湖泊生態(tài)修復(fù)中水生植物種植及影響因素研究

周漢娥，羅 鑫，孫紫童，吳中奎，馮 智，簡(jiǎn)俊杰，劉國(guó)芳

(武漢航發(fā)瑞華生態(tài)科技有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引言

近年來(lái)，隨著城市的高速發(fā)展，加大了對(duì)淺水湖泊的開(kāi)發(fā)力度，同時(shí)湖泊過(guò)度接納大量人類(lèi)生產(chǎn)生活的產(chǎn)生的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1]，從而加速了湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程，導(dǎo)致湖泊陸續(xù)出現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量惡化、水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性退化、水體服務(wù)功能降低、水資源開(kāi)發(fā)失衡等問(wèn)題[2]。水利部公布的《2018年中國(guó)水資源公報(bào)》顯示，121個(gè)湖泊中富營(yíng)養(yǎng)湖泊占73.5%，足見(jiàn)富營(yíng)養(yǎng)化是我國(guó)湖泊的一個(gè)通病。對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的防治，恢復(fù)湖泊以水生高等植物為主的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)與控制外源污染降低營(yíng)養(yǎng)鹽濃度同時(shí)進(jìn)行[3]。

在富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)的各種手段中，相比物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)，植物修復(fù)耗能低、效果更好[4～6]。水生植物群落存在與否對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能均構(gòu)成顯著的影響，可反映湖泊生態(tài)是否健康[7]，是湖泊清水穩(wěn)態(tài)的維持者[8]。相關(guān)研究學(xué)者通過(guò)對(duì)武漢東湖[9]、太湖[10,11]、滆湖[12,13]、滇池[14]等研究結(jié)果表明，水生植被對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水質(zhì)有良好的凈化效果，水生植被恢復(fù)是解決湖泊富營(yíng)養(yǎng)湖泊問(wèn)題的有效途徑之一[15]。

2 水生植物在水環(huán)境中的作用

針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊，水生植物主要起到對(duì)湖泊外源物質(zhì)的吸收凈化作用，以及對(duì)內(nèi)源物質(zhì)的凈化和克藻效應(yīng)[16]。例如，苦草和輪黑藻可以降低初期雨水對(duì)水體水質(zhì)的影響[17]；水生植物對(duì)外源氮去除率達(dá)95%以上[18]。水生植物不僅可以吸收凈化外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還可以去除重金屬。在一定條件下，鳳眼蓮對(duì)Zn的去除率可達(dá)82%以上[19]。個(gè)別水生植物對(duì)Hg、Co、Cu、Mn去除率可達(dá)99.53%[20]。水生植物對(duì)內(nèi)源物質(zhì)的凈化主要表現(xiàn)為通過(guò)生長(zhǎng)繁殖吸收降低沉積物中N、P含量[21]。種植水生植物可使表層沉積物中氨氮含量降低40%左右[22]。水生植物的克藻效應(yīng)主要表現(xiàn)為水生植物釋放的化感物質(zhì)可以抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng)[23～25]。個(gè)別高等水生植物對(duì)銅綠微囊藻和蛋白核小球藻的最大抑制率高于70%[26]。

挺水植物有阻止水流和減小風(fēng)浪的作用，有利于懸浮質(zhì)沉降。它主要吸取深部底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽，對(duì)淺水處的內(nèi)源污染有一定的控制作用[27,28]。浮葉植物在一定程度上可以控制浮游植物，改善水體的透明度。浮葉植物容易種植和收獲，有一定的經(jīng)濟(jì)和觀(guān)賞價(jià)值。沉水植物能消耗水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)有毒藻類(lèi)的生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用，為固著性藻類(lèi)提供附著表面，為水體中部分水生動(dòng)物等提供餌料和棲息、繁殖場(chǎng)所[7]。

3 水生植物選種與配置原則

3.1 水生植物選種

富營(yíng)養(yǎng)湖泊生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵就是引入水生植物并使其成為優(yōu)勢(shì)種。種植水生植物凈化水質(zhì)、降低人為因素對(duì)湖泊的影響。因此在選擇水生植物時(shí)，應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：①耐污性強(qiáng)，凈化效果好[29]；②滿(mǎn)足環(huán)境功能需求；③構(gòu)建空間搭配合理的植物群落；④盡量使用具有強(qiáng)抗干擾能力的鄉(xiāng)土種，避免生物入侵[30～32]。

3.2 水生植物配置原則

在對(duì)水生植物進(jìn)行群落配置時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

(1)空間布置。根據(jù)自然湖泊中水生植物群落在空間梯度上的分布規(guī)律(水平、垂直結(jié)構(gòu))進(jìn)行群落配置[33]。根據(jù)水域深度、設(shè)計(jì)需要，從水體的深水區(qū)至陸地沿岸帶，按照沉水植物群落、浮葉植物群落、挺水植物群落、濕生植物群落系列進(jìn)行空間配置[31]。

