水生植物的净化作用及机理

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文章首先阐释了水生植物的概念，回顾了其应用简史，并从生态学角度，简要分析了水生植物的净化作用及机理，提出了相应的治理对策，最后就水生生态系统环境的维护提出了一些看法。在园林观赏植物这样一个庞大的植物分支里，水生植物一直充当着极其重要的角色。无论是古典园林还是现代园林，也不管是西方园林还是东方园林，水景一直是造园中不可欠缺的景观要素。而水景的表现，也无一例外地常常和园林的另一景观要素——植物联系在一起。无论是动态水景，还是静态水景，都离不开花木来创造意境。充分利用水生植物，可以创造宜人而又舒适的景观，增加景观的多样性，丰富园林空间。
1 水生植物的概述
1.1 概念
对水生植物的定义有很多，主要列举了下面三种。
余树勋等对水生植物的定义是“生长在淡水深处的土壤中或自然漂浮在水中的植物，有时包括沼泽中出现的植物。有整个植物在水中，根在水底土中的如水落(Aponogeton);一部分叶片在水中，一部分漂浮在水面的如眼子菜(Potamogeton);全部在水面的，如睡莲(Nymphaea);整个植物体不入土壤而漂浮水中的如凤眼莲(Eichhornia)等”。
但也有人将水生植物分为挺水植物(挺水花卉)、浮叶和漂浮植物(浮叶花卉)、沉水植物(观赏水草)、海生植物(红树林)以及沿岸耐湿的乔灌木等滨水植物。
本文比较赞同下面的观点：凡生长在水中或湿地土壤中的植物，以大型的草本植物为主，包括水生、湿生和沼生植物”。
1.2 应用简史
我国水生花卉的栽培有着悠久的历史，莲在我国出土文物中，至少有7000年的历史。《诗经》云:“彼泽之陕，有蒲有荷”。这是我国最早有关荷花与蒲草在相同的生态环境下生长的记载。约在2500年前吴王夫差为宠妃西施欣赏荷花，特在太湖之滨的灵岩山离宫修“玩花池”，是栽荷供观赏的最早实例[4].据《史记?孝武本纪》、《三辅黄图》载：汉武帝太初元年(公元前104年)修建章宫，凿“太液池”，植莲、菱等水生植物，制备的游船，有仿江南采莲的“越女舟”，这可能是较早在人工水景中荡舟观荷的文字记录。明末计成撰写的《园冶》中结合水生植物的水景景趣也散见全书。“白苹红寥，鸥盟同结矶边”(《园冶》)：“堤湾宜柳”(《城市地》)；“凿水为涤，书堤种柳”(《村庄地》)；溪湾柳间栽桃(《郊野地》)；“深柳疏芦之际略成小筑，足征大观也”;“遥遥十里荷风，递香幽室”清?陈淏子《花镜》(1688)中对荷花、芡、慈姑、菖蒲、玉替花、雨久花、菱、瓯兰(溪荪)等水生植物己有详细的记载。在我国石菖蒲属植物栽培和应用的历史颇早，在《左传》和《诗经》中已有记载，早期多为药用，后来观赏栽培逐渐发展起来。南宋?陆游(1125-1210年)有菖蒲诗，说明已用于盆景栽植。1978年以来，随着水生花卉业和生态观光农业的发展，菰(Zizainacaduciflora)、香蒲、石菖蒲、水芹、芡等已逐步成为广泛应用的园林水景绿化观赏植物和湿地景观绿化的重要材料.
