關(guān)于淺水湖泊沉水植物覆蓋度設計依據(jù)的探討

羅 希，馬俊超

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司 環(huán)境工程設計咨詢公司，武漢 430010)

1 研究背景

大型水生植物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和主要的初級生產(chǎn)者之一，對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量的循環(huán)和傳遞起調(diào)控作用[1]。近些年來，采取植物措施，恢復以沉水植物為主的大型水生植物群落，已成為治理淺水湖泊富營養(yǎng)化和開展水生態(tài)修復的重要方式，且在許多工程中取得了較好的效果。但是，植物措施相比其他工程措施具有影響因子多、不確定性大的特點，也給工程設計帶來一些挑戰(zhàn)。

沉水植物作為大型水生植物，是對水質(zhì)改善效果最為突出的水生植物類型。如何在設計中科學合理地確定其覆蓋度，不僅是植物措施設計中的重點，也是建設單位和評審技術(shù)專家的關(guān)注點，更是保障工程可行性、經(jīng)濟性和長效性的關(guān)鍵。但目前，尚無相應的規(guī)范或指南對沉水植物覆蓋度參數(shù)的設計取值有較明確的指導，且在工程領(lǐng)域?qū)υ摲矫娴难芯窟€存在不足，因此，開展對沉水植物覆蓋度設計依據(jù)的探討是十分必要的。

目前，受工程邊界條件、風險可控性及工程經(jīng)濟性等方面的限制，國內(nèi)沉水植物恢復的成功案例和研究基本上是在小型淺水湖泊或大、中型淺水湖泊中相對封閉的區(qū)域?qū)嵤┑?，因此，本文探討的沉水植物覆蓋度也以小型淺水湖泊為對象。

2 沉水植物對水質(zhì)改善的作用機理

沉水植物是淺水湖泊穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵表征[2]，是維持淺水湖泊清水態(tài)的關(guān)鍵因子，其對湖泊水質(zhì)改善的機理如下所述。

(1)吸收營養(yǎng)物質(zhì)，降低濁度：吳振斌等[3]通過對比實驗研究證明，沉水植物可吸收N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，與浮游植物競爭養(yǎng)分和光照，通過促進物質(zhì)的沉淀和微生物的分解作用來凈化水體，并能抑制藻類生長，增強底質(zhì)穩(wěn)定性，降低濁度。

(2)為微生物和浮游動物提供良好生存環(huán)境，降解有機物，趙磊等[2]、陳登等[4]和董悅等[5]分別通過實驗研究證明，沉水植物可促進微生物生長，為植食性浮游動物提供繁育和庇護場所，有效降解底泥中的營養(yǎng)物，改善底質(zhì)。

(3)有效控制底泥營養(yǎng)鹽釋放：童昌華等[6]和蔡景波等[7]分別通過實驗研究證明，在非低溫條件下，沉水植物能有效抑制底泥中N、P釋放，同時可減弱擾動產(chǎn)生的不利影響，加速懸浮物沉降。

正是由于淺水湖泊中沉水植物對水質(zhì)的改善，特別是在抑制浮游植物和提高透明度等方面的積極作用，在污染源得到有效防控的前提下，沉水植物覆蓋度與淺水湖泊清水態(tài)的轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定關(guān)系密切。

3 天然淺水湖泊沉水植物覆蓋度的變遷情況

對湖泊進行水生態(tài)修復，最終目的是消除人類活動對湖泊的影響，幫助湖泊恢復到生態(tài)自然的狀態(tài)。盡管社會經(jīng)濟發(fā)展與湖泊生態(tài)環(huán)境的矛盾是不可避免的，想將湖泊恢復到最初的狀態(tài)并不現(xiàn)實，但了解自然湖泊多年來沉水植物覆蓋度的變遷情況，有助于在人水和諧的目標下，合理確定覆蓋度的目標。

鐘愛文等[8]通過調(diào)查得知，武漢東湖100 a前布滿水生植物，20世紀60年代沉水植物覆蓋度為60%以上，90年代中期為8%，2006年<1%；云南滇池沉水植被覆蓋度由20世紀60年代的90%以上驟降到90年代的2%以下；陶花等[9]的調(diào)查表明，常州市滆湖沉水植物覆蓋度由1986年的87.5%驟降到2006年的2%以下，而與滆湖相連的長蕩湖，經(jīng)吳曉東等[10]調(diào)查可知，沉水植物覆蓋物由1984年的80%以上減少為當下的不足30%。

