水体富营养化是全球性的水环境问题，我国现有湖泊2 700余个，总面积达9．1万km2。根据调查资料和国内外评价湖泊富营养化指标，我国比较典型的37个主要湖泊中，中营养型和中一富营养型的占55．8％，富营养型的占14．7％，重富营养型的占8．8％。中国90％以上的水域污染是因水体中的N、P含量过高而引起的富营养化造成的，而N、P则是植物生长最基本的必需营养元素。生物浮床技术是以可漂浮材料为基质或载体，将高等水生植物或陆生植物栽植到富营养化水域中，通过植物的根系吸收或吸附作用，削减水体中的氮、磷及有机污染物质，从而净化水质的生物防治法。日前一些文献中出现的“生物浮岛”、“人工生物浮床”、“生物浮床”、“人工浮岛”、“浮床无土栽培”等均为相同或类似的概念。

1  生物浮床的构建

    生物浮床技术是运用无土栽培技术原理，以可漂浮材料为基质或载体，采用现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术。应用生物浮床

技术，需没计制造一种浮力大、承载力强、耐水性好、不易老化，既能同定植物根系，又能保证植物生长所需的水分、养分和空气的浮体装置。其种类可根据构建方式和构建材料来划分。

1．1依据构建方式划分

    从构造上分，生物浮床可分为干式和湿式2种，水和植物接触的为湿式，不接触的为干式。

干式浮床植物根系与水体不接触，可改善水面景观，提高绿化率，但是不能够吸收水中的N、P等离子，对水体没有净化作用；湿式浮床解决了干式浮床不能净化水体的缺点，并且湿式浮床比干式浮床有更多的构建材料可供选择。其各自特点见表l。

1．2依据构建材料划分

根据构建所使用的材料，生物浮床可分为有机材料浮床、生物秸秆浮床和无机材料浮床l 3l。其优缺点，见表2。

有机材料浮床，最常见的是聚苯乙烯发泡塑料板浮床，设计制造时，根据植物的生长特点确定每块浮床模板尺寸及植物栽种孔穴的大小、间距，整体用u型铁钉、竹片和软绳，把设有植物栽种孔穴的浮床模板一块块连接而成。聚苯乙烯浮床质量小、浮力好，是目前生物浮床研究和应用使用最广泛的类型。宋祥甫等在浙江省开展的自然水域无土栽培水稻采用了规格为150 ClllXl00 crux5 CHl的聚苯乙烯发泡板浮床，张村侠等在浮床栽培绿叶蔬菜的研究中使用的也是泡沫板浮床。但聚苯乙烯泡沫是高分子聚合物，长期放置在水体中，对接触水体的人以及水生生物的健康存在很大的危害，在自然环境中，即使经过数百年，也无法被生物分解。

    作为农业生产的副产品，秸秆产量大、分布广、供应稳定。我国年产农作物秸秆中，有35％、约2．2亿t剩余秸秆未被合理利用。生物秸秆浮床，为秸秆利用提供了一个新途径。栽培床选用农作物秸秆如稻草、麦秆、向日葵秆、黄麻秆以及芦苇、山问杂草等材料捆扎而成，形状与大小可根据水域面积及方便操作而定。但是秸秆浮床易霉变、降解，以农作物秸秆稻草而言，其耐水性能极低，遇水和微生物会产生霉变、降解，并且长期浸泡会产生大量的褐色浸提物。因此选择合适的秸秆作为浮床材料或者发展新的秸秆预处理技术以增强秸秆的耐水性，是秸秆浮床发展面临的首要问题。

无机材料具有多孔结构，适合微生物附着而形成生物膜，有利于降解污染物质，浸泡时性质稳定。目前应用于浮床制造的无机材料有陶粒、蛭石等，但受到制作工艺和成本的限制，这类浮床材料目前还停留在实验室研究阶段，实际使用很少。

2浮床栽培的植物种类

    20世纪70年代前，采用直接在水域中种植挺水和沉水植物等来净化水体，收到一定效果，但由于大部分水生植物总的经济效益不高，且有些植物，如凤眼莲，具有很强的扩张能力，极易泛滥成灾，造成水体的二次污染，己不提倡大面积应用。而利用大生物(植物和动物)治理修复污染水域是目前研究和开发的主要方向。

