沉水植物對人工濕地富營養化水體生態修復作用研究

摘要：沉水植物在人工濕地富營養化水體生態修復中發揮著重要作用。沉水植物能通過吸收和轉化營養物質，有效降低水體中的氮磷營養負荷；沉水植物具備凈化有機物的能力，可利用其根系和葉片的吸附作用，去除水中的有機污染物，改善水質；沉水植物會與藻類競爭光照和營養資源，抑制藻類的生長；沉水植物能通過光合作用釋放氧氣，增加水體中的溶解氧，同時減少水體中的懸浮物，提高水體清澈度。研究基于此，進行沉水植物對人工濕地富營養化水體生態修復的相關實驗。結果表明，4種沉水植物對水中氨氮的去除率都明顯大于對照組，且4種沉水植物對氨氮的去除效果基本一致，證明了沉水植物在去除水中氨氮方面的優越性能。實際應用中，可通過合理種植沉水植物，結合其它生態修復措施，共同構建健康、穩定的沉水型水生態修復系統。

關鍵詞：沉水植物；人工濕地；富營養化；水體；生態修復

引言

人工濕地富營養化是指隨著人類活動產生的排放，如工業廢水、生活污水、化肥、農藥等，使得大量氮磷營養元素被釋放到人工濕地中，導致人工濕地水體中的藻類和其它浮游生物大量繁殖及水體溶解氧含量降低，不僅會破壞濕地生態平衡，還會影響濕地功能的正常發揮。因此，尋找有效的水體修復技術，對于維護人工濕地生態系統健康而言至關重要，而沉水植物作為人工濕地的重要組成部分，可發揮關鍵的生態修復作用。

李朝等[1]通過監測水質指標和沉水植物的生長情況，發現沉水植物能顯著降低水體中的營養鹽含量，提高水體透明度，改善水質；同時，沉水植物還能為沉水生物提供棲息地，促進生物多樣性的恢復。該研究為沉水植物在富營養化水體治理中的應用提供了有力的實踐依據。李玉璞等[2]的研究指出，沉水植物可通過吸收水體中的營養鹽、降低懸浮物含量、改善光照條件等方式，有效改善水質；同時，沉水植物還可通過釋放化感物質抑制藻類生長，進一步減輕富營養化對水體生態系統的負面影響。該研究為深入了解沉水植物在富營養化水體修復中的作用機制提供了理論支持。本文基于上述研究內容，展開沉水植物對人工濕地富營養化水體生態修復作用的研究，以期為解決水體富營養化問題提供新的思路和方法。

1降低氮磷營養負荷

降低氮磷營養負荷是水體生態修復的關鍵環節，對于富營養化水體的治理至關重要。沉水植物通過其獨特的生態功能，在降低氮磷營養負荷方面發揮著不可或缺的作用。沉水植物可通過抑制藻類生長和直接吸收營養物質等方式，有效降低水體中的氮磷營養負荷。圖1所示的機理，為利用沉水植物進行水體生態修復提供了重要的理論依據和實踐指導。

沉水植物具有龐大的根系和葉片，能夠與水體接觸并吸收其中的營養物質，同時利用吸收的營養物質進行光合作用和其它生命活動，將氮磷元素轉化為自身組織的一部分，從而避免營養物質在水體中積累[3]。沉水植物還能通過根系和葉片直接從水中吸取氮和磷，并轉化為自身的組織成分，如蛋白質、核酸等，從而實現對氮磷營養負荷的有效去除。

沉水植物吸收氮磷的過程中，對氮的吸收主要涉及銨根離子（）和硝酸根離子（），對磷的吸收則主要涉及磷酸根離子（）。這些離子，通過沉水植物的根系被吸收并轉化為植物自身的組織成分。

對氮的吸收如式（1）所示。

氮吸收=吸收+吸收

對磷的吸收如式（2）所示。

磷吸收=吸收

不同類型的沉水植物對氮磷的去除效果差別很大[4]。沉水植物對氮磷的去除效率與植物種類、生物量、初始氮磷含量等因子有關。同時，沉水植物的生長狀況、環境條件及與其它生物的相互作用等因素也會對其去除氮磷的效果產生影響。