對于自然湖泊沉水植物覆蓋度的記錄并不多，但從整理的數(shù)據(jù)上看，淺水湖泊在未受到(或較少受到)人類影響時，沉水植物覆蓋度應>90%。而隨著人類活動影響的加劇，湖泊沉水植物覆蓋度也隨之降低。從武漢東湖20世紀60年代，以及常州市滆湖和長蕩湖20世紀80年代沉水植物覆蓋度情況可知，沉水植物覆蓋度在60%～80%是淺水湖泊較為生態(tài)自然的狀態(tài)，這表明某些地方規(guī)范以及學者在水生態(tài)健康評價標準中，對沉水植物覆蓋度指標≥60%時評價為健康的內(nèi)容是合理的。

4 沉水植物覆蓋度的相關(guān)研究和工程

4.1 國外學者關(guān)于淺水湖泊沉水植物覆蓋度的研究

浮游動物可抑制浮游藻類，而浮游動物的生物量與水生植物，特別是沉水植物覆蓋度成正比。Lauridsen等[11]通過研究表明，淺水型湖泊中沉水植物為浮游動物提供了較好的庇護場所，當沉水植物覆蓋度達15%～20%時，魚類捕食對浮游動物群落結(jié)構(gòu)影響較小。

Scheffer等[12]提出在某個特定的營養(yǎng)條件下(TP范圍為0.05～0.15 mg/L)，水體可能處于2種狀態(tài)，即以浮游植物占優(yōu)勢的濁水態(tài)和以沉水植物占優(yōu)勢的清水態(tài)。

Peretyatko等[13]對比利時布魯塞爾城中和城郊的8個浮游植物占優(yōu)勢的淺水湖泊或水塘(深度均<1.5 m，面積0.1～2.3 hm2)進行實驗研究，證明對淺水湖泊或水塘進行水生態(tài)修復后，當沉水植物大范圍覆蓋時，可有效降低營養(yǎng)鹽，且覆蓋度>60%(實際調(diào)查為78%)水塘的水質(zhì)檢測指標明顯優(yōu)于覆蓋度在20%～40%范圍內(nèi)的水塘，說明沉水植物覆蓋度與維持湖泊清水態(tài)息息相關(guān)。

De Backer等[14]對比利時布魯塞爾近郊的12個富營養(yǎng)化淺水湖泊或水塘(深度<3 m，面積0.2～6 hm2)進行實驗研究，證明對水塘進行水生態(tài)修復后，當沉水植物覆蓋度>30%時，沉水植物可抑制浮游植物的生長，使水體長期維持清水態(tài)。

另一方面，De Backer等[15]通過實驗研究，證明面積較小淺水湖泊的清水狀態(tài)，通?？梢员３州^高的營養(yǎng)鹽濃度(研究指標為TP)，同時，當平均TP濃度<0.3 mg/L時，湖泊在修復后通常保持清水狀態(tài)，而當平均TP濃度>0.3 mg/L時，清水狀態(tài)穩(wěn)定性的一個重要影響因子為一年中某個時間點的沉水植物覆蓋度>82%。由此可見，對于同等營養(yǎng)鹽濃度條件下，較大的水體要維持清水態(tài)，沉水植物覆蓋度需更大，而當營養(yǎng)鹽濃度超過閾值時，覆蓋度應處于較高的水平(>80%)，以增加湖泊清水態(tài)的穩(wěn)定性。

值得探討的是，從上述國外學者的文獻中，無法了解工程修復前污染源的具體情況，且其研究對象多位于郊野，因此將沉水植物覆蓋度為30%直接作為國內(nèi)淺水湖泊，特別是一些污染源無法完全消除的城中湖的設計依據(jù)并不可靠。同時，國內(nèi)有些地區(qū)在運行管理維護中提出將沉水植物覆蓋度低于30%作為補種的界限，筆者認為也是不合適的。

因此，要更合理地確定淺水湖泊沉水植物覆蓋度的取值范圍，在參考國外研究成果的基礎上，還應仔細了解國內(nèi)相關(guān)工程和研究的成果。

4.2 國內(nèi)淺水湖泊沉水植物覆蓋度的相關(guān)研究和工程

通過收集文獻、實地踏勘，以及結(jié)合筆者已開展的相關(guān)工程經(jīng)驗，對國內(nèi)開展湖泊沉水植物恢復相關(guān)工程情況進行調(diào)查整理，成果如表1所示。

