沉水植物對水體水質凈化效果的研究

摘要：沉水植物對水生態系統修復和水體凈化具有重要作用。本文從沉水植物對水體水質凈化機理、水質凈化效果闡述沉水植物修復對水體的凈化作用;分析了沉水植物修復在水體水質凈化過程中的限制因素，認為在實際工程建設中，沉水植物恢復應結合水體環境特征、品種配置和種植方式，以及與其他工程技術聯合使用。

關鍵詞：沉水植物;凈化;影響因素

中圖分類號：X173 文獻標識碼：A 文章編號：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

沉水植物是水生態系統發展程度的標志，是水體保持良性循環的關鍵物種，在維持水生態系統物種多樣性、增加水體自凈能力等發面具有重要作用。20世紀80年代起，沉水植物就逐漸被用于進行水體治理和生態修復領域。大量研究和工程實踐表明，通過構建沉水植物進行生態恢復，可明顯改善水體水質，恢復水體生態，與其他技術相比，施工方便、成本低且安全持久，兼具提高水體觀賞價值[1-2]。

當沉水植物作為水體中優勢品種時，水體生物多樣性高，水體澄清透明度高，溶解氧水平高，而藻類等浮游植物較少，可見沉水植物在水生態系統中具有不可替代的作用。因此，沉水植物在富營養化水體中的恢復和重建已成為水生態領域重要內容。本文從沉水植物對水體水質凈化機理、水體的凈化效果以及沉水植物凈化影響因素等方面進行探討，以期為沉水植物對富營養化水體（包括河道、人工湖等）治理提供參考。

1 沉水植物對水體水質凈化機理

沉水植物是水生態系統的初級生產者，在維持水生態系統結構穩定性和物種多樣性上起著決定性作用，對水體水質的凈化具有重要作用。沉水植物對水質的凈化作用主要是通過植物根系、莖和葉的直接吸收和吸附作用降低水體中的可溶性和懸浮性顆粒，以去除水體中的氮磷等營養物質。同時為了適應水體中多變的環境，沉水植物的根、莖和葉的表皮細胞排列緊密，可抵抗因水體污染受害導致的同化功能下降，提高了耐污能力。

沉水植物與水體接觸面積較大，形成天然的過濾層，可在莖葉表面通過吸附、離子交換和絡合等作用使懸浮性有機物沉降下來，也抑制了底泥中營養物質的再懸浮速度。相關研究表明[3]，沉水植物的大量存在，可有效促進懸浮性顆粒物的沉降作用，降低底泥沉積物再懸浮速度。另外，沉水植物光合作用產生的溶解氧可輸送至根系，改變根系周圍的氧化還原電位，在根系周邊形成復雜的溶解氧環境，為多種微生物的存在創造條件;沉水植物根際會釋放酶等分泌物，促進微生物的生長，使大量微生物在基質繁殖并形成了生物膜，使污染物被微生物分解代謝去除。蔚枝沁等[4]研究發現，沉水植物生長區域，底泥中二價鐵離子（Fe2+）被根際氧氧化為三價鐵離子（Fe3+），并與磷酸鹽結合形成鐵磷絡合物，抑制了底泥中磷酸鹽的釋放。

2 沉水植物對水體的凈化效果

2.1 穩定水生態系統

沉水植物作為水生態系統中重要的組成部分，直接或間接為水生態系統中其他物種提供食物或養分，其中沉水植物的莖葉是魚類、底棲動物等水生動物的食物來源。沉水植物還可以為水生動物，如小型魚類、螺類和蝦類等，提供逃避天敵的庇護場所和產卵棲息地。由此可見，沉水植物是維持水生態系統穩定和物種多樣性的基礎，沉水植物的消亡，會影響其他生物的正常生長和繁殖，使水生態系統結構被破壞，食物鏈變短，水生態系統由穩定型的“草型”水體往脆弱型“藻型”水體變化。

2.2 降低水體富營養化因子

水體中富營養化因子主要為氮磷等營養物質，沉水植物可以通過直接吸收和轉化作用吸收水體和底泥中的氨氮、硝態氮以及可溶性磷酸鹽，合成自身蛋白質、DNA等物質;還可以與微生物協同作用降解水體中的氨氮（NH3-N）、總磷（TP）和總氮（TN）。任文君等[5]利用白洋淀富營養化的湖水和底泥室內模擬沉水植物凈化效果研究發現，蓖齒眼子菜、馬來眼子菜、金魚藻和黑藻能有效降低水體中NH3-N、TP和TN濃度，試驗21后，水體中NH3-N、TP和TN的去除率均可達70%以上。同時沉水植物還能通過富集作用降低水體中重金屬和小分子有機物濃度。吳玉樹等[6]發現菹草對水體和底泥的Cu、Pb、Zn、As具有較大的吸收量和富集量，其富集量與菹草覆蓋度為正相關關系。

