1990-2019年城市濕地沉水植物恢復(fù)的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析

張春松

沉水植物是城市濕地，如河道、湖泊等重要的初級生產(chǎn)者，可以提供食物與氧氣，凈化水質(zhì)、創(chuàng)造生態(tài)空間等。本文以中國知網(wǎng)收錄的1990-2019年沉水植物恢復(fù)研究文獻(xiàn)為分析對象，采用CiteSpace軟件對該領(lǐng)域主要研究方向進(jìn)行分析，揭示研究熱點(diǎn)與前沿，并對主要植物以及植物恢復(fù)的影響因子進(jìn)行介紹，以期對今后相關(guān)領(lǐng)域的研究提供借鑒。

沉水植物；恢復(fù)；影響因子

沉水植物是指植物體全部或大部分沉浸在水下邊，根固著在水下泥土里或漂浮于水中的植物[1]，是城市濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，是水生演替系列達(dá)到頂級的標(biāo)志植物[2]。沉水植物是城市濕地生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，通過光合作用高效地積累有機(jī)質(zhì)，不僅可以為魚、蝦、蟹、貝等生物提供餌料，還可以通過自我繁殖，營造生物棲息地，提高水體空間異質(zhì)性。由于沉水植物繁殖速度較快，對水體中的營養(yǎng)元素具有較強(qiáng)吸收能力，可以有效降低水體中的氮、磷等元素，抑制藻類的爆發(fā)，有效緩解城市水體污染現(xiàn)象。某些沉水植物，如輪葉黑藻、狐尾藻等，還可以有效吸附污水中的重金屬和有毒有害元素，對于提高城市水體的水生態(tài)安全意義重大[3-5]。此外，沉水植物在提升水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性、改善沉積物微環(huán)境以及維持水體清水狀態(tài)等方面均發(fā)揮了重要作用。

1.中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫關(guān)于沉水植物恢復(fù)的論文發(fā)表量

隨著人口密度的上升和城市面積的增加以及用地類型的調(diào)整，城市濕地沉水植物退化嚴(yán)重[4]，濕地水生態(tài)功能失調(diào)，湖泊、河道等水生生態(tài)系統(tǒng)由“草型”向“藻型”轉(zhuǎn)變，并引發(fā)了水質(zhì)惡化、水華頻發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)破壞等一系列生態(tài)環(huán)境問題，嚴(yán)重影響了人們身體健康和水體功能的正常發(fā)揮。因此，沉水植物在水體生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建中的重要性不斷凸顯，通過生境修復(fù)、人工或自然的繁殖手段進(jìn)行沉水植物群落的重建，恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)的功能，逐步成為污染水體整治工程的重要內(nèi)容[2]。

本文利用CiteSpace軟件對中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中1990至2019年的沉水植物恢復(fù)研究狀況進(jìn)行了分析，探究其主要研究機(jī)構(gòu)與關(guān)鍵詞，對沉水植物修復(fù)的主要影響因子進(jìn)行介紹，對城市濕地主要沉水植物匯總并簡要分析其在工程修復(fù)方面的適用情況，以期對該領(lǐng)域未來的研究工作提供借鑒與參考。

1 論文發(fā)表量與主要研究機(jī)構(gòu)

本研究在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫檢索了1990～2019年沉水植物恢復(fù)的年度發(fā)表量，結(jié)果如圖1所示，在2001年之前，年度發(fā)表量低于50篇，屬于緩慢發(fā)展階段；在2006年發(fā)表量顯著上升，達(dá)到150篇以上；在2011年之后，論文發(fā)表量均高于170篇，2020年預(yù)計(jì)發(fā)表量接近250篇?？傮w而言，關(guān)于沉水植物恢復(fù)的論文發(fā)表量呈明顯的上升態(tài)勢，尤其是近十年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地利用模式迅速轉(zhuǎn)變以及大量工業(yè)廢水與生活污水的產(chǎn)生，城市水體生態(tài)功能受到破壞，水生植物生態(tài)系統(tǒng)退化，嚴(yán)重影響了水體的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能和景觀價值，因此沉水植物修復(fù)作為有效的水體生態(tài)功能提升途徑與水工手段，得到了廣泛的認(rèn)可與重視。

