人類(lèi)文明進(jìn)程的加快導(dǎo)致了大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活廢棄物排入水或土壤中，使水質(zhì)和土壤受到嚴(yán)重污染。隨著對(duì)生態(tài)學(xué)與人類(lèi)關(guān)系研究的深入，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注利用生態(tài)學(xué)原理修復(fù)受污染的水環(huán)境和土壤。水生植物作為自然界生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者的一員，其特性決定了具有凈化與修復(fù)水體污染的功能。  
  1 水生植物的凈化機(jī)理  
  1.1 水生植物自身特點(diǎn)  
  大部分水生植物長(zhǎng)期生活在一種缺氧、弱光的環(huán)境中，形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)上就形成了一種特殊性，即具有很發(fā)達(dá)的根、莖、葉通氣組織，通過(guò)植株枝條和根系的氣體傳輸和釋放作用，將O2輸送至根區(qū)，在還原性的底泥中形成了氧化態(tài)的微環(huán)境，從而加強(qiáng)了根區(qū)微生物的生長(zhǎng)和繁殖，增強(qiáng)了其降解作用。故水生植物的氣體交換與輸導(dǎo)作用對(duì)以水生植物為主體的生態(tài)工程處理系統(tǒng)的正常和高效運(yùn)行具有重要意義。  
  1.2 水生植物的吸收富集作用  
  水生植物能吸收和富集一些有毒有害物質(zhì)。可溶性有機(jī)物通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收和生物代謝降解過(guò)程被去除。竇磊等研究表明，Pb、Zn進(jìn)入香蒲(Cattail)體內(nèi)，主要積聚在皮層細(xì)胞的細(xì)胞壁上，只有少量進(jìn)入原生質(zhì)。  
  1.3 物理作用  
  大型水生植物在水中形成的茂密植被具有抑制風(fēng)浪和減緩水流的功能，可促進(jìn)水中懸浮物的下降，以及減少底泥中顆粒物的再懸浮。屠清瑛等在北京什剎海進(jìn)行的生態(tài)恢復(fù)試驗(yàn)證明，改善光照和溶氧條件，人為扶持沉水植物的空間生態(tài)位，使其成為優(yōu)勢(shì)種群，能有效降低生物性和非生物性懸浮物濃度，提高水體透明度，增加了水生生態(tài)修復(fù)的有效性。  
  1.4 生物化學(xué)作用  
  在植物生長(zhǎng)過(guò)程中，根系會(huì)向生長(zhǎng)介質(zhì)中分泌出大量的有機(jī)物，這類(lèi)分泌物中包含有大量的有機(jī)酸、氨基酸和活性酶等;根系表皮細(xì)胞死亡后在微生物的作用下分解為腐殖質(zhì)。這些分泌物和腐殖質(zhì)中有一系列功能團(tuán)，如羥基、羧基、酚羥基、烯醇羥基以及芳環(huán)結(jié)構(gòu)等，它們對(duì)含各種基團(tuán)的化合物均具有極強(qiáng)的吸附能力。當(dāng)水流經(jīng)過(guò)時(shí)，不溶性膠體會(huì)被根系粘附或吸附，再通過(guò)生物化學(xué)作用，將水中的污染物降解。吳振斌等通過(guò)人工濕地根區(qū)磷酸酶和脲酶活性的測(cè)定發(fā)現(xiàn),其脲酶活性與總氮去除率有較明顯的相關(guān)關(guān)系，證明了植物磷酸酶對(duì)磷的去除起到很大作用。  
  1.5 對(duì)浮游藻類(lèi)的競(jìng)爭(zhēng)抑制作用  
  抑制作用也稱(chēng)為植物的化感作用，Rice將化感作用定義為一種植物通過(guò)向環(huán)境中釋放化學(xué)物質(zhì)影響其他生物生長(zhǎng)的現(xiàn)象。許多研究都表明化感作用普遍存在于水體中。俞子文等證實(shí)了水花生(Alternanthera Philoxeroides)、水浮蓮(Eichhirnia crasslpes)、滿(mǎn)江紅(Azolla Imbricata)、紫萍(Spirodela Polyrhiza)和西洋菜(Nasturitium Officinale)與雷氏衣藻(Chlamydomonas Reinhardi)有相生相克關(guān)系，從水花生、水浮蓮的種植水中得到的分泌物粗提物，也表現(xiàn)出對(duì)雷氏衣藻的克制效應(yīng)。  
