沉水植物生命史對城市景觀水體富營養(yǎng)元素影響機制研究進展

奚霄松（上海園林綠化建設(shè)有限公司， 上海 200335）

大量氮元素、磷元素通過工業(yè)廢水、生活廢水、農(nóng)業(yè)行為和其他方式進入水體，造成水體各類指標惡化，生物多樣性降低、統(tǒng)稱為水體富營養(yǎng)化過程[1]。城市景觀水體中，由于流動性較差，大部分是采用人工建塘的方式建成，初始生物多樣性較低，更易快速進入富營養(yǎng)化進程[2]，因此，針對城市景觀水體富營養(yǎng)化特點，研究如何有效控制小流域中氮、磷的轉(zhuǎn)化是關(guān)鍵問題[3]。傳統(tǒng)預(yù)防與修復(fù)方法中，無論是客水置換、化學(xué)淋溶等常規(guī)措施，都存在人力維護成本高、材料成本高等客觀問題，在此基礎(chǔ)上，水生植物的引進，尤其是沉水植物先鋒種的構(gòu)建與種群養(yǎng)成，是一種簡單可控、材料成本低、環(huán)境影響小、景觀效益大的修復(fù)措施[4]。沉水植物的作用行為和季節(jié)緊密相關(guān)，大部分沉水植物為一年生并且在高水熱交替季節(jié)里逐漸停止生命史，大量吸收養(yǎng)分元素后的沉水植物因為自然死亡再次進入底泥系統(tǒng)自然腐解，也會造成二次污染[5]。本文從凈化效果、凈化機制兩個方面綜述沉水植物對富營養(yǎng)化水體的改良過程。

1 沉水植物對氮、磷的凈化效果

廣泛被研究的沉水植物包括但不限于苦草、伊樂藻、黑藻、金魚藻、狐尾藻等。在各類研究中，類型各異的沉水植物擁有不同的吸收轉(zhuǎn)化速率。田琦等[6]發(fā)現(xiàn)，金魚藻對總磷和總氮的吸收轉(zhuǎn)化能力比苦草和伊樂藻更強，林春風(fēng)等[7]也印證了這一觀點。對比單一沉水植物修復(fù)體系，合理配作不同類型的沉水植物能更好地針對目標元素進行針對性修復(fù)，雷澤湘等[8]研究發(fā)現(xiàn)黑藻＋苦草組合對太湖富營養(yǎng)化水體總氮的除率達到 90.3%。常素云等[9]在對 TP、NH4+-N的去除效果的研究中發(fā)現(xiàn)，沉水植物與香蒲的組合去除率達到 83.9% 和 62.1%。李歡等[10]對多種挺水與沉水植物的研究也印證了相似結(jié)果。因此，多類型水生植物和沉水植物復(fù)配生態(tài)系統(tǒng)下的凈化效果也更為優(yōu)秀。景觀水域底泥沉積物富含大量氮、磷元素，沉水植物的種植可以通過其生命史促進河床底泥中的有機物礦化，從而降低富營養(yǎng)元素含量，影響各種形態(tài)氮、磷的轉(zhuǎn)化遷移。馬久遠等[11]發(fā)現(xiàn)，對比與稀疏群落系統(tǒng)，擁有大量沉水植物群落系統(tǒng)的河床底泥中沉積物中的富營養(yǎng)元素均有降低，總氮、有機氮作用更加顯著。王立志等[12]發(fā)現(xiàn)，黑藻、苦草和菹草沉積物中總磷（TP）含量最大降低幅度分別達 35.34 mg/kg、 60.67 mg/kg、25.92 mg/kg。但部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)這種定向的降低并不是絕對的，也有可能通過活化作用釋放河床底泥中的富營養(yǎng)元素，反而增加了水中活化態(tài)的氮、磷含量，這可能和底泥中不同元素的化學(xué)構(gòu)成和結(jié)構(gòu)有緊密關(guān)系。

