沉水植物與富營養化水體恢復的關系研究

肖淑燕

摘要：闡述了沉水植物在富營養化水體生態恢復中維護生態的完整性和穩定性、凈化水質的生態功能和作用，探討了沉水植物對水體水質的影響，并介紹了受損水體沉水植被的生態恢復方法，展望了沉水植物在富營養化水體處理中的應用前景。

關鍵詞：沉水植物；富營養化；生態恢復

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）09001903

1引言

目前，中國湖泊污染情況嚴重，部分湖泊甚至成為納污水體[1]。盡管已有大量針對湖泊富營養化現狀及產生的原因開展研究，但仍未有效控制我國湖泊富營養化加強的趨勢。在各種工程治理措施未能取得良好和持續的效果情況下，水生植物以其較好的凈化效果、良好的經濟效益、簡單易行和有利于重建和修復水生生態系統等特點，已得到了研究人員的關注和重視，并已被逐步用于富營養化水體修復的研究和實踐中[2]。

沉水植物是指植物體（根莖葉）全部浸沒于水層下生存的完全和典型的水生植物，部分沉水植物僅在開花時露出水面。沉水植物的根有時不發達或完全退化，沉水植物的各部分都可吸收水分和養料，通氣組織特別發達，有利于在水中缺乏空氣的情況下進行氣體交換。常見的沉水植物有苦草、馬來眼子菜、伊樂藻、金魚藻、黑藻、石龍尾等。

沉水植物作為水生植物的重要組成部分，在水生生態系統中發揮著重要的初級生產者的作用。當沉水植物在水體生態系統中生長豐富時，其所在水體環境可表現為水質清澈、溶解氧高、藻類少、生物多樣性高等特點。因此，富營養化水體中沉水植物的恢復與重建已成為水生環境生態學研究的重要內容[3]。本文對相關文獻資料進行綜述，探討了沉水植物的生態環境功能及其在富營養化水體生態恢復中的關系，旨在為富營養化水體的生態恢復提供科學依據。

2沉水植物在水體生態系統中的功能

2.1影響水體流速和含沙量

沉水植物通過其自身的彈性扭曲而影響水流速度，進而留住和去除水體中的顆粒物。但沉水植物本身也會因其扭曲限度限制，對水體流動速度的減緩和影響有一個極限。沉水植物對流速的影響力通常與其自身的植株高度成正比[4]。沉水植物可減少水體含沙量，有研究表明在夏秋季與冬春季沉水植物恢復后，水體平均含沙量較自然條件下分別降低了11.11%和11.15%[5]。

2.2維持水體生物多樣性

沉水植物可有效提高空間生態位，優化水體水下光照和溶解氧含量等因素，可為復雜的食物鏈提供棲息場所、食物和其他環境必備條件，也間接地促進了肉食食物鏈，是維持水體生物多樣性的基礎[6]。

沉水植物的衰敗或消亡，將導致水體中浮游藻類大量繁殖，使浮游動物、底棲動物乃至魚類等水生動物群落結構趨于簡單化，使得水體系統的生物多樣性降低。有研究發現，水草（沉水植物）豐富的東太湖底棲硅藻、底棲動物種類與數量和價值高的經濟魚類種類與數量均較水草受破壞的西太湖多[7]。沉水植物表面還伴生有大量藻類、原生動物和螺類等，一旦沉水植物消失，將使得水體生物群落結構發生改變，導致食物鏈縮短，將嚴重影響水體生物群落結構[8]。

2.3改善水體環境

沉水植物的生長和分布受水體環境的光強、水溫和礦物營養元素等環境因子影響較大。沉水植物的光補償點決定其在水下可分布的最大深度、光合產量及競爭能力[9]。正是由于這種特征，在所有水生植物中，沉水植物具有較強的水體凈化能力。

為適應水體環境中的生長，沉水植物的莖和葉都與根一樣具有較強的吸收作用，且皮層細胞含有葉綠素，能夠進行光合作用。正是由于沉水植物的這些特征和結構，其對水體中富營養物質和重金屬的吸收都有很強的能力[7]。研究表明：一般情況下，沉水植物體內的氮含量為13mg/g，磷含量為3mg/g以上，以一個面積為30km2的中型湖泊為例，如果植物生物量平均為500g/m2DW，那么沉水植物可固定的氮為195t，磷為45t，另外，沉水植物還具有過量吸收營養元素的能力[10]，這一顯著的特征可有效改善水體環境，修復水體富營養化。

3沉水植物對水體水質的影響

3.1透明度

沉水植物通過吸附和吸收水體中生物性和非生物性懸浮物，從而提高水體透明度，這是沉水植物對水體環境優化的最顯著的表現。

沈耀良等[11]研究表明，隨著沉水植物對氮、磷等營養鹽的吸收，水體濁度有明顯的改善效果，3種沉水植物對提高水體透明度的凈化能力表現為：伊樂藻效果最好、苦草次之、金魚藻相對較差。這說明，沉水植物伊樂藻不僅生長速度快，而且具有良好的吸附和吸收水體中懸浮物質的能力。

