沉水植物对水体水质净化效果的研究

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　　摘要：沉水植物对水生态系统修复和水体净化具有重要作用。本文从沉水植物对水体水质净化机理、水质净化效果阐述沉水植物修复对水体的净化作用;分析了沉水植物修复在水体水质净化过程中的限制因素，认为在实际工程建设中，沉水植物恢复应结合水体环境特征、品种配置和种植方式，以及与其他工程技术联合使用。
　　关键词：沉水植物;净化;影响因素
　　中图分类号：X173 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）02-00-03
　　DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.054
　　Abstract：Submerged macrophyte plays an important role in aquatic ecological rehabilitation and water purification.This paper expounds the purification function of the water by submerged macrophyte from the mechanism and the effect of the water purification.The influence factors in the purifying process of water by submerged macrophyte are analyzed. In the reconstruction of submerged macrophyte， the characteristics of the water environment， variety and configuration mode， planting patterns and combination with other engineering measures should be considered together.
　　Key word：Submerged Plants;Purification;Influence factor
　　沉水植物是水生态系统发展程度的标志，是水体保持良性循环的关键物种，在维持水生态系统物种多样性、增加水体自净能力等发面具有重要作用。20世纪80年代起，沉水植物就逐渐被用于进行水体治理和生态修复领域。大量研究和工程实践表明，通过构建沉水植物进行生态恢复，可明显改善水体水质，恢复水体生态，与其他技术相比，施工方便、成本低且安全持久，兼具提高水体观赏价值[1-2]。
　　当沉水植物作为水体中优势品种时，水体生物多样性高，水体澄清透明度高，溶解氧水平高，而藻类等浮游植物较少，可见沉水植物在水生态系统中具有不可替代的作用。因此，沉水植物在富营养化水体中的恢复和重建已成为水生态领域重要内容。本文从沉水植物对水体水质净化机理、水体的净化效果以及沉水植物净化影响因素等方面进行探讨，以期为沉水植物对富营养化水体（包括河道、人工湖等）治理提供参考。
　　1 沉水植物对水体水质净化机理
　　沉水植物是水生态系统的初级生产者，在维持水生态系统结构稳定性和物种多样性上起着决定性作用，对水体水质的净化具有重要作用。沉水植物对水质的净化作用主要是通过植物根系、茎和叶的直接吸收和吸附作用降低水体中的可溶性和悬浮性颗粒，以去除水体中的氮磷等营养物质。同时为了适应水体中多变的环境，沉水植物的根、茎和叶的表皮细胞排列紧密，可抵抗因水体污染受害导致的同化功能下降，提高了耐污能力。
　　沉水植物与水体接触面积较大，形成天然的过滤层，可在茎叶表面通过吸附、离子交换和络合等作用使悬浮性有机物沉降下来，也抑制了底泥中营养物质的再悬浮速度。相关研究表明[3]，沉水植物的大量存在，可有效促进悬浮性颗粒物的沉降作用，降低底泥沉积物再悬浮速度。另外，沉水植物光合作用产生的溶解氧可输送至根系，改变根系周围的氧化还原电位，在根系周边形成复杂的溶解氧环境，为多种微生物的存在创造条件;沉水植物根际会释放酶等分泌物，促进微生物的生长，使大量微生物在基质繁殖并形成了生物膜，使污染物被微生物分解代谢去除。蔚枝沁等[4]研究发现，沉水植物生长区域，底泥中二價铁离子（Fe2+）被根际氧氧化为三价铁离子（Fe3+），并与磷酸盐结合形成铁磷络合物，抑制了底泥中磷酸盐的释放。
