沉水植物菹草的生态功能及其应用现状

张 敏，尹传宝，张翠英,2，王 龙，刘自强

(1.徐州工程学院 环境工程学院，江苏 徐州 221111； 2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州221116)

沉水植物菹草的生态功能及其应用现状

张 敏1，尹传宝1，张翠英1,2，王 龙1，刘自强1

(1.徐州工程学院 环境工程学院，江苏 徐州 221111； 2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州221116)

菹草；沉水植物；生态功能；工程应用；人工拓殖

菹草作为冬春季沉水植物，在秋季发芽，冬春生长，夏季衰退腐烂并在植株末端形成鳞枝(也称石芽)繁殖。菹草不但具有较高的营养价值，可作为草食性鱼类的良好天然饵料，而且具有去除水体悬浮物、营养盐、重金属离子和抑制藻类繁殖等生态功能，可应用于水体生态修复工程中。分析了菹草在生态修复应用中存在的问题。

菹草(Potamogetoncrispus)又叫虾藻、虾草，属眼子菜科眼子菜属多年生沉水草本植物，分布于中国南北各省，为世界广布种，是许多草型湖泊春季水生植物的优势种群，生于湖泊、池塘、水沟、水稻田、灌渠及缓流河水中，其生活的水体多呈微酸至中性。菹草为草食性鱼类的良好天然饵料，中国一些地区选其为囤水田养鱼的草种。菹草野生能力强，资源丰富，容易采集，其主要营养成分与稻谷一致，氨基酸含量与玉米相近，具有较高的营养价值。据研究，菹草还含有一些生理活性成分和大量的微量元素，可提高动物的免疫力及肌肉品质[1]，在一些淡水鱼、畜禽饲料上已有应用。

随着城市经济的发展和人们生活水平的提高，大量富含营养物质的污废水排入城市河道，污染物积聚在河道底泥中，势必影响河道水生态环境的健康。沉水植物能降低水体的营养盐质量比，有效抑制藻类繁殖，促进悬浮物质沉积，提高水体的污染自净能力[2]。作为冬春季沉水植物的优势种，近年来菹草在华北地区一些富营养化城市河道水体中的应用优势再次凸显出来，以菹草为基础的相关生态修复工程和项目也越来越多，其存在对湖泊水质及水生生态系统均产生了重要影响[3-5]。因此，对菹草进行全面而系统的研究具有重要意义。

1 菹草的生长与人工拓殖

1.1 菹草的生长过程

菹草的生活周期与多数夏秋型水生植物不同，一般在秋季发芽，冬春生长[6]，4～5月开花结果，叶条形、无柄，植株在夏季之后逐渐衰退腐烂，在植株末端形成鳞枝，也称石芽。石芽坚硬，边缘有齿，形如松果，可在低温条件下保持活性，待温度适宜即可萌发生长。

菹草一般不以其种子繁殖，待植株腐烂后会形成许多独立的石芽，悬浮于水体之中，其特殊结构(鳞状，边缘有齿)易于粘附水体中的悬浮泥沙，从而增加重量并沉入水底，待环境适宜时生根扎于底泥中。底泥中含有丰富的营养物质，能保证石芽顺利萌发生长。菹草的生长过程如图1所示。

生长初期的菹草植株，由于冬春温度的限制并不会大规模生长，这时的菹草一般叶片稀少，茎部纤细且长，纤细的茎不能支撑菹草直立生长，倒伏下的茎叶接触到底泥时就会再次生根，形成新的植株，见图2。菹草的这种无性生殖是导致后期菹草大规模繁殖，且草群密集分布的主要原因。

1.2 菹草的人工拓殖技术

前文已提到菹草虽产生种子，但其生殖的主要方式为菹草本身变态茎体所形成的石芽，是菹草营养体长到成株后在死亡腐烂之前形成的，每株菹草可产生几个至十几个石芽。所以，人工栽培菹草的主要措施是移植菹草的繁殖体，即石芽。

一般菹草型湖泊石芽数量较大，繁殖迅速，对不良环境和各种外界侵害的抵抗力较强，便于引种移植，且易获得成功。笔者曾对苏北地区的菹草型湖泊做过调查，菹草植株8～9月份完全腐烂，产生石芽，石芽在9～10月份水温合适时(25 ℃左右)极易生芽，实验室10 ℃保存石芽能使其延缓2～3周生芽。因此，北方地区石芽采集宜在每年8月上旬石芽生物量最大但未生芽之际，将其从天然水体中捞出，洗净污泥，趁湿撒入移植水体。

