水生態修復中，恢復沉水植物為何至關重要？

△ 2018年 太湖 · 貢湖灣濕地 生態修復區和未修復區

在水生態修復工作中，恢復水生植物尤其是恢復沉水植物被廣泛認為是水體治理的有效途徑。太多實踐表明，有沉水植物生長的區域，水體大多清澈；缺少沉水植被的水體，則往往渾濁或長藻，水底荒漠化，甚至黑或臭。

以淺水湖泊成功修復的典型——惠州西湖為例，通過恢復沉水植物群落結構，惠州西湖子湖南湖從以浮游植物為主導初級生產力的“藻型湖泊”轉變為以沉水植物為主要初級生產力的“草型湖泊”，形成了穩定的食物網結構，透明度由30 cm提高至150 cm，水體總磷、總氮含量分別降低54.50%和52.70%，實現了華麗的蛻變。

小小的水草，為何能有如此大的功效？

在水生態治理中，沉水植物到底扮演了什么樣的角色，又運轉著怎么樣的機理，本文將圍繞此進行展開。

每一秒，都在凈化水質，納污吐新

|  吸收N、P營養鹽，改善水下富氧條件

氮、磷是植物生長的必需營養元素。長勢良好的水生植物可使水體中總氮、總磷含量明顯降低 。

沉水植物除了通過根、葉吸收水體中的氮、磷及控制水體中營養鹽濃度外，還可在光合作用過程中產生氧氣擴散到根際并進入沉積物，影響沉積物氮、磷的循環。

相關研究表明，沉水植物覆蓋的區域中，氧氣可以滲透至沉積物表層20 mm處，而在無沉水植物覆蓋的區域，氧氣的滲透深度僅4 mm；沉積物中的Fe2+在沉水植物根際氧化作用下形成Fe3+,并與PO43--P形成鐵-磷復合體,抑制磷從沉積物釋放到水體中。

同時，沉水植物通過促進沉積物-水界面的反硝化作用，還原硝酸鹽，釋放出N2或N2O，減少水體中的氮營養鹽。研究表明，苦草(Vallisneria L.)、黑藻(Hydrilla verticillata L.)、金魚藻(Ceratophyllum demersum)、伊樂藻(Elodea nuttalli)、狐尾藻(Myriophyllum L.)、菹草(Potamogeton crispus L.)均能有效去除水體中的氮、磷等營養鹽含量,其中以苦草有效果。

金魚藻、伊樂藻、眼子菜(Potamogeton L.)、狐尾藻、苦草等沉水植物通過葉片吸收等方式，對水體中總磷具有較好的去除效果，尤其在春季和秋季，金魚藻對水體中總磷的去除率高達92.00%，且對總溶解性磷的去除率也高達90.93%。在太湖梅梁灣的生態修復工程區中，沉水植物的根系吸收作用和化學反應促進作用使沉積物總氮、總磷營養鹽分別由修復前(2003年)的7 043、1 370 mg/kg降低至2 929、352 mg/kg。

|  提高水體透明度，打造優美水下森林

沉積物再懸浮會直接影響水體的透明度，而沉水植物可以減緩水流速度和風力，并且通過根部固定沉積物，抑制再懸浮。同時，沉水植物還可作為懸浮物的捕獲器，促進沉降，進而提高水體透明度。

Horppila等進行為期83天的研究發現，在沉水植物金魚藻和鈍葉眼子菜(Potamogeton obtusifolius)生長的區域，表層沉積物再懸浮量為793 g(DW)/m2，而在無沉水植物生長的區域，表層沉積物再懸浮量為1 701 g(DW)/m2。

該研究發現，沉水植物覆蓋率大于30%的湖泊能夠長期維持清水態，而沉水植物覆蓋率小于30%的湖泊則再度發展為濁水態湖泊。

在沉水植物生長的區域，通過沉積物再懸浮帶入水體中的磷元素含量為11.8 mg/(m2·d)，無沉水植物生長區域的磷元素含量為24.5 mg/(m2·d)。由此可知，在缺乏沉水植物的富營養化湖泊中，沉積物再懸浮會導致水體磷營養鹽濃度增加。

也很容易讓外界產生一種理解，即水生態修復就是種水草（沉水植物），甚至業內一些水環境綜合整治的EPC/PPP項目中，水生態內容有時會被直接歸為綠化工程。畢竟，水生態修復呈現給大家的，也就是種了種水草，撒了撒藥/微生物，水就逐漸清了。

每一秒，都在與藻類抗爭，重建平衡

|  掠奪營養，競爭生存空間

沉水植物可以通過吸收氮、磷營養鹽、無機碳等競爭限制藻類的生長。離子態氮(NO3-、NH4+)、磷(PO43-)是初級生產者直接吸收利用的營養形態。

不論沉水植物是否存在，藻類的生物量與湖水中氮、磷的含量呈正相關 。但藻類生命周期短，對水體中氮、磷營養鹽固定能力弱，而沉水植物具有過量吸收營養物質的特性，個體大，生活周期長，體內積累的氮、磷多，儲存較藻類穩定，能有效降低氮、磷循環速度、控制藻類的暴發。