2.3 提高水體透明度

沉水植物系統的構建，可明顯提高水體透明度，它主要是通過以下四個方面實現：（1）降解有機物分子，使有機物分子轉化為小分子物質被水體中小型水生動物或浮游動物吸收，降低水體中懸浮性物質;（2）直接吸收、吸附水體中的懸浮物質;（3）通過根對底泥的固定作用，抑制底泥再懸浮，同時莖葉的存在可降低水體流速，減少水體波動產生的底泥再懸浮[7];（4）為浮游動物提供生長和繁殖空間，通過浮游動物的吞食作用降低懸浮物質[8]。胡蓮[9]、鐘錚[10]等研究表明，沉水植物的存在，可以有效降低水體懸浮物（SS）濃度，提高水體透明度。

2.4 抑制藻類生長

沉水植物和藻類都是水體中的初級生產者，而沉水植物作為大型水生植物，生長周期較長，具有競爭優勢，對藻類生長的抑制作用一方面是通過為浮游動物提供棲息地，從而促進浮游動物的繁殖，借住浮游動物的攝食作用減少藻類;另一方面是與藻類競爭生態位，如空間、營養物質等，以抑制藻類生長。同時，沉水植物還可以分泌化感物質，如焦性沒食子酸（PA）、兒茶酸（CA），2-甲基乙酰乙酸乙酯（EMA）[11]等物質，破壞藻類細胞膜和細胞壁結構，影響藻類光合作用和呼吸作用以及細胞內蛋白質的合成，以抑制藻類的生長。朱俊英等[12]研究發現，穗花狐尾藻分泌的多酚類物質可以抑制銅綠微囊藻光合作用過程中電子的傳遞，而導致藻類不能正常生長。

3 沉水植物凈化影響因素

3.1 沉水植物種類

沉水植物因為生活習性不同，對水體中營養鹽的需求不同，因此不同沉水植物對水體中氮磷的去除率具有顯著區別。不同沉水植物對水體中TN和TP的去除方式不同，主要去除方式可分為三類：第一類是通過同化作用將葉片、根莖等吸收的磷酸鹽合稱為蛋白質、核酸、磷脂等自身成分去除;第二類是通過莖葉吸附水體中的懸浮物去除，其中莖葉分泌的助凝物質會加速沉降速度;第三類是通過改變底泥氧化還原狀態抑制底泥中營養鹽釋放。金魚藻和黑藻對磷的去除主要屬于第一類，而篦齒眼子菜和馬來眼子菜對磷的去除主要屬于第二類或第三類;前者的去除率要大于后兩者的去除率。姚瑤等[13]模擬污水中沉水植物對氮、磷的凈化效果，發現對水體中氮的去除率排名為苦草>黑藻>大苦草>金魚藻，而對磷的去除率排名為黑藻>苦草>金魚藻>大苦草。徐志嬙等[14]發現，在伊樂藻、輪葉黑藻、菹草和金魚藻這四種沉水植物之間，輪葉黑藻對TN的去除率最高，菹草對氮素的耐受范圍最寬，伊樂藻對TP的去除率最高，對磷素的耐受范圍最寬。

3.2 種植方式

不同的栽種方式對沉水植物的存活率具有較大的影響。張聰等[15]通過采用扦插法、沉栽法和播種法研究不同沉水植物的恢復效果，發現菹草用沉栽法種植成活率可高達79.1%，遠高于播種法;而苦草和黑藻用扦插法成活率最大，可分別高達90%和78%。其可能的原因是菹草根系穿透能力強，而苦草和黑藻需要借助扦插法使根系固著在底泥中。

栽種密度和栽種品種的配置也影響沉水植物生長和水體凈化效果。栽種密度低，單株沉水植物生長空間大，但群落構建速度慢;栽種密度高，個體之間生態位交疊嚴重，光照、營養鹽等資源競爭大，可能會產生副作用。不同初始密度對沉水植物的影響不同，隨著初始密度增大，穗花狐尾藻和伊樂藻的生長受到抑制，而金魚藻單株生長無明顯區別[16]。張萌等[17]進行人工栽培模擬實驗發現，金魚藻在種植密度為4g/L時，凈化效果最好;穗花狐尾藻在種植密度2g/L時，凈化效果最好。

