水生植物在水環境生態修復中的凈化作用與配置原則

王嘉偉

(上海勘測設計研究院有限公司,上海 200335)

1 引言

隨著全國城市化進程的不斷加速，城市的工業體量與人口密度大大增加，導致城市水體的污染負荷越來越大。在城市發展初期，城市水體的重點主要集中于防洪排澇，從而忽視了其生態、景觀等功能，導致水環境問題日益突出[1]。這不僅對自然環境造成了極大的危害，也嚴重影響了居民的生活質量與身心健康。因此城市水環境的治理，對提升城市形象、維護城市生態平衡、改善人民居住環境具有重大意義。

生態修復作為水環境治理“外源減排、內源清淤、水質凈化、清水補給、生態恢復”技術路線的重要環節，是維持水體底質、水質及水生生物群落結構穩定，最終實現水體長治久清的關鍵，也是實現受污染水體向生態之河蛻變的重要手段[2]。近年來，有關生態修復的研究已經成為河道湖泊綜合治理的研究重點和難點。生態修復從技術層面可分為物理結構修復、水質生態凈化、生物群落恢復3部分。其中，水生植物的恢復是生物群落恢復的重點內容，也是恢復水生生態系統的關鍵標志[3]。本文在查閱近年來國內外城市水環境生態修復的成功案例基礎上，主要對水生植物在生態修復的作用與選擇進行綜述，為水生植物在城市生態修復中的應用與管理提供科學依據。

2 水生植物的作用

水生植物是指植株的部分或全部可以長期在水體或含水飽和的基質中生長的植物。水生植物不僅是水生生態系統的重要組成部分，還在物質循環和能量流動方面起調節作用。在城市水環境生態修復中，水生植物的應用領域主要集中在湖濱河岸生態帶、人工濕地、生態浮床等方面，其在生態修復中的作用機制主要包括物理化學作用、吸收作用、協同作用和化感作用。

2.1 物理化學作用

物理化學作用是水生指植物對水中的有機質顆粒進行攔截、沉降、吸附，植物較大的比表面積是水中污染顆粒與微生物的良好載體[4]。水生植物可以通過其根系周圍的菌膠團可以使懸浮性有機物沉降下來[5]。曹蓉等[6]通過研究生態浮床的去磷機質發現蘆葦對磷去除方式主要為沉淀，吸收僅占去磷總量的36%。另外，水生植物群落帶可攔截、凈化地表徑流夾帶的泥沙和其他污染物，減輕湖泊、河道、渠塘的污染負荷；能夠有效地減輕波浪對岸線和水體的沖擊，消浪防蝕、穩定水體、防止底泥懸浮，從而減輕湖泊、河道、渠塘等水體的富營養化程度和生態破壞。

2.2 吸收作用

水生植物可以通過同化作用將水體中的營養鹽轉換為自身的組成物質，也可以通過代謝作用將其轉換為二氧化碳和水[7]。隨著植物的生長，需要定期對植物進行收割，否則植物的凋落物進入水中，會對水體造成二次污染[8]。不同的氣候、不同的物種、不同的污染源，都會影響植物吸收污染物的效果。金樹權等[9]發現在相同條件下，輪葉黑藻、苦草、金魚藻、穗狀狐尾藻、微齒眼子菜對水體的N、P吸收能力不同，大小順序均為：輪葉黑藻>金魚藻>苦草>穗狀狐尾藻>微齒眼子菜。左倬等[10]發現不同季節表流濕地中水生植物對微污染原水中N、P的吸收率不同。

城市水體中往往存在一些重金屬具有毒害作用，但是一些水生植物可以通過螯合作用和區室化作用來耐受并吸收水體中的重金屬和有毒污染物[11]。例如，鳳眼蓮在受到重金屬誘導時可以產生具有重金屬絡合作用的金屬硫肽[12]。這些生物機制的存在使許多水生植物具有消除重金屬的功能。

2.3 協同作用

水生植物可與微生物協同降解水中的N、P等污染物。植物將光合作用產生的氧氣與營養物質通過體內運輸送至發達的根系，在根系周圍會形成有氧區域和無氧區域共存的狀態，使得水中的好癢、兼性和厭氧微生物各得其所，發揮出較強的凈化作用[13]。李林鋒等[14]發現在人工濕地中水生植物N、P的吸收率分別僅占總去除率的0.6%～17.3%和1.4%～41.2%，與微生物的協同作用是發揮植物生態效應的關鍵。Dierberg等[15]發現水生植物可以通過與微生物的協同作用去除農田徑流中的溶解磷。

2.4 化感抑制作用

水生植物產生的次級代謝產物可以抑制水中藻類的繁殖[16]。目前，有關水生植物化感抑制作用的研究是國內外研究的熱點，現已發現有幾十種水生植物具有該機制，這種抑藻機制是其在水生生態系統中競爭資源的策略。

不同水生植物具有抑藻活性的部位不同，并且植物產生的化感物質對藻類的抑制存在選擇性。胡廷尖等[17]對鳳眼蓮不同部位提取物的抑藻率進行了比較，發現鳳眼蓮根部的甲醛提取液對銅綠微囊藻的抑制效果最佳。董穎娜等[18]對香蒲的各個部分提取液的抑藻作用進行了比較，結果表明香蒲各個部分的浸提液抑藻強度為葉>根>蒲黃，其中葉提取液的抑藻率可以達到72.35%。Li等[19]人從蘆葦中分離出了抗藻物質，并發現該物質可以抑制銅綠微囊藻的生長，但不能抑制小球藻的生長。

