沉水植物與富營養(yǎng)化水體恢復(fù)的關(guān)系研究

肖淑燕

摘要：闡述了沉水植物在富營養(yǎng)化水體生態(tài)恢復(fù)中維護(hù)生態(tài)的完整性和穩(wěn)定性、凈化水質(zhì)的生態(tài)功能和作用，探討了沉水植物對(duì)水體水質(zhì)的影響，并介紹了受損水體沉水植被的生態(tài)恢復(fù)方法，展望了沉水植物在富營養(yǎng)化水體處理中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：沉水植物；富營養(yǎng)化；生態(tài)恢復(fù)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2014）09001903

1引言

目前，中國湖泊污染情況嚴(yán)重，部分湖泊甚至成為納污水體[1]。盡管已有大量針對(duì)湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)狀及產(chǎn)生的原因開展研究，但仍未有效控制我國湖泊富營養(yǎng)化加強(qiáng)的趨勢(shì)。在各種工程治理措施未能取得良好和持續(xù)的效果情況下，水生植物以其較好的凈化效果、良好的經(jīng)濟(jì)效益、簡單易行和有利于重建和修復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)等特點(diǎn)，已得到了研究人員的關(guān)注和重視，并已被逐步用于富營養(yǎng)化水體修復(fù)的研究和實(shí)踐中[2]。

沉水植物是指植物體（根莖葉）全部浸沒于水層下生存的完全和典型的水生植物，部分沉水植物僅在開花時(shí)露出水面。沉水植物的根有時(shí)不發(fā)達(dá)或完全退化，沉水植物的各部分都可吸收水分和養(yǎng)料，通氣組織特別發(fā)達(dá)，有利于在水中缺乏空氣的情況下進(jìn)行氣體交換。常見的沉水植物有苦草、馬來眼子菜、伊樂藻、金魚藻、黑藻、石龍尾等。

沉水植物作為水生植物的重要組成部分，在水生生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的初級(jí)生產(chǎn)者的作用。當(dāng)沉水植物在水體生態(tài)系統(tǒng)中生長豐富時(shí)，其所在水體環(huán)境可表現(xiàn)為水質(zhì)清澈、溶解氧高、藻類少、生物多樣性高等特點(diǎn)。因此，富營養(yǎng)化水體中沉水植物的恢復(fù)與重建已成為水生環(huán)境生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容[3]。本文對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行綜述，探討了沉水植物的生態(tài)環(huán)境功能及其在富營養(yǎng)化水體生態(tài)恢復(fù)中的關(guān)系，旨在為富營養(yǎng)化水體的生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

2沉水植物在水體生態(tài)系統(tǒng)中的功能

2.1影響水體流速和含沙量

沉水植物通過其自身的彈性扭曲而影響水流速度，進(jìn)而留住和去除水體中的顆粒物。但沉水植物本身也會(huì)因其扭曲限度限制，對(duì)水體流動(dòng)速度的減緩和影響有一個(gè)極限。沉水植物對(duì)流速的影響力通常與其自身的植株高度成正比[4]。沉水植物可減少水體含沙量，有研究表明在夏秋季與冬春季沉水植物恢復(fù)后，水體平均含沙量較自然條件下分別降低了11.11%和11.15%[5]。

2.2維持水體生物多樣性

沉水植物可有效提高空間生態(tài)位，優(yōu)化水體水下光照和溶解氧含量等因素，可為復(fù)雜的食物鏈提供棲息場所、食物和其他環(huán)境必備條件，也間接地促進(jìn)了肉食食物鏈，是維持水體生物多樣性的基礎(chǔ)[6]。

沉水植物的衰敗或消亡，將導(dǎo)致水體中浮游藻類大量繁殖，使浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物乃至魚類等水生動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)趨于簡單化，使得水體系統(tǒng)的生物多樣性降低。有研究發(fā)現(xiàn)，水草（沉水植物）豐富的東太湖底棲硅藻、底棲動(dòng)物種類與數(shù)量和價(jià)值高的經(jīng)濟(jì)魚類種類與數(shù)量均較水草受破壞的西太湖多[7]。沉水植物表面還伴生有大量藻類、原生動(dòng)物和螺類等，一旦沉水植物消失，將使得水體生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致食物鏈縮短，將嚴(yán)重影響水體生物群落結(jié)構(gòu)[8]。

2.3改善水體環(huán)境

沉水植物的生長和分布受水體環(huán)境的光強(qiáng)、水溫和礦物營養(yǎng)元素等環(huán)境因子影響較大。沉水植物的光補(bǔ)償點(diǎn)決定其在水下可分布的最大深度、光合產(chǎn)量及競爭能力[9]。正是由于這種特征，在所有水生植物中，沉水植物具有較強(qiáng)的水體凈化能力。

