沉水植物對(duì)水體水質(zhì)凈化效果的研究

摘要：沉水植物對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和水體凈化具有重要作用。本文從沉水植物對(duì)水體水質(zhì)凈化機(jī)理、水質(zhì)凈化效果闡述沉水植物修復(fù)對(duì)水體的凈化作用;分析了沉水植物修復(fù)在水體水質(zhì)凈化過程中的限制因素，認(rèn)為在實(shí)際工程建設(shè)中，沉水植物恢復(fù)應(yīng)結(jié)合水體環(huán)境特征、品種配置和種植方式，以及與其他工程技術(shù)聯(lián)合使用。

關(guān)鍵詞：沉水植物;凈化;影響因素

中圖分類號(hào)：X173 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）02-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.054

Abstract：Submerged macrophyte plays an important role in aquatic ecological rehabilitation and water purification.This paper expounds the purification function of the water by submerged macrophyte from the mechanism and the effect of the water purification.The influence factors in the purifying process of water by submerged macrophyte are analyzed. In the reconstruction of submerged macrophyte， the characteristics of the water environment， variety and configuration mode， planting patterns and combination with other engineering measures should be considered together.

Key word：Submerged Plants;Purification;Influence factor

沉水植物是水生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展程度的標(biāo)志，是水體保持良性循環(huán)的關(guān)鍵物種，在維持水生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性、增加水體自凈能力等發(fā)面具有重要作用。20世紀(jì)80年代起，沉水植物就逐漸被用于進(jìn)行水體治理和生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域。大量研究和工程實(shí)踐表明，通過構(gòu)建沉水植物進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，可明顯改善水體水質(zhì)，恢復(fù)水體生態(tài)，與其他技術(shù)相比，施工方便、成本低且安全持久，兼具提高水體觀賞價(jià)值[1-2]。

當(dāng)沉水植物作為水體中優(yōu)勢(shì)品種時(shí)，水體生物多樣性高，水體澄清透明度高，溶解氧水平高，而藻類等浮游植物較少，可見沉水植物在水生態(tài)系統(tǒng)中具有不可替代的作用。因此，沉水植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體中的恢復(fù)和重建已成為水生態(tài)領(lǐng)域重要內(nèi)容。本文從沉水植物對(duì)水體水質(zhì)凈化機(jī)理、水體的凈化效果以及沉水植物凈化影響因素等方面進(jìn)行探討，以期為沉水植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體（包括河道、人工湖等）治理提供參考。

1 沉水植物對(duì)水體水質(zhì)凈化機(jī)理

沉水植物是水生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，在維持水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和物種多樣性上起著決定性作用，對(duì)水體水質(zhì)的凈化具有重要作用。沉水植物對(duì)水質(zhì)的凈化作用主要是通過植物根系、莖和葉的直接吸收和吸附作用降低水體中的可溶性和懸浮性顆粒，以去除水體中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。同時(shí)為了適應(yīng)水體中多變的環(huán)境，沉水植物的根、莖和葉的表皮細(xì)胞排列緊密，可抵抗因水體污染受害導(dǎo)致的同化功能下降，提高了耐污能力。

沉水植物與水體接觸面積較大，形成天然的過濾層，可在莖葉表面通過吸附、離子交換和絡(luò)合等作用使懸浮性有機(jī)物沉降下來(lái)，也抑制了底泥中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的再懸浮速度。相關(guān)研究表明[3]，沉水植物的大量存在，可有效促進(jìn)懸浮性顆粒物的沉降作用，降低底泥沉積物再懸浮速度。另外，沉水植物光合作用產(chǎn)生的溶解氧可輸送至根系，改變根系周圍的氧化還原電位，在根系周邊形成復(fù)雜的溶解氧環(huán)境，為多種微生物的存在創(chuàng)造條件;沉水植物根際會(huì)釋放酶等分泌物，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，使大量微生物在基質(zhì)繁殖并形成了生物膜，使污染物被微生物分解代謝去除。蔚枝沁等[4]研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物生長(zhǎng)區(qū)域，底泥中二價(jià)鐵離子（Fe2+）被根際氧氧化為三價(jià)鐵離子（Fe3+），并與磷酸鹽結(jié)合形成鐵磷絡(luò)合物，抑制了底泥中磷酸鹽的釋放。