生物浮床技术采用浮床陆生植物作为先锋植物种植于河湖水面，随着植物的生长，可以创造一个良好的水环境条件，大幅度减少水体中的过剩营养物，修复富营养化水体。陆生高等植物，如粮食作物、蔬菜、花卉和牧草等在污染水体净化方面有着广阔的应用前景ll~171。据不完全统汁，截至日前对用于净化富营养化水体的高等植物进行过研究的有近80余种。

2．1粮食作物

    粮食作物包括水稻、小麦、玉米等，其中水稻是生物浮床净化水体中最常见的作物之一。自1989年起，宋祥甫等在杭州开展人造浮体水卜种稻的探索，单季晚稻每667 m2产量达496 kg，连作晚稻每667 m2345 kg。在收获农产品、美化水域景观的同时，去除水体中导致富营养化的主要因素——氮和磷。

水稻作为常用的浮床栽培植物与其特殊生理结构是分不开的。水稻是沼生植物，其根部成熟区皮层部的气腔内存在发达的通气组织，与茎、叶的气腔相通，形成上下贯通的通气组织，使水稻具有较强的耐水性，而且水稻在水面栽培时，可随风飘动，抗倒伏能力强。

2．2蔬菜

    蔬菜作物生长周期短，生物量大，尤其是叶菜类蔬菜，对根基环境中的N、P、有机物等有着极大的吸收作用。

    刘淑媛等利用人工基质无土栽培水芹、水蕹菜等经济植物净化富营养化水，去除效果显著，取得很好的净化效果和经济价值。戴全裕等用丝瓜、水芹菜、水蕹菜、西洋菜、金针菜等经济作物净化酿酒废水，取得了很好的环境效益、经济效益和生态效益。

张村侠等在富营养化水体中浮床栽培生菜和苋菜，净化效果明显，28 d内，生菜对富营养化水体中的TN、NH4+-N、N03--N、TP、PO，一一P的去除率分别达到69．83％、85．41％、59．57％、76．58％和82．16％：苋菜对TN、NH4+-N、N03一-N、TP、P043一一P的去除率分别为74．9l％、89．58％、54．60％、78．53％和84．7l％。

2．3花卉、牧草及草坪草

    花卉、牧草及草坪草等不同于粮食和蔬菜作物，首先，它具有很强的生态适应性和抗逆性，表现在对盐碱、人工干扰、旱涝、极端高低温等有很强的耐受能力；其次，具有可塑性，不同生境下，可自我调节自身个体大小、种群数量及生长量。浮床栽培可选择观赏性及适口性好的杂草种类，生产花卉和饲草，以获得经济收益。目前，植物浮床净化水体的花卉、牧草主要有美人蕉、苇、荻、多花黑麦草、香根草、牛筋草、香蒲、葛蒲、石首蒲、海芋、土大黄、旱伞草、灯心草，等等。

    罗同源等在临江河河口建造人工浮床，栽植美人蕉、菖蒲、风车草和香根草，4种植物在动态的重污染河水中的成活率都在90％以上，对其浮床氮磷去除的贡献率，大小依次为美人蕉>风车草>菖蒲>香根草；4种植物对氮磷的吸收，分别占浮床系统去除量的23．7％-38．7％和55．6％～79．6％。

    牛昶等在经过二级处理后的再生水中利用浮床种植高羊茅、草地早熟禾、匍匐剪股颖3种草坪草，试验中，高羊茅和匍匐剪股颖的长势较好，生长速度快、根系发达，对富营养化水体的治理效果较好，并且具有较好的美化和绿化效果，为浮床栽培生产草坪的可行I生提供一定的试验依据。3生物浮床净化水体机制

    生物浮床对富营养化水体有一定的净化功能，综合生物浮床以及人工湿地的相关研究，总结其净化水体的机制主要表现在以下几点：

    (1)浮床植物的吸收、吸附作用。传统的水生植物修复富营养化水体，植物从底泥中吸收氮、磷，对氮磷的同化吸收只占全部去除量的很小一部分，约占2％～5％[22-241。浮床植物具有庞大的根系且分布在水中，与水体接触面积大，大量吸收水体中的N、P，吸附水体中的悬浮物、胶体等污染物。林艳研究表明，在水芹菜、风车草和水蕹菜净化富营养化水体时，植物本身对N、P营养物质的吸收利用以及植物根系对水体中悬浮物和胶体等的吸附是这3种植物对水体净化的主要机制。