為適應(yīng)水體環(huán)境中的生長，沉水植物的莖和葉都與根一樣具有較強(qiáng)的吸收作用，且皮層細(xì)胞含有葉綠素，能夠進(jìn)行光合作用。正是由于沉水植物的這些特征和結(jié)構(gòu)，其對(duì)水體中富營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬的吸收都有很強(qiáng)的能力[7]。研究表明：一般情況下，沉水植物體內(nèi)的氮含量為13mg/g，磷含量為3mg/g以上，以一個(gè)面積為30km2的中型湖泊為例，如果植物生物量平均為500g/m2DW，那么沉水植物可固定的氮為195t，磷為45t，另外，沉水植物還具有過量吸收營養(yǎng)元素的能力[10]，這一顯著的特征可有效改善水體環(huán)境，修復(fù)水體富營養(yǎng)化。

3沉水植物對(duì)水體水質(zhì)的影響

3.1透明度

沉水植物通過吸附和吸收水體中生物性和非生物性懸浮物，從而提高水體透明度，這是沉水植物對(duì)水體環(huán)境優(yōu)化的最顯著的表現(xiàn)。

沈耀良等[11]研究表明，隨著沉水植物對(duì)氮、磷等營養(yǎng)鹽的吸收，水體濁度有明顯的改善效果，3種沉水植物對(duì)提高水體透明度的凈化能力表現(xiàn)為：伊樂藻效果最好、苦草次之、金魚藻相對(duì)較差。這說明，沉水植物伊樂藻不僅生長速度快，而且具有良好的吸附和吸收水體中懸浮物質(zhì)的能力。

3.2溶解氧（DO）

挺水植物、浮水植物和沉水植物這3種典型的水生植物中，挺水植物產(chǎn)生的氧氣完全釋放于空氣中，浮水植物僅有少部分的氧氣溶入水中。只有沉水植物所產(chǎn)生的氧氣全部釋放于水中，因此，沉水植物的生長對(duì)增加水體含氧量的貢獻(xiàn)和作用最大[12]。

研究表明：在沉水植物生長較好的水體中，其溶解氧含量要明顯高于比缺乏沉水植物或者只以浮水植物為主的水體[9]。黃文成[13]的研究同樣證實(shí)了浮水植物水體中的溶解氧大大低于沉水植物水體中的溶解氧，這說明在沉水植物較多的水生生態(tài)系統(tǒng)中水體的溶解氧較高。沉水植物的生長不僅能提高水體的溶氧，還有利于形成水體的弱堿環(huán)境。

3.3化學(xué)需氧量（COD）

沉水植物可使水體中溶解氧的提高，有利于增強(qiáng)水體中微生物對(duì)污染物的降解作用[14]，因此沉水植物同樣也能降低水體中COD。黃文成[13]研究表明，在有沉水植物存在的水體環(huán)境，COD都遠(yuǎn)低于無沉水植物分布的水體，以沉水植物為基礎(chǔ)的水生生態(tài)系統(tǒng)遠(yuǎn)優(yōu)于浮水植物為基礎(chǔ)的水生生態(tài)系統(tǒng)。

3.4總氮（TN）

沉水植物能有效地吸收水體中富余的氮營養(yǎng)元素以用作自身生長。包先明等[15]研究表明苦草、馬來眼子菜、伊樂藻、金魚藻、黑藻和石龍尾這六種沉水植物在太湖污染水體生長的某個(gè)階段中對(duì)水體總氮濃度從4716mg/L降低到0666mg/L、076mg/L、0593mg/L、0606mg/L、0546mg/L和0685mg/L，去除率分別達(dá)到859 %、837 %、874 %、871 %、884 %和855 %，說明這幾種典型的沉水植物對(duì)水體中的氮營養(yǎng)鹽的去除具有顯著成效。有時(shí)天氣會(huì)影響沉水植物凈化水體的效果，但沈耀良等[11]研究表明沉水植物吸收和去除水體中氮元素的效果受天氣的影響不大。endprint

3.5總磷（TP）

水體中過量的磷元素是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵原因，沉水植物對(duì)水體和沉積物中磷的吸收和去除同樣具有重要的作用。

包先明等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)開始未種植沉水植物時(shí)，沉積物中總磷的含量隨深度的增加，其垂向變化沒有明顯規(guī)律。在沉水植物恢復(fù)生長后，沉積物中總磷的濃度有明顯的降低，主要是由于沉水植物通過根系的直接吸收。從垂直方向看，表層0～4cm總磷含量降低的程度相對(duì)大于下層，這主要與沉水植物的根系較不發(fā)達(dá)和其根系主要集中在沉積物的表層有關(guān)[16]。

包先明等[15]研究對(duì)于總磷的去除效果可以看出，苦草、馬菜眼子菜、伊樂藻、金魚藻、黑藻和石龍尾這6種沉水植物使水體中總磷的濃度從0.459mg/L都降低到0.004mg/L，去除的效率都達(dá)到了99.1%，這足以說明沉水植物可以高效的吸收和去除水體中的總磷含量。