在西方国家，观赏水生花卉也有着悠久的历史与习俗。古埃及人把热带睡莲作为太阳的象征来崇拜，因而睡莲成为各种祭典和礼仪活动的重要饰品。在尼罗河边上一座埃及第十二王朝时期(公元前3100一公元前2160)的墓葬中的壁上画了一个园丁从水池提着水灌溉一片方形并有分隔的花坛，还有一条在花坛旁的溪流引水到池中，水池中长着热带白睡莲(Nymphaealotus)。由此估计距今五千年前的古埃及就已有了人工灌溉的花坛和人造的水池，并种植睡莲。印度佛教“七宝莲花”中的5种为睡莲，2种为莲花。在16世纪，意大利人开始用睡莲做公园的水景主题材料。而在发现王莲后，人们对水生植物的兴趣则更浓了，1849年成为应用水生植物的第一个繁盛期。此后，热衷于水景园的富有人家开始狂热地种植热带水生植物，竞相寻找观花的珍贵品种。
如今，水生植物已被广泛应用于专类水景园、野趣园的营造，随着人工湿地污水处理系统应用研究的深入，人工湿地景观也应运而生，成为极富自然情趣的景观。而容器栽培的迷你水景花园的出现更是让都市居民的阳台或平台也成为了轻松有趣、令人赏心悦目的好地方。在水景设计中应用较多的有浮叶和漂浮植物如睡莲(Nymphaeatetragona),芡实(Eunyaleferox),萍蓬草(Nuphar pumilum ),荇菜(Nymphoidespeltatum ),菱(Trapajaponica)等;挺水植物如荷花(Nelumbonucifera),菖蒲(Acoruscalamus)、香蒲(Typhaminima)、水葱(Scirpus validus),千屈菜(Lythrumsalicaria),芦苇(Phragmitescommunis),燕子花(Iris laevigata)等。
1.3应用意义
1.3.1丰富景观
水生植物不但能观叶、赏花，还能欣赏映照在水中的倒影。荷叶青翠而洁净，波状叶缘更能增添几分潇洒风姿。加上叶面有一层蜡质，落在上面的水滴更有动势感；“接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红”这样的意境，是对北京北海公园东南部一个湖面景色很好的诠释。每当游人环湖漫步在柳林下，阵阵清香袭来，非常惬意。当朵朵莲蓬挺立水面时，是一番水面庄稼丰硕景象。此外，像水葱修长的茎秆，伞草碧绿的苞片等，都是水生植物中观叶的好材料。如西方园林中提倡的野趣园，野趣最宜以水生植物配置来体现。通过种植水生植物，如芦苇、香蒲、慈姑等，野趣横生。
1.3.2 创造意境
中国园林的水景常构成一种独特的、耐人寻味的意境。如杭州西湖十景之一的“曲院风荷”，就是立意成功的范例[2]。不管是从全院布局，还是植物材料的选择上，都追求园林的意境美的表现，与西湖景区的自然特点和历史古迹的紧密结合，与周围的环境相得益彰，达到了天人合一的境界。朱自清的《荷塘月色》中有一段对北京大学未名湖的描写，“叶子出水很高，象亭亭的舞女的裙。层层的叶子中间，零星地点缀着些白花，有袅娜地开着的，有羞涩地打着朵儿的；正如一粒粒的明珠，又如碧天里的星星，又如刚出浴的美人。微风过处，送来缕缕清香，仿佛远处高楼上渺茫的歌声似的。”“月光如流水一般，静静地泻在这一片叶子和花上。”在这里，境由心生，作者用清新朴实的笔调描绘了处于夜晚月光下的未名湖的荷塘景观，将作者的感受和当时的环境融为了一体。

2 水生植物的净化作用
2.1 水质状况
水作为园林要素之一，其作用不言而喻，也不可替代。“山因水而活，水因山而秀”，但是如果水质变差，其效果则会适得其反。由于城市的扩张，人口的急剧增加，引起了一系列的问题。如水体的环境容量和生态载力不堪重负，生态系统遭到破坏。公园、居住区等的水体都遭到不同程度的污染。据统计，我国90%以上公园的水体，其化学需氧量（COD）、生化需氧量(BOD)、总氮(TN)、总磷(TP)和非离子氨等指标，大多超过国家地面水环境质量四类标准。而在上海某些居住小区的水体缺乏循环，成为了一潭死水，富营养化程度非常严重。水体的结构和功能被破坏，生物多样性丧失，水体的美学价值损害。人们“诗意的栖居”的梦想就很难达到。为此，在当今水资源紧张的背景下，许多专家都纷纷开展研究，以求找到合理的治理对策。