(2)根據(jù)湖泊種植環(huán)境，選擇合適的水生植物。收集湖底形態(tài)、底質(zhì)、水質(zhì)和水深等基本信息。在不影響湖區(qū)通航的前提下，對(duì)水生植物進(jìn)行空間配置。一般情況下，如果湖盆形態(tài)比較規(guī)則，水動(dòng)力特性和底質(zhì)條件也較為近似，那么水生高等植物可呈環(huán)帶狀分布[30]。挺水植物抗御風(fēng)浪能力較強(qiáng)，布置在有底質(zhì)條件的迎風(fēng)岸以及進(jìn)出水口河道；浮葉植物適合在湖灣深處或接近于靜水的環(huán)境；沉水植物可布置在挺水植物、浮葉植物最外沿[33]。

(3)植物多樣性[34]。多種水生植物的種植，不僅可以保證水生植物群落具有較強(qiáng)的生態(tài)環(huán)境功能和連續(xù)性，也可以保證湖泊中多種污染物的去除以及不同季節(jié)都有生長(zhǎng)期的水生植物可以吸收湖泊中的污染物。

在湖泊水體修復(fù)過(guò)程中，常用的水生植物的生長(zhǎng)習(xí)性、種植密度以及部分植物對(duì)氮、磷的凈化能力對(duì)比情況見(jiàn)表1～表3。表1、表2和表3分別列舉了挺水植物、浮葉植物和沉水植物。

表1 水體生態(tài)修復(fù)中常見(jiàn)挺水植物

表2 水體生態(tài)修復(fù)中常見(jiàn)浮葉植物

表3 水體生態(tài)修復(fù)中常見(jiàn)沉水植物

根據(jù)研究學(xué)者對(duì)滇池草海[35]、武漢東湖[36]的研究成果，湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)應(yīng)以種植沉水植物為主。馬凱等在保安湖的研究表明，周馳等[7]對(duì)湖北省的25 個(gè)典型淺水湖泊進(jìn)行水生態(tài)健康評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)4個(gè)水生態(tài)健康評(píng)價(jià)為良好的湖泊共同特點(diǎn)是擁有較高覆蓋度的沉水植物。因此，可以認(rèn)為富營(yíng)養(yǎng)湖泊水生植被恢復(fù)應(yīng)以沉水植物為主，浮葉植物和挺水植物為輔。

4 水生植物恢復(fù)的影響因素

對(duì)于湖泊水生植物恢復(fù)，需要先了解影響水生植物生長(zhǎng)的環(huán)境因素，以及維持一個(gè)草型生態(tài)系統(tǒng)所需要的外部條件。一般而言，影響水生植物恢復(fù)的主要因素包括光照、水溫、透明度、風(fēng)浪、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、水深等[37,38]。

4.1 光照

水體光強(qiáng)是水生植物生長(zhǎng)的必需環(huán)境因子，會(huì)影響水生植物的株高、枝長(zhǎng)與葉面積，對(duì)水生植物存活率和生長(zhǎng)有重要影響[39]。特別是對(duì)于沉水植物來(lái)說(shuō)，光照直接影響其種子的萌發(fā)及植株存活。太湖沉水植物恢復(fù)的核心條件是水下光照條件[40]。因此，在水生植物種植中，要結(jié)合水生植物可利用的光照合理的設(shè)置水生植物恢復(fù)范圍。

4.2 水溫

水生植物對(duì)污染物的吸收受溫度的制約。當(dāng)溫度適宜時(shí)，植物的生長(zhǎng)速度隨溫度的升高而加快，同時(shí)加速吸收水體中氮磷，植物對(duì)水體中的氮磷的去除能力增強(qiáng)[41]。水溫對(duì)水生植物季節(jié)生長(zhǎng)的影響很顯著，決定植物的萌發(fā)和休眠期。低溫脅迫對(duì)水生植物的光合作用以及正常的代謝活動(dòng)均有極明顯的抑制作用。有研究結(jié)果表明沉水植物的生物量增加或減少時(shí)，水體水溫也相應(yīng)的升高或降低[42]。而客涵[43]的研究結(jié)果表明：9月份水溫與水生植物的生物量呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，分析可能的原因是菹草的大量死亡對(duì)水生植物的生物量產(chǎn)生影響。

4.3 透明度

水體透明度能夠直觀(guān)反映湖泊水下光場(chǎng)的分布情況，是沉水植物生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)條件[44,45]。水體的透明度降低會(huì)影響光強(qiáng)從而阻礙沉水植物的光合作用，使其無(wú)法生存。王琦等[46]研究結(jié)果表明：透明度是影響滇池沉水植物蓋度的主要因素。水體透明度較好時(shí)，利于沉水植物光合作用，促進(jìn)沉水植物生長(zhǎng)繁殖。

4.4 風(fēng)浪擾動(dòng)

風(fēng)浪對(duì)水生植物的影響可以分為物理和生理影響。風(fēng)浪過(guò)大將會(huì)使水生植物根莖折斷；水體底部光強(qiáng)減弱，沉水植物產(chǎn)生生理響應(yīng)。例如，風(fēng)浪擾動(dòng)可以使狐尾藻的抗弱光性和光合作用能力增強(qiáng)[47]。在不同方式擾動(dòng)下。金魚(yú)藻葉綠素a、葉綠素b、類(lèi)胡蘿卜素含量和POD活性等會(huì)發(fā)生變化[48]。風(fēng)浪適度有助于去除附著在水生植物上的藻類(lèi)，有利于水生植物更好地進(jìn)行光合作用。