表1 國內(nèi)開展沉水植物恢復相關(guān)工程情況Table 1 Projects related to the recovery of submerged plants in China

由表1中數(shù)據(jù)可知，在不受外界限制因素影響的條件下，湖泊在恢復沉水植物覆蓋度≥50%的情況下，能穩(wěn)定在清水態(tài)，而水塘達到清水態(tài)目標所需恢復的初始覆蓋度則更低(20%～30%)。同時，值得注意的5個方面是：

(1)在污染源恒定的情況下，淺水湖泊沉水植物覆蓋度達60%～80%，可維持水質(zhì)達到Ⅳ—Ⅴ類標準;覆蓋度>90%時，可維持水質(zhì)達Ⅲ—Ⅳ類標準。

(2)比較蔡甸蓮花湖(4-2區(qū))和軍運村水塘，其初始覆蓋度差別較大主要是因為軍運村水塘(初始覆蓋度20%)污染源已基本消除，而蓮花湖(4-2區(qū))在實施期不僅排污情況時常出現(xiàn)，更因暴雨出現(xiàn)過3～4次大的污染沖擊(排污管污水倒灌)，而實施半年后，覆蓋度均接近滿鋪，湖泊和水塘也均維持在清水態(tài)，且即使蓮花湖(4-2區(qū))遭遇短期污染沖擊，造成水體渾濁，通過湖面清理和投撒微生物菌劑等措施，也可使湖泊恢復清水態(tài)。由此可見，沉水植物覆蓋度高可使湖泊對清水態(tài)的維持有更高的穩(wěn)定性，這與國外學者實驗研究的情況基本相同。

(3)對比青天湖和蓮花湖，由于青天湖屬郊野型湖泊，污染源已基本消除，而蓮花湖屬城中湖，排口較多(合流制排口和污水口)，面源污染影響大，因此，盡管蓮花湖面積遠小于青天湖，且恢復沉水植物的覆蓋度明顯高于青天湖，但青天湖在維持清水態(tài)的效果和穩(wěn)定性上明顯高于蓮花湖。追溯原因，一方面是截污控源還需加強；另一方面，對于存在外界污染的湖泊沉水植物覆蓋度需達到較高水平才能維持湖泊清水態(tài)。這與國外學者實驗研究的情況也是基本相同的。

(4)對于五里湖10 hm2的隔離試驗區(qū)，盡管水生植物總體覆蓋度較高，但沉水植物覆蓋度還處于較低的水平，因此湖泊的清水態(tài)并不穩(wěn)定，而蓮花湖(2-1區(qū))由于受到外界因素的影響，雖然覆蓋度>40%，但湖泊的清水態(tài)也不穩(wěn)定。

(5)從運行維護的角度看，開展水生態(tài)修復的湖泊都存在不同程度的富營養(yǎng)化，因此水體和底泥里可供沉水植物吸收的營養(yǎng)物質(zhì)較多，沉水植物在夏季會出現(xiàn)過度生長的狀況。要避免生態(tài)遭到破壞，則需要不斷地打撈過量的水草，但若覆蓋度過高(>80%)，則運行管理成本和難度都將增大。因此，在設計淺水湖泊沉水植物覆蓋度時，不應取得過高，而根據(jù)已實施工程的經(jīng)驗，覆蓋度取值不應超過70%。

5 外部條件對沉水植物覆蓋度的影響

水生態(tài)修復是一個系統(tǒng)性的工程，同時也是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各組成部分相互作用、影響的動態(tài)過程。因此，在設計時考慮沉水植物生長的影響因子，能進一步將沉水植物的覆蓋度確定在一個更合理的區(qū)間。

5.1 底泥污染

考慮到實施沉水植物恢復工程前，一般會開展控魚除藻工作，而底泥中的重金屬污染、有機污染及其厭氧性雖對沉水植物的生長影響較大，但也可采取異位、原位的技術(shù)措施進行修復。同時，沉水植物也會根據(jù)底泥有機污染的程度進行自身調(diào)節(jié)，因此，為保證沉水植物的存活，以及保障其能夠長期生長，在設計時應重點通過水質(zhì)透明度和水位的變化情況，即根據(jù)不利工況下，以水深不大于光補償深度為條件，確定沉水植物適宜種植范圍，進而確定覆蓋度。

