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，簡俊杰，劉國芳

(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，隨著城市的高速發(fā)展，加大了對淺水湖泊的開發(fā)力度，同時湖泊過度接納大量人類生產(chǎn)生活的產(chǎn)生的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)[1]，從而加速了湖泊的富營養(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、水資源開發(fā)失衡等問題[2]。水利部公布的《2018年中國水資源公報》顯示，121個湖泊中富營養(yǎng)湖泊占73.5%，足見富營養(yǎng)化是我國湖泊的一個通病。對于富營養(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養(yǎng)鹽濃度同時進(jìn)行[3]。

在富營養(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)者通過對武漢東湖[9]、太湖[10,11]、滆湖[12,13]、滇池[14]等研究結(jié)果表明，水生植被對富營養(yǎng)化湖泊水質(zhì)有良好的凈化效果，水生植被恢復(fù)是解決湖泊富營養(yǎng)湖泊問題的有效途徑之一[15]。

2 水生植物在水環(huán)境中的作用

針對富營養(yǎng)化湖泊，水生植物主要起到對湖泊外源物質(zhì)的吸收凈化作用，以及對內(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水體水質(zhì)的影響[17]；水生植物對外源氮去除率達(dá)95%以上[18]。水生植物不僅可以吸收凈化外源營養(yǎng)物質(zhì)，還可以去除重金屬。在一定條件下，鳳眼蓮對Zn的去除率可達(dá)82%以上[19]。個別水生植物對Hg、Co、Cu、Mn去除率可達(dá)99.53%[20]。水生植物對內(nèi)源物質(zhì)的凈化主要表現(xiàn)為通過生長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)可以抑制藻類的生長[23～25]。個別高等水生植物對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養(yǎng)鹽，對淺水處的內(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)和觀賞價值。沉水植物能消耗水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，對有毒藻類的生長具有明顯的抑制作用，為固著性藻類提供附著表面，為水體中部分水生動物等提供餌料和棲息、繁殖場所[7]。

3 水生植物選種與配置原則

3.1 水生植物選種

富營養(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)勢種。種植水生植物凈化水質(zhì)、降低人為因素對湖泊的影響。因此在選擇水生植物時，應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：①耐污性強(qiáng)，凈化效果好[29]；②滿足環(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

在對水生植物進(jìn)行群落配置時，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)過程中，常用的水生植物的生長習(xí)性、種植密度以及部分植物對氮、磷的凈化能力對比情況見表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)中常見挺水植物

表2 水體生態(tài)修復(fù)中常見浮葉植物

表3 水體生態(tài)修復(fù)中常見沉水植物

根據(jù)研究學(xué)者對滇池草海[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]對湖北省的25 個典型淺水湖泊進(jìn)行水生態(tài)健康評價，發(fā)現(xiàn)4個水生態(tài)健康評價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

對于湖泊水生植物恢復(fù)，需要先了解影響水生植物生長的環(huán)境因素，以及維持一個草型生態(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)是水生植物生長的必需環(huán)境因子，會影響水生植物的株高、枝長與葉面積，對水生植物存活率和生長有重要影響[39]。特別是對于沉水植物來說，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

水生植物對污染物的吸收受溫度的制約。當(dāng)溫度適宜時，植物的生長速度隨溫度的升高而加快，同時加速吸收水體中氮磷，植物對水體中的氮磷的去除能力增強(qiáng)[41]。水溫對水生植物季節(jié)生長的影響很顯著，決定植物的萌發(fā)和休眠期。低溫脅迫對水生植物的光合作用以及正常的代謝活動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，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反映湖泊水下光場的分布情況，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影響光強(qiáng)從而阻礙沉水植物的光合作用，使其無法生存。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，利于沉水植物光合作用，促進(jìn)沉水植物生長繁殖。

4.4 風(fēng)浪擾動

風(fēng)浪對水生植物的影響可以分為物理和生理影響。風(fēng)浪過大將會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]。在不同方式擾動下。金魚藻葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量和POD活性等會發(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，有利于水生植物更好地進(jìn)行光合作用。

4.5 營養(yǎng)鹽

理論上，水生植物的生長應(yīng)該有適宜的營養(yǎng)鹽濃度范圍。在一定的濃度范圍內(nèi)，營養(yǎng)鹽濃度的增長，對沉水植物的生長有促進(jìn)作用；但當(dāng)營養(yǎng)鹽濃度過高時，富營養(yǎng)化造成植物過量吸收水體營養(yǎng)，抑制沉水植物的生長[49]。苦草、馬來眼子菜和黑藻中，馬來眼子菜耐受營養(yǎng)鹽的范圍最小[50]。文明章通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)適合苦草生長最適宜的氮磷比(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，對水深適應(yīng)能力強(qiáng)的物種在水深增加后具有更強(qiáng)的競爭優(yōu)勢[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以內(nèi)淺水區(qū)。在開闊的敞水區(qū)，很難有水生植物存在[52]。

挺水植物生長主要影響因素就是水深[53～55]。挺水植物對水深要求較高，過高或過低的水深高度都會限制植物的生長[56]。湖泊水位的變化，會引起挺水植物被淹沒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)了鳳眼蓮的生長繁殖能力[58]。周喆等[59]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氮元素能促進(jìn)鳳眼蓮的向上生長，提高總生物量；磷元素促進(jìn)鳳眼蓮分裂和橫向生長，提高鳳眼蓮匍匐莖數(shù)和葉柄數(shù)。徐寸發(fā)等[60]也得出類似結(jié)論，認(rèn)為氮磷含量顯著影響鳳眼蓮生長。因此，可以認(rèn)為氮磷含量是影響鳳眼蓮生長的主要因素。

沉水植物生長的主要影響因素是光照強(qiáng)度[61,62]。對于沉水植物來說，弱光可以抑制在繁殖發(fā)育階段植物生長，一些植物的形態(tài)會因?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代謝活動的變化(例如，生長率降低、體內(nèi)含氮量升高)[63]。

除上述影響因子外，控制養(yǎng)魚[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，水生植物的生長也會引起水體理化環(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)考慮植物對特定污染物的去除能力、成活率、生長環(huán)境、湖泊水力學(xué)特征等因素。影響水生植物生長的因素有很多，主要有光照、水溫、透明度、風(fēng)浪、營養(yǎng)鹽濃度、水深。在選擇水生植物修復(fù)水體時，需提前了解水生植物對水體污染物的凈化效果與影響植物生長的主要因素，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。

富營養(yǎng)化湖泊水生植被恢復(fù)是個長期的過程，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。