受损水生生态系统中水生植物生态恢复研究进展

曹加杰，阮宏华

(南京林业大学 a.风景园林学院；b.森林资源与环境学院，江苏 南京 210037)

受损水生生态系统中水生植物生态恢复研究进展

曹加杰a，阮宏华b

(南京林业大学 a.风景园林学院；b.森林资源与环境学院，江苏 南京 210037)

水域是一种特殊的、独立的、复杂的生态系统，是地球表面最有价值和生产力最高的生态系统。水生生态系统的生态价值、经济价值和社会价值对人类的生存和发展具有不可替代的作用。以水生植物为研究对象，简要概述了水生植物在水生生态系统中的作用及其在水生生态系统恢复中的相关研究，并以此为基础指出现阶段水生态系统恢复中存在的问题，给出了一些改进的方法，提出了今后相关的研究方向：筛选培育优良品种、建设推广示范工程、水生植物资源化综合利用等，为我国水生生态恢复研究提供了一些理论支持与技术依据。

水生植物；水生态系统；生态恢复；综述

由人类活动引起的营养盐（主要是氮、磷）过度输入而造成的水体富营养化是近年来世界广泛关注的水环境问题之一[1-3]。根据水利部水文局公布的调查报告，2011年对103个湖泊进行水质评价，全年水质符合和优于III类的湖泊仅占58.8%。其中中营养状态湖泊32个，富营养状态湖泊有71个，几乎看不到贫营养的湖泊。在我国东部地区，已经很难发现水质清澈的天然湖泊。日趋严重的湖泊水环境恶化与富营养化问题正在严重制约着社会和经济的可持续发展。与此同时，由富营养化导致的全球范围内湖泊生态系统类型由草型转向藻型的趋势也日益严重[1,4]。我国东部地区，特别是长江中下游湖群也遭遇了类似的情况——许多湖泊水质恶化，水生植被锐减甚至消失，有害藻类滋生[5-6]。

众所周知，水生植物是水体中重要初级生产者，是水生生态系统中的重要组成者之一[7]，其存在与否对于水生生态系统的结构和功能有显著的影响。近年来，针对受损水生生态系统的水生植被生态恢复也愈来愈受到人们的关注。为此，本文中对水生植物在受损水生生态系统恢复中的作用及其国内外研究进展做简要的叙述和讨论，以期为水生生态系统富营养化治理与生态修复提供重要参考依据。

1 水生植物在水生生态系统中的作用

水生植物在受损水生生态系统中扮演着恢复者的重要作用[8]。根据叶片与水面的相对位置，可将水生植物分成挺水植物（Emergent plants）、浮叶植物（Floating-leaf plants）、漂浮植物（Floating plants）和沉水植物（Submerged plants）4种生活型，而每种生活型的水生植物在恢复中的作用也不尽相同，具体可以概括为以下几方面：

1.1 吸附、过滤、沉降作用

大部分水生植物对水中的碎屑杂质、不溶性胶体具有过滤作用，并且不同类型的水生植物的作用不同，其中沉水植物对杂质的吸附过滤作用尤为突出。沉水植物的根、茎、叶完全浸没在水中，形成了一道天然的过滤屏障。如金鱼藻有着密集的丝状条形叶，具有很好的过滤、吸附效果。当不溶性污染物在水下随着水流波动，穿过这些丝状叶时[9]，被滤网似的屏障截留下来，沉到湖底或池底，成为底栖生物的食物，或者吸附于根系，在微生物的作用下分解成可供水生植物利用的营养矿质元素；同时漂浮或挺水植物的叶片在水面表面形成一道植物屏障，当风吹过水体表面时降低风速，减小水面的波动程度，从而减小被过滤沉淀下来的杂物再次被水流卷起的可能性，降低水体的浑浊程度[10-11]。