5.2 水體透明度

光補償深度是光合作用和呼吸作用達到平衡的深度，從經(jīng)驗看，光補償深度一般是水體透明度的1.5倍，或光照強度約為表面光強的1%處的水深[24]。曹昀等[25]、Havens[26]根據(jù)調(diào)查研究，分別建立恢復沉水植物群落最低透明度條件T(cm)和水體深度D(cm)的回歸方程和沉水植物總生物量(total biomass)、水深(depth)和懸浮固體量(TSS)的多元回歸模型。

由于水體透明度的變化性，設計中不應以湖泊某一時刻或者某一點的水體透明度作為推算適宜恢復沉水植物的水深范圍，而應該根據(jù)不同季節(jié)，特別是夏季，水體葉綠素含量相對較高時的透明度為設計依據(jù)，同時，應考慮風浪造成透明度下降和降雨抬高水位的不利影響。

5.3 季節(jié)變化

由于不同沉水植物的生長特性不同，季節(jié)的變化會影響湖泊沉水植物的覆蓋度，特別是在冬季，根據(jù)史靜等[27]的試驗研究，雖然底泥氮、磷釋放量隨著溫度的降低而下降，但沉水植物對水體的改善作用也大幅度減弱。其主要原因在于苦草、黑藻和馬來眼子菜等沉水植物進入冬季后就會開始衰亡，沉水植物覆蓋度降低，衰敗的植物釋放營養(yǎng)鹽，同時，由于冬季溫度降低，水體微生物也幾乎難以發(fā)揮效益。

根據(jù)潘慧云等[28]、張來甲等[29]的實驗研究，沉水植物的衰亡與腐爛分解，在冬季釋放營養(yǎng)鹽的過程較為緩慢，對水體影響較小，而在第2年3月份回暖時，才開始快速釋放營養(yǎng)鹽。因此，對沉水植物冬季衰敗的問題，除了及時收割枯萎葉片外，在工程設計時，應考慮沉水植物物種的多樣性，搭配狐尾藻等在冬季也能生長的沉水植物，保持一定的生物量，并利用耐寒挺水植物作為補充，如利用西伯利亞鳶尾、水芹菜等來吸收營養(yǎng)物質(zhì)。而在實施過程中，需要在秋季適時補種一些耐寒的本土沉水物種，但對于菹草、伊樂藻這類不耐熱、夏天死亡后會造成水質(zhì)惡化的物種則應加強維護工作，在夏季到來前進行打撈。

6 結(jié) 論

本文以淺水湖泊沉水植物覆蓋度的設計依據(jù)為研究對象，從沉水植物對水質(zhì)改善的作用機理入手，通過收集天然淺水湖泊沉水植物變遷情況，分析國內(nèi)外相關(guān)學者和工程的成果，并對影響沉水植物覆蓋度的相關(guān)問題進行思考，可為今后水生態(tài)修復項目中沉水植物覆蓋度的設計提供參考和借鑒，主要結(jié)論如下。

(1)天然淺水湖泊在未受到較大干擾的情況下，沉水植物覆蓋度可達60%～80%，在湖泊水生態(tài)健康評價指標中，沉水植物覆蓋度指標≥60%評價為健康是合理的。

(2)維持湖泊清水態(tài)的穩(wěn)定性和水質(zhì)的優(yōu)良程度與沉水植物的覆蓋度基本成正比，對于水塘，維持湖泊清水態(tài)的沉水植物覆蓋度應≥30%；而對于小型淺水湖泊要維持清水態(tài)，沉水植物覆蓋度可在50%～70%范圍內(nèi)取值；對于污染負荷小的湖泊，可以取相對較低的值。

(3)同等營養(yǎng)鹽濃度條件下，較大的水體維持清水態(tài)需要更高的沉水植物覆蓋度，特別是當營養(yǎng)鹽濃度超過閾值時，覆蓋度應處于較高的水平(>80%)，但高水平的覆蓋度會給后期運維帶來較大的工作量。

(4)在污染源恒定的情況下，淺水湖泊沉水植物覆蓋度達60%～80%，可維持水質(zhì)達到Ⅳ—Ⅴ類標準，覆蓋度>90%時，可維持水質(zhì)達Ⅲ—Ⅳ類標準。

(5)外部條件的限制是影響沉水植物覆蓋度取值的重要因素，設計時應重點考慮水質(zhì)透明度和水位變化的影響，以確定適宜的沉水植物種植范圍。同時，根據(jù)實際情況，采用污染負荷計算量化覆蓋度，只能起到一定的參考作用，在設計方案中，應重點考慮沉水植物在冬季的適宜性。