  2 水生植物對(duì)不同污染物的凈化能力及自身代謝生長(zhǎng)對(duì)水質(zhì)的影響  
  2.1 對(duì)水體中氮、磷、鉀的去除  
  不同水生植物對(duì)污水凈化能力不同，但對(duì)氮、磷、鉀的去除途徑主要有植物吸收、沉淀、吸附作用和微生物固定等。吳湘等研究了挺水植物蘆葦(Phragmites Australis)、沉水植物金魚(yú)藻(Ceratophyllum Demersum L)和浮葉植物浮葉四角菱(Trapaceae)對(duì)池塘養(yǎng)殖廢水的凈化效果，發(fā)現(xiàn)它們對(duì)水體中氮素的去除率：蘆葦>浮葉四角菱>金魚(yú)藻;磷素的去除率：蘆葦>金魚(yú)藻>浮葉四角菱，可見(jiàn)挺水植物蘆葦對(duì)氮磷具有較好的去除能力。  
  蔡培英等進(jìn)行了7種水生植物去除城市生活污水氮、磷效果的研究，結(jié)果表明7種水生植物對(duì)生活污水中TP的去除率均達(dá)60%以上。黃輝等對(duì)利用以浮萍為基礎(chǔ)的穩(wěn)定氧化塘的N、P含量進(jìn)行了連續(xù)3年的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括N、P、BOD、COD、Fe3+和TSS等，在這些指標(biāo)中，每一項(xiàng)都降低了60%以上。  
  任文君等研究了4種沉水植物在白洋淀富營(yíng)養(yǎng)化環(huán)境下的生長(zhǎng)狀況，以及對(duì)水體氮、磷及有機(jī)物的凈化效果，試驗(yàn)21天后，蓖齒眼子菜(Potamogeton Pectinatus L)、馬來(lái)眼子菜(Potamogeton Malaianus)、金魚(yú)藻和黑藻所在的生長(zhǎng)體系對(duì)水體中總磷的去除率分別為83.59%、84.35%、87.84%和89.88%;對(duì)水體中氨氮的去除率都在75%左右;對(duì)總氮的去除率分別為79.40%、83.82%、88.51%和87.73%，綜合來(lái)看金魚(yú)藻和黑藻凈化效果較好。  
  宋福等利用狐尾藻(Myriophyllum Verticillatum L)、菹草(Potamogeton Crispus)、苦草(Vallisneria Natans Hara)、伊樂(lè)藻、金魚(yú)藻、篦齒眼子菜、輪藻等7種沉水植物對(duì)受污染的草海水體的(含底泥)總氮去除速率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)的27 d內(nèi)，對(duì)總氮、總磷的去除百分率分別為80.31%和89.82%，得出多物種同時(shí)種植去除效果更好的結(jié)論。  
  童昌華等利用人工模擬的方法，在低溫季節(jié)用金魚(yú)藻等6種植物對(duì)養(yǎng)魚(yú)池污水進(jìn)行凈化處理。結(jié)果表明，低溫季節(jié)6種植物對(duì)總氮、總磷和硝態(tài)氮仍有較好的吸收效果，無(wú)論總氮，氨氮還是硝態(tài)氮狐尾藻的吸收效率都是最高。  
  2.2 水生植物對(duì)重金屬的去除  
  有許多種濕地植物對(duì)污染廢水中的重金屬具有極強(qiáng)的富集能力，這些植物體內(nèi)的重金屬濃度可達(dá)其生長(zhǎng)廢水中重金屬濃度的數(shù)百甚至數(shù)千倍。姜虎生等研究了蘆葦、水芹菜(Apium Graveolens)、香蒲3種水生植物對(duì)含鉻(Cr)污水的吸收和富集作用，結(jié)果表明蘆葦對(duì)Cr的去除率高于水芹菜和香蒲。  
