沉水植物生命史對城市景觀水體富營養元素影響機制研究進展

奚霄松（上海園林綠化建設有限公司， 上海 200335）

大量氮元素、磷元素通過工業廢水、生活廢水、農業行為和其他方式進入水體，造成水體各類指標惡化，生物多樣性降低、統稱為水體富營養化過程[1]。城市景觀水體中，由于流動性較差，大部分是采用人工建塘的方式建成，初始生物多樣性較低，更易快速進入富營養化進程[2]，因此，針對城市景觀水體富營養化特點，研究如何有效控制小流域中氮、磷的轉化是關鍵問題[3]。傳統預防與修復方法中，無論是客水置換、化學淋溶等常規措施，都存在人力維護成本高、材料成本高等客觀問題，在此基礎上，水生植物的引進，尤其是沉水植物先鋒種的構建與種群養成，是一種簡單可控、材料成本低、環境影響小、景觀效益大的修復措施[4]。沉水植物的作用行為和季節緊密相關，大部分沉水植物為一年生并且在高水熱交替季節里逐漸停止生命史，大量吸收養分元素后的沉水植物因為自然死亡再次進入底泥系統自然腐解，也會造成二次污染[5]。本文從凈化效果、凈化機制兩個方面綜述沉水植物對富營養化水體的改良過程。

1 沉水植物對氮、磷的凈化效果

廣泛被研究的沉水植物包括但不限于苦草、伊樂藻、黑藻、金魚藻、狐尾藻等。在各類研究中，類型各異的沉水植物擁有不同的吸收轉化速率。田琦等[6]發現，金魚藻對總磷和總氮的吸收轉化能力比苦草和伊樂藻更強，林春風等[7]也印證了這一觀點。對比單一沉水植物修復體系，合理配作不同類型的沉水植物能更好地針對目標元素進行針對性修復，雷澤湘等[8]研究發現黑藻＋苦草組合對太湖富營養化水體總氮的除率達到 90.3%。常素云等[9]在對 TP、NH4+-N的去除效果的研究中發現，沉水植物與香蒲的組合去除率達到 83.9% 和 62.1%。李歡等[10]對多種挺水與沉水植物的研究也印證了相似結果。因此，多類型水生植物和沉水植物復配生態系統下的凈化效果也更為優秀。景觀水域底泥沉積物富含大量氮、磷元素，沉水植物的種植可以通過其生命史促進河床底泥中的有機物礦化，從而降低富營養元素含量，影響各種形態氮、磷的轉化遷移。馬久遠等[11]發現，對比與稀疏群落系統，擁有大量沉水植物群落系統的河床底泥中沉積物中的富營養元素均有降低，總氮、有機氮作用更加顯著。王立志等[12]發現，黑藻、苦草和菹草沉積物中總磷（TP）含量最大降低幅度分別達 35.34 mg/kg、 60.67 mg/kg、25.92 mg/kg。但部分學者發現這種定向的降低并不是絕對的，也有可能通過活化作用釋放河床底泥中的富營養元素，反而增加了水中活化態的氮、磷含量，這可能和底泥中不同元素的化學構成和結構有緊密關系。

2 沉水植物對氮、磷的凈化機制

2.1 沉水植物對氮的凈化機制

在沉水植物生命史周期內，其對氮、素的吸收與生命史保持高度相關性。以穗花狐尾藻和蓖齒眼子菜的氮元素積累舉例，蘇倩等[13]發現其在 7 月、8 月 2 個月累積量最大。沉水植物葉片在富營養化元素的轉化吸收中占據領導位置，通常情況下，其對硝態氮、銨態氮的富存量遠大于其他組織水平。除此之外，同種植物對不同形態的氮素利用也有很大差別，徐昇等[14]發現苦草對銨態氮的吸收顯著高于硝態氮。其他學者研究發現，同化吸收并不是沉水植物凈化氮的主要機制, 吸收所去除的氮量僅占期其全部去除量的 2%～5%[15]，主要機制為沉水植物與微生物的協同轉化。植物的根系效應使根系形成富氧-缺氧的氧化還原微環境，使氮循環微生物同時出現并發揮作用，含氮有機物經異養菌的氨化作用轉化成氨氮，再通過硝化作用轉變為亞硝酸鹽和硝酸鹽態氮，最終通過反硝化作用轉化為氮氣從水中排出[16]。部分研究顯示，沉水植物種植狀態下，部分富營養化水體氮循環微生物指數級增加，其中，硝化與反硝化細菌數量增加 1～2 個數量級，同時，在沉水植物莖葉表面呈現出復雜的氧化還原微環境，例如，Korner[17]在沉水植物莖葉表面監測到與沉積物中相當的硝化作用。此外，沉水植物可以通過以下方式為水體氮去除提供必要條件：①根系有機碳分泌微環境提高微生物養分攝取源活性，Herrmann 等[18]發現泌氧狀態下的根系微環境顯著提高厭氧古菌的群落豐度，孔祥龍等[19]證明了苦草根系-底泥交界處提高了底泥電子受體活性，進而影響硝化和反硝化細菌生命史。②光合作用下 CO2吸收及改善水體酸堿度，促進氮素循環。趙聯芳等[20]通過研究發現當伊樂藻生物量為 2 g/L 處理 12 d 內，水體 pH 提高 1.1 個單位，由 7.5 上升至 8.6，當沉水植物生物量較大時，微小的酸堿度變化即可快速促進氮素的循環[18]。