4.5 營(yíng)養(yǎng)鹽

理論上，水生植物的生長(zhǎng)應(yīng)該有適宜的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度范圍。在一定的濃度范圍內(nèi)，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增長(zhǎng)，對(duì)沉水植物的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用；但當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度過(guò)高時(shí)，富營(yíng)養(yǎng)化造成植物過(guò)量吸收水體營(yíng)養(yǎng)，抑制沉水植物的生長(zhǎng)[49]?？嗖?、馬來(lái)眼子菜和黑藻中，馬來(lái)眼子菜耐受營(yíng)養(yǎng)鹽的范圍最小[50]。文明章通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)適合苦草生長(zhǎng)最適宜的氮磷比(TN/TP)。因此，在水生植物修復(fù)水體的項(xiàng)目中，應(yīng)根據(jù)水體營(yíng)養(yǎng)鹽選擇合適的水生植物。

4.6 水深

水深是水生植物生長(zhǎng)的重要限制性因子，大量研究發(fā)現(xiàn)水生植物的生物量及覆蓋度隨著水深增加有降低的趨勢(shì)，對(duì)水深適應(yīng)能力強(qiáng)的物種在水深增加后具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[51]。太湖、洪澤湖、巢湖、東湖、沙湖等湖泊的水生植物一般分布在水深2 m以?xún)?nèi)淺水區(qū)。在開(kāi)闊的敞水區(qū)，很難有水生植物存在[52]。

挺水植物生長(zhǎng)主要影響因素就是水深[53～55]。挺水植物對(duì)水深要求較高，過(guò)高或過(guò)低的水深高度都會(huì)限制植物的生長(zhǎng)[56]。湖泊水位的變化，會(huì)引起挺水植物被淹沒(méi)的部分受光合作用減弱或增強(qiáng)，植物為適應(yīng)變化，植物的分蘗數(shù)、生物量累積、形態(tài)生長(zhǎng)速率等受不同程度影響[55,56]。

浮葉植物中以鳳眼蓮為例，氮磷含量是影響鳳眼蓮生長(zhǎng)的主要因素之一[57]。氮磷含量的增加增強(qiáng)了鳳眼蓮的生長(zhǎng)繁殖能力[58]。周喆等[59]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氮元素能促進(jìn)鳳眼蓮的向上生長(zhǎng)，提高總生物量；磷元素促進(jìn)鳳眼蓮分裂和橫向生長(zhǎng)，提高鳳眼蓮匍匐莖數(shù)和葉柄數(shù)。徐寸發(fā)等[60]也得出類(lèi)似結(jié)論，認(rèn)為氮磷含量顯著影響鳳眼蓮生長(zhǎng)。因此，可以認(rèn)為氮磷含量是影響鳳眼蓮生長(zhǎng)的主要因素。

沉水植物生長(zhǎng)的主要影響因素是光照強(qiáng)度[61,62]。對(duì)于沉水植物來(lái)說(shuō)，弱光可以抑制在繁殖發(fā)育階段植物生長(zhǎng)，一些植物的形態(tài)會(huì)因?yàn)楣庹盏膹?qiáng)度不同而不同，光照強(qiáng)度的變化能引起植物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)的變化(例如，生長(zhǎng)率降低、體內(nèi)含氮量升高)[63]。

除上述影響因子外，控制養(yǎng)魚(yú)[64]和水文條件[65]也是恢復(fù)水生植被的影響因素。水生植物和各影響因素間作用是相互的，水生植物的生長(zhǎng)也會(huì)引起水體理化環(huán)境的變化[66]。

5 結(jié)論與展望

湖泊生態(tài)修復(fù)中，植物修復(fù)應(yīng)以沉水植物為主，植物的選擇和配置應(yīng)考慮植物對(duì)特定污染物的去除能力、成活率、生長(zhǎng)環(huán)境、湖泊水力學(xué)特征等因素。影響水生植物生長(zhǎng)的因素有很多，主要有光照、水溫、透明度、風(fēng)浪、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、水深。在選擇水生植物修復(fù)水體時(shí)，需提前了解水生植物對(duì)水體污染物的凈化效果與影響植物生長(zhǎng)的主要因素，配合人工干預(yù)，保證水生植物的凈化效果，達(dá)到修復(fù)受污染的水體的目的。

富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水生植被恢復(fù)是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，而水生植物群落的有效恢復(fù)是湖泊生態(tài)恢復(fù)成功與否的關(guān)鍵。現(xiàn)有研究成果大多數(shù)基于實(shí)驗(yàn)室模擬以及特定水體的研究，關(guān)于水生植物對(duì)湖泊水體的凈化效果有待進(jìn)一步論證。在實(shí)際應(yīng)用工程中，需根據(jù)項(xiàng)目需求、研究區(qū)域水體環(huán)境、水生植物等因素綜合考慮。