3 水生植物的配置

水生植物按照生活型通常可以分為挺水植物、浮葉植物、漂浮植物、沉水植物4個類型。挺水植物主要生長在淺水或水陸過渡帶，根莖扎入泥中，莖葉氣生；浮葉植物的根莖扎入泥中生長，無地上莖或者地上莖柔軟，葉和花漂浮或者半挺立于水面；漂浮植物根系通常退化或者成錐形，并不扎入土壤，植株漂浮于水面，隨水流或風浪移動；沉水植物整個植株位于水中，根扎入泥中生長，莖葉沉水生長。目前，全球范圍內發現的水生植物可達到上成百千種，而常用于生態修復中只有幾十種。不同的水生植物在不同條件下，其去污效果、成活率、供氧能力、生長情況等存在著顯著差異[20]。因此，在水環境生態修復中篩選合適的水生植物，對水生生態系統結構的建立和功能的恢復有極大意義。水生植物的配置原則應當考慮以下幾個方面：①耐污性強，凈化效果好；②滿足種植要求；③構建空間搭配合理的植物群落；④慎用破壞生態平衡的物種。

3.1 耐污性強，凈化效果好

水生植物的耐污性和去污性是配置水生植物的首要條件。不同的水生植物所發揮的生態凈化功能不同(表1)，因此應當根據污水性質配置不同的水生植物。如果水中主要污染物為生化需氧量(BOD)、硝酸鹽、亞硝酸鹽時，應當選擇根系較大，輸氧能力較強的植物。研究顯示，藨草根系可延伸到湖底以下0.76 m深的位置[21]；蘆葦的根系深度可以大于0.7 m；燈芯草的根系深度約為0.6 m[22]。這些植物發達的根系可以給微生物提供良好生存環境，以促進BOD、硝酸鹽、亞硝酸鹽的消除。

續表1

3.2 滿足種植要求

水生植物種植要求一般要從水位情況和環境因素兩個角度出發進行考慮。不同種類的水生植物對水位的適應性差異較大，這是植物成活和生長的關鍵因素之一。挺水植物通常生長在水面以上的水陸交錯帶至常年水深0.3 m的區域；浮葉植物則大多生長在水深0.2～0.8 m；漂浮植物由于根系不扎入土壤，常年漂浮在水面之上，其生長對水深的要求較低，僅需大于0.1 m；沉水植物由于生長在水面以下，水體需要滿足能夠透過水面看到植物形態的狀態，保證植物可以進行光合作用，其生長水深通常為0.5～3 m[4]。通過比較常用水生植物適宜水深范圍(表2)，可以發現相同生活型而不同物種間對水深和水體透明度的要求差異較大，所以在進行水生植物配置時要充分了解每種植物的水深要求。

我國幅員遼闊，氣候差異較大，水生植物在配置時必須考慮當地的環境因素，否則植物難以達到預期的凈化效果。當地環境中的光照條件、溫度、土壤鹽堿性對應植物的耐陰性、耐寒性、耐鹽堿性，要根據植物的這些特性選擇適合當地生長的植物。研究顯示，菖蒲在不同光照條件下對水中藻類的抑制效果不同[28]。張治宏等[29]發現溫度會影響水生植物在逆境下自我調節能力的強弱。劉文竹等[30]研究了6種沉水植物的耐鹽性，實驗結果顯示小茨藻的耐鹽性較強可以應用于沿海或鹽堿化地區的水生態修復工程。劉小川[31]選取了7種常見的挺水植物進行了耐鹽實驗，結果顯示7種挺水植物的耐鹽性依次為：蘆葦>千屈菜>香蒲>水蔥>黃花鳶尾>黑三棱>梭魚草。

表2 常用水生植物種植深度

3.3 構建空間搭配合理的植物群落

構建空間搭配合理的植物群落是指在保證水生植物凈化功能的前提下，通過在立體空間上搭配多樣的物種可以分化種群的生態位，防止生態位重疊，使得植物群落結構更加復雜，提升結構的穩定性，加速自我更新的速率，美化群落景觀[32]。水生植物的空間搭配應當從水平和垂直2個方向進行考慮。根據水生植物不同的生活型，垂直方向有高到低，水平方向由岸邊到水體，依次配置挺水植物-浮葉植物-漂浮植物-沉水植物。

植物群落的空間配置模式和各物種的組合比例對植物凈化功能有很大影響。研究發現[33]，美人蕉、菖蒲、石菖蒲和千屈菜的不同組合模式對水體有機物的去除效果有較大影響。梅慧[34]發現菱角、喜旱蓮子草和石龍芮在兩兩搭配時配置比例對藻類的抑制效果有極大的影響。另外，水生植物的種植密度直接影響種間競爭和景觀效果。植株高大且繁殖速度較快的植物種植密度較小，植株較小且繁殖速度較慢的植物，應合理密植。

3.4 慎用破壞生態平衡的物種

選擇植物物種時要充分考慮選擇的物種是否存在破壞生態平衡的風險。若選用的物種會對生態系統造成較大脅迫時，會逐步破壞原有的生物多樣性格局和生態系統功能。例如，鳳眼蓮和喜旱蓮子草雖有較強的水質凈化作用，但是較難控制目前已經成為外來入侵物種，對我國造成大范圍的生態災難[35]；水盾草于20世紀90年代初作為觀賞植物引入我國，現已廣泛分布于太湖流域，當其大量繁殖和死亡時會對當地生態系統造成嚴重破壞[36]。謹慎使用此類植物，或在有圍護等措施的前提下少量配置。另外，可以利用水下花壇、花盆來控制植物生長范圍，以防生態失衡。

4 結語

水生植物的應用在水環境生態修復中具有投資少、效果好、景觀佳等特點。水生植物應當根據當地水質、水深、環境進行配置，同時要考慮所選物種的生態安全性和植物群落空間結構的合理性。我國有關水環境生態修復的研究起步相對較晚，因此有關水生植物在這方面的應用還需要不斷深入的研究。