3.2溶解氧（DO）

挺水植物、浮水植物和沉水植物這3種典型的水生植物中，挺水植物產生的氧氣完全釋放于空氣中，浮水植物僅有少部分的氧氣溶入水中。只有沉水植物所產生的氧氣全部釋放于水中，因此，沉水植物的生長對增加水體含氧量的貢獻和作用最大[12]。

研究表明：在沉水植物生長較好的水體中，其溶解氧含量要明顯高于比缺乏沉水植物或者只以浮水植物為主的水體[9]。黃文成[13]的研究同樣證實了浮水植物水體中的溶解氧大大低于沉水植物水體中的溶解氧，這說明在沉水植物較多的水生生態系統中水體的溶解氧較高。沉水植物的生長不僅能提高水體的溶氧，還有利于形成水體的弱堿環境。

3.3化學需氧量（COD）

沉水植物可使水體中溶解氧的提高，有利于增強水體中微生物對污染物的降解作用[14]，因此沉水植物同樣也能降低水體中COD。黃文成[13]研究表明，在有沉水植物存在的水體環境，COD都遠低于無沉水植物分布的水體，以沉水植物為基礎的水生生態系統遠優于浮水植物為基礎的水生生態系統。

3.4總氮（TN）

沉水植物能有效地吸收水體中富余的氮營養元素以用作自身生長。包先明等[15]研究表明苦草、馬來眼子菜、伊樂藻、金魚藻、黑藻和石龍尾這六種沉水植物在太湖污染水體生長的某個階段中對水體總氮濃度從4716mg/L降低到0666mg/L、076mg/L、0593mg/L、0606mg/L、0546mg/L和0685mg/L，去除率分別達到859 %、837 %、874 %、871 %、884 %和855 %，說明這幾種典型的沉水植物對水體中的氮營養鹽的去除具有顯著成效。有時天氣會影響沉水植物凈化水體的效果，但沈耀良等[11]研究表明沉水植物吸收和去除水體中氮元素的效果受天氣的影響不大。endprint

3.5總磷（TP）

水體中過量的磷元素是導致水體富營養化的關鍵原因，沉水植物對水體和沉積物中磷的吸收和去除同樣具有重要的作用。

包先明等[16]研究發現，在實驗開始未種植沉水植物時，沉積物中總磷的含量隨深度的增加，其垂向變化沒有明顯規律。在沉水植物恢復生長后，沉積物中總磷的濃度有明顯的降低，主要是由于沉水植物通過根系的直接吸收。從垂直方向看，表層0～4cm總磷含量降低的程度相對大于下層，這主要與沉水植物的根系較不發達和其根系主要集中在沉積物的表層有關[16]。

包先明等[15]研究對于總磷的去除效果可以看出，苦草、馬菜眼子菜、伊樂藻、金魚藻、黑藻和石龍尾這6種沉水植物使水體中總磷的濃度從0.459mg/L都降低到0.004mg/L，去除的效率都達到了99.1%，這足以說明沉水植物可以高效的吸收和去除水體中的總磷含量。

3.6葉綠素a

沉水植物能降低水體中葉綠素a的含量，抑制藻類生長，提高水體透明度，改善水質。沉水植物的生長能降低對水體中葉綠素a的含量，尤其是在開始生長階段，效果十分顯著[15]，這主要是由于沉水植物和浮游藻類在營養物質和光照的利用上存在競爭關系，沉水植物生長周期長，個體較大，吸收和儲存營養物質的能力較強，從而抑制了浮游藻類的生長[17]。這說明沉水植物能夠抑制浮游藻類的生長，從而降低和去除水體中葉綠素a，以緩解水體富營養化的趨勢。

3.7化感作用

沉水植物的化感作用可認為是沉水植物的克藻效應。沉水植物能夠分泌抑制藻類生長的化感物質，并且這些化感物質是水生植物生長過程中產生的次生代謝物質，一般能在自然條件下降解，不會在水生生態系統中長期積累，不會破壞水生生態系統的安全性。將沉水植物產生的這些化感物質應用于水體藻類控制具有良好的應用前景[18]。研究表明沉水植物如穗狀狐尾藻、水盾草能夠有效抑制銅綠微囊藻、水華魚腥和小席藻在水體中的生長[19]。利用沉水植物的克藻效應，提高水體的自凈能力，已成為修復湖泊富營養化的一種重要生物措施。

4沉水植被對富營養化水體的生態恢復

沉水植物的出現是湖泊富營養化發展過程中自然選擇的結果。高等沉水植物種群的減少是健康水生態系統退化的重要變現[20]。因此對富營養化水體沉水植被的修復對維持良好水生生態系統具有重要意義。

