水生植物在水環(huán)境生態(tài)修復(fù)中的凈化作用與配置原則

王嘉偉

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200335)

1 引言

隨著全國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加速，城市的工業(yè)體量與人口密度大大增加，導(dǎo)致城市水體的污染負(fù)荷越來(lái)越大。在城市發(fā)展初期，城市水體的重點(diǎn)主要集中于防洪排澇，從而忽視了其生態(tài)、景觀等功能，導(dǎo)致水環(huán)境問(wèn)題日益突出[1]。這不僅對(duì)自然環(huán)境造成了極大的危害，也嚴(yán)重影響了居民的生活質(zhì)量與身心健康。因此城市水環(huán)境的治理，對(duì)提升城市形象、維護(hù)城市生態(tài)平衡、改善人民居住環(huán)境具有重大意義。

生態(tài)修復(fù)作為水環(huán)境治理“外源減排、內(nèi)源清淤、水質(zhì)凈化、清水補(bǔ)給、生態(tài)恢復(fù)”技術(shù)路線的重要環(huán)節(jié)，是維持水體底質(zhì)、水質(zhì)及水生生物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，最終實(shí)現(xiàn)水體長(zhǎng)治久清的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)受污染水體向生態(tài)之河蛻變的重要手段[2]。近年來(lái)，有關(guān)生態(tài)修復(fù)的研究已經(jīng)成為河道湖泊綜合治理的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。生態(tài)修復(fù)從技術(shù)層面可分為物理結(jié)構(gòu)修復(fù)、水質(zhì)生態(tài)凈化、生物群落恢復(fù)3部分。其中，水生植物的恢復(fù)是生物群落恢復(fù)的重點(diǎn)內(nèi)容，也是恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵標(biāo)志[3]。本文在查閱近年來(lái)國(guó)內(nèi)外城市水環(huán)境生態(tài)修復(fù)的成功案例基礎(chǔ)上，主要對(duì)水生植物在生態(tài)修復(fù)的作用與選擇進(jìn)行綜述，為水生植物在城市生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用與管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 水生植物的作用

水生植物是指植株的部分或全部可以長(zhǎng)期在水體或含水飽和的基質(zhì)中生長(zhǎng)的植物。水生植物不僅是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，還在物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)方面起調(diào)節(jié)作用。在城市水環(huán)境生態(tài)修復(fù)中，水生植物的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在湖濱河岸生態(tài)帶、人工濕地、生態(tài)浮床等方面，其在生態(tài)修復(fù)中的作用機(jī)制主要包括物理化學(xué)作用、吸收作用、協(xié)同作用和化感作用。

2.1 物理化學(xué)作用

物理化學(xué)作用是水生指植物對(duì)水中的有機(jī)質(zhì)顆粒進(jìn)行攔截、沉降、吸附，植物較大的比表面積是水中污染顆粒與微生物的良好載體[4]。水生植物可以通過(guò)其根系周?chē)木z團(tuán)可以使懸浮性有機(jī)物沉降下來(lái)[5]。曹蓉等[6]通過(guò)研究生態(tài)浮床的去磷機(jī)質(zhì)發(fā)現(xiàn)蘆葦對(duì)磷去除方式主要為沉淀，吸收僅占去磷總量的36%。另外，水生植物群落帶可攔截、凈化地表徑流夾帶的泥沙和其他污染物，減輕湖泊、河道、渠塘的污染負(fù)荷；能夠有效地減輕波浪對(duì)岸線和水體的沖擊，消浪防蝕、穩(wěn)定水體、防止底泥懸浮，從而減輕湖泊、河道、渠塘等水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度和生態(tài)破壞。

2.2 吸收作用

水生植物可以通過(guò)同化作用將水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)換為自身的組成物質(zhì)，也可以通過(guò)代謝作用將其轉(zhuǎn)換為二氧化碳和水[7]。隨著植物的生長(zhǎng)，需要定期對(duì)植物進(jìn)行收割，否則植物的凋落物進(jìn)入水中，會(huì)對(duì)水體造成二次污染[8]。不同的氣候、不同的物種、不同的污染源，都會(huì)影響植物吸收污染物的效果。金樹(shù)權(quán)等[9]發(fā)現(xiàn)在相同條件下，輪葉黑藻、苦草、金魚(yú)藻、穗狀狐尾藻、微齒眼子菜對(duì)水體的N、P吸收能力不同，大小順序均為：輪葉黑藻>金魚(yú)藻>苦草>穗狀狐尾藻>微齒眼子菜。左倬等[10]發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)表流濕地中水生植物對(duì)微污染原水中N、P的吸收率不同。

城市水體中往往存在一些重金屬具有毒害作用，但是一些水生植物可以通過(guò)螯合作用和區(qū)室化作用來(lái)耐受并吸收水體中的重金屬和有毒污染物[11]。例如，鳳眼蓮在受到重金屬誘導(dǎo)時(shí)可以產(chǎn)生具有重金屬絡(luò)合作用的金屬硫肽[12]。這些生物機(jī)制的存在使許多水生植物具有消除重金屬的功能。