2.2 治理方法
中国古典园林由于在很小的范围内堆山，叠石，凿池，很少受外界干扰，因而其水体经自身的净化就可保持水体的洁净。
由于现代工业的发展和密集的人口聚居方式出现，现代的水景园融汇了中西方文化，水面开阔、景观设置强调点睛之笔，更注重亲水理念。现在由于各方面因素的影响使得水体中农药、化肥聚积，氮、磷等污染物超标，已严重影响水体业己存在的生态平衡。很多水体出现富营养化现象，水体由清变绿，由绿变黄，由黄变褐，甚至产生异味。所以现在很多景观水在造池理水前就考虑水质净化方案。
2.2.1 营养盐控制
控制水体营养盐浓度是传统的富营养化防治措施，它基于限制因子原理，以实验室藻类生长瓶法测定结果为依据，对于外源性污染采取截污、污水改道、污水除磷，对于内源性污染采取了清淤挖泥、营养盐钝化、底层暴气、稀释冲刷、调节湖水氮磷比、覆盖底部沉积物及絮凝沉降等一系列措施。不少通过控制氮和磷来防治富营养化的实践并没有取得理想的成功结果[7][8]，但是，这只能说明不能仅仅靠控制营养盐来防治湖泊富营养化，而并不意味着不需要控制营养。
2.2.2 直接除藻

用化学药品(如硫酸铜和其他除藻剂)控制藻类可能是最古老原始的方法，化学药品可快速杀死藻类，但死亡藻类所产生二次污染及化学药品的生物富集和生物放大对整个生态系统的负面影响较大，且剂量难以掌握，风险较大，若长期使用低浓度的化学药物会使藻类产生抗药性，因此，不适宜在景观水体中广泛使用，只能作为应急措施。
2.2.3 生物调控
作为营养盐控制的一种替代技术，生物调控(Biomanipulation)是通过重建生物群落以得到一个有利的响应，常用于减少藻类生物量，保持水质清澈并提高生物多样性。主要是采用鱼类种群的下行调控。如增加食鱼性(Piscivores)鱼类或减少食浮游动物(Zooplanktivores)或食底栖(Benthivores)鱼类，以保证有充分的浮游动物等来控制藻类;也有直接利用“食藻鱼”控制蓝藻水华。生物调控较典型的是用于小而浅的、相对封闭的湖泊系统，在浅水湖泊由于生物分布垂直空间差异较小，因而在一定时间内对某些浮游植物控制效果较好。生物调控在欧洲得到深入研究和广泛应用，但是由于研究区域、研究对象以及研究范围的不同，往往难得到一致的结论与结果。因此，生物调控作为管理工具的有效性仍存在很大的争议。许多成功的实例往往是短期的，也面临着一系列的挑战。
2.2.4 EWT治理模式(Ecological Water Treatment)
水质问题是水生态问题，生态问题应该用生态方法来解决。要获取稳定的健康的自然水环境，只有修复已退化的水生态系统。生态恢复已成为全球淡水生态系统研究的前瞻性研究领域，恢复湖泊生态系统结构和功能的完整性不仅是湖泊富营养化综合治理的目标，而且也是湖泊富营养化治理的重要手段。生态工程被认为是生态恢复的最佳工具，业已证明，用生态工程可以改善富营养化湖泊的局部水质、修复局部生态系统。
近10余年来，中国科学家运用生态工程技术净化富营养化水体，恢复富营养化水体生态系统良性循环，取得了一些成功的经验。其中引种优质速生的水生植物重建和恢复湖泊的良性生态系统对抑制藻类生长、净化水质起着重要的作用.Blindow等指出，生物调控后湖泊能否保持清水状态，很大程度上依赖于恢复的水生高等植物的发展。北京动物园采用了水生植物净化水体的生态工程方法进行了研究。