　　2 沉水植物对水体的净化效果
　　2.1 稳定水生态系统
　　沉水植物作为水生态系统中重要的组成部分，直接或间接为水生态系统中其他物种提供食物或养分，其中沉水植物的茎叶是鱼类、底栖动物等水生动物的食物来源。沉水植物还可以为水生动物，如小型鱼类、螺类和虾类等，提供逃避天敌的庇护场所和产卵栖息地。由此可见，沉水植物是维持水生态系统稳定和物种多样性的基础，沉水植物的消亡，会影响其他生物的正常生长和繁殖，使水生态系统结构被破坏，食物链变短，水生态系统由稳定型的“草型”水体往脆弱型“藻型”水体变化。
　　2.2 降低水体富营养化因子
　　水体中富营养化因子主要为氮磷等营养物质，沉水植物可以通过直接吸收和转化作用吸收水体和底泥中的氨氮、硝态氮以及可溶性磷酸盐，合成自身蛋白质、DNA等物质;还可以与微生物协同作用降解水体中的氨氮（NH3-N）、总磷（TP）和总氮（TN）。任文君等[5]利用白洋淀富营养化的湖水和底泥室内模拟沉水植物净化效果研究发现，蓖齿眼子菜、马来眼子菜、金鱼藻和黑藻能有效降低水体中NH3-N、TP和TN浓度，试验21后，水体中NH3-N、TP和TN的去除率均可达70%以上。同时沉水植物还能通过富集作用降低水体中重金属和小分子有机物浓度。吴玉树等[6]发现菹草对水体和底泥的Cu、Pb、Zn、As具有较大的吸收量和富集量，其富集量与菹草覆盖度为正相关关系。
　　2.3 提高水体透明度 　　沉水植物系统的构建，可明显提高水体透明度，它主要是通过以下四个方面实现：（1）降解有机物分子，使有机物分子转化为小分子物质被水体中小型水生动物或浮游动物吸收，降低水体中悬浮性物质;（2）直接吸收、吸附水体中的悬浮物质;（3）通过根对底泥的固定作用，抑制底泥再悬浮，同时茎叶的存在可降低水体流速，减少水体波动产生的底泥再悬浮[7];（4）为浮游动物提供生长和繁殖空间，通过浮游动物的吞食作用降低悬浮物質[8]。胡莲[9]、钟铮[10]等研究表明，沉水植物的存在，可以有效降低水体悬浮物（SS）浓度，提高水体透明度。
　　2.4 抑制藻类生长
　　沉水植物和藻类都是水体中的初级生产者，而沉水植物作为大型水生植物，生长周期较长，具有竞争优势，对藻类生长的抑制作用一方面是通过为浮游动物提供栖息地，从而促进浮游动物的繁殖，借住浮游动物的摄食作用减少藻类;另一方面是与藻类竞争生态位，如空间、营养物质等，以抑制藻类生长。同时，沉水植物还可以分泌化感物质，如焦性没食子酸（PA）、儿茶酸（CA），2-甲基乙酰乙酸乙酯（EMA）[11]等物质，破坏藻类细胞膜和细胞壁结构，影响藻类光合作用和呼吸作用以及细胞内蛋白质的合成，以抑制藻类的生长。朱俊英等[12]研究发现，穗花狐尾藻分泌的多酚类物质可以抑制铜绿微囊藻光合作用过程中电子的传递，而导致藻类不能正常生长。
　　3 沉水植物净化影响因素
　　3.1 沉水植物种类
　　沉水植物因为生活习性不同，对水体中营养盐的需求不同，因此不同沉水植物对水体中氮磷的去除率具有显著区别。不同沉水植物对水体中TN和TP的去除方式不同，主要去除方式可分为三类：第一类是通过同化作用将叶片、根茎等吸收的磷酸盐合称为蛋白质、核酸、磷脂等自身成分去除;第二类是通过茎叶吸附水体中的悬浮物去除，其中茎叶分泌的助凝物质会加速沉降速度;第三类是通过改变底泥氧化还原状态抑制底泥中营养盐释放。金鱼藻和黑藻对磷的去除主要属于第一类，而篦齿眼子菜和马来眼子菜对磷的去除主要属于第二类或第三类;前者的去除率要大于后两者的去除率。姚瑶等[13]模拟污水中沉水植物对氮、磷的净化效果，发现对水体中氮的去除率排名为苦草>黑藻>大苦草>金鱼藻，而对磷的去除率排名为黑藻>苦草>金鱼藻>大苦草。徐志嫱等[14]发现，在伊乐藻、轮叶黑藻、菹草和金鱼藻这四种沉水植物之间，轮叶黑藻对TN的去除率最高，菹草对氮素的耐受范围最宽，伊乐藻对TP的去除率最高，对磷素的耐受范围最宽。
　　3.2 种植方式
　　不同的栽种方式对沉水植物的存活率具有较大的影响。张聪等[15]通过采用扦插法、沉栽法和播种法研究不同沉水植物的恢复效果，发现菹草用沉栽法种植成活率可高达79.1%，远高于播种法;而苦草和黑藻用扦插法成活率最大，可分别高达90%和78%。其可能的原因是菹草根系穿透能力强，而苦草和黑藻需要借助扦插法使根系固着在底泥中。