圖2是關(guān)于沉水植物恢復(fù)的國內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)發(fā)文數(shù)概況，其中發(fā)文數(shù)前六的單位分別為中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所、中國科學(xué)院水生生物研究所、上海海洋大學(xué)、中國環(huán)境科學(xué)研究院、河海大學(xué)和南京師范大學(xué)，其中中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所以總發(fā)文量111篇遙遙領(lǐng)先，中國科學(xué)院水生生物研究所和上海海洋大學(xué)分別以78篇和61篇位列第二與第三。中國沉水植物修復(fù)的研究相對于國外發(fā)達(dá)國家起步較晚，在學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展前期，只有中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所和中國科學(xué)院水生生物研究所等少數(shù)的研究所進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究，但是隨著我國綜合國力和科研實(shí)力的增強(qiáng)，現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的高校和科研院所參與沉水植物恢復(fù)的研究。此外，隨著水生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目的不斷開展，也有一些公司與社會組織創(chuàng)立相關(guān)領(lǐng)域的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，探究沉水植物恢復(fù)的工程應(yīng)用，為該領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)巨大。

2 研究關(guān)鍵詞情況

2.中國沉水植物恢復(fù)研究主要發(fā)文機(jī)構(gòu)

3.沉水植物恢復(fù)研究主要關(guān)鍵詞

目前國內(nèi)對沉水植物研究的主要關(guān)鍵詞如圖3所示，熱點(diǎn)主要集中在恢復(fù)水生植物類型、富營養(yǎng)化問題的調(diào)控與影響以及生態(tài)修復(fù)的應(yīng)用等方面。

沉水植物因其獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)在湖泊、河道等水體中占據(jù)著獨(dú)特的生態(tài)位，但是不同的沉水植物的存活率、耐受力、適應(yīng)的環(huán)境因子、適用的恢復(fù)方法和手段以及產(chǎn)生的生態(tài)價值差異較大，因此研究適宜進(jìn)行恢復(fù)的水生植物種類至關(guān)重要。在進(jìn)行水生植物修復(fù)工作中，要依據(jù)因地制宜的原則，參考本地水生植物類型、生態(tài)位以及恢復(fù)目的和要求選擇合適的植物種類。

隨著我國城市化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生的大量氮、磷等物質(zhì)造成水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象頻發(fā)，造成水生生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化，沉水植物大量死亡，進(jìn)而引發(fā)水體黑臭現(xiàn)象發(fā)生[6-7]。因此，目前的許多機(jī)構(gòu)和團(tuán)體都在研究沉水植物在富營養(yǎng)化水體中的恢復(fù)以及遏制富營養(yǎng)化現(xiàn)象發(fā)生能力和機(jī)理。

沉水植物作為湖泊水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在整個水體生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建、維持、恢復(fù)等過程中發(fā)揮著不可取代的作用，由于沉水植物是水體中重要的初級生產(chǎn)者同時也是一些水生動物生活、繁殖的場所，因此沉水植物的恢復(fù)既是水生生態(tài)修復(fù)的重要目標(biāo)之一，也是促進(jìn)水生生態(tài)系統(tǒng)整體恢復(fù)的重要手段之一。