研究结果表明，利用水生植物不仅能净化北京动物园严重的富营养化的水体，而且还有利于营造水上园林景观和为水禽创造适宜的生存环境。越来越多的研究显示位于水体和陆地,它不仅生态系统之间的生态交错(Ecotone)如湿地，具有过滤功能、缓冲器功能，吸附和转移来自面源的污染物、营养物，改善水质；而且可截留固定颗粒物，减少水体中的颗粒物和沉积率。同时.湿地还可以提供生物繁育生长栖地、对于保护生物多样性、减少洪水危害、保持水土等具有重要意义。这些都证明了，利用水生植物及人工湿地来净化污水的方法由于无副作用、廉价和易操作，是城市景观水体富营养化治理较为理想的方法，具有较强的应用和发展前景。

3 水生植物的应用现状
3.1 具有净化作用的水生植物
水生高等植物能有效地净化富营养化水体，提高水体的自净能力，也是人工湿地系统发挥净化作用必不可少的因素之一。
在过去的有关报道中，所涉及的植物包括挺水植物、浮叶植物和漂浮植物及沉水植物。
类型 常见种类
挺水植物 茭白(Zizaniacaduciflora)、芦苇、香蒲、水葱、灯心草(Juncuseffuses)、水花生(Alternantheraphiloxeroides)、菖蒲、石菖蒲(Acorustatarinowii)、风信子(Hyacinthusorientalis)、慈姑、荷花、伞草(Cyperusaltemifolius)等
浮叶及漂浮植物 凤眼莲(Eichhornia crassipes)、满江红、菱、水鳖(Hydrocharisdubic)、浮萍、荇菜等
沉水植物 菹草、金鱼藻、苦草、伊乐藻(Elodeacanadensis)、轮叶黑藻（Hydrillaverticillata)等

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3.2净化机理
通过种植水生植物净化水质，是利用许多水生植物特别是水生维管束植物能够大量吸收营养物质，或降解转化有毒有害物质为无毒物质的性质。在废水或受到污染的天然水体中种植大量耐污染净化较强的水生高等植物，使其通过自身的生命活动将水中的污染物质分解转化或富集到体内，然后除去，恢复水域中的养分平衡;同时通过水生植物的光合作用放出氧气，增加水中溶解氧含量，从而改善水质，减轻或消除水污染。
3.3净化的处理方式
主要有两种：净化塘和人工湿地系统
净化塘是以某种水生植物占绝对优势而组成的特殊水生生态系统，这个系统通过水生植物群落的阻滤、沉降、吸附等物理作用以及植物体的吸收、积累等作用而达到对污水的净化效果。
人工湿地系统——本世纪七十年代发展起来的人工湿地系统是利用水生植物治理污水的又一发展方向，由于建造和运转费用低、维护简单、效果好，且为众多野生动物提供了栖息地，成了研究的重点。
国内外对其应用比较广泛。国外采用人工湿地(constructedwetlands)净化污水始于1953年德国的MaxPlanck，该研究所的Seidel博士在研究中发现芦苇能去除大量有机和无机物。20世纪60年代末，Seidel与Kickuth合作并由Kickuth于1972年提出了根区理论，该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用的热潮，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域。现在国外已广泛运用人工湿地处理市政、工业、农业和城市暴雨径流废水技术。
而在我国对人工湿地的应用还处于起步阶段。虽然起步较晚，但是仍有一些比较成功的例子。典型代表是成都活水公园，其湿地系统主要工艺过程有：厌氧沉淀池、人工湿地塘、床系统、养鱼塘系统、戏水池以及连接各个工艺的水流雕塑和自然水沟等五个部分。从整个过程可以清晰地看到污水逐渐变清，充分体会“死水”变成“活水”的过程[19]。公园的人工湿地塘床系统出水水质达到了国家地面水环境质量标准GB3838—88III类水域水质标准；PH值与透明度在枯水期也是呈现逐级升高的趋势，也在一定程度上反映了水质逐级好转。