研究表明，大量沉水植物可以導致水體中磷含量急劇下降，造成浮游植物缺乏營養鹽而難以在夏天形成水華。

對于根系發達的沉水植物如眼子菜、苦草、狐尾藻等，可通過根吸收和促進沉積物中化學反應等方式對內源污染進行控制，削減浮游植物營養鹽來源。

對于根系不發達的沉水植物如黑藻、伊樂藻、金魚藻等,主要依靠自身葉片吸收水體中的營養鹽，如NO3-、PO43-、CO2和HCO3-，進而與浮游植物形成競爭關系。

|  化感作用

沉水植物分泌的化感物質可抑制水體中浮游植物的生長，減弱浮游植物或附著藻的遮陰效應，促進自身生長。

化感物質可使藻類細胞的生理作用產生變化，如影響抗氧化酶活性、堿性磷酸酶活性，促進丙二醛等有毒物質積累，從而引起藻類生物量的減少。通過化感物質抑制藻類生長的沉水植物至少有37種，其中以狐尾藻、金魚藻、伊樂藻、茨藻、輪藻等的化感作用較明顯。

不同沉水植物分泌的化感物質對藻類的作用不同，從而影響浮游植物種類組成。研究發現，狐尾藻通過分泌化感物質抑制堿性磷酸酶活性，減少葉片表面磷的釋放量，降低附著藻的磷元素來源，限制附著藻的生長；水蘊草(Elodea densa(Planch.)Casp.)和伊樂藻可以通過化感作用抑制附著藍藻的生長，進而限制附著藻生物膜的形成，促進葉片表面對光照和營養鹽的吸收。

|  削減風浪、固封底泥等其他作用

浮游植物不具有主動運動能力，通常需要借助風浪、水流等外力作用，而沉水植物可以減弱風浪對水體的擾動,使浮游植物失去漂浮的助力,加速其沉降。

此外，沉水植物還可以影響浮游植物對光照的吸收，限制其群落的發展水植物分泌。

對浮游動物的影響

沉水植物群落可為浮游動物提供主要的棲居地和避難場所。

在淺水湖泊中，水平遷移(Diel Horizontal Migration,DHM)是浮游動物常見的行為。浮游動物遷移至沿岸帶或沉水植物茂盛的水域中，躲避魚類等的捕食，維持種群數量、群落結構穩定發展,加強對浮游植物個體、種群甚至群落結構的控制作用。

水體中的浮游甲殼類動物生物量與沉水植物在水體中的占有體積(Plant Volume Inhabited,PVI)呈顯著正相關(R=0.47,p=0.0001)。

當缺乏沉水植物時，浮游動物的種群密度處于較低水平(<1 ind>15%~20%時，浮游甲殼類動物生物量處于較高水平，且體型較大的個體居多 。

由此可見，沉水植物群落在某種程度上可保證浮游動物的種群數量，實現對浮游植物的控制，有利于維持湖泊的清水狀態。

沉水植物的生態效應機理

不同營養級的上行效應(Bottom-up Effect)和下行效應(Top-down Effect)相結合維持著生態系統群落結構的穩定。沉水植物對無機環境的影響以及與其他生物之間的相互作用保證了生態系統中上行效應和下行效應及其他級聯效應的正常發揮。

| 淺水湖泊中沉水植物對湖泊水環境的影響

沉水植物對營養鹽的吸收和鈍化抑制上行效應對浮游植物的促進作用，降低水華暴發的可能性。

另外，沉水植物群落結構促進肉食性魚類生長，保證生態系統中下行效應的發揮，即肉食性魚類捕食草食性魚類、浮游生物魚類，優化魚類種群結構，降低沉水植物、浮游動物被大量捕食的壓力，達到控制浮游植物的效果。

| 湖泊生態系統上行效應(通過營養鹽)—下行效應(通過攝食)和其他效應模式

沉水植物的恢復步驟

富營養化淺水湖泊修復過程中，控制營養鹽和構建健康的生態系統是主要目標。而恢復沉水植物群落，則是富營養化淺水湖泊修復的重要途徑。

作為維持湖泊清水態的關鍵因子，沉水植物自身受到諸多因素的影響，比如光照條件、營養鹽濃度、底質環境、氣候條件以及自身生長特性等等。因此，在通過沉水植物群落進行富營養水體修復時，一般需首先改善水體本底環境，營造沉水植物生長的必要外部條件。常規流程建議如下：

1、針對不同地區(如不同氣候帶等)的修復對象，結合客觀實際,優先選用土著種、化感作用強、根際固定作用強的沉水植物用于控制藻類及沉積物內源污染；

2、在沉水植物群落構建初期，采取相應措施減少相關因素對沉水植物生長的影響，如通過添加絮凝劑等透明度提升工程、浮游動物控藻手段等，保證沉水植物在修復初期快速生長；

3、為促進沉水植物群落結構的快速形成，建議在初期去除水體中草食性魚類和底層魚類，以減少魚類對沉水植物的攝食及對沉積物的擾動；

4、當系統趨于穩定時，適當放養肉食性魚類和少量雜食性魚類，結合生物操縱原理，進行水生態系統構建，使生態系統中的上行效應和下行效應得以發揮，從而進一步加強系統的穩定性。

-THE END-

參考文獻：

楊鳳娟，蔣任飛，等. 2016. 沉水植物在富營養化淺水湖泊修復中的生態機理 [J]. 安徽農業科學

秦伯強. 2007. 富營養化湖泊開敞水域水質凈化的生態工程試驗研究 [ J]. 環境科學學報

張木蘭, 潘綱, 等. 2007. 改性沉積物除藻對水質改善的效果研究 [ J]. 環境科學學報