarinowii 多年生草本 氮、磷污水 菖蒲A. calamus 多年生草木 氮、磷污水,镉富集强,铅、锌较弱 鸢尾科 鸢尾属 鸢尾Iris tectorum 多年生草本 氮、磷污水 黄菖蒲I.pseudacorus 多年生草本 氮、磷污水 莎草科 荸荠属 荸荠Eleocharis dulcis 多年生草本 抑制藻类生长 薦草属 荆三棱Scirpus yagra 多年生草本 氮、磷污水 水葱S. lacustris var. tabernaemontani 多年生草本 镉富集量高 莎草属 茳芏Cyperus malaccensis 多年生草本 氮、磷污水,铬、镉等 风车草 C. alternifolius 多年生草本 氮、磷污水,磷去除率高 纸莎草C. papyrus 多年生草本 氮、磷污水,适应性差 泽泻科 慈菇属 慈菇Asarum sagittaria 多年生草本 氮、磷污水,铜、铅、锌等 香蒲科 香蒲属 香蒲Typha orientalis 多年生草本 氮、磷污水,总氮去除率高,铬的去除 灯芯草科 灯心草属 灯芯草Juncus effusus 多年生或稀
1年生草本铜、锌、铅、镉等 漂浮植物 天南星科 大藻属 大薸Pistia stratiotes 多年生草本 氮、磷污水 雨久花科 凤眼蓝属 凤眼莲Eichhornia crassipes 多年生或1
年生草本氮、磷污水,锌、铅、汞、镉、铜等 浮萍科 浮萍属 浮萍Lemna minor 多年生草本 氮、磷污水,硼、铬、铅、镉、硒等 紫萍属 紫萍Spirodela polyrhiza 1年生草本 富集硼、铬、镍、硒等 满江红科 满江红属 满江红Azalla imbricate 1年生草本 氮、磷污水 水鳖科 水鳖属 水鳖Hydrocharis asiaticus 多年生或稀
1年生草本铜、铅、锌等 睡莲科 莼属 莼菜Nymphoides peltata 多年生草本 富集锌 槐叶苹科 槐叶苹属 槐叶苹Salvinia natans 1年生草本 富集铬、镍、硒等 柳叶菜科 水龙属 水龙Lussieua repens 多年生草本 氮、磷污水 浮叶植物 寥科 寥属 两栖寥Polygenum amphibium 多年生草本 锌净化能力较强 菱属 菱Trapa quadrispinosa 1年生草本 镉、铅等 睡莲科 莲属 荷花Nelumbo nucifera 多年生草本 氮、磷污水,总氮去除率高 睡莲属 睡莲Nymphaea albalinna 多年生草本 氮、磷污水,铬、铜、锌等 龙胆科 莕菜属 莕菜Nymphoides peltatum 多年生草本 氮、磷污水,锌、铜、铅、镍、铬去除率相对弱 金银莲花N. indica 多年生草本 氮、磷污水 柳叶菜科 丁香寥属 黄花水龙Ludwigia peploides 多年生草本 氮、磷污水,抑制藻类生长 花蔺科 水罂粟属 水罂粟Hydrocleys nymphoides 多年生草本 低浓度氮、磷污水 沉水植物 水鳖科 水筛属 水筛Blxa japonica 1年生草本 砷、锌、铜、镉、铅等 伊乐藻属 伊乐藻Elodes canadensis 多年生或稀1
年生草本氮、憐污水,总氮去除率高,镉去除率好 苦草属 苦草Vallsnerria spiralis 多年生草本 铜、镉、锌、汞等 黑藻属 黑藻Hydrilla verticillata 多年生草本 氮、磷污水,砷、锌、铜、镉、铅等 眼子菜科 眼子菜属 菹草Potamogeton crispus 多年生草本 氮、憐污水,总憐去除率高,铜、铅、锌等 微齿眼子菜P. maackianus 多年生草本 氮、磷污水 马来眼子菜P. malaianus 多年生草本 氮、磷污水 篦齿眼子菜P. pectinatus 多年生草本 氮、磷污水 泽泻科 慈菇属 矮慈菇Sagittaria pygmaea 1年生草本 铜、铅和锌等 金鱼藻科 金鱼藻属 金鱼藻Ceratophyllum demersum 多年生草本 氮、磷污水,砷、锌、铜、镉、铅 轮藻科 轮藻属 轮藻Chara vaillant 多年生草本 氮、磷污水 茨藻科 茨藻属 大茨藻Najas marina 1年生草本 氮、磷污水 小二仙草科 狐尾藻属 狐尾藻Myriophyllum sp. 多年生草本 氮、磷污水,锌、铅和铜 大聚藻M. aquadcum 多年生草本 氮、磷污水,耐低温 -
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