沉水植物菹草生長(zhǎng)習(xí)性與治理方法研究進(jìn)展

賈鳳聰，吳亞斌，趙進(jìn)勇，張 晶，韓會(huì)玲

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.天津市永定河管理中心，天津 300131；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001)

沉水植物在河流、湖泊等水域范圍內(nèi)生物量大，是水生態(tài)系統(tǒng)中主要的初級(jí)生產(chǎn)者[1]。如果提供適宜的生長(zhǎng)條件，極易在水面附近形成致密的冠層[2]。在水域范圍內(nèi)，沉水植物的適量生長(zhǎng)對(duì)水質(zhì)和水生態(tài)的提升具有一定的促進(jìn)作用，但其過度生長(zhǎng)將會(huì)對(duì)人類的生產(chǎn)生活造成一系列的危害[3]，例如：產(chǎn)生感官性污染、降低水體流動(dòng)性和透明度、加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化、阻礙航運(yùn)通行等。

菹草作為冬春季節(jié)沉水植物的優(yōu)勢(shì)種，于中國(guó)南北各省均有分布，近年來在華北、長(zhǎng)江中下游等地區(qū)形成了規(guī)模性爆發(fā)，嚴(yán)重威脅了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)平衡[2,4]。目前中國(guó)對(duì)其治理以人工、機(jī)械打撈方式為主，輔助配合生物化學(xué)方式進(jìn)行治理[5]。中國(guó)學(xué)者針對(duì)菹草爆發(fā)的內(nèi)在機(jī)理和對(duì)當(dāng)?shù)厮w環(huán)境狀態(tài)的影響展開了相關(guān)研究[6-8]。但在實(shí)際治理過程中依舊存在對(duì)菹草生長(zhǎng)規(guī)律不明確、治理方式落后、防治手段單一等問題，導(dǎo)致錯(cuò)失菹草打撈的良好時(shí)機(jī)，更無法結(jié)合當(dāng)?shù)厮w環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)久有效治理[9]。因此通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)和整理，分析菹草爆發(fā)的內(nèi)在機(jī)理和治理方法，對(duì)于中國(guó)治理工作開展具有重要意義。

1 菹草生長(zhǎng)過程及其生長(zhǎng)特性

菹草又名蝦藻、蝦草、海老藻、麥黃草等，屬被子植物門，單子葉植物綱，眼子菜科眼子菜屬，為典型地多年生沉水草本植物，形似海藻，顏色呈銅綠色或中綠色[10]。

1.1 生長(zhǎng)過程

菹草成長(zhǎng)過程分為：幼苗期、成株期、衰敗期。在幼苗期下胚軸發(fā)育良好，上胚軸不發(fā)育，針狀子葉；成株期其根莖匍匐于水下泥中，莖細(xì)長(zhǎng)，邊緣存在波狀褶皺，中脈明顯；菹草衰敗期分支頂端結(jié)芽孢，脫落后長(zhǎng)成新植株[11]。冬季水體溫度多維持在10℃以下，幼苗緩慢生長(zhǎng)；春末夏初的時(shí)候，水溫維持在10～20℃，菹草呈指數(shù)形式生長(zhǎng)。

1.2 生長(zhǎng)特性

菹草為世界廣布種，根莖長(zhǎng)度20～100 cm；葉片呈波浪態(tài)，寬度0.5～1.5 cm，長(zhǎng)度3～10 cm；多生長(zhǎng)于水深2 m以下的靜水池塘、湖泊、河渠等地。菹草有極強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)水質(zhì)和底質(zhì)要求不強(qiáng)[12]，一般水體的透明度好，無有毒有害污染，多數(shù)都可以生長(zhǎng)。春末夏初，菹草分支頂端生長(zhǎng)出芽殖體，秋季母體衰亡時(shí)，芽殖體通過沾附水體中的懸浮泥沙等，沉入水體底部，扎根于底泥之中，待適宜環(huán)境萌發(fā)[13-15]。菹草的生長(zhǎng)有別于大多數(shù)沉水植物，冬春季節(jié)是其生長(zhǎng)的關(guān)鍵期。菹草一般不以其種子進(jìn)行繁殖，而是通過芽殖體繁殖[16]，并且在生長(zhǎng)初期還可以進(jìn)行無性繁殖[10]。