　　栽种密度和栽种品种的配置也影响沉水植物生长和水体净化效果。栽种密度低，单株沉水植物生长空间大，但群落构建速度慢;栽种密度高，个体之间生态位交叠严重，光照、营养盐等资源竞争大，可能会产生副作用。不同初始密度对沉水植物的影响不同，随着初始密度增大，穗花狐尾藻和伊乐藻的生长受到抑制，而金鱼藻单株生长无明显区别[16]。张萌等[17]进行人工栽培模拟实验发现，金鱼藻在种植密度为4g/L时，净化效果最好;穗花狐尾藻在种植密度2g/L时，净化效果最好。
　　钱珍余等[18]研究不同沉水植物组合的净化效果，发现苦草和轮叶黑藻的混合栽种，对水体中NH3-N、TP和CODMn的净化效果最好，可分别达到62.6%、58.6%和40.2%。这可能是由于两个品种所占据的生态位交叠较小，苦草对光的需求较小，一般生长在水体下层，而黑藻一般出现在中层水体。
　　3.3 水体环境条件
　　水体环境条件包含水体中营养盐水平、温度、pH、光照和透明度等外界条件，这些外界因素主要是通过影响沉水植物的生长和繁殖情况影响沉水植物的净化效率。沉水植物生长需要吸收大量营养物质，但如果水体中氮磷浓度过高，可能对沉水植物的生理产生胁迫，影响其正常生理活动，抑制其生长，严重时可能导致沉水植物死亡，导致二次污染。同时水体中氮磷含量过多，会促使藻类大量繁殖，降低水体透明度，影响了沉水植物的光照条件。水下光环境的恶化，是导致大多数沉水植物消亡的主要原因。光照会影响沉水植物的繁殖发育、生理形态和生理代谢。低光环境下，沉水植物会通过改变叶片的大小、厚度以及节间距来适应低光环境，同时叶片也会出现羽化现象，植株生长速度变慢[19]。温度主要是通过影响沉水植物的生理活性，如过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）的活性，导致沉水植物正常的光合作用和呼吸作用以及其他的代谢过程受到干扰[20]。闫志强等[21]发现在15℃～35℃之间，黑藻、伊乐藻、狐尾藻和苦草对TP和CODCr的去除率随着温度升高而升高。pH会影响沉水植物对氮的去除，由于pH的升高，会促进氨气的挥发，改变微生物环境条件，从而影响水体中氮的去除。另外，不同沉水植物适应的pH条件不同，如苦草、狐尾藻在偏碱性的环境下生长旺盛，容易成为优势种。
　　3.4 底质条件
　　沉积物可以为沉水植物提供固着点，还可以为沉水植物提供各种N、P等营养物质以及矿物质Fe、Mg等微量元素，影响沉水植物的生长繁殖情况，从而影响沉水植物的净化效果。沉水植物生长所需的氮和磷大部分都是从沉积物中吸收。一般来说，营养盐丰富的底泥条件可以促进植物分蘖，加快沉水植物的生长量。但不同沉水植物在不同的营养环境中生长情况不同。陈开宁等[22]研究发现，苦草和马来眼子菜在低营养的沉积物中生长较好，而轮叶黑藻在营养水平较高的基质中具有较高的适应性。这可能由于苦草和马来眼子菜根系发达，两者对沉积物的沁氧能力较强，吸取沉积物中较多营养盐;黑藻可以在水体上层形成密集的植冠，因此可以在高营养水平下生长，但如果水体中铵盐过多，可能会对黑藻产生生理胁迫，抑制其生长。 　　4 总结与展望
　　沉水植物的生态修复可用于控制水体富营养化进程，提高水体水质，丰富并稳定水体中其他物种的品种及生存环境以提高水体中生物多样性。沉水植物自身能够吸收水体中的营养物质降低水体中氮磷含量，影响水生态系统中物质的循环方向和循环速度，控制藻类，改善水体环境。它对水体水质的净化效果受多种因素影响，如品种及品种的配置，栽种方式，种植密度，水体营养盐水平，温度、光照、pH等环境条件以及底质条件等。
　　在实际的建设中，通过沉水植物修复水体，提高水体水质进行水体改善工程时，应注意：（1）根据实际的修复水体对象，综合考虑水体环境特点;（2）根据水体环境，可适当结合其他措施，如提高水体透明度、引水稀释、底泥清淤等工程措施创造适合沉水植物生长繁殖的生态空间;（3）在沉水植物构建初期，合理搭配沉水植物品种，选择合适的种植密度和种植方式，尤其是先锋种的品种选择，以提高沉水植物的存活率和群落构建的稳定性。
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　　收稿日期：2019-12-27
　　作者简介：龚梦丹（1990-），女，汉族，硕士研究生，助理工程师，研究方向为河道水生态治理。
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