在未來的人工濕地水體修復工作中，應進一步加強對沉水植物降低氮磷營養負荷作用機理的研究，推動水體生態修復技術的不斷創新和發展。

2 凈化有機物

沉水植物憑借獨特的生理結構和生態功能，不僅可從水中直接吸取氮和磷，還能利用生物和化學方法對多種有機物進行降解和轉化。如此一來，既減少了水體中有機物的積累，又促進了水質的改善和生態系統的恢復。

值得注意的是，不同的沉水植物/沉水植物組合對有機物的凈化效果可能存在顯著差異，如表1所示。

在實際應用沉水植物修復富營養化水體之前，還需對目標水體進行全面的監測和調研。可用水質分析儀器對水體進行采樣和分析，測定水體中的化學需氧量（COD）、生物需氧量（BOD）、氨氮、總磷等關鍵指標[5]。同時，結合生態學調查和實驗室研究，分析水體中有機物的來源、遷移轉化規律，以及沉水植物對不同有機物的凈化效率，監測水體的理化指標、生物群落結構，以及有機物種類和濃度等信息，了解水體的污染狀況，從而為選擇合適的沉水植物/沉水植物組合提供科學依據。

沉水植物在人工濕地富營養化水體修復中表現出了巨大的應用潛力。通過合理選擇和配置沉水植物，不僅可以實現對水體中有機物的有效凈化，還能改善水質狀況、恢復水體的生態平衡。

3 抑制藻類生長

抑制藻類生長是沉水植物在水體生態修復中的一項關鍵功能。這一功能的實現，主要依賴于沉水植物與藻類之間的強烈競爭關系及沉水植物釋放的化感物質。

沉水植物與藻類之間的競爭關系體現在對生長所需資源的爭奪上，如溫度、光照、營養元素等。光照作為植物生長所需的關鍵資源，被沉水植物茂密的葉片大量遮擋，使得藻類光照不足，生長受到抑制。同時，沉水植物的根系表面積大且吸收速率高，在營養資源爭奪中往往占據優勢地位，而藻類則處于相對劣勢。

營養吸收情況如式（3）所示。

L=S×c×v

式中 L—營養吸收；S—根系表面積；c—營養元素濃度；v—吸收速率。

除了競爭關系外，沉水植物還利用化感物質來減緩藻類的生長。化感物質是由植物分泌出的一類化學物質，可對藻類產生直接或間接的影響。化感物質能破壞藻類的細胞結構，干擾藻類代謝過程，甚至直接導致藻類的死亡[6]。隨著化感物質濃度的增加，藻類生長受到的抑制也會增強。這種抑藻方式具有高效性和針對性，能夠顯著降低水體中藻類的數量。

綜上所述，沉水植物通過競爭關系和釋放化感物質的方式，能夠有效實現抑制藻類生長的功能。因此，在人工濕地水體生態修復實踐中，可充分利用沉水植物的這一功能，保障水體健康與生態平衡。

4提高水體溶解氧含量和透明度

沉水植物憑借其特殊的生理生態特性，可有效降低浮游藻類及懸浮顆粒物（SS）的含量，減少生物及非生物懸浮物的產生。這一過程，既可提升水體透明度，讓更多的陽光透過水面照射到水體中，又可增強沉水植物的光合作用，提高水體溶解氧含量，改善整體水質。

沉水植物能夠利用其茂密的枝葉和根系攔截及吸附水中的SS，如浮游植物、有機碎屑、無機懸浮物等，減少水體中的SS含量[7]。同時，沉水植物可以提高SS在水中相互撞擊和結合的幾率，加速SS沉降。水體中的SS在相互碰撞時，會結合成更大的顆粒。由于重力作用，大的顆粒更容易沉降到水底。沉水植物的枝葉和根系為沉降的顆粒提供了附著場所，進一步加速了SS的去除。

