沉水植物生態(tài)修復(fù)富營養(yǎng)化水體的機(jī)理和應(yīng)用

□夏 雪

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 四川 成都 610065）

城市化和工業(yè)化產(chǎn)生了大量生活污水和工業(yè)廢水，導(dǎo)致了嚴(yán)重的水污染[1]。過量的氮（N）和磷（P）進(jìn)入水體，加重了淡水生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致全球范圍內(nèi)的水體出現(xiàn)了富營養(yǎng)化情況[2]。水體富營養(yǎng)化不僅會導(dǎo)致水質(zhì)惡化、水生生物多樣性喪失，還會引起有害藻華（HABs）暴發(fā)，水體富營養(yǎng)化已經(jīng)成為21 世紀(jì)公認(rèn)的最大水質(zhì)問題之一。目前，國內(nèi)外針對富營養(yǎng)化的治理主要為物化法和生態(tài)學(xué)方法[3]。物化法雖能在短時間內(nèi)降低水中的污染物濃度，緩解富營養(yǎng)化，但不利于維持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[4]。生態(tài)學(xué)方法是利用微生物、動物、植物等構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，通過降低污染負(fù)荷、改善水質(zhì)和增加生物多樣性，從根本上恢復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)健康。

1 沉水植物

沉水植物是指植物體全部位于水層下面營固著生存的大型水生植物。植物體的各部分都可吸收水分和養(yǎng)料，通氣組織發(fā)達(dá)，有利于在缺少空氣的水中進(jìn)行氣體交換。沉水植物的葉子大多為帶狀或絲狀，如苦草、金魚藻、狐尾藻、黑藻等。

2 沉水植物的凈化機(jī)理

2.1 延長水力停留時間

水體中的水生植物群落通常會減緩水流速度，延長水力停留時間；水流速度降低可以促進(jìn)水生植物群落對懸浮顆粒物的捕獲與分解，并且通過根部固定沉積物，抑制再懸浮，有利于水體中顆粒態(tài)磷的沉淀。通常情況下，富營養(yǎng)水體中的顆粒態(tài)磷多于可溶性磷，因此磷在表層水體中的主要持留機(jī)制是沉積、掩埋或疏浚[5]。

2.2 吸收氮、磷

沉水植物可以通過根、葉直接吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)以滿足自身生長所需。沉水植物去除水體中的氮、磷受到很多因素的影響，包括沉水植物的種類、生物量和水體的初始氮、磷濃度等[6]。不同的沉水植物對水體中氮、磷的去除效果存在很大的差異。金樹權(quán)等（2017）[7]對比5 種常見沉水植物去除氮、磷的效果發(fā)現(xiàn)，去除效果最差的沉水植物對TN 和TP的去除率僅為63.8%和49.2%，只比空白對照組高23.9%和12.3%；去除效果最好的沉水植物，其TN 和TP 的去除率可達(dá)83.1%和70.8%?？梢姡x擇合適的沉水植物非常重要。有研究表明，沉水植物單一群落對富營養(yǎng)化水體中氮、磷的去除能力優(yōu)于植物的組合群落。這是因為不同種類沉水植物間存在競爭關(guān)系，主要體現(xiàn)在對光照和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭上，當(dāng)組合間的搭配比例不當(dāng)或種植密度不合理時，植物間的競爭就會影響植物生長，從而減少對水體中氮、磷的吸收[8]。

在一定范圍內(nèi)，沉水植物的生物量與氮、磷的去除效果呈正比。但當(dāng)生物量達(dá)到一定值時，由于水中的氮、磷含量有限，提高生物量將不再影響去除效果。因此，在生態(tài)修復(fù)中，植物的生物量是根據(jù)水中的氮、磷含量決定的。

利用沉水植物去除氮、磷，需定時清理沉水植物。因為在生長季節(jié)，沉水植物會吸收營養(yǎng)物質(zhì)供自身生長。進(jìn)入秋、冬季節(jié)，許多沉水植物無法存活，植物體死亡后會將部分營養(yǎng)物質(zhì)釋放出來[9]，去除部分營養(yǎng)物質(zhì)只是暫時的，需在植物腐敗前進(jìn)行清理。

2.3 刺激反硝化作用

反硝化作用分為附生生物膜的反硝化作用和沉積物中的反硝化作用。沉水植物不僅可以通過為反硝化作用提供附著面而刺激反硝化作用，還可通過植物碎屑和活體生物質(zhì)為反硝化作用提供有機(jī)碳。