  任珺等進(jìn)行了蘆葦、菖蒲、水蔥(Scirpus validus Vahl)對(duì)不同鎘(Cd)濃度和鋅(Zn)濃度的富集能力研究，結(jié)果表明：水蔥、菖蒲、蘆葦均能夠有效吸收水體中的Cd，菖蒲對(duì)水體中Cd具有最強(qiáng)的富集能力，蘆葦對(duì)Cd的富集能力最弱;菖蒲對(duì)Zn2+的吸收能力也高于水蔥和蘆葦。  
徐德福等以4種挺水植物為材料研究了對(duì)重金屬鋅的抗性和去除能力，結(jié)果表明：燈心草和菖蒲對(duì)鋅的抗性能力較強(qiáng)，茭白和美人蕉則較弱。而燈心草抗鋅毒害能力最強(qiáng)，當(dāng)處理鋅污染水體時(shí)，燈心草可作為一種工程植物。  
  2.3 水生植物耐鹽性研究  
  對(duì)于含鹽廢水，尤其是無(wú)機(jī)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量高,COD含量相對(duì)較低,不易生化降解的受污染的水體極易富營(yíng)養(yǎng)化。付春平等研究了香蒲濕地及水蔥對(duì)泰達(dá)地區(qū)高含鹽再生水的凈化效果。結(jié)果表明香蒲在鹽度高達(dá)4 800 mg/L時(shí)水質(zhì)凈化效果仍良好;水蔥對(duì)含鹽量高達(dá)5000 mg/L的污染水仍具有明顯的凈化效果。在泰達(dá)再生水景觀河道實(shí)際水體中,對(duì)COD、TN、NO3--N、NH3-N、TP、PO43--P的去除率分別為21.37%、61.84%、72.35%、9.30%、49.09%、56.52%,并且兩者都能夠降低水體的pH值。  
  不同水生植物的抗鹽度能力也不同，李雙躍等對(duì)蘆葦、香蒲、荷花3種水生植物在不同鹽濃度下的SOD、POD活性和MDA、葉綠素含量等進(jìn)行了研究。結(jié)果表明蘆葦?shù)哪望}性最強(qiáng)，高鹽度下對(duì)蘆葦?shù)纳�長(zhǎng)沒(méi)有很大影響。  
  2.4 根系分泌物及根際微生物對(duì)廢水凈化作用  
  植物-微生物相互作用主宰了陸地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能，可溶性根系分泌物為微生物提供了豐富的有效性碳源，根系分泌物是植物對(duì)環(huán)境條件本能反應(yīng)的一種特征物質(zhì)。植物和微生物進(jìn)行協(xié)同代謝過(guò)程，袁東海等通過(guò)對(duì)幾種濕地植物凈化生活污水COD、總氮效果比較發(fā)現(xiàn)，植被系統(tǒng)凈化污染物的能力一方面取決于植物的生物量，另一方面取決于植被根際微生物的硝化反硝化作用。魏成在不同植物組合條件下，研究了人工濕地系統(tǒng)的污染物去除效率與植物根際微生物群落的相互關(guān)系。結(jié)果表明，通過(guò)不同植物組合而成的濕地系統(tǒng)，可提高根際微生物群落功能多樣性，從而提高人工濕地污染物凈化的效率和穩(wěn)定性。  
  2.5 水生植物腐爛分解對(duì)水質(zhì)的影響  
  Tanner等在研究利用水生植物處理人工濕地污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，一定量的植物殘?bào)w可以促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的脫氮過(guò)程，但超過(guò)一定范圍，氮、磷去除率會(huì)減小。唐金艷等對(duì)6種水生植物進(jìn)行64天的腐爛分解試驗(yàn)，結(jié)果表明，水生植物在分解前期，會(huì)造成水體氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素激增和局部缺氧現(xiàn)象，但在分解后期，水體中硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮濃度開(kāi)始下降，還發(fā)現(xiàn)挺水植物蘆葦腐解過(guò)程中的水體化學(xué)需氧量、總氮和總磷濃度最低，水質(zhì)最好。  
  3 水生植物凈化污染水體的工程與應(yīng)用研究  
  3.1 凈化塘  