3.6葉綠素a

沉水植物能降低水體中葉綠素a的含量，抑制藻類生長，提高水體透明度，改善水質(zhì)。沉水植物的生長能降低對(duì)水體中葉綠素a的含量，尤其是在開始生長階段，效果十分顯著[15]，這主要是由于沉水植物和浮游藻類在營養(yǎng)物質(zhì)和光照的利用上存在競爭關(guān)系，沉水植物生長周期長，個(gè)體較大，吸收和儲(chǔ)存營養(yǎng)物質(zhì)的能力較強(qiáng)，從而抑制了浮游藻類的生長[17]。這說明沉水植物能夠抑制浮游藻類的生長，從而降低和去除水體中葉綠素a，以緩解水體富營養(yǎng)化的趨勢(shì)。

3.7化感作用

沉水植物的化感作用可認(rèn)為是沉水植物的克藻效應(yīng)。沉水植物能夠分泌抑制藻類生長的化感物質(zhì)，并且這些化感物質(zhì)是水生植物生長過程中產(chǎn)生的次生代謝物質(zhì)，一般能在自然條件下降解，不會(huì)在水生生態(tài)系統(tǒng)中長期積累，不會(huì)破壞水生生態(tài)系統(tǒng)的安全性。將沉水植物產(chǎn)生的這些化感物質(zhì)應(yīng)用于水體藻類控制具有良好的應(yīng)用前景[18]。研究表明沉水植物如穗狀狐尾藻、水盾草能夠有效抑制銅綠微囊藻、水華魚腥和小席藻在水體中的生長[19]。利用沉水植物的克藻效應(yīng)，提高水體的自凈能力，已成為修復(fù)湖泊富營養(yǎng)化的一種重要生物措施。

4沉水植被對(duì)富營養(yǎng)化水體的生態(tài)恢復(fù)

沉水植物的出現(xiàn)是湖泊富營養(yǎng)化發(fā)展過程中自然選擇的結(jié)果。高等沉水植物種群的減少是健康水生態(tài)系統(tǒng)退化的重要變現(xiàn)[20]。因此對(duì)富營養(yǎng)化水體沉水植被的修復(fù)對(duì)維持良好水生生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

沉水植物的恢復(fù)是湖泊水生植被恢復(fù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。沉水植物主要都浸沒于水下生長，因而對(duì)水深和水下光照條件的要求都較高。在修復(fù)沉水植物時(shí)，應(yīng)根據(jù)湖區(qū)沉水植物分布現(xiàn)狀、底質(zhì)、水質(zhì)現(xiàn)狀等因素，選擇不同生態(tài)學(xué)特性的先鋒種進(jìn)行種植。沉水植物恢復(fù)時(shí)，應(yīng)從水淺的岸邊開始，并在較低水位的季節(jié)進(jìn)行。水體污染嚴(yán)重或直接種植沉水植物難以存活時(shí)，可先種植浮水植物（如鳳眼蓮、大藻等）對(duì)水體先進(jìn)行凈水，待水體透明度提高后再種植沉水植物[21]。因此要根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w自然條件因地制宜、因時(shí)制宜在時(shí)間和空間上予以優(yōu)化組合，使不同種群在整體上互補(bǔ)共生，適應(yīng)季節(jié)和環(huán)境變化[22]。

在利用沉水植物的組建技術(shù)進(jìn)行水體水質(zhì)凈化或進(jìn)行退化水體生態(tài)修復(fù)時(shí)，一定要考慮各種生態(tài)因子（如光照、pH值、營養(yǎng)鹽、重金屬、懸浮顆粒物及著生藻類）對(duì)沉水植物修復(fù)的影響[23]。

5沉水植物在富營養(yǎng)化水體恢復(fù)中的研究展望

水體富營養(yǎng)化從本質(zhì)來看是生態(tài)問題，而生態(tài)問題應(yīng)采用生態(tài)的方法來解決，所以應(yīng)堅(jiān)持以生態(tài)修復(fù)技術(shù)恢復(fù)富營養(yǎng)化水體。在水體生態(tài)恢復(fù)過程中，將工程和生物措施結(jié)合起來的生態(tài)修復(fù)技術(shù)如沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體，對(duì)水體富營養(yǎng)化的治理具有顯著成效。但仍存在需要深入研究的問題，如凈化效果較好的沉水植物在自然的水生生態(tài)系統(tǒng)中能否繼續(xù)穩(wěn)定生長并持續(xù)發(fā)揮作用，沉水植物的后續(xù)開發(fā)利用等，均待進(jìn)一步深入研究和實(shí)踐。因而，在未來富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)中，必須重視將各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用，以更有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)富營養(yǎng)化水體的治理和恢復(fù)。

2014年9月綠色科技第9期參考文獻(xiàn)：

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