2 沉水植物對(duì)水體的凈化效果

2.1 穩(wěn)定水生態(tài)系統(tǒng)

沉水植物作為水生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，直接或間接為水生態(tài)系統(tǒng)中其他物種提供食物或養(yǎng)分，其中沉水植物的莖葉是魚類、底棲動(dòng)物等水生動(dòng)物的食物來(lái)源。沉水植物還可以為水生動(dòng)物，如小型魚類、螺類和蝦類等，提供逃避天敵的庇護(hù)場(chǎng)所和產(chǎn)卵棲息地。由此可見，沉水植物是維持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和物種多樣性的基礎(chǔ)，沉水植物的消亡，會(huì)影響其他生物的正常生長(zhǎng)和繁殖，使水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被破壞，食物鏈變短，水生態(tài)系統(tǒng)由穩(wěn)定型的“草型”水體往脆弱型“藻型”水體變化。

2.2 降低水體富營(yíng)養(yǎng)化因子

水體中富營(yíng)養(yǎng)化因子主要為氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，沉水植物可以通過直接吸收和轉(zhuǎn)化作用吸收水體和底泥中的氨氮、硝態(tài)氮以及可溶性磷酸鹽，合成自身蛋白質(zhì)、DNA等物質(zhì);還可以與微生物協(xié)同作用降解水體中的氨氮（NH3-N）、總磷（TP）和總氮（TN）。任文君等[5]利用白洋淀富營(yíng)養(yǎng)化的湖水和底泥室內(nèi)模擬沉水植物凈化效果研究發(fā)現(xiàn)，蓖齒眼子菜、馬來(lái)眼子菜、金魚藻和黑藻能有效降低水體中NH3-N、TP和TN濃度，試驗(yàn)21后，水體中NH3-N、TP和TN的去除率均可達(dá)70%以上。同時(shí)沉水植物還能通過富集作用降低水體中重金屬和小分子有機(jī)物濃度。吳玉樹等[6]發(fā)現(xiàn)菹草對(duì)水體和底泥的Cu、Pb、Zn、As具有較大的吸收量和富集量，其富集量與菹草覆蓋度為正相關(guān)關(guān)系。

2.3 提高水體透明度

沉水植物系統(tǒng)的構(gòu)建，可明顯提高水體透明度，它主要是通過以下四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：（1）降解有機(jī)物分子，使有機(jī)物分子轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)被水體中小型水生動(dòng)物或浮游動(dòng)物吸收，降低水體中懸浮性物質(zhì);（2）直接吸收、吸附水體中的懸浮物質(zhì);（3）通過根對(duì)底泥的固定作用，抑制底泥再懸浮，同時(shí)莖葉的存在可降低水體流速，減少水體波動(dòng)產(chǎn)生的底泥再懸浮[7];（4）為浮游動(dòng)物提供生長(zhǎng)和繁殖空間，通過浮游動(dòng)物的吞食作用降低懸浮物質(zhì)[8]。胡蓮[9]、鐘錚[10]等研究表明，沉水植物的存在，可以有效降低水體懸浮物（SS）濃度，提高水體透明度。

2.4 抑制藻類生長(zhǎng)

沉水植物和藻類都是水體中的初級(jí)生產(chǎn)者，而沉水植物作為大型水生植物，生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，對(duì)藻類生長(zhǎng)的抑制作用一方面是通過為浮游動(dòng)物提供棲息地，從而促進(jìn)浮游動(dòng)物的繁殖，借住浮游動(dòng)物的攝食作用減少藻類;另一方面是與藻類競(jìng)爭(zhēng)生態(tài)位，如空間、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等，以抑制藻類生長(zhǎng)。同時(shí)，沉水植物還可以分泌化感物質(zhì)，如焦性沒食子酸（PA）、兒茶酸（CA），2-甲基乙酰乙酸乙酯（EMA）[11]等物質(zhì)，破壞藻類細(xì)胞膜和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，影響藻類光合作用和呼吸作用以及細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，以抑制藻類的生長(zhǎng)。朱俊英等[12]研究發(fā)現(xiàn)，穗花狐尾藻分泌的多酚類物質(zhì)可以抑制銅綠微囊藻光合作用過程中電子的傳遞，而導(dǎo)致藻類不能正常生長(zhǎng)。