除成都活水公园外，深圳宝安石岩河人工湿地通过采用国际先进的“高效垂直流人工湿地系统水质净化专有技术”，日处理污水量达1.5万吨，每吨污水的处理费用仅为传统污水处理厂的1/4。
这些成功的实践都为国内水生植物净化作用的研究提供了良好的借鉴意义。
4 水生植物与景观营造
水生植物除了具有处理污水的能力，它的景观效果也不容忽视。如何将它的净化作用与水景设计相结合，是当今景观生态设计研究中的一个着眼点。
一般在进行水景设计时，都离不了水生植物的运用。在前面的简史中已作了较为详尽的说明，这里就不再仔细阐述。而常用的水生植物也一一举出。笔者想就人工湿地景观这个方面作个探讨。
湿地是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一，被称为“地球之肾”。俞孔坚等指出，对于湿地，其前景非常广阔，可用于中小城市和乡村一些管理比较粗放的地区[20]。住宅区中通过建造人工湿地，处理污水可以满足景观用水的需求[24]。上海的一些小区已经开始了这样的实践。例如在上海的桃花源田庄和万科朗润园就通过营造人工湿地景观，处理住区污水，净化水体，以维持水质。不仅如此，由水生植物等要素组成的湿地，其建造丰富了水体景观，增加了景观的丰富度。通过人工湿地专家与景观设计师的合作，在住区水环境的建设中具有非常重要的现实意义，相信随着人工湿地技术研究的进一步深入和完善，湿地在塑造住区自然生态环境，维护住区景观水体等方面必将发挥更大的作用。
5 展望
早在上个世纪的60年代，美国伟大的景观设计师麦克哈格就在其著作《设计结合自然》一书中，阐明了生态学在设计中的重要作用，提出了生态规划的理念。随着时间的推移、技术的进步，景观生态设计的思想不断得到补充和完善。人们越来越意识到：城市建设一方面要保护城市的自然资源，另一方面要对在城市化过程中破坏的自然资源进行补偿，并建立人工生态系统，保证城市的可持续发展。因此，如何实现水体景观的经济价值、生态价值和美学价值三者的有机统一，是城市水体景观设计的关键所在。基于此点，认为可以从以下几个方面来考虑：
（1） 选用乡土的水生植物，发挥湿地的作用
乡土的水生植物不仅适应当地的气候、土壤、温度、光照等环境条件，易于成活和管理，而且在成本方面也比较低廉，相对而言，是比较理想的首选植物。充分利用湿地的作用，注意保护和利用现有的植被条件，建立一个由乔灌林、草滤带、挺水植物带、沉水植物带和漂浮植物带，形成与水体一湿地一滨水景观一陆地景观——人工环境的模式相适应的完整植物景观生态系统。
（2） 控制外来污水的进入
自然状态下的水生生态系统一旦平衡被打破，要恢复到以前的状态是需要一定时间的。如果在人为干扰的情况下，比如污水排放过量，如不加控制，就会形成恶性循环。最终导致生态系统的完全破坏。尽管水生植物有净化水体的作用，但是面对污水的大量排入，其作用毕竟是有限的，所以应该严格控制外来污水的进入。
（3） 捕获及管理水生生物
水生生物作为水生生态系统中的消费者，其数量在一定时期是一定的。只有这样，才能使整个系统处于动态的平衡中。一旦水生植物到了枯萎、死亡期时，会产生许多植物残体，利于水生生物的生长，平时应及时清理植物残体，捕捉过量的水生生物利于整个系统的可持续发展。
（4） 重视对野生水生植物资源的保护和开发
一直以来园艺学家都比较重视植物的栽培引种和驯化，但因水生植物受生活环境的限制，其生命力较之陆生植物脆弱，更易于受到破坏，因而加强野生水生植物的保护刻不容缓。另外，在对野生植物资源的开发上力度还不够，特别是在野生水生植物方面。如果把这方面的工作做好，从中筛选出抗性较好，观赏价值大的种类，就会为水体景观的设计和营造提供更多的机会和选择余地，也利于景观多样性的体现。