2 菹草净化水体的生态作用及工程应用

2.1 菹草对其生长水体的生态作用

2.1.1 去除水体悬浮物

沉水植物随水流而形成的弹性扭曲现象会影响流水的速度，有助于去除水中的悬浮物[7]。大多数情况下，沉水植物对流速的影响力往往随植株高度的增加而增大[8]。而菹草属大型水生植物，其株高与水深显著相关。何伟等[9]的研究表明，菹草适宜的水深为90～150 cm，菹草株高均能达到100 cm以上。菹草繁殖和扩殖能力强，一般茂盛处可达200株/m2以上，茂密的植株群会显著减缓水流速度，有效拦截和滞留水体中的悬浮物。它的茎叶能够吸附、固着和沉降水体中的悬浮物，根部能牢牢地固着底泥，有效地减少底泥物的再悬浮。

2.1.2 去除水体营养盐

国内外对菹草的研究表明，菹草主要通过根系获得大量的营养盐[10]，故在对富营养化水体的修复过程中，菹草主要是通过根系对底泥中的营养盐进行吸收，茎叶对水体中营养盐的吸收以硝态氮为主，对磷酸盐的吸收很少。但菹草在水体中分布密集，一般达200株/m2以上，且植株较大，枝叶繁茂，能积聚底泥和水体中大量的营养物质，尤其适宜在冬春季节生长，这对湖泊水体的净化起到非常关键的作用。

刘会等[11]研究了包括菹草在内的5种沉水植物对富营养化水体的净化效果，试验时间是6—8月份，此时间自然状态下的菹草已经衰亡了，环境温度状况显然对结果有一定的影响，尽管如此其对总氮、总磷的去除率仍然分别达到了52.8%和37.2%。王华光等[12]研究了冬季不同生境下菹草的水质净化效果，在试验组河水加底泥种植菹草的条件下，对总氮的去除率高达83.26%，对总磷的去除率也达60%以上，对铵态氮的去除率最高达97.73%，对硝态氮的去除率在50%左右。刘佳等[13]研究了多种水生植物对水体中氮磷的吸收效果，其中菹草在21 d时对总氮和总磷的去除率分别达到66.69%和89.45%，对铵态氮和硝态氮的去除率为68.2%和66.04%。表1列出了部分研究者对菹草营养盐去除率的研究结果。

2.1.3 对藻类的抑制作用

菹草对富营养化水体的净化修复作用不仅表现在对水体氮磷的吸收上，还表现在对水体藻类的抑制上。除与藻类进行营养物质、矿物质的竞争外，由于菹草植株较高，甚至伸出水面，因此能有效对藻类进行遮光，抑制藻类大规模生长。

2.1.4 对重金属离子和砷的富集作用

沈佳等[16]的研究表明，菹草在10 ℃较低温度条件下，对Cu2+和Zn2+的吸附在20 min内即可达到平衡，对Pb2+的吸附在50 min内也可达到平衡，这与一般植物在25 ℃条件下的吸附效果相当[17-18]，且即使水体中这3种离子的初始浓度很低，菹草对它们的吸附效果依然很好。投放菹草后，在短时间内(7 d)水体中金属离子的去除率即可达到较高水平。张饮江等[19]的研究表明，菹草对重金属离子的去除效果可达92.5%～96.5%。

崔晨等[20]研究了菹草对微污水中重金属复合污染的净化效果，分别研究了菹草根茎叶部分对重金属离子的富集能力：在18 d的时间内，菹草根部的Mn2+增加最多，达到原先的2.7倍；Ni2+、Cr3+、Cu2+平均含量分别增加2.23、2.12、1.45倍；Cd2+在根中富集能力最弱，含量只是略有增加；与其他重金属相比，Zn2+在根中含量呈下降趋势。菹草茎中重金属Cd2+含量增加了2.42倍，Cr3+含量基本保持不变，Cu2+含量增加了1.12倍；Mn2+净吸收量增加最多，增加到原来的6.85倍；Ni2+到试验结束时增加到原来的8倍；与其他重金属相比，Zn2+在菹草茎中的含量不升反降，降低了60.6%，与菹草根中变化情况类似。研究表明，菹草对重金属Cd2+、Mn2+、Ni2+具有超积累作用。

一般来说，菹草的自然含砷量在6 mg/kg左右，但在含砷酸氢二钾、硫酸锌、氯化汞、重铬酸钾各2 mg/L的混合废水栽培下，菹草体内的含砷量可超过原来的16倍。所以，以上特点使菹草能够作为一种低温条件下对较低浓度重金属废水进行植物修复的理想材料，为解决重金属废水生物吸附处理的周年循环问题提供可能。