2.4 抑制藻類生長

水生植物的抑藻機(jī)理主要有兩種，一種是直接抑制，即沉水植物與藻類相互競爭；另一種是間接抑制，即沉水植物可通過向水體中釋放化感物質(zhì)來抑制浮游藻類的生長[10]。對于直接抑制，植物和藻類生長都需要營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣、光照等，引入沉水植物后，沉水植物會與水體中的藻類爭奪生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)等。沉水植物的體積較大、生命周期較長，相對而言，藻類體積較小，生命周期短，因此藻類生長就處于劣勢[11]，從而印制其生長。在間接抑制中，會出現(xiàn)化感作用，即異株克生。具體來說，就是一種植物通過向環(huán)境釋放化學(xué)物質(zhì)而對另一種植物（包括微生物）產(chǎn)生的積極或消極作用，是植物對環(huán)境的一種適應(yīng)或防御機(jī)制[12]。如苦草、黑藻和狐尾藻可通過化感作用不同程度地降低水中浮游藻類葉綠素a 的濃度，從而抑制浮游藻類的生長。有研究表明，只有植物產(chǎn)生的化感物質(zhì)達(dá)到一定濃度時才會對藻類產(chǎn)生抑制作用，而濃度較低時對藻類的抑制效果微弱，甚至還會促進(jìn)藻類生長，即出現(xiàn)“低促高抑”的情況。植物對藻類的抑制作用還呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性，植物不同，季節(jié)性也不同[13]。

2.5 提高水體DO 含量和透明度

沉水植物可通過降低水體中浮游植物含量和SS濃度等方式抑制水體中的生物性以及非生物性懸浮物[14]，提高水體透明度，使更多光照進(jìn)入水中，從而促進(jìn)沉水植物的光合作用，提高水體的溶解氧含量，改善水質(zhì)條件。沉水植物降低水體透明度的原理與去除顆粒態(tài)磷的原理相似，沉水植物會增加懸浮物的碰撞結(jié)合，從而促進(jìn)懸浮物的沉降。

2.6 對生態(tài)系統(tǒng)的影響

沉水植物可為浮游動物提供主要的棲居地和避難場所，躲避魚類的捕食，維持種群數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加生物多樣性。沉水植物群落結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)肉食性魚類生長，保證生態(tài)系統(tǒng)中下行效應(yīng)的發(fā)揮，即肉食性魚類捕食草食性魚類和浮游生物魚類，優(yōu)化魚類種群結(jié)構(gòu)，降低沉水植物及浮游動物被大量捕食的壓力，達(dá)到控制浮游植物的效果。

3 沉水植物在水體修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于沉水植物的根、莖、葉都浸沒在水中，可對水中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸收利用，而挺水植物和浮水植物部分浸在水體中，因此沉水植物去除水中營養(yǎng)物質(zhì)的效果更好，被廣泛應(yīng)用于水體生態(tài)修復(fù)中。如武漢東湖的水質(zhì)在沉水植物金魚藻的覆蓋下明顯變好，水中氮、磷含量均下降60%以上。楊東瀚（2020）通過構(gòu)建集水質(zhì)凈化與景觀功能于一體的大型溞-沉水植物組合系統(tǒng)，最終有效改善了沙河水庫的水質(zhì)，并提升了美觀性。張力等（2021）在調(diào)研南京市友誼河硬質(zhì)河底的生態(tài)修復(fù)中發(fā)現(xiàn)，以苦草為主的沉水植物應(yīng)用廣泛，多見于城市濕地公園建設(shè)、人工濕地對生活污水的凈化處理、城市河道的生態(tài)修復(fù)和建設(shè)、城市濱水景觀的建設(shè)等。但在城市景觀水體的應(yīng)用中，不能僅考慮沉水植物的凈化效果，還要考慮其觀賞價值，所以在實(shí)際應(yīng)用中，沉水植物種類的選取是由多個因素決定的。

4 討論

水體富營養(yǎng)化對人類環(huán)境的影響不容小覷。在修復(fù)富營養(yǎng)化水體的過程中，應(yīng)將控制營養(yǎng)鹽和構(gòu)建健康的生態(tài)系統(tǒng)作為主要目標(biāo)。作為一種低能耗、高效率、易管理的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，沉水植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體逐漸被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程項目建設(shè)中。

了解沉水植物在富營養(yǎng)化水體治理中的生態(tài)機(jī)理，改善基礎(chǔ)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)富營養(yǎng)化水體生態(tài)恢復(fù)的有效途徑。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)具體情況具體分析，針對不同類型的富營養(yǎng)化水體選擇不同的沉水植物，還可搭配挺水植物等達(dá)到修復(fù)的目的。此外，在沉水植物群落構(gòu)建初期，對于植物的生長速率和草食性魚類的攝食問題有待進(jìn)一步研究。