錢珍余等[18]研究不同沉水植物組合的凈化效果，發現苦草和輪葉黑藻的混合栽種，對水體中NH3-N、TP和CODMn的凈化效果最好，可分別達到62.6%、58.6%和40.2%。這可能是由于兩個品種所占據的生態位交疊較小，苦草對光的需求較小，一般生長在水體下層，而黑藻一般出現在中層水體。

3.3 水體環境條件

水體環境條件包含水體中營養鹽水平、溫度、pH、光照和透明度等外界條件，這些外界因素主要是通過影響沉水植物的生長和繁殖情況影響沉水植物的凈化效率。沉水植物生長需要吸收大量營養物質，但如果水體中氮磷濃度過高，可能對沉水植物的生理產生脅迫，影響其正常生理活動，抑制其生長，嚴重時可能導致沉水植物死亡，導致二次污染。同時水體中氮磷含量過多，會促使藻類大量繁殖，降低水體透明度，影響了沉水植物的光照條件。水下光環境的惡化，是導致大多數沉水植物消亡的主要原因。光照會影響沉水植物的繁殖發育、生理形態和生理代謝。低光環境下，沉水植物會通過改變葉片的大小、厚度以及節間距來適應低光環境，同時葉片也會出現羽化現象，植株生長速度變慢[19]。溫度主要是通過影響沉水植物的生理活性，如過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）的活性，導致沉水植物正常的光合作用和呼吸作用以及其他的代謝過程受到干擾[20]。閆志強等[21]發現在15℃～35℃之間，黑藻、伊樂藻、狐尾藻和苦草對TP和CODCr的去除率隨著溫度升高而升高。pH會影響沉水植物對氮的去除，由于pH的升高，會促進氨氣的揮發，改變微生物環境條件，從而影響水體中氮的去除。另外，不同沉水植物適應的pH條件不同，如苦草、狐尾藻在偏堿性的環境下生長旺盛，容易成為優勢種。

3.4 底質條件

沉積物可以為沉水植物提供固著點，還可以為沉水植物提供各種N、P等營養物質以及礦物質Fe、Mg等微量元素，影響沉水植物的生長繁殖情況，從而影響沉水植物的凈化效果。沉水植物生長所需的氮和磷大部分都是從沉積物中吸收。一般來說，營養鹽豐富的底泥條件可以促進植物分蘗，加快沉水植物的生長量。但不同沉水植物在不同的營養環境中生長情況不同。陳開寧等[22]研究發現，苦草和馬來眼子菜在低營養的沉積物中生長較好，而輪葉黑藻在營養水平較高的基質中具有較高的適應性。這可能由于苦草和馬來眼子菜根系發達，兩者對沉積物的沁氧能力較強，吸取沉積物中較多營養鹽;黑藻可以在水體上層形成密集的植冠，因此可以在高營養水平下生長，但如果水體中銨鹽過多，可能會對黑藻產生生理脅迫，抑制其生長。

4 總結與展望

沉水植物的生態修復可用于控制水體富營養化進程，提高水體水質，豐富并穩定水體中其他物種的品種及生存環境以提高水體中生物多樣性。沉水植物自身能夠吸收水體中的營養物質降低水體中氮磷含量，影響水生態系統中物質的循環方向和循環速度，控制藻類，改善水體環境。它對水體水質的凈化效果受多種因素影響，如品種及品種的配置，栽種方式，種植密度，水體營養鹽水平，溫度、光照、pH等環境條件以及底質條件等。

在實際的建設中，通過沉水植物修復水體，提高水體水質進行水體改善工程時，應注意：（1）根據實際的修復水體對象，綜合考慮水體環境特點;（2）根據水體環境，可適當結合其他措施，如提高水體透明度、引水稀釋、底泥清淤等工程措施創造適合沉水植物生長繁殖的生態空間;（3）在沉水植物構建初期，合理搭配沉水植物品種，選擇合適的種植密度和種植方式，尤其是先鋒種的品種選擇，以提高沉水植物的存活率和群落構建的穩定性。

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收稿日期：2019-12-27

作者簡介：龔夢丹（1990-），女，漢族，碩士研究生，助理工程師，研究方向為河道水生態治理。