1.3 生態(tài)功能

菹草的葉和莖可供魚類和水禽類食用，后經(jīng)過人為處理可作為飼料供家禽家畜食用[17]。菹草對(duì)生長(zhǎng)的水體還具有生態(tài)凈化作用，適宜的菹草群落，由于其莖部柔軟，能隨水流產(chǎn)生扭曲，能夠非常有效去除水中懸浮物[18-19]，它的根莖能夠牢固底泥，減弱底泥懸浮。研究表明，菹草還可以通過根系吸收底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽，莖葉可吸收水體中的硝態(tài)氨氮。菹草還具有抑制藻類生長(zhǎng)，富集重金屬等生態(tài)功能[20-21]。

對(duì)菹草生長(zhǎng)過程和生長(zhǎng)特性進(jìn)行總結(jié)，明確了菹草適宜的生長(zhǎng)特點(diǎn)，但由于其對(duì)周圍環(huán)境有著良好的耐受性，不同于其它沉水植物的繁殖方式和繁殖周期，加之現(xiàn)如今河湖外源性污染加大，連通性普遍降低，使得菹草爆發(fā)的現(xiàn)象愈演愈烈。

2 菹草爆發(fā)機(jī)理及其對(duì)水體環(huán)境狀態(tài)的影響

2.1 影響因子

沉水植物菹草對(duì)水體環(huán)境極端依賴，對(duì)水體環(huán)境的改變也十分敏感，其生長(zhǎng)和分布會(huì)受到多項(xiàng)環(huán)境因子的調(diào)控[22-24]。其主要影響因子為溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽和水文條件[14,25]。中國(guó)春季平均氣溫一般為10～22℃，是菹草爆發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期，如任長(zhǎng)久等[12]對(duì)北京地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)菹草適宜生長(zhǎng)溫度為10～20℃；蘇勝齊等[25]對(duì)西南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)池塘進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)菹草適宜的生長(zhǎng)溫度為15～25℃。春季光照溫和不強(qiáng)烈，但光照強(qiáng)度超過了菹草的光補(bǔ)償點(diǎn)而未至光飽和點(diǎn)，菹草光合作用增強(qiáng)，生長(zhǎng)迅速[26-28]；菹草適宜生長(zhǎng)在中富營(yíng)養(yǎng)鹽水平的水體中，春季水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽豐富，為其生長(zhǎng)提供了必要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；像水深、流速這類水文條件的改變間接影響菹草的生長(zhǎng)，如水位升高至2 m以上，對(duì)菹草生長(zhǎng)有一定的抑制作用，而流速加大，加快了水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給和交換[29-33]，進(jìn)而影響了菹草的生長(zhǎng)爆發(fā)。

2.2 爆發(fā)機(jī)理

沉水植物菹草作為生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者，適宜生長(zhǎng)于低速、靜水環(huán)境之中，同其它水生植物對(duì)比分析，菹草可以避免季節(jié)性生長(zhǎng)過程中的競(jìng)爭(zhēng)。綜合沉水植物菹草生長(zhǎng)的影響因子，水溫、光照和營(yíng)養(yǎng)鹽可為菹草生長(zhǎng)供給能量，是其生長(zhǎng)過程中的關(guān)鍵。其它因子諸如重金屬、著生藻類、懸浮物、pH等也對(duì)菹草的生長(zhǎng)具有一定的影響[34-36]。冬春季節(jié)的溫度適宜生長(zhǎng)，菹草規(guī)模性爆發(fā)，還由于在其生長(zhǎng)初期，菹草的莖部細(xì)長(zhǎng)，葉片稀少，導(dǎo)致菹草無法直立生長(zhǎng)，倒伏下的莖葉接觸到底泥，就會(huì)再次生根發(fā)芽，形成新的植株體。這種無性繁殖方式加劇了菹草規(guī)模性爆發(fā)。2020年5月初對(duì)天津市新引河進(jìn)行實(shí)地考察，新引河水面菹草覆蓋率高，形成了規(guī)模性爆發(fā)，當(dāng)?shù)匾呀M織人員進(jìn)行了人工打撈，治理效果不理想。圖1為調(diào)查區(qū)空間分布。

圖1 調(diào)查區(qū)空間分布

2.3 改變水體環(huán)境狀態(tài)