  水生植物塘具有較高的去污效能，其出水水質(zhì)，特別是對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物的去除，比普通氧化塘系統(tǒng)好得多。在城市環(huán)境與城市生態(tài)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，水生植物塘對(duì)磷和有機(jī)物一級(jí)降解速率比一般菌藻共生塘平均高出兩倍以上。楊鵬等利用三級(jí)凈化塘處理工藝對(duì)云南省某農(nóng)業(yè)生活與農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)行了生態(tài)攔截與修復(fù)，凈化塘主要植物為當(dāng)?shù)刂参铮�如茭白、蓮藕、洱海海菜、浮萍和鳳眼蓮等。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該工藝處理效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)水體中總氮、總磷和COD的累計(jì)去除率分別達(dá)到96.76%、95.08%和83.90%。  
  3.2 人工濕地系統(tǒng)  
  蘆葦和香蒲被國(guó)際上公認(rèn)是人工濕地的首選植物，其種植簡(jiǎn)單、繁殖能力強(qiáng)、管理要求粗放、處理效果好。Valipour用蘆葦和寬葉香蒲濕地系統(tǒng)凈化城市污水試驗(yàn)表明，BOD去除率達(dá)到86.59%。隋艷杰等研究也表明，用蘆葦作濕地植被，BOD、COD和SS去除效果好。成水平等研究顯示，香蒲、燈芯草人工濕地對(duì)COD的去除率均達(dá)94%以上。  
  3.3 生態(tài)浮床技術(shù)
  生態(tài)浮床技術(shù)是以水生植物為主體，運(yùn)用無(wú)土栽培技術(shù)原理，以高分子材料等為載體和基質(zhì)，應(yīng)用物種間共生關(guān)系和充分利用水體空間生態(tài)位和營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位的原則。該技術(shù)不受水位變化的影響，維護(hù)管理方便。在改善水域環(huán)境的同時(shí)，增加水產(chǎn)品產(chǎn)量，是一種有效的水體原位修復(fù)和控制技術(shù)。利用浮床植物系統(tǒng)修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體方面的工作已開(kāi)展很多年，也取得了一定的效果。周楠楠等研究了蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk)和美人蕉(Canna lily)2種浮床植物系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果，結(jié)果表明：2種浮床系統(tǒng)對(duì)水體銨氮的去除率分別為89%和39%;對(duì)總磷的去除率分別為85%和36%。
  3.4 根際過(guò)濾技術(shù)
  根際過(guò)濾技術(shù)主要用來(lái)處理放射性核素廢水、重金屬?gòu)U水以及富含營(yíng)養(yǎng)鹽的廢水。它利用超積累植物的根系從廢水中吸收、富集和沉淀污染物，是更經(jīng)濟(jì)、更適于現(xiàn)場(chǎng)操作的原位污染治理技術(shù)。超積累植物可以對(duì)根際土壤中重金屬活化，螯合土壤中的重金屬，還原土壤中的重金屬。超積累植物積累的Cr、Co、Ni、Cu、Pb含量一般在1 000 mg/kg以上,積累的Mn、Zn含量在10 000 mg/kg以上。目前,國(guó)際上報(bào)道的超積累植物已有500多種,但國(guó)內(nèi)有關(guān)水生植物對(duì)水體底泥重金屬超積累研究較少。
  3.5 對(duì)生活污水凈化