2.3 協(xié)同作用

水生植物可與微生物協(xié)同降解水中的N、P等污染物。植物將光合作用產(chǎn)生的氧氣與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)體內(nèi)運(yùn)輸送至發(fā)達(dá)的根系，在根系周?chē)鷷?huì)形成有氧區(qū)域和無(wú)氧區(qū)域共存的狀態(tài)，使得水中的好癢、兼性和厭氧微生物各得其所，發(fā)揮出較強(qiáng)的凈化作用[13]。李林鋒等[14]發(fā)現(xiàn)在人工濕地中水生植物N、P的吸收率分別僅占總?cè)コ实?.6%～17.3%和1.4%～41.2%，與微生物的協(xié)同作用是發(fā)揮植物生態(tài)效應(yīng)的關(guān)鍵。Dierberg等[15]發(fā)現(xiàn)水生植物可以通過(guò)與微生物的協(xié)同作用去除農(nóng)田徑流中的溶解磷。

2.4 化感抑制作用

水生植物產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物可以抑制水中藻類(lèi)的繁殖[16]。目前，有關(guān)水生植物化感抑制作用的研究是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有幾十種水生植物具有該機(jī)制，這種抑藻機(jī)制是其在水生生態(tài)系統(tǒng)中競(jìng)爭(zhēng)資源的策略。

不同水生植物具有抑藻活性的部位不同，并且植物產(chǎn)生的化感物質(zhì)對(duì)藻類(lèi)的抑制存在選擇性。胡廷尖等[17]對(duì)鳳眼蓮不同部位提取物的抑藻率進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮根部的甲醛提取液對(duì)銅綠微囊藻的抑制效果最佳。董穎娜等[18]對(duì)香蒲的各個(gè)部分提取液的抑藻作用進(jìn)行了比較，結(jié)果表明香蒲各個(gè)部分的浸提液抑藻強(qiáng)度為葉>根>蒲黃，其中葉提取液的抑藻率可以達(dá)到72.35%。Li等[19]人從蘆葦中分離出了抗藻物質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)可以抑制銅綠微囊藻的生長(zhǎng)，但不能抑制小球藻的生長(zhǎng)。

3 水生植物的配置

水生植物按照生活型通?？梢苑譃橥λ参铩⒏∪~植物、漂浮植物、沉水植物4個(gè)類(lèi)型。挺水植物主要生長(zhǎng)在淺水或水陸過(guò)渡帶，根莖扎入泥中，莖葉氣生；浮葉植物的根莖扎入泥中生長(zhǎng)，無(wú)地上莖或者地上莖柔軟，葉和花漂浮或者半挺立于水面；漂浮植物根系通常退化或者成錐形，并不扎入土壤，植株漂浮于水面，隨水流或風(fēng)浪移動(dòng)；沉水植物整個(gè)植株位于水中，根扎入泥中生長(zhǎng)，莖葉沉水生長(zhǎng)。目前，全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的水生植物可達(dá)到上成百千種，而常用于生態(tài)修復(fù)中只有幾十種。不同的水生植物在不同條件下，其去污效果、成活率、供氧能力、生長(zhǎng)情況等存在著顯著差異[20]。因此，在水環(huán)境生態(tài)修復(fù)中篩選合適的水生植物，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建立和功能的恢復(fù)有極大意義。水生植物的配置原則應(yīng)當(dāng)考慮以下幾個(gè)方面：①耐污性強(qiáng)，凈化效果好；②滿足種植要求；③構(gòu)建空間搭配合理的植物群落；④慎用破壞生態(tài)平衡的物種。

3.1 耐污性強(qiáng)，凈化效果好

水生植物的耐污性和去污性是配置水生植物的首要條件。不同的水生植物所發(fā)揮的生態(tài)凈化功能不同(表1)，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)污水性質(zhì)配置不同的水生植物。如果水中主要污染物為生化需氧量(BOD)、硝酸鹽、亞硝酸鹽時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇根系較大，輸氧能力較強(qiáng)的植物。研究顯示，藨草根系可延伸到湖底以下0.76 m深的位置[21]；蘆葦?shù)母瞪疃瓤梢源笥?.7 m；燈芯草的根系深度約為0.6 m[22]。這些植物發(fā)達(dá)的根系可以給微生物提供良好生存環(huán)境，以促進(jìn)BOD、硝酸鹽、亞硝酸鹽的消除。