菹草由于產(chǎn)生大規(guī)模爆發(fā)的現(xiàn)象，茂密的菹草群落嚴(yán)重影響水體的透光度，搶占水生生物的生長(zhǎng)空間，對(duì)魚群覓食產(chǎn)生阻礙作用，影響水利工程的運(yùn)行，甚至危及人類的飲水健康。又因其獨(dú)特的生長(zhǎng)習(xí)性，容易在夏季產(chǎn)生規(guī)模性死亡現(xiàn)象，死亡后的菹草若不及時(shí)地進(jìn)行打撈，將會(huì)在水體中逐漸下沉[37-38]。沉積到水底的菹草被微生物分解，消耗水體中的溶解氧，使得水中溶解氧含量急劇下降。并且菹草的分解還釋放了大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加劇了水體富營(yíng)養(yǎng)化程度。

3 菹草防治與控制研究現(xiàn)狀

3.1 防治與控制措施

中國(guó)對(duì)于菹草大規(guī)模爆發(fā)治理每年耗費(fèi)了巨大的人力財(cái)力，治理的方式分為物理控制、化學(xué)控制、生物控制[6](表1)。菹草較為常用的治理方法為物理控制法，處理手段多采用人力或者機(jī)械進(jìn)行收割打撈，還有一些地方通過清除淤泥達(dá)到去除菹草的目的?；瘜W(xué)控制法就是在河流湖泊之中投放抑制菹草生長(zhǎng)的藥劑，化學(xué)治理見效快，但是易對(duì)水體產(chǎn)生不可逆的傷害，產(chǎn)生二次污染。生物控制法應(yīng)用較為廣泛的方式是投放濾食浮游動(dòng)物和食草性魚類，除此之外還有培養(yǎng)水生植物或者微生物抑制菹草生長(zhǎng)。

表1 菹草治理方式

3.2 國(guó)內(nèi)防治與控制綜述

3.2.1駱馬湖治理案例

駱馬湖位于江蘇省中部，總面積375 km2，為江蘇省四大淡水湖之一。駱馬湖于2006年開始在每年的2—5月份菹草爆發(fā)性繁殖，很快地成為當(dāng)?shù)睾^(qū)的優(yōu)勢(shì)種群[39-43]，生長(zhǎng)高度可達(dá)到150 cm，湖區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)度95%以上，已經(jīng)嚴(yán)重影響了水質(zhì)，危害了魚類的生存環(huán)境，對(duì)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)發(fā)展也產(chǎn)生很大沖擊。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，駱馬湖菹草群落爆發(fā)是因?yàn)楫?dāng)?shù)責(zé)o序開采黃沙，再加之面源污染程度提高，形成了適宜菹草生長(zhǎng)的有利條件[27-28]。當(dāng)?shù)夭扇×巳缦率侄芜M(jìn)行治理：①投放草食魚類草魚、魴魚、鳙魚等，兼放部分鯉魚；②確定養(yǎng)殖區(qū)，分片、分區(qū)、分時(shí)圍養(yǎng)進(jìn)而控制菹草種群數(shù)量；③適時(shí)撈割，在菹草生長(zhǎng)初期，立即組織進(jìn)行機(jī)械撈割，在菹草衰敗季節(jié)，組織沿湖漁民進(jìn)行人工割除，減少二次污染。

3.2.2九江市治理案例

九江民俗園位于江西省北部地區(qū)，園區(qū)內(nèi)人工湖也發(fā)生了大規(guī)模菹草瘋長(zhǎng)現(xiàn)象，究其原因是當(dāng)?shù)睾^(qū)形成了相對(duì)封閉和靜止的水面[21]。根據(jù)調(diào)查，菹草適宜生長(zhǎng)溫度為10℃左右，在九江市約有半年時(shí)間的氣溫有利于菹草生長(zhǎng)。也正是由于以上的特征，使得菹草近些年在湖區(qū)內(nèi)爆發(fā)，僅用20多天就覆蓋了整個(gè)水面，對(duì)湖區(qū)治理工作帶來了很大影響。