沉水植物的恢復是湖泊水生植被恢復的重點和難點。沉水植物主要都浸沒于水下生長，因而對水深和水下光照條件的要求都較高。在修復沉水植物時，應根據湖區沉水植物分布現狀、底質、水質現狀等因素，選擇不同生態學特性的先鋒種進行種植。沉水植物恢復時，應從水淺的岸邊開始，并在較低水位的季節進行。水體污染嚴重或直接種植沉水植物難以存活時，可先種植浮水植物（如鳳眼蓮、大藻等）對水體先進行凈水，待水體透明度提高后再種植沉水植物[21]。因此要根據當地具體自然條件因地制宜、因時制宜在時間和空間上予以優化組合，使不同種群在整體上互補共生，適應季節和環境變化[22]。

在利用沉水植物的組建技術進行水體水質凈化或進行退化水體生態修復時，一定要考慮各種生態因子（如光照、pH值、營養鹽、重金屬、懸浮顆粒物及著生藻類）對沉水植物修復的影響[23]。

5沉水植物在富營養化水體恢復中的研究展望

水體富營養化從本質來看是生態問題，而生態問題應采用生態的方法來解決，所以應堅持以生態修復技術恢復富營養化水體。在水體生態恢復過程中，將工程和生物措施結合起來的生態修復技術如沉水植物修復富營養化水體，對水體富營養化的治理具有顯著成效。但仍存在需要深入研究的問題，如凈化效果較好的沉水植物在自然的水生生態系統中能否繼續穩定生長并持續發揮作用，沉水植物的后續開發利用等，均待進一步深入研究和實踐。因而，在未來富營養化水體生態修復中，必須重視將各項技術進行綜合應用，以更有效地實現對富營養化水體的治理和恢復。

2014年9月綠色科技第9期參考文獻：

[1] 顧宗濂.中國富營養化湖泊的生物修復[J].農村生態環境，2002，18（1）：42～45.

[2] Arnlg Melzer.Aquatic macrophytes as tools for lake management[J].Hydrobiologia，1999，395/396：181～190.

[3] Ewel J J.Restoration is the ultimate tset of ecology theory[M].Cambridge Univercity Press：In Restoration Ecology，1987：31～33.

[4] Ursula Stephan，Dieter Gutknecht.Hydraulic resistance of submerged flexible egetation[J].Journal of Hydrology，2002：27～43.

[5] 逄勇，彭進平，丁玲，等.鎮江內江沉水植物恢復的環境效應[J].水利學報，2008，39（7）：773～779.

[6] 宋碧玉，王建，曹明，等.利用人工圍隔研究沉水植被恢復的生態效應[J].生態學雜志，1999，18（5）：21～24.

[7] 曹萃禾.水生維管束植物在太湖生態系統中的作用[J].生態學雜志，1987，6（1）：37～39.

[8] 由文輝.螺類與著生藻類的相互作用及其對沉水植物的影響[J].生態學雜志，1999，18（3）：54～58.

[9] 劉建康.高級水生生物學[M].北京：科學出版社，1999：137，225～240.

[10] 況琪軍，夏宜崢，吳振斌，等.人工模擬生態系統中水生植物與藻類的相關性研究[J].生物學報，1997，21（1）：90～94.endprint

[11] 沈耀良，王美敬，李勇，等.沉水植物修復受污水體凈化效能的研究[J].蘇州科技學院學報：工程技術版，2005，18（4）：1～4.

[12] 胡蓮，萬成炎，沈建忠，等.沉水植物在營養化水體生態恢復中的作用及前景[J].水利漁業，2006，26（5）：69～71.

[13] 黃文成.沉水植物在治理滇池草海污染中的作用[J].植物資源與環境，1994，3（4）：29～33.

[14] 楊清心.東太湖水生植被的生態功能及調節機制[J].湖泊科學，1998（3）：67～72.

[15] 包先明，丁卓麗，祝朋飛，等.不同沉水植物在太湖污染底泥上適應性生長過程及水體氮磷的響應[J].土壤通報，2007，38（6）：1191～1195.

[16] 包先明，陳開寧，范成新.種植沉水植物對富營養化水體沉積物中磷形態的影響[J].土壤通報，2006，37（4）：710～715.

[17] Rattray M R C，Howard Williams，J M A Brown.Sediment and water resources of nitrogen and phophorus for submerged rooted aquatic macrophytes[J].Aqua Bot，1991（40）：225～237.

[18] 李鋒民，胡洪營.植物化感作用控制天然水體中有害藻類的機理與應用[J].給水排水，2004，30（2）：1～4.

[19] Nakai S，Inoue Y，Hosomi M，et al.Growth inhibition of blue-green algae by allelopathic effects of marophytes[J].Water Science and Technology，1999，39（8）：47～53.

[20] 濮培民，王國祥，李正魁，等.健康水生態系統的退化及其修復_理論_技術及應用[J].湖泊科學，2001，13（3）：193～203.

[21] 吳啟堂，陳同斌著.環境生物修復技術[M].北京：化學工業出版社，2007，153.

[22] 王國祥，濮培民，張圣照，等.用鑲嵌組合植物群落控制湖泊飲用水源區藻類及氮污染[J].植物資源與環境，1998，7（2）：35～41.

[23] 陸露璐，黎明，劉德啟，等.影響營養化水體沉水植物修復的生態因子探討[J].四川環境，2007，2（3）：30～33.endprint