隨著水體中SS濃度的降低，水體透明度顯著提高[8]，使更多的光照穿透水面，為沉水植物提供充足的光合作用光源。光合作用是沉水植物將光能轉化為化學能的過程，其在為植物提供生長所需能量的同時，還能釋放出大量氧氣。而這些氧氣溶解在水中，也能提高水體的溶解氧含量。

在上述過程中，沉水植物發揮了重要的生態修復作用，對于維護人工濕地水體健康與生態平衡具有重要意義。

5實驗

5.1 實驗準備

本研究在關于人工濕地富營養化水體的實驗中，構建了一個模擬人工濕地的實驗環境，探究其對富營養化水體的處理效果。

5.1.1 水質指標

該實驗人工濕地富營養化水體的水質指標COD為20～100mg/L，氨氮為1～10mg/L，總氮為5～20mg/L，總磷為0.1～1mg/L。

5.1.2 測試植物

在關于沉水植物對人工濕地富營養化水體生態修復作用的研究中，選擇4種具有代表性的沉水植物作為測試對象。4種沉水植物具備不同的生長特性、生態功能和環境適應能力，如表2所示。

5.1.3 軟/硬件

實驗軟/硬件設置如表3所示。

5.1.4 實驗裝置

采用多個相同尺寸（長4m、寬2m、深1m）的塑料人工濕地單元，每個單元內部分別填充不同比例的砂土、碎石和腐殖質，以模擬自然濕地的土壤結構；每個單元均配備進水口和出水口，以便連續或間歇性地引入和排出水體。

5.1.5 水源及特征

選取周邊富營養湖泊或江河為研究對象。對研究對象進行監測，并實時檢測與記錄，分析其氨氮特征。氨氮主要指水體中以氨（NH3）形式存在的氮，大多來源于有機物的分解和廢水排放等。氨氮是水體中的重要營養素，過量的氨氮會導致水體富營養化。

5.2 實驗結果與分析

將選取的4種沉水植物與對照組（未經任何處理或未種植沉水植物的水體）進行凈化氨氮效果的對比。以提供一個基準線，便于比較和分析沉水植物對水體生態修復的實際效果。

如圖2所示，4種沉水植物對水中氨氮的去除率都明顯大于對照組，且各沉水植物對氨氮的去除效果基本一致。試驗初期（0～5d），4種沉水植物對氨氮的去除效果特別明顯；隨著試驗時間延長（5～20d），4種沉水植物去除氨氮的能力均因原水氨氮含量的減少而下降。4種沉水植物中，小茨藻和苦草的表現尤為出色，對總氮的去除效果分別達到了85.6%和84.1%。

實驗結果進一步證明了沉水植物在去除水中氨氮方面的優越性能，同時也為相關工作人員在人工濕地富營養化水體生態修復的實際應用中，選擇合適的沉水植物提供了有益的參考。

結語

上述研究通過多項水質指標證明了沉水植物在改善水質狀況上的有效性，并系統地探討了沉水植物在人工濕地富營養化水體生態修復中的重要作用。但研究中也存在一些不足之處，如實驗條件相對單一，未能完全模擬自然濕地的復雜環境，使得實驗結果可能存在一定局限性；研究中主要關注了沉水植物的直接作用，對于其與濕地其它生態因子的相互作用關注不夠。未來，應嘗試構建更接近于自然濕地環境的實驗條件，以提高實驗的準確性和可靠性。同時，進一步延長實驗周期，便于能更全面地評估沉水植物對富營養化水體的長期修復效果。總之，沉水植物在人工濕地富營養化水體生態修復中發揮著重要作用，具有廣闊的應用前景，通過未來的深入研究和完善，有望為水體生態修復領域貢獻更多力量。

參考文獻

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[7]朱海濤，涂茜，馮志.富營養化淺水湖泊沉水植物恢復研究進展[J].綠色科技，2022，24（12）：217-221.

[8]奚霄松.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[J].綠色建筑，2022，14（01）：16-18.

作者簡介

張立（1989—），男，漢族，江蘇南京人， 高級工程師，碩士，研究方向為水生態修復、人工濕地。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-04-19