園區(qū)針對(duì)菹草生長(zhǎng)特點(diǎn)，對(duì)其治理采取了如下手段：①清除湖區(qū)淤泥，注入優(yōu)質(zhì)水體，調(diào)整生長(zhǎng)水深；②將淤泥進(jìn)行處理，挖運(yùn)到湖岸邊堆成緩坡，栽植了約7萬(wàn)株的再力花、鳶尾、美人蕉、睡蓮等水生植物；③改變土壤及水體的酸堿度，采用拋灑石灰，使水體為堿性環(huán)境，抑制菹草生長(zhǎng)；④放養(yǎng)了一定數(shù)量的草食性魚類草魚，對(duì)于菹草治理帶來了直接明顯的效果。

3.2.3東平湖治理案例

東平湖位于山東省東平縣，為山東省第二大湖泊。東平湖屬于淺水型富營(yíng)養(yǎng)化湖泊，位于山東省西南部，也爆發(fā)了菹草瘋長(zhǎng)現(xiàn)象。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，東平湖湖區(qū)內(nèi)環(huán)境非常有利于菹草爆發(fā)性生長(zhǎng)，一方面湖區(qū)內(nèi)水深平均深度約為2 m，3月份到5月份溫度維持在14～21℃。另一方面，水體的營(yíng)養(yǎng)化程度較高，食草性魚類數(shù)量較少，這就是導(dǎo)致東平湖菹草大規(guī)模暴發(fā)的成因[44-48]。

當(dāng)?shù)貙?duì)東平湖治理采取了以下方式：①控制水體內(nèi)的富營(yíng)養(yǎng)化程度，加強(qiáng)外源性污染物輸入的控制，減少內(nèi)部氮磷的富集，減弱營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷；②組織人力進(jìn)行收割打撈，選取5月份中下旬作為理想打撈期，適時(shí)地進(jìn)行撈割處理；③投放草食性魚類，以魚治草，并且選取秋季作為最佳投放季節(jié)。

3.2.4南四湖治理案例

南四湖位于山東省，是山東省最大的淡水湖泊。但由于近年來水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加大，菹草在湖區(qū)內(nèi)瘋長(zhǎng)，不僅對(duì)水體產(chǎn)生了污染，并且嚴(yán)重阻礙了航道運(yùn)行。每年的6月份左右，菹草都會(huì)在湖區(qū)內(nèi)大量的衰亡、腐敗，產(chǎn)生了二次污染，給當(dāng)?shù)睾^(qū)帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[49-53]。

當(dāng)?shù)夭扇∪缦轮卫矸绞剑孩偻斗挪煌芏鹊牟蒴~，對(duì)水中菹草進(jìn)行啃食；②減弱外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的進(jìn)入，提高區(qū)域內(nèi)溶解氧含量，同時(shí)降低氨氮和亞硝酸鹽含量。

對(duì)上述案例進(jìn)行對(duì)比分析，駱馬湖屬一般性水體、九江民俗園內(nèi)湖泊屬流動(dòng)能力弱的水體、東平湖和南四湖屬富營(yíng)養(yǎng)化水體。不同地域內(nèi)由于水體條件不同，治理方式也存在差異，對(duì)其治理主要集中在以下方面：①針對(duì)一般水體，及時(shí)組織人員進(jìn)行撈割，投放食草性魚蝦，栽培水生植物，優(yōu)化調(diào)水周期等；②針對(duì)流動(dòng)能力弱的湖泊水體，可以進(jìn)行底泥清淤，并改變水體酸堿性，適當(dāng)提升水位，并輔以一般水體治理措施；③針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體，主要還是減弱外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入，嚴(yán)格控制污染源，并輔以一般水體治理措施。

4 結(jié)論與展望

本文詳細(xì)闡述了菹草生長(zhǎng)特點(diǎn)和生活習(xí)性，探討了菹草爆發(fā)關(guān)鍵影響因子和內(nèi)在機(jī)理，并通過對(duì)我國(guó)代表性治理地區(qū)的總結(jié)，歸納了3種代表性水體的防治策略，為我國(guó)治理工作開展提供了依據(jù)。

目前對(duì)菹草防治與控制方式雖然已取得一些進(jìn)展，但依舊存在很多不足，有待進(jìn)行深入研究，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水體特性、光照強(qiáng)度、底泥物質(zhì)等因子影響菹草生長(zhǎng)，考慮多因子綜合的復(fù)雜性，今后可進(jìn)行綜合性研究。