3 影響沉水植物恢復(fù)的因子

3.1 水位深度

水位深度是影響淺水湖泊沉水植物生長、分布和繁殖策略的主要因素之一[8]，沉水植物對水位的響應(yīng)機(jī)制較為復(fù)雜，不同物種對于水位抬升或降低的適應(yīng)機(jī)制不同，具體表現(xiàn)為生長形式不同和光合作用的差異。合適的水位深度會為沉水植物生長創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的溫度、光資源、能量物質(zhì)等條件，并且會增加沉水植物對干擾的耐受上限。在一定范圍內(nèi)，水深降低會提高水體光照強(qiáng)度，增強(qiáng)植物的光利用率，從而實(shí)現(xiàn)碳水化合物的高效積累，增加生物多樣性和植物的有效分布面積。在我國很多湖泊的生態(tài)修復(fù)工程中，經(jīng)常通過降低水深來迅速提升水體光照條件，進(jìn)而為沉水植被的恢復(fù)創(chuàng)造條件，這在一定程度上提高了恢復(fù)工作的效率。但是，并不是所有的沉水植物類型都適合這種方式，如苦草等沉水植物，其正常的生活、繁殖和擴(kuò)散都對水位深度有較大的需求，適當(dāng)?shù)奶豢梢杂行г鰪?qiáng)其對營養(yǎng)物質(zhì)的獲取能力，增加生物量，繁殖體的產(chǎn)生速度和數(shù)量上升，從而實(shí)現(xiàn)種群的快速擴(kuò)增，顯著增大其覆蓋范圍。此外，由于不同植物光合特征、形態(tài)可塑性以及繁殖策略的差異，水深變化還可能會改變沉水植物的種間關(guān)系以及群落結(jié)構(gòu)，不同水位深度下植物的優(yōu)勢種會存在明顯差異，造成水生態(tài)功能與景觀價值存在差別。因此在具體的沉水植物恢復(fù)工作中可以利用水位的變化來促進(jìn)沉水植物的定殖、生長以及群落的結(jié)構(gòu)調(diào)整和自然演替。

3.2 富營養(yǎng)化情況

水體富營養(yǎng)化問題已經(jīng)成為目前全球重大的生態(tài)環(huán)境問題之一，其所導(dǎo)致的水華現(xiàn)象嚴(yán)重?fù)p害了水生生態(tài)系統(tǒng)[8-10]，所帶來的連鎖效應(yīng)導(dǎo)致了沉水植物的大規(guī)模衰退和植被群落的逆行演替，由于沉水植物對淡水湖泊的生態(tài)系統(tǒng)具有構(gòu)建作用，同時又可以吸收一定的氮磷等物質(zhì)維持水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，沉水植物的消亡將直接加劇水體環(huán)境的惡化，產(chǎn)生嚴(yán)重的水生態(tài)危機(jī)。在沉水植物的快速生長階段，其需要吸收大量的營養(yǎng)元素用于自身的組織結(jié)構(gòu)構(gòu)建，從而維持正常的生活、繁殖活動，因此水體中適量的增加氮、磷元素會促進(jìn)沉水植物的恢復(fù)，但是當(dāng)水體大量吸納氮、磷后，水體中的藻類會大量爆發(fā)，出現(xiàn)水華現(xiàn)象，最終導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，沉水植物發(fā)生退化。

3.3 光照強(qiáng)度

水下不同深度光照強(qiáng)度的分布是影響沉水植物恢復(fù)的一個重要因素，沉水植物光合作用的光補(bǔ)償點(diǎn)決定了沉水植物可以生存的最大水位和競爭能力[11]，對植物的萌發(fā)與芽庫構(gòu)建也意義重大[12]。懸浮物以及有機(jī)質(zhì)的含量都會通過影響水體的透光性進(jìn)而影響沉水植物的生長繁殖。此外，光質(zhì)也會對沉水植物產(chǎn)生影響，不同沉水植物主要的可見光吸收波峰存在差異，因此在不同的時間空間尺度下，不同沉水植物對光資源的利用效率存在差異。在重建或搭配沉水植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時，一定要考慮沉水植物群落的類型及其合適的生物量，根據(jù)環(huán)境條件和種群特性的差異，在時間、空間分布上按—定比例進(jìn)行合理的安排，以達(dá)到恢復(fù)原有水體群落結(jié)構(gòu)與功能的目標(biāo)。當(dāng)沉水植物生長旺盛以致會產(chǎn)生自遮作用或衰敗、消亡時，要及時地進(jìn)行打撈與清理，以免造成水體的二次污染，并防止由此而產(chǎn)生水體透光性的降低與水下光分布的改變，這將直接或間接地導(dǎo)致修復(fù)植物的退化。