2 沉水植物對氮、磷的凈化機制

2.1 沉水植物對氮的凈化機制

在沉水植物生命史周期內(nèi)，其對氮、素的吸收與生命史保持高度相關(guān)性。以穗花狐尾藻和蓖齒眼子菜的氮元素積累舉例，蘇倩等[13]發(fā)現(xiàn)其在 7 月、8 月 2 個月累積量最大。沉水植物葉片在富營養(yǎng)化元素的轉(zhuǎn)化吸收中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)位置，通常情況下，其對硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的富存量遠大于其他組織水平。除此之外，同種植物對不同形態(tài)的氮素利用也有很大差別，徐昇等[14]發(fā)現(xiàn)苦草對銨態(tài)氮的吸收顯著高于硝態(tài)氮。其他學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，同化吸收并不是沉水植物凈化氮的主要機制, 吸收所去除的氮量僅占期其全部去除量的 2%～5%[15]，主要機制為沉水植物與微生物的協(xié)同轉(zhuǎn)化。植物的根系效應(yīng)使根系形成富氧-缺氧的氧化還原微環(huán)境，使氮循環(huán)微生物同時出現(xiàn)并發(fā)揮作用，含氮有機物經(jīng)異養(yǎng)菌的氨化作用轉(zhuǎn)化成氨氮，再通過硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}和硝酸鹽態(tài)氮，最終通過反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮氣從水中排出[16]。部分研究顯示，沉水植物種植狀態(tài)下，部分富營養(yǎng)化水體氮循環(huán)微生物指數(shù)級增加，其中，硝化與反硝化細菌數(shù)量增加 1～2 個數(shù)量級，同時，在沉水植物莖葉表面呈現(xiàn)出復(fù)雜的氧化還原微環(huán)境，例如，Korner[17]在沉水植物莖葉表面監(jiān)測到與沉積物中相當(dāng)?shù)南趸饔?。此外，沉水植物可以通過以下方式為水體氮去除提供必要條件：①根系有機碳分泌微環(huán)境提高微生物養(yǎng)分攝取源活性，Herrmann 等[18]發(fā)現(xiàn)泌氧狀態(tài)下的根系微環(huán)境顯著提高厭氧古菌的群落豐度，孔祥龍等[19]證明了苦草根系-底泥交界處提高了底泥電子受體活性，進而影響硝化和反硝化細菌生命史。②光合作用下 CO2吸收及改善水體酸堿度，促進氮素循環(huán)。趙聯(lián)芳等[20]通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)伊樂藻生物量為 2 g/L 處理 12 d 內(nèi)，水體 pH 提高 1.1 個單位，由 7.5 上升至 8.6，當(dāng)沉水植物生物量較大時，微小的酸堿度變化即可快速促進氮素的循環(huán)[18]。

2.2 沉水植物對磷的凈化機制

河床底泥和底泥孔洞中的磷元素是沉水植物的主要來源。Smith 等[21]研究發(fā)現(xiàn)狐尾藻的年均磷吸收量是 3 g/m2，其中根系吸收的比例達到 73.3%。植物以根系為主要磷吸收介質(zhì)有限制前提，部分研究說明當(dāng)?shù)啄嗪偷啄嗫紫端辛自睾窟^高時，沉水植物以根系吸收為主。但當(dāng)區(qū)域水體中磷含量偏高時，葉片的吸收作用便會大于根系。區(qū)域水體磷含量＞5 mmol/m3，葉片的吸收占主導(dǎo)作用。沉水植物的磷吸收不局限于根系作用，葉片的獨立吸收轉(zhuǎn)化完全可以提供其生命史的磷元素閾值需求，尤其對于根系系統(tǒng)欠發(fā)達甚至退化的部分類型植物，主要通過葉片和莖作用來吸收磷元素，例如常見沉水植物黑藻等。根莖和葉片作用不僅能夠?qū)υ赝瓿晌蘸娃D(zhuǎn)化，同時還能夠通過吸附、固定區(qū)域水體里的可見懸浮顆粒物，從而降低附著在顆粒物上的其他形態(tài)磷元素。在兩相交互界面，通過沉水植物頻繁的光合作用和根系分泌作用，可以有效影響和改善交互界面的微生物種群，進而通過微生物的生物作用加速磷元素的吸收和轉(zhuǎn)化[22]。部分沉水植物類型可以通過根系分泌作用加強磷酸酶的生物活力，在交互界面將難以吸收的有機態(tài)磷元素活化為其他易吸收形態(tài)，再通過根系和葉片的作用進行吸收轉(zhuǎn)移，但該結(jié)論并不具有普適性，由于根系分泌作用的不同，部分沉水植物反而會降低目標磷酸酶活力，阻礙磷的活化轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生該矛盾的原因尚未有深層次的研究和報道[23]。在磷的形態(tài)中，NaOH-P 形態(tài)最容易受沉水植物生命史影響，交互界面的根系環(huán)境和微生物區(qū)系是產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因，根系自身和微生物分泌的低分子有機酸通過降低交互界面的區(qū)域 pH 從而達到活化作用。