3 沉水植物凈化影響因素

3.1 沉水植物種類

沉水植物因?yàn)樯盍?xí)性不同，對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的需求不同，因此不同沉水植物對(duì)水體中氮磷的去除率具有顯著區(qū)別。不同沉水植物對(duì)水體中TN和TP的去除方式不同，主要去除方式可分為三類：第一類是通過同化作用將葉片、根莖等吸收的磷酸鹽合稱為蛋白質(zhì)、核酸、磷脂等自身成分去除;第二類是通過莖葉吸附水體中的懸浮物去除，其中莖葉分泌的助凝物質(zhì)會(huì)加速沉降速度;第三類是通過改變底泥氧化還原狀態(tài)抑制底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽釋放。金魚藻和黑藻對(duì)磷的去除主要屬于第一類，而篦齒眼子菜和馬來(lái)眼子菜對(duì)磷的去除主要屬于第二類或第三類;前者的去除率要大于后兩者的去除率。姚瑤等[13]模擬污水中沉水植物對(duì)氮、磷的凈化效果，發(fā)現(xiàn)對(duì)水體中氮的去除率排名為苦草>黑藻>大苦草>金魚藻，而對(duì)磷的去除率排名為黑藻>苦草>金魚藻>大苦草。徐志嬙等[14]發(fā)現(xiàn)，在伊樂藻、輪葉黑藻、菹草和金魚藻這四種沉水植物之間，輪葉黑藻對(duì)TN的去除率最高，菹草對(duì)氮素的耐受范圍最寬，伊樂藻對(duì)TP的去除率最高，對(duì)磷素的耐受范圍最寬。

3.2 種植方式

不同的栽種方式對(duì)沉水植物的存活率具有較大的影響。張聰?shù)萚15]通過采用扦插法、沉栽法和播種法研究不同沉水植物的恢復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)菹草用沉栽法種植成活率可高達(dá)79.1%，遠(yuǎn)高于播種法;而苦草和黑藻用扦插法成活率最大，可分別高達(dá)90%和78%。其可能的原因是菹草根系穿透能力強(qiáng)，而苦草和黑藻需要借助扦插法使根系固著在底泥中。

栽種密度和栽種品種的配置也影響沉水植物生長(zhǎng)和水體凈化效果。栽種密度低，單株沉水植物生長(zhǎng)空間大，但群落構(gòu)建速度慢;栽種密度高，個(gè)體之間生態(tài)位交疊嚴(yán)重，光照、營(yíng)養(yǎng)鹽等資源競(jìng)爭(zhēng)大，可能會(huì)產(chǎn)生副作用。不同初始密度對(duì)沉水植物的影響不同，隨著初始密度增大，穗花狐尾藻和伊樂藻的生長(zhǎng)受到抑制，而金魚藻單株生長(zhǎng)無(wú)明顯區(qū)別[16]。張萌等[17]進(jìn)行人工栽培模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，金魚藻在種植密度為4g/L時(shí)，凈化效果最好;穗花狐尾藻在種植密度2g/L時(shí)，凈化效果最好。

錢珍余等[18]研究不同沉水植物組合的凈化效果，發(fā)現(xiàn)苦草和輪葉黑藻的混合栽種，對(duì)水體中NH3-N、TP和CODMn的凈化效果最好，可分別達(dá)到62.6%、58.6%和40.2%。這可能是由于兩個(gè)品種所占據(jù)的生態(tài)位交疊較小，苦草對(duì)光的需求較小，一般生長(zhǎng)在水體下層，而黑藻一般出現(xiàn)在中層水體。