2.2 沉水植物對磷的凈化機制

河床底泥和底泥孔洞中的磷元素是沉水植物的主要來源。Smith 等[21]研究發現狐尾藻的年均磷吸收量是 3 g/m2，其中根系吸收的比例達到 73.3%。植物以根系為主要磷吸收介質有限制前提，部分研究說明當底泥和底泥孔隙水中磷元素含量過高時，沉水植物以根系吸收為主。但當區域水體中磷含量偏高時，葉片的吸收作用便會大于根系。區域水體磷含量＞5 mmol/m3，葉片的吸收占主導作用。沉水植物的磷吸收不局限于根系作用，葉片的獨立吸收轉化完全可以提供其生命史的磷元素閾值需求，尤其對于根系系統欠發達甚至退化的部分類型植物，主要通過葉片和莖作用來吸收磷元素，例如常見沉水植物黑藻等。根莖和葉片作用不僅能夠對元素完成吸收和轉化，同時還能夠通過吸附、固定區域水體里的可見懸浮顆粒物，從而降低附著在顆粒物上的其他形態磷元素。在兩相交互界面，通過沉水植物頻繁的光合作用和根系分泌作用，可以有效影響和改善交互界面的微生物種群，進而通過微生物的生物作用加速磷元素的吸收和轉化[22]。部分沉水植物類型可以通過根系分泌作用加強磷酸酶的生物活力，在交互界面將難以吸收的有機態磷元素活化為其他易吸收形態，再通過根系和葉片的作用進行吸收轉移，但該結論并不具有普適性，由于根系分泌作用的不同，部分沉水植物反而會降低目標磷酸酶活力，阻礙磷的活化轉移，產生該矛盾的原因尚未有深層次的研究和報道[23]。在磷的形態中，NaOH-P 形態最容易受沉水植物生命史影響，交互界面的根系環境和微生物區系是產生該現象的主要原因，根系自身和微生物分泌的低分子有機酸通過降低交互界面的區域 pH 從而達到活化作用。

3 沉水植物腐解對水體中氮磷遷移轉化的影響

沉水植物大部分生命史較短，只能在水熱條件充足的季度里進行固定生命史，但是在秋冬二季，大部分植物緩慢停止生長并逐步死亡。由于溫度的關系，腐解物在冬季以固定養分的形式貯存在交互界面并固定，此時并不會對水體產生顯著的 pH 影響和溶解氧影響，因此針對腐解物的研究大部分集中在初春到第二年生命史開始之前的一段時間。以苦藻為例，其在 1—3 月份自然腐解里，能夠使區域水體里的總氮含量提高 60.96%、使總磷含量提高 144.40%，底泥中對應元素含量也分別提高 9.41%、19.99%[24]。沉水植物的自然腐解分步進行，具有多階段、快慢結合等特點。在腐解初期，構成腐解物的有機顆粒和無機鹽會迅速進入淋溶過程，后期在各類微生物和活化酶的輔助下對殘存難溶物質進行二次腐解。腐解初期，區域微水體及交互界面中的富營養元素呈快速遞增趨勢并歸于平穩，曹培培和唐金艷[25]的研究都印證了這一觀點，在菹草、狐尾藻的腐解試驗中，區域水體中氮磷元素濃度均呈現迅速遞增、緩慢過渡、保持穩定的趨勢。相較于氮元素，磷元素對腐解物的響應更具敏感性，容易出現反復遞增的現象，產生這種現象的原因可能是由于氮元素能夠通過硝化、反硝化作用生成氣體進行逃逸，而磷元素一般通過形成沉積物向下遷移再溢出等反復過程而導致反復更迭[26]。沉水植物的腐解極易在固定月份對水體產生富營養化作用，但是該過程也具有積極性。沉水植物生物量過大時，其腐解過程容易迅速形成厭氧環境，同時大量營養元素的析出也是 1—3 月份水體富營養化的原因之一。沉水植物腐解物隨著腐解的進行，向上漂移覆蓋表面，在一定程度上阻礙交互面吸氧，造成水體溶解氧的反復變化。以苦草為例，腐解后的有機物產生的 CO2迅速降低了水體溶解氧和pH，周林飛[27]的觀點同時印證了不同類型沉水植物腐解均能夠導致 2 項關鍵指標的下降-上升趨勢。

4 結 語

城市景觀水體恢復與構建中，沉水植物是恢復生物多樣性的基礎，在水體自凈、水生態功能構建中都具得天獨厚的功能與作用。根據上文表述，由于其大生物量和對氮、磷元素的高度親和、吸收、轉化等優勢，是景觀水體富營養化的重要解決方案。結合當下研究現狀和沉水植物自身特點，應該從以下幾點出發，為后續研究提供理論和實踐基礎。

（1）加強根系微生物區系的協同構建和恢復，建立沉水植物根系分泌物-微生物系統-交互界面語言系統，篩選具有高效利用價值的微生物種類。

（2）進一步加強沉水植物-河床底泥交互界面氮、磷元素轉化的環境影響因子研究，在容易發生富營養化的 1—3月份實施人工干預和調節。

（3）進一步高效利用生命史生命旺盛階段的轉化能力，降低腐解階段的二次污染風險。