    (2)浮床对污染物的吸附作用。无机材料浮床和植物秸秆浮床，都具有较大的表面积，和水体接触时，水肥吸附性能好。无机材料浮床具有较高的阳离子交换容量和较强的阳离子交换吸附能力，可吸附部分离子；植物秸秆与无机材料类似，可吸附水中的悬浮物、胶体，并且可能具有一定的离子吸附能力。

    (3)浮床对微生物的附着作用。微生物可分解水体中的有机物，同时吸收部分物质进行微生物的机体构建。但在自然水域中，随着微生物数量的增长，微生物会逐渐聚集到一起，最终沉到水底。而浮床和植物根系有庞大的表面积，可供微生物附着，形成一层微生物膜。

    (4)浮床栽培植物、浮床材料及微生物的协同作用。高等植物有完善的供氧途径，可将氧气从上部输送至根部，从而在根区或根际形成一种好氧环境，这一环境能刺激有机物质的分解及硝化细菌的生长，同时浮床材料的吸附作用，在浮床周围形成较高浓度的营养坏境，供植物吸收利用；反硝化通常是最终除氮的关键步骤，而缺氧是进行反硝化作用的必要条件(氧化还原电位低于300 mV)，在高等植物的根际周围，同时还存在着还原微环境，为反硝化细菌的生长提供了条件。因此，硝化一反硝化作用可以在根际同时发生。

    目前，浮床栽培所选用的植物种类都是从已有的自然品种中选择耐水性好、对营养物质吸收量较大的植物。随着生物浮床技术的发展与逐步推广应用，可尝试通过生物技术手段，以求培育一种更加适合的用于生物浮床技术的吸收植物，以达到对水体更好的净化作用。

4生物浮床存在的问题

    经过几十年的研究发展，生物浮床技术得到极大完善，然而其仍处于试验与示范阶段，存在一些问题和不足。

    (1)生物浮床净化水体的机制不明确。一直以来，对生物浮床净化水体的研究集中在浮床植物净化水体的效果以及浮床植物种类的筛选上，而对净化机理的研究较为片面且不深入，相关的污染物消减动力学模型的研究则是处于起步阶段。

    (2)生物浮床栽培不易进行标准化推广应用。不同的湖泊河流，其富营养化水平不同，水流、温度、风速、水体波动等都各不相同，需要相应的浮床设计组合和浮床植物种类搭配，很难制定一个统一的标准予以推广应用。

(3)难以推行机械化。生物浮床漂浮在水面上，日常的管理均在水面上完成，目前其管理操作大多采用人工完成，在小面积的试验示范中尚可，若大面积推广，尤其是生物浮床栽培蔬菜，需要经常、及时采收，人工操作就不能满足需要，限制其发展。

5生物浮床应用前景

    生物浮床技术改变了以往水体污染物净化只有投入没有产出的状况，可同时获得生态效益和一定的经济效益，可以更好地调动人民的积极性，从而使得这一技术具有更为广阔的应用前景。

    生态效益：生物浮床的投放，在富营养水域种植植物，吸附、吸收利用水体的营养物质，进行原位处理，不另外占用土地，改善水面景观。同时浮床本身具有适当的遮蔽、涡流、饲料等效果，创造一个良好的生态小环境，构成了鱼类生息的良好条件，提高生物多样性。

    经济效益：与富营养化水体治理的传统技术相比，人工生物浮床的建设、运行成本较低。2块500 m2的浮床造价在80万元左右，相对传统治污技术，生物浮床的工艺费用节省了50％以上，而生物秸秆浮床取材方便，造价更低。此外，浮床种植的植物可选择经济价值高的蔬菜、花卉等，采后销售，获得经济效益。

    近年来，随着经济的迅猛发展，河流、湖泊、池塘等水体的水质污染已日趋严重，富营养化程度不断加深。因此，净化水质、改善水域生态环境亦成为重大的社会问题。生物浮床技术是集物理、化学以及生物防治的综合防治方法，能同时获得生态效益与经济收益，具有单一防治方法所不具备的优势。虽然目前生物浮床技术仍存在一些问题，但随着研究的深入与技术的成熟完善，生物浮床技术必将在富营养化水体的净化中起到重要作用。

马克星，吴海卿，朱东海，穆  鑫

(1．中国农业科学院农田灌溉研究所；2．华北水利水电学院)

农业环境与发展 2011（2）