3.3 水體環(huán)境條件

水體環(huán)境條件包含水體中營(yíng)養(yǎng)鹽水平、溫度、pH、光照和透明度等外界條件，這些外界因素主要是通過影響沉水植物的生長(zhǎng)和繁殖情況影響沉水植物的凈化效率。沉水植物生長(zhǎng)需要吸收大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但如果水體中氮磷濃度過高，可能對(duì)沉水植物的生理產(chǎn)生脅迫，影響其正常生理活動(dòng)，抑制其生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致沉水植物死亡，導(dǎo)致二次污染。同時(shí)水體中氮磷含量過多，會(huì)促使藻類大量繁殖，降低水體透明度，影響了沉水植物的光照條件。水下光環(huán)境的惡化，是導(dǎo)致大多數(shù)沉水植物消亡的主要原因。光照會(huì)影響沉水植物的繁殖發(fā)育、生理形態(tài)和生理代謝。低光環(huán)境下，沉水植物會(huì)通過改變?nèi)~片的大小、厚度以及節(jié)間距來(lái)適應(yīng)低光環(huán)境，同時(shí)葉片也會(huì)出現(xiàn)羽化現(xiàn)象，植株生長(zhǎng)速度變慢[19]。溫度主要是通過影響沉水植物的生理活性，如過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）的活性，導(dǎo)致沉水植物正常的光合作用和呼吸作用以及其他的代謝過程受到干擾[20]。閆志強(qiáng)等[21]發(fā)現(xiàn)在15℃～35℃之間，黑藻、伊樂藻、狐尾藻和苦草對(duì)TP和CODCr的去除率隨著溫度升高而升高。pH會(huì)影響沉水植物對(duì)氮的去除，由于pH的升高，會(huì)促進(jìn)氨氣的揮發(fā)，改變微生物環(huán)境條件，從而影響水體中氮的去除。另外，不同沉水植物適應(yīng)的pH條件不同，如苦草、狐尾藻在偏堿性的環(huán)境下生長(zhǎng)旺盛，容易成為優(yōu)勢(shì)種。

3.4 底質(zhì)條件

沉積物可以為沉水植物提供固著點(diǎn)，還可以為沉水植物提供各種N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及礦物質(zhì)Fe、Mg等微量元素，影響沉水植物的生長(zhǎng)繁殖情況，從而影響沉水植物的凈化效果。沉水植物生長(zhǎng)所需的氮和磷大部分都是從沉積物中吸收。一般來(lái)說，營(yíng)養(yǎng)鹽豐富的底泥條件可以促進(jìn)植物分蘗，加快沉水植物的生長(zhǎng)量。但不同沉水植物在不同的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中生長(zhǎng)情況不同。陳開寧等[22]研究發(fā)現(xiàn)，苦草和馬來(lái)眼子菜在低營(yíng)養(yǎng)的沉積物中生長(zhǎng)較好，而輪葉黑藻在營(yíng)養(yǎng)水平較高的基質(zhì)中具有較高的適應(yīng)性。這可能由于苦草和馬來(lái)眼子菜根系發(fā)達(dá)，兩者對(duì)沉積物的沁氧能力較強(qiáng)，吸取沉積物中較多營(yíng)養(yǎng)鹽;黑藻可以在水體上層形成密集的植冠，因此可以在高營(yíng)養(yǎng)水平下生長(zhǎng)，但如果水體中銨鹽過多，可能會(huì)對(duì)黑藻產(chǎn)生生理脅迫，抑制其生長(zhǎng)。

4 總結(jié)與展望

沉水植物的生態(tài)修復(fù)可用于控制水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程，提高水體水質(zhì)，豐富并穩(wěn)定水體中其他物種的品種及生存環(huán)境以提高水體中生物多樣性。沉水植物自身能夠吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降低水體中氮磷含量，影響水生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)的循環(huán)方向和循環(huán)速度，控制藻類，改善水體環(huán)境。它對(duì)水體水質(zhì)的凈化效果受多種因素影響，如品種及品種的配置，栽種方式，種植密度，水體營(yíng)養(yǎng)鹽水平，溫度、光照、pH等環(huán)境條件以及底質(zhì)條件等。

在實(shí)際的建設(shè)中，通過沉水植物修復(fù)水體，提高水體水質(zhì)進(jìn)行水體改善工程時(shí)，應(yīng)注意：（1）根據(jù)實(shí)際的修復(fù)水體對(duì)象，綜合考慮水體環(huán)境特點(diǎn);（2）根據(jù)水體環(huán)境，可適當(dāng)結(jié)合其他措施，如提高水體透明度、引水稀釋、底泥清淤等工程措施創(chuàng)造適合沉水植物生長(zhǎng)繁殖的生態(tài)空間;（3）在沉水植物構(gòu)建初期，合理搭配沉水植物品種，選擇合適的種植密度和種植方式，尤其是先鋒種的品種選擇，以提高沉水植物的存活率和群落構(gòu)建的穩(wěn)定性。

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收稿日期：2019-12-27

作者簡(jiǎn)介：龔夢(mèng)丹（1990-），女，漢族，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)楹拥浪鷳B(tài)治理。