3 沉水植物腐解對水體中氮磷遷移轉(zhuǎn)化的影響

沉水植物大部分生命史較短，只能在水熱條件充足的季度里進行固定生命史，但是在秋冬二季，大部分植物緩慢停止生長并逐步死亡。由于溫度的關(guān)系，腐解物在冬季以固定養(yǎng)分的形式貯存在交互界面并固定，此時并不會對水體產(chǎn)生顯著的 pH 影響和溶解氧影響，因此針對腐解物的研究大部分集中在初春到第二年生命史開始之前的一段時間。以苦藻為例，其在 1—3 月份自然腐解里，能夠使區(qū)域水體里的總氮含量提高 60.96%、使總磷含量提高 144.40%，底泥中對應(yīng)元素含量也分別提高 9.41%、19.99%[24]。沉水植物的自然腐解分步進行，具有多階段、快慢結(jié)合等特點。在腐解初期，構(gòu)成腐解物的有機顆粒和無機鹽會迅速進入淋溶過程，后期在各類微生物和活化酶的輔助下對殘存難溶物質(zhì)進行二次腐解。腐解初期，區(qū)域微水體及交互界面中的富營養(yǎng)元素呈快速遞增趨勢并歸于平穩(wěn)，曹培培和唐金艷[25]的研究都印證了這一觀點，在菹草、狐尾藻的腐解試驗中，區(qū)域水體中氮磷元素濃度均呈現(xiàn)迅速遞增、緩慢過渡、保持穩(wěn)定的趨勢。相較于氮元素，磷元素對腐解物的響應(yīng)更具敏感性，容易出現(xiàn)反復(fù)遞增的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于氮元素能夠通過硝化、反硝化作用生成氣體進行逃逸，而磷元素一般通過形成沉積物向下遷移再溢出等反復(fù)過程而導(dǎo)致反復(fù)更迭[26]。沉水植物的腐解極易在固定月份對水體產(chǎn)生富營養(yǎng)化作用，但是該過程也具有積極性。沉水植物生物量過大時，其腐解過程容易迅速形成厭氧環(huán)境，同時大量營養(yǎng)元素的析出也是 1—3 月份水體富營養(yǎng)化的原因之一。沉水植物腐解物隨著腐解的進行，向上漂移覆蓋表面，在一定程度上阻礙交互面吸氧，造成水體溶解氧的反復(fù)變化。以苦草為例，腐解后的有機物產(chǎn)生的 CO2迅速降低了水體溶解氧和pH，周林飛[27]的觀點同時印證了不同類型沉水植物腐解均能夠?qū)е?2 項關(guān)鍵指標的下降-上升趨勢。

4 結(jié) 語

城市景觀水體恢復(fù)與構(gòu)建中，沉水植物是恢復(fù)生物多樣性的基礎(chǔ)，在水體自凈、水生態(tài)功能構(gòu)建中都具得天獨厚的功能與作用。根據(jù)上文表述，由于其大生物量和對氮、磷元素的高度親和、吸收、轉(zhuǎn)化等優(yōu)勢，是景觀水體富營養(yǎng)化的重要解決方案。結(jié)合當(dāng)下研究現(xiàn)狀和沉水植物自身特點，應(yīng)該從以下幾點出發(fā)，為后續(xù)研究提供理論和實踐基礎(chǔ)。

（1）加強根系微生物區(qū)系的協(xié)同構(gòu)建和恢復(fù)，建立沉水植物根系分泌物-微生物系統(tǒng)-交互界面語言系統(tǒng)，篩選具有高效利用價值的微生物種類。

（2）進一步加強沉水植物-河床底泥交互界面氮、磷元素轉(zhuǎn)化的環(huán)境影響因子研究，在容易發(fā)生富營養(yǎng)化的 1—3月份實施人工干預(yù)和調(diào)節(jié)。

（3）進一步高效利用生命史生命旺盛階段的轉(zhuǎn)化能力，降低腐解階段的二次污染風(fēng)險。