2.2 菹草在水体生态修复工程中的应用

人工沉床主要由基质(填料)、大型水生植物和附着在基质与植物体表面的微生物三大部分组成。以沉水植物为核心的人工沉床技术，植物体全部位于水下，可直接吸收水体中的污染物质，提高水体透明度和DO含量，而且不额外占用土地，投资和运行费用低，在水环境改善中具有明显的优势。

人工沉床的净化机理主要有以下几个方面：①植物吸收净化。沉水植物和挺水植物整个或大部分植株位于水中，可以直接吸收水体中的氮、磷等营养元素，并同化为自身的结构组成物质[21-23]。②物理化学作用。以大型水生植物为核心的人工沉床系统中，也有小部分污染物通过物理化学作用被去除，主要有挥发、吸附和沉降等形式。物理化学作用主要去除SS和高分子有机物等大颗粒污染物，改善水体的感官效果。③释氧复氧作用。水生植物光合作用过程中释放氧气，可明显增加水体中DO含量[24]，特别是沉水植物，由于植物体位于水下，因此对水体的增氧效果较为显著。④植物化感作用。植物化感作用是指大型水生植物通过生长代谢过程释放某些化学物质，抑制藻类及细菌生长。⑤植物-微生物的协同净化作用。在以大型水生植物为核心的水体净化系统中，微生物对污染物的降解仍起着重要作用[25]，特别是对COD、氮的去除，微生物作用仍占有重要地位。

目前，以水生植物群落构建技术为目的的研究开展得相对较少，但在利用植物净化废水方面开展的相关研究工作很多[26]。国内外应用的植物种类均以挺水植物为主，国外最常用的植物种类是芦苇、香蒲和灯芯草，此外黑三棱、水葱等植物也比较常用。在国内，植物种类的应用主要借鉴了国外的经验，最常用的植物种类与国外基本一致，除上面提到的植物种类外，还有伊乐藻、香根草、茭白、菹草、苦草等[27-29]。沉水植物已被使用或试验的频率等级统计见表2。

3 菹草在应用中存在的问题

菹草作为一种天然水生植物，古往今来一直被水禽、鱼类自由采食，后来又被人为利用作为家禽和家畜的饲料，其安全性及效果已通过这种自然选择和人工选择的方式得到了证明。此外，菹草因为不同于其他沉水植物的生殖周期，已成为冬春净化水体的重要水生植物，不仅对富营养化水体中的氮磷有着理想的吸收作用，还对藻类有着很强的抑制作用。近年来由于环境问题日益突显，菹草对水环境的生态修复作用逐渐受到人们的重视，由菹草或其他沉水植物组合形成的各种生态沉床和人工浮岛技术也都是现在的研究热点，相关产品逐渐被应用和推广。目前，关于菹草对污染水体净化的研究还存在以下几个方面的问题：

(1)由于水体富营养化加剧，因此在水温较高的草型湖泊出现了菹草大规模爆发的现象，过于茂盛的菹草丛会影响水体的透光度，在鱼塘会减少鱼群的生长空间，阻碍鱼类觅食，还会在光照不佳的情况下与鱼类争夺水中的溶解氧；在一些景观水体和旅游地严重影响到水体美观和游船的运移。清除菹草要耗费大量的人力、物力和财力，造成资源性浪费。

(2)菹草植株大量衰亡后，如果不及时刈割，其在生长过程中吸收的营养物质又会重新回到水体中，成为水体的内源污染物质。

(3)菹草植株大且分布密集，对不良环境适应性强，生于菹草群中的其他沉水植物的种子很难存活下来，会失去竞争优势，最终导致植被单一化。

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(责任编辑 徐素霞)

赖观路获得赣州市最美“三送”干部奖

2015年1月23—24日，在“大美赣南·百位好人红都行”活动暨赣州市最美“三送”干部座谈会上，龙南县水土保持局副局长、驻武当镇石下村工作队队长赖观路同志荣获赣州市最美“三送”干部称号。赖观路同志作为赣州市最美“三送”干部参加了中共赣州市委宣传部、赣州市文明办等单位举办的“大美赣南·百位好人红都行”、“特区——老区爱心接力”等系列活动。

龙南县水土保持局

国家住房和城乡建设部科学技术计划项目(2012-K-79)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201311998017)；江苏省高校自然科学基金项目(13KJD610003)；徐州市科技计划项目(XM12B087)

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1000-0941(2015)03-0050-04

张敏(1993—)，男，江苏赣榆县人，本科在读，主要从事水生态修复方面的研究；通信作者张翠英(1978—)，女，江苏丰县人，讲师，博士，主要从事水污染治理与生态修复方面的教学与研究。

2014-05-28