3.4 捕食者

沉水植物作為水體中重要的初級生產(chǎn)者之一，為一些草食性魚類、螺類等大型底棲動物以及少量的浮游動物直接或間接地提供食物來源[13]。在沉水植物恢復(fù)初期，植物種群比較脆弱，穩(wěn)態(tài)閾值較低，若水體中的草食性動物豐度較高，會造成沉水植物中期發(fā)育緩慢，嚴(yán)重的甚至?xí)斐芍参锓N群大面積退化。因此在沉水植物修復(fù)工作中，應(yīng)該從生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的整體角度出發(fā)，合理配置沉水植物的種類，使其既能滿足沉水植物初級生產(chǎn)者的功能，又要確保不會出現(xiàn)捕食者數(shù)量的突然爆發(fā)而導(dǎo)致沉水植物在恢復(fù)初期迅速退化。

3.5 鹽度

在我國沿海地區(qū)的很多湖泊、河流受到潮汐的影響較大，伴隨著周期性的潮水漲落，河水的鹽度會隨著發(fā)生變化。研究表明，鹽度也是影響沉水植物恢復(fù)重建的重要因子之一[6]，不同植物對鹽度的耐受范圍不同，鹽度過高或者過低都可能會嚴(yán)重影響沉水植物的生理過程，造成植物衰退乃至消亡。當(dāng)鹽度過高時，高鹽度水體會破壞植物葉面結(jié)構(gòu)，造成植物細(xì)胞液外流，長期暴露在高鹽環(huán)境下會造成植物細(xì)胞死亡，最終造成沉水植物大面積衰亡。當(dāng)一些鹽生沉水植物處于鹽度較低的水體環(huán)境時，植物細(xì)胞會迅速吸水，造成細(xì)胞壁破裂、細(xì)胞膜正常功能受損、植物體脆弱、易受細(xì)菌和病毒的侵?jǐn)_，造成沉水植物功能損壞、退化甚至消失。此外，隨著我國工農(nóng)業(yè)的加速發(fā)展，湖泊底質(zhì)鹽堿化日漸嚴(yán)重，沉水植物的種子更多地面臨高鹽生境，這也是很多沉水植物消亡的原因之一。

4 沉水植物研究種類

沉水植物是湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的重要生產(chǎn)者[14]，目前國內(nèi)關(guān)于沉水植物恢復(fù)研究的種類較多的是苦草、菹草、黑藻、馬來眼子菜、伊樂藻和狐尾藻，具體介紹歸納見表1。

5 展望

人類活動造成的大量污染使得沉水植物大面積退化甚至消失，進(jìn)而導(dǎo)致湖泊、河道水體持續(xù)惡化，嚴(yán)重影響其生態(tài)與景觀價值，沉水植物恢復(fù)工作已經(jīng)迫在眉睫。近年來，關(guān)于沉水植物恢復(fù)的研究持續(xù)開展，但是關(guān)于在嚴(yán)重富營養(yǎng)化水體或者沉水植物完全消失的水體中如何進(jìn)行恢復(fù)工作，學(xué)界尚未達(dá)成一致；在水體生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建過程中人工干預(yù)與自然演替的比例尚未完全把握。在今后相關(guān)工作開展過程中，應(yīng)該更加注重不同水生植物的搭配，做到優(yōu)勢互補(bǔ)，合理利用空間現(xiàn)狀與小環(huán)境異質(zhì)性，并綜合考慮各種沉水植物恢復(fù)過程中的環(huán)境上限和下限，靈活把握人工干預(yù)的界限與時機(jī)，由人工創(chuàng)造轉(zhuǎn)折，將未來交給自然。

表1 沉水植物恢復(fù)主要種類及其特性一覽表