1.2 降解、吸收作用

高等水生植物在生长过程中需要吸收大量的矿质元素和有机物等营养物质，它们可以通过对水体和基质中无机营养盐的吸收来满足自身正常生长的需要[12-13]，同时又减少了水体中有机物质的含量，净化了水体。在4种生态型水生植物中，沉水植物对富营养化水体的净化能力最强。沉水植物根茎叶都能进行营养物质的吸收，能明显降低水体中N、P等矿质元素的含量。研究表明，沉水植物的根部能吸收底质中的氮、磷，植物体能吸收水中的氮、磷，从而具有比浮叶植物更强的富集氮、磷的能力，因此，以沉水植物为基础的湿地生态系统的稳定性及净化能力往往强于以挺水植物为基础的生态系统。沉水植物根系分泌的特殊有机物可以从周边环境中通过交换吸附重金属离子，被吸附后大部分离子经由离子载体或细胞膜通道直接进入根细胞。在根系内的重金属离子主要分布在质外体，一部分形成磷酸盐或碳酸盐等沉淀被水体微生物利用，另一部分与细胞壁结合。例如，吴玉树等[14]研究发现，菹草除了对水体和底泥中的氮、磷吸收明显外，对重金属离子Cu、Pb、Zn、As也有较大的吸收作用。很多水生植物与微生物形成共生关系，给微生物提供了生存环境，同时，部分水生植物的根系还可以分泌特殊的化学物质，促进与其共生微生物的有机物降解效率，从而提高对水体的净化能力。水生植物之间还可以形成协同作用，增加水生生态系统中的空间生态位，丰富物种多样性，提高生态系统的稳定性，从而提高系统中水生植物对污染物的降解吸收的整体作用，促进水生生态系统中矿质元素的生物地球化学循环[15-16]。

1.3 对有害藻类生长的抑制作用

水生植物可以产生一些如多元醇、脂肪酸、酚酸和羟基酸等次生代谢物，可以有效地抑制有害藻类生长，这类次生代谢物又被称作为化感物质[17]。在这方面，沉水植物的抑藻能力表现得尤为突出。金鱼藻、苦草等沉水植物，向周围环境不断地释放多元醇等化感物质，抑制有害藻类的繁殖生长[18]。同时，水生植物本身与有害藻类之间就存在着中间的生存竞争，并且一些大型的水生植物对其的遮光作用，也使得有害藻类的生长进一步受到抑制[19]。

1.4 生物栖息地供给作用

水生植物尤其是沉水植物，与水体相互作用形成的特殊环境，如一些大型的湿地自然保护区，为动物、底栖生物等提供了天然优良的栖息场所。一些例如鲇科Schilbidae、南鲈科Nandidae的鱼类[20]，以水生植物的落叶腐叶或者种子为食；水生植物在一定范围内的适度生长也为鱼类提供了更好的生存环境；一些挺水植物为鸟类飞禽创造了优良的栖息和繁衍场所，如辽宁丹东白鹭湿地自然保护区，使得白鹭等一些国家珍稀濒动物得到很好地庇护和保护[21]，同时，这些动物与水生植物、微生物之间强化了中间关系，使得湿地生态系统抵御外界不良干扰的能力更强，系统的稳定性得到巩固和提高。

1.5 造景、观赏功能

水是构成水域景观的重要因素，水生植物在发挥生态保护、栖息地营造的同时，在水生生态系统中也有着重要的景观观赏作用。水生植物以其洒脱的姿态、优美的线条、绚丽的色彩点缀水面和堤岸，加强水体的美感，像水葱修长的茎秆、伞草碧绿的苞片等，都是水域景观中观叶的好材料。通过种植水生植物，能使水景野趣横生。一些开放式或半开放式的湿地自然保护区或湿地公园，对动植物进行就地保护的同时，其中的水生植物也形成了一道优美的景观。水生植物的景观配置，首先要考虑到植物的生态习性，根据实际的需要来选择种类，其次才是造景效果。水生植物使得水生生态系统的观赏性更强[22]，人们在享受空气环境清新的同时，还能欣赏水上水边飞禽在芦苇荡中若隐若现的自然美景，从而提高了水域景观综合旅游生态经济价值。此外，在我国传统园林中，水景常构成了一种耐人寻味的意境。例如杭州西湖十景之一“曲院风荷”就是成功的范例，从全园布局上突出“碧、红、香、凉”的意境美，即荷叶的“碧”，荷花的“红”，熏风的“香”，环境的“凉”。从欣赏植物景观外部形态美到内在意境美是美学欣赏水平的升华，不仅含意深遂，而且能达到了天人合一的境界[23]。所以，应进一步挖掘、整理水生植物丰富的文化内涵，为创造美好的水生植物景观提供丰富的源泉。

