沉水植物生態修復富營養化水體的機理和應用

□夏 雪

（四川大學建筑與環境學院 四川 成都 610065）

城市化和工業化產生了大量生活污水和工業廢水，導致了嚴重的水污染[1]。過量的氮（N）和磷（P）進入水體，加重了淡水生態系統的負擔，導致全球范圍內的水體出現了富營養化情況[2]。水體富營養化不僅會導致水質惡化、水生生物多樣性喪失，還會引起有害藻華（HABs）暴發，水體富營養化已經成為21 世紀公認的最大水質問題之一。目前，國內外針對富營養化的治理主要為物化法和生態學方法[3]。物化法雖能在短時間內降低水中的污染物濃度，緩解富營養化，但不利于維持生態系統的可持續性[4]。生態學方法是利用微生物、動物、植物等構建生態系統，通過降低污染負荷、改善水質和增加生物多樣性，從根本上恢復水體生態系統健康。

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料，通氣組織發達，有利于在缺少空氣的水中進行氣體交換。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磷的沉淀。通常情況下，富營養水體中的顆粒態磷多于可溶性磷，因此磷在表層水體中的主要持留機制是沉積、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、磷等營養物質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。金樹權等（2017）[7]對比5 種常見沉水植物去除氮、磷的效果發現，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83.1%和70.8%。可見，選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化水體中氮、磷的去除能力優于植物的組合群落。這是因為不同種類沉水植物間存在競爭關系，主要體現在對光照和營養物質的競爭上，當組合間的搭配比例不當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，沉水植物的生物量與氮、磷的去除效果呈正比。但當生物量達到一定值時，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，在生態修復中，植物的生物量是根據水中的氮、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，沉水植物會吸收營養物質供自身生長。進入秋、冬季節，許多沉水植物無法存活，植物體死亡后會將部分營養物質釋放出來[9]，去除部分營養物質只是暫時的，需在植物腐敗前進行清理。

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為反硝化作用提供有機碳。

2.4 抑制藻類生長

水生植物的抑藻機理主要有兩種，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物質、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物質等。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，會出現化感作用，即異株克生。具體來說，就是一種植物通過向環境釋放化學物質而對另一種植物（包括微生物）產生的積極或消極作用，是植物對環境的一種適應或防御機制[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，只有植物產生的化感物質達到一定濃度時才會對藻類產生抑制作用，而濃度較低時對藻類的抑制效果微弱，甚至還會促進藻類生長，即出現“低促高抑”的情況。植物對藻類的抑制作用還呈現明顯的季節性，植物不同，季節性也不同[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，使更多光照進入水中，從而促進沉水植物的光合作用，提高水體的溶解氧含量，改善水質條件。沉水植物降低水體透明度的原理與去除顆粒態磷的原理相似，沉水植物會增加懸浮物的碰撞結合，從而促進懸浮物的沉降。

2.6 對生態系統的影響

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，維持種群數量和群落結構的穩定性，增加生物多樣性。沉水植物群落結構能夠促進肉食性魚類生長，保證生態系統中下行效應的發揮，即肉食性魚類捕食草食性魚類和浮游生物魚類，優化魚類種群結構，降低沉水植物及浮游動物被大量捕食的壓力，達到控制浮游植物的效果。

3 沉水植物在水體修復領域的應用現狀

由于沉水植物的根、莖、葉都浸沒在水中，可對水中的營養物質進行吸收利用，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物質的效果更好，被廣泛應用于水體生態修復中。如武漢東湖的水質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）通過構建集水質凈化與景觀功能于一體的大型溞-沉水植物組合系統，最終有效改善了沙河水庫的水質，并提升了美觀性。張力等（2021）在調研南京市友誼河硬質河底的生態修復中發現，以苦草為主的沉水植物應用廣泛，多見于城市濕地公園建設、人工濕地對生活污水的凈化處理、城市河道的生態修復和建設、城市濱水景觀的建設等。但在城市景觀水體的應用中，不能僅考慮沉水植物的凈化效果，還要考慮其觀賞價值，所以在實際應用中，沉水植物種類的選取是由多個因素決定的。

4 討論

水體富營養化對人類環境的影響不容小覷。在修復富營養化水體的過程中，應將控制營養鹽和構建健康的生態系統作為主要目標。作為一種低能耗、高效率、易管理的生態修復技術，沉水植物修復富營養化水體逐漸被廣泛應用于實際工程項目建設中。

了解沉水植物在富營養化水體治理中的生態機理，改善基礎環境，是實現富營養化水體生態恢復的有效途徑。但是在實際工程應用中，應具體情況具體分析，針對不同類型的富營養化水體選擇不同的沉水植物，還可搭配挺水植物等達到修復的目的。此外，在沉水植物群落構建初期，對于植物的生長速率和草食性魚類的攝食問題有待進一步研究。