  王慶海通過(guò)模擬人工濕地的方法測(cè)試了幾種高等水生植物對(duì)生活污水的凈化能力，結(jié)果表明對(duì)氮、磷和COD去除情況總的來(lái)說(shuō)菖蒲的凈化能力高于蘆葦。于秋良實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：芹菜和吊蘭(Chlorophytum)對(duì)污水總磷的去除率分別為79.5%、88%，對(duì)銨態(tài)氮的去除率為80%、80.3%,對(duì)CODCr的去除率達(dá)71.2%、76.33%。
  3.6 對(duì)石油化工有機(jī)廢水凈化
  周元清等對(duì)慈菇、大薸(Pistia stratiotes Linn)、穗狀狐尾藻，進(jìn)行去除有機(jī)廢水中的污染物的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明3種植物對(duì)廢水凈化均有非常明顯的效果，其中穗狀狐尾藻對(duì)污染水體TN、TP的去除效率均在90%以上。
  劉建武等選用鳳眼蓮、水花生、浮萍、紫萍對(duì)2.5 mg/L的含萘污水進(jìn)行處理，7 d凈化率鳳眼蓮可達(dá)到97.1%。Soltan等研究發(fā)現(xiàn)，酚濃度為0.36 mg/L的溶液用鳳眼蓮凈化30~40 h，酚可降至0.005 mg/L。于方磊等研究了普生輪藻、豆瓣菜(Nasturtium officinale R. Br)和菹草對(duì)水體中苯的凈化作用，對(duì)苯的最大去除率分別達(dá)到35.26%、69.71%和55.45%，普生輪藻和豆瓣菜均在18℃時(shí)去除率最高，而菹草在溫度較低時(shí)活性較強(qiáng)，在8℃時(shí)去除效率最高，故夏秋季可選用豆瓣菜，冬季則可選用菹草。
  4 結(jié)論與展望
  綜上所述，挺水植物對(duì)氮、磷有較好的去除能力，對(duì)重金屬離子有較好的富集作用，耐鹽、凈化污水效果好。其代表植物蘆葦是水生植物塘的首選植物之一。浮水植物如鳳眼蓮、浮萍在凈化石化廢水、生活污水，對(duì)COD、BOD、NH3-N、TN和TP等污染成分都有很好的去除效果。尤其鳳眼蓮對(duì)毒物的吸收能力甚至高于蘆葦，鳳眼蓮、浮萍可作為生態(tài)修復(fù)的遴選物種。沉水植物中金魚(yú)藻，狐尾藻凈化修復(fù)能力很好，對(duì)有機(jī)物、重金屬、氮、磷等去除效果都可以達(dá)到較好效果。
  水生植物對(duì)水體的凈化能力與其生長(zhǎng)狀態(tài)關(guān)系緊密，環(huán)境溫度影響其生長(zhǎng)狀態(tài)。考慮季節(jié)溫度變化，第一：在工程設(shè)計(jì)上可以采用覆膜和改變生態(tài)位的越冬技術(shù)，覆膜即用無(wú)色透明的農(nóng)用塑料膜覆蓋植物群落，然后用大網(wǎng)孔的尼龍網(wǎng)罩在植物群落上,再將網(wǎng)壓入水中,使植株頂端沒(méi)于水面下5~10cm左右,將漂浮生態(tài)位改變?yōu)槌了�生態(tài)位。第二：考慮將兩種及以上不同溫度習(xí)性的水生植物共同種植來(lái)進(jìn)行凈化處理污染水體。如采用水生植物多種組合配置或多級(jí)水生植物串聯(lián)塘,形成一定的凈化層次,這樣有利于水生植物的生長(zhǎng)期和凈化功能的季節(jié)性交替互補(bǔ)。
  由于超積累植物的數(shù)量少,因而今后應(yīng)繼續(xù)尋找和開(kāi)發(fā)生物量大、超量積累有害重金屬的植物,尋找更多指示污染物有效性的野生或栽培植物;此外可采用先進(jìn)的基因工程技術(shù)改造植物,以獲得理想的超積累植物。
  水體中污染物的種類(lèi)繁多，進(jìn)一步的研究方向應(yīng)是加強(qiáng)植物的篩選、培育和合理搭配高效率的植物品種以滿(mǎn)足不同環(huán)境的修復(fù)需要。其他的措施應(yīng)還包括及時(shí)清理植物枯枝敗葉，防止腐爛分解，，如菹草在分解后期，會(huì)釋放大量的COD和TN進(jìn)入水體中，導(dǎo)致水體水質(zhì)變差。所以，在水生植物修復(fù)污染水體過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行全過(guò)程的管理，也是防止二次污染的一項(xiàng)很重要的工作。