近年来，随着人们对湿地景观品质要求的不断提高，水生植物中的一些沉水植物逐渐被应用于湿地公园中，与挺水、浮水植物等一起来参与营造丰富水景。室内观赏方面，随着水族爱好者对水族箱观赏价值的不断追求，而逐渐被广泛应用于水族箱中的观赏。这些沉水植物主要以观叶为主，例如金鱼藻等，可以与其它各种观赏鱼类一起，构成水族箱中优美的景色[24]。

2 国内外进行水生植被恢复研究的概况

水生植被生态恢复，是指通过人工的生态技术或生态工程，主要利用水生植被对退化或消失的水生生态系统进行修复或重建，再现受干扰前的结构和功能，以及相关的物理、化学和生物学特性。相比较于改造地形、采取工程措施改变水体的水文特征等恢复方式，应用水生植被进行恢复相对而言具有建设过程中对原有环境的破坏程度小、投资成本少、恢复效果好等优势[25-26]。

国外关于水生植被恢复的研究较早，目前相关的技术研究发展得较为成熟。经过大量的研究和实践，国外许多小型的浅水富营养化湖泊中已经成功地恢复沉水植被，水质也得到极大的改善。早在20世纪70年代，美国政府就资助了包括湿地恢复在内的生态研究项目300多个，这些项目对于推动促进湿地植被恢复、推动恢复生态学相关学科的研究产生了巨大作用；丹麦也通过采取一条列水生植被恢复措施，来降低一些富营养化湿地系统中富余的矿质元素[27]；瑞典的Trummen湖，在20世纪80年代前每年排进大量的生活污水、工业废水等，造成湖水水质严重下降，植被群落丰富程度明显降低，生态稳定性严重退化，后来经过水生植被生态工程的综合治理，水质得到明显改善，两岸动物、植被群落又重新充满了活力与朝气[28]。

在我国，对水生生态系统恢复研究开展的较晚。二十几年来，主要集中在湖泊生态系统的研究中，特别是对长江中下游典型湖泊群（如武汉东湖、洪湖、梁子湖等）的研究。最近，相继开展起来的对太湖、巢湖、淮河和太湖流域以及沿海滩途的研究，极大地推动了我国水生生态系统恢复研究的进程[29-32]。水生植物与水体的作用方式主要包括物理和化学过程、生物过程及协同作用等[33-34]。在对水生生态系统的恢复实践中，我国学者开发了多种水生植被恢复方法：人工湿地是一种由人工建造和监督的，与沼泽地类似的地面，是一个由种植物、微生物以及周边环境所组成的复杂的集成生态系统，可以通过在原有退化湿地系统基础上建立人工湿地，来达到进行水生植被湿地恢复的目的。我国在20世纪80年代开始研究如何利用水生植物和微生物的协同作用对污染物进行更为有效的降解、沉淀，经过多年的研究，现已广泛应用于城市污水处理、湿地生态恢复等领域[35]。成水平等[36]用香蒲、灯心草进行湿地污水净化，实验结果表明，经过处理的污水，水质标准可达Ⅱ、Ⅲ类。人工浮岛是一种生长有水生植物或陆生植物的漂浮结构，由于其独特的特点，能够被应用于多种类型的滨水区，且能提供重要的生态功能。邴旭文等[37]利用浮岛技术，用美人蕉制作进行水产养殖场水质净化实验，实验结果发现浮岛可以有效去除富营养化湖泊中微囊藻毒素。在湿地生态系统中，相比于漂浮植物，沉水植物有着更强的净化能力，因为其根部可以从水底淤泥中直接吸收N、P等进行自身的生长繁殖。吴振斌等[38]在围隔的水体中种植沉水植物苦草、穗状狐尾藻和菹草等，以不种水生植物的大湖水体作为对照，结果发现种植了水生植物的水体中P含量一般维持在0.1 mg/L左右，并且氨态氮和亚硝态氮含量也较低。由此可见，利用以沉水植物为主的水生植被进行湿地生态恢复，可以有效地降低水体中N、P含量，从而抑制有害藻类过度生长。