續(xù)表1

3.2 滿足種植要求

水生植物種植要求一般要從水位情況和環(huán)境因素兩個(gè)角度出發(fā)進(jìn)行考慮。不同種類(lèi)的水生植物對(duì)水位的適應(yīng)性差異較大，這是植物成活和生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一。挺水植物通常生長(zhǎng)在水面以上的水陸交錯(cuò)帶至常年水深0.3 m的區(qū)域；浮葉植物則大多生長(zhǎng)在水深0.2～0.8 m；漂浮植物由于根系不扎入土壤，常年漂浮在水面之上，其生長(zhǎng)對(duì)水深的要求較低，僅需大于0.1 m；沉水植物由于生長(zhǎng)在水面以下，水體需要滿足能夠透過(guò)水面看到植物形態(tài)的狀態(tài)，保證植物可以進(jìn)行光合作用，其生長(zhǎng)水深通常為0.5～3 m[4]。通過(guò)比較常用水生植物適宜水深范圍(表2)，可以發(fā)現(xiàn)相同生活型而不同物種間對(duì)水深和水體透明度的要求差異較大，所以在進(jìn)行水生植物配置時(shí)要充分了解每種植物的水深要求。

我國(guó)幅員遼闊，氣候差異較大，水生植物在配置時(shí)必須考慮當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境因素，否則植物難以達(dá)到預(yù)期的凈化效果。當(dāng)?shù)丨h(huán)境中的光照條件、溫度、土壤鹽堿性對(duì)應(yīng)植物的耐陰性、耐寒性、耐鹽堿性，要根據(jù)植物的這些特性選擇適合當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的植物。研究顯示，菖蒲在不同光照條件下對(duì)水中藻類(lèi)的抑制效果不同[28]。張治宏等[29]發(fā)現(xiàn)溫度會(huì)影響水生植物在逆境下自我調(diào)節(jié)能力的強(qiáng)弱。劉文竹等[30]研究了6種沉水植物的耐鹽性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示小茨藻的耐鹽性較強(qiáng)可以應(yīng)用于沿?；螓}堿化地區(qū)的水生態(tài)修復(fù)工程。劉小川[31]選取了7種常見(jiàn)的挺水植物進(jìn)行了耐鹽實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示7種挺水植物的耐鹽性依次為：蘆葦>千屈菜>香蒲>水蔥>黃花鳶尾>黑三棱>梭魚(yú)草。

表2 常用水生植物種植深度

3.3 構(gòu)建空間搭配合理的植物群落

構(gòu)建空間搭配合理的植物群落是指在保證水生植物凈化功能的前提下，通過(guò)在立體空間上搭配多樣的物種可以分化種群的生態(tài)位，防止生態(tài)位重疊，使得植物群落結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，加速自我更新的速率，美化群落景觀[32]。水生植物的空間搭配應(yīng)當(dāng)從水平和垂直2個(gè)方向進(jìn)行考慮。根據(jù)水生植物不同的生活型，垂直方向有高到低，水平方向由岸邊到水體，依次配置挺水植物-浮葉植物-漂浮植物-沉水植物。

植物群落的空間配置模式和各物種的組合比例對(duì)植物凈化功能有很大影響。研究發(fā)現(xiàn)[33]，美人蕉、菖蒲、石菖蒲和千屈菜的不同組合模式對(duì)水體有機(jī)物的去除效果有較大影響。梅慧[34]發(fā)現(xiàn)菱角、喜旱蓮子草和石龍芮在兩兩搭配時(shí)配置比例對(duì)藻類(lèi)的抑制效果有極大的影響。另外，水生植物的種植密度直接影響種間競(jìng)爭(zhēng)和景觀效果。植株高大且繁殖速度較快的植物種植密度較小，植株較小且繁殖速度較慢的植物，應(yīng)合理密植。

3.4 慎用破壞生態(tài)平衡的物種

選擇植物物種時(shí)要充分考慮選擇的物種是否存在破壞生態(tài)平衡的風(fēng)險(xiǎn)。若選用的物種會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成較大脅迫時(shí)，會(huì)逐步破壞原有的生物多樣性格局和生態(tài)系統(tǒng)功能。例如，鳳眼蓮和喜旱蓮子草雖有較強(qiáng)的水質(zhì)凈化作用，但是較難控制目前已經(jīng)成為外來(lái)入侵物種，對(duì)我國(guó)造成大范圍的生態(tài)災(zāi)難[35]；水盾草于20世紀(jì)90年代初作為觀賞植物引入我國(guó)，現(xiàn)已廣泛分布于太湖流域，當(dāng)其大量繁殖和死亡時(shí)會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞[36]。謹(jǐn)慎使用此類(lèi)植物，或在有圍護(hù)等措施的前提下少量配置。另外，可以利用水下花壇、花盆來(lái)控制植物生長(zhǎng)范圍，以防生態(tài)失衡。

4 結(jié)語(yǔ)

水生植物的應(yīng)用在水環(huán)境生態(tài)修復(fù)中具有投資少、效果好、景觀佳等特點(diǎn)。水生植物應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)厮|(zhì)、水深、環(huán)境進(jìn)行配置，同時(shí)要考慮所選物種的生態(tài)安全性和植物群落空間結(jié)構(gòu)的合理性。我國(guó)有關(guān)水環(huán)境生態(tài)修復(fù)的研究起步相對(duì)較晚，因此有關(guān)水生植物在這方面的應(yīng)用還需要不斷深入的研究。