3 水生植物恢复后的维护管理

水生植物特别是沉水植物特殊的生活习性，造成了其对水质变化有着很强的敏感性。虽然其对水体中的营养物、重金属元素及一些悬浮物质具有较好的吸附作用，但是水体污染程度加剧也会严重影响其生理活动。所以，沉水植物经过一段时间的清洁作用后，要对其叶表面进行及时有效的清理，保证其生态恢复能力；在夏季，沉水植物进入生长旺盛期，会引起水体大范围沉水植物扩散，若不及时进行科学的清理，会影响生态修复效果，甚至反而会威胁整个水生生态系统的稳定性[39-40]。曹加杰等[41]研究了水位与基质营养对穗状狐尾藻生长的影响，发现适度的水位调控能够促进穗状狐尾藻的生长。除此之外，还可以在水体中适度放养一些鱼类和底栖动物，以沉水植物个体或残体为食，及时控制沉水植物长势的同时，还可以起到净化水质的作用。所以，及时有效地养护、处理水体中被吸附的污染物，合理控制沉水植物的生长态势，对于沉水植物能够更好地进行生态修复有着极其重要的作用和意义[40-42]。

4 总结与展望

如何进行水生生态系统的恢复，维持其健康功能和结构，是摆在所有生态研究人员面前的一道难题。我国关于水生植物在湿地系统恢复中应用的研究还处于初步阶段，还有很多问题亟待解决。

4.1 筛选、培育强效重金属耐受、积累能力的水生植物

不同的水生植物对污染的承受能力不同，这主要与它们各自的生理结构及生态习性有关，通过对不同水生植物尤其是沉水植物重金属耐受吸附能力、不同重金属的毒害作用的研究，筛选培育出优良的品种，从而可以更科学合理地在湿地恢复工程中搭配水生植物，从而使得恢复效果最佳化、恢复速度高效化、恢复成本最小化。

4.2 水生植物资源化综合利用

在利用水生植物进行湿地恢复时，这些植物在发挥净化吸收等生态效益的同时，一些附带的产品也会产生可观的经济效益，这些水产品若不进行及时的回收利用，不仅会造成生态资源的浪费，还会对本已经很脆弱的湿地生态系统的恢复增加负担。对珍稀的水生植物种类进行就地、迁地保护的同时，也要进行合理的利用，相应的功能也能得到充分的发挥。同时，也要加大不同水生植物在造景功能方面的研究，充分利用好中国丰富的野生水生植物资源，加大在水生优良观赏品种培育、驯化、改良及苗木生产等方面的研究与开发利用，丰富湿地植物可用品种和湿地景观植物品种，做到生态效益、经济效益、景观效益和社会效益的真正完美结合。

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Research advances of aquatic plants ecological restoration in degraded aquatic ecosystem

CAO Jia-jiea, RUAN Hong-huab

(a. College of Landscape Architecture; b. College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037,Jiangsu, China)

∶ Aquatic ecosystem is a special, separate, complex ecosystem, which is the most valuable and productive ecosystems in the surface of the earth. The ecological, economic and social values of aquatic ecosystem have irreplaceable roles in the survival and development of human. The roles of aquatic plants in aquatic ecosystem restoration and related researches were reviewed, and the existing problems in the restoration were pointed out. Some improved methods and future research directions were given such as screening and cultivating fine varieties, promoting the demonstration projects, comprehensive utilization of aquatic plants resources and so on. This study provides some theoretical support and technical basis for aquatic ecosystem restoration.

∶ aquatic plants; aquatic ecosystem; ecological restoration; review

S718.57

A

1673-923X(2013)11-0125-05

2013-02-28

国家林业公益行业重大项目（200804006）

曹加杰（1979-），男，江苏姜堰人，讲师，博士研究生, 主要从事生态景观规划设计方面的研究；E-mail：caojiajie@yahoo.com

阮宏华（1963-），男，湖北鄂州人，教授，博士生导师，主要从事生态系统生态学方面的研究

[本文编校：谢荣秀]