淠史杭灌区渠道水生植物过度生长影响因素及防治措施

张永生 *，李海英 ，李站，洪忠

1. 中国水利水电科学研究院，北京 100038；2. 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3. 深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000

淠史杭灌区是中国最大的灌区，重要的粮食产地（黄常军，2019；朱红，2019；卢仁杰，2019），随着灌区近几年工农业发展和人口的增加，渠道内水质呈富营养化状态，导致渠道内水生植物过度繁殖（瞿大界等，2019；陈卫东，2016），引起输水能力和防洪功能下降，严重影响了灌区效益的发挥（黄常军等，2019）。分析影响灌区渠道内水生植物生长因素，探讨水生植物的去除措施，对灌区发挥更大的生态和经济效益有重大意义。

目前关于水生植物的研究主要集中在湖泊、河道等水域（郑博颖等，2011；林高瑞等，2018；康丽娟等，2020；Deng et al.，2016），但对于以输水为主的灌区渠道水生植物研究较少，中国大部分灌区渠道内“杂草重生”，黄国水等人在江西省赣抚平原灌区，通过清除渠道内水生植物，对比前后水体流速、流量和糙率，分析水生植物对灌区渠道输水能力和水质的影响，结果表明水生植物去除后渠道输水能力和水质得到明显改善（黄国水等，2013）。

水生植物对水质有净化作用，通过构建生态浮岛或沉水植物群落吸收富营养化水体中的氮磷元素，降低水体富营养化程度（Lv et al.，2019；郑博颖等，2011；Dembowska et al.，2018；Ding et al.，2018；Gao et al.，2017；Tanner et al.，2002）。但是水生植物腐烂后向水体中释放氮、磷等生源要素（Zhou et al.，2018；Wang et al.，2018；徐伟伟等，2015；Li et al.，2014；陈志刚等，2017）、改变了水体光环境（Paerl et al.，2008），诱导了藻华或湖泛的发生，又增加湖泊的富营养化程度（Shen et al.，2014）。目前对水生植物的去除主要措施是人工打捞（沈颜奕等，2017；John，2000；Güsewell，2003），未见针对某一种特定水生植物的打捞方案，也没有对打捞时间提出合理化建议，不仅导致人工打捞常态化，而且也增加了人工打捞的工作量；减低水体富营养化，减少水生植物营养来源也是去除措施之一（Yao et al.，2020；陈默等，2020），但该措施周期长，效果不明显，而且受水体富营养化条件限制，可操作性不强；底泥疏浚对去除沉水植物和挺水植物效果最好，但是目前底泥疏浚主要是环保疏浚（Liu et al.，2017；Kim et al.，2019），以去除水生植物为目的的生态疏浚报道较少，也未见其相关疏浚的方案。

基于上述情况，本研究调查淠史杭灌区渠道内水生植物类型及生物量，分析了水生植物过度繁殖原因，并基于影响水生植物生长因素探讨了水生植物去除措施，以期为中国其它灌区渠道内水生植物去除、灌区调水运行管理提供参考数据，为灌区发挥更大的生态和经济效益奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究地点

淠史杭灌区位于安徽省和河南省境内，包括淠河灌区、史河灌区、杭埠河灌区及河南省梅山灌区，是中国最大的灌区，始建于 1958年，主要以灌溉水稻为主，兼顾向六安和合肥供饮用水。灌区包括2条总干渠，11条干渠，19条分干渠，总长1384 km（黄常军，2019；朱红，2019；卢仁杰，2019）。

1.2 调查点位

为了较为全面的调查水生植物类型及分布，在总干渠和干渠分别选取3个点位采集水生植物样本（表1）。其中总干渠选择淠河渠段为研究对象，干渠选择汲东干渠为研究对象。

1.3 调查时间

根据前期调研，淮河流域和淠史杭灌区的水生植物暴发大部分发生在夏季，为了尽可能的全面调查灌区的水生植物，分别2018年4、7、9月，分3次调查水生植物类型。

1.4 水生植物采集方法

每个采样点取3个样方，每个样方为2 m×2 m正方形样地，在每个样方中对挺水植物、浮水植物和沉水植物分类采集；

挺水植物：样方四周插上竹竿，用绳索区分边界，将样方内的挺水植株全株连根（含地下茎）拔起洗净。

浮水植物：制作边长为2 m的正方形木框架，首位连接，连接点固定。浮水植物密度较大区域，可直接将样方内浮水植物捞起、洗净；对于浮水植物密度不大的区域，将样方内的浮水植物逐一收集，洗净。

沉水植物：样方四角插上竹竿，采样人员潜入水中，将竹竿范围内的植株连同根茎全部挖取，打捞上岸边后逐一分类、洗净。

对所有水生植物打捞上岸清洗干净后立刻进行鉴别，对无法鉴别的水生植物或不能确认的水生植物类型分别装入有号码的样品袋内，带回实验室进一步进行生物学鉴定。

1.5 生物量的估算方法

本课题采用水生植物鲜重衡量水生植物生物量，鲜量为样品不滴水时的称量。由于淠史杭灌区总干渠和干渠较长，无法采集全部水生植物，而且水生植物分布并不均匀，水生植物面积很难测量，估算水生植物总量误差较大，而且意义不大，因此本课题选择在水生植物较多的区域，采用单位面积内水生植物鲜重衡量水生植物的生物量。

单位面积的水生植物生物量计算方式如下：

式中：mf为单位面积的水生植物生物量，kg·m-2；m1为样品鲜量，kg；A为样品面积，m2。单位面积的水生植物生物量为多次称质量的平均值。

1.6 数据分析

每个点位水生植物生物量、光照强度和水质指标监测重复3次，取其平均；相关性分析利用SPSS 16.0处理，P＜0.05为显著性相关，P＜0.01时为极显著相关。

2 结果与分析

2.1 水生植物类型

4月，总干渠和干渠的水生植物较少（表2），可能是由于此时温度较低，各种水生植物处于萌芽状态，水生植物体型较小，加之野外水生植物采集难度较大，因此采集到水生植物类型较少。

表1 水生植物采集点位及选择标准Table 1 The location and selection basis of points

表2 淠史杭灌区渠道主要水生植物类型Table 2 The main kinds of aquatic plants in Pishihang district

7月和9月的水生植物类型较多，沉水植物、挺水植物和浮水植物均有发现，其中总干渠数量较多的水生植物有10种，干渠数量较多的有12种，还有少量的荸荠、茨菰和茶菱（表2）。

2.2 水生植物生物量

3次生物量测定，沉水植物的生物量均最大，由此可知在淠史杭灌区渠道内，水生植物以沉水植物为主，其次是挺水植物，浮水植物最少。4月沉水植物、挺水植物和浮水植物的单位面积生物量分别为57.60、13.00、9.00 kg·m-2，7月分别为60.99、27.40、16.71 kg·m-2，9 月分别为 62.21、27.50、17.50 kg·m-2。

对于每一种水生植物而言，不同点位其生物量也不尽相同（表3）。以7月为例，点位1处凤眼莲占有绝对优势，单位面积生物量高达12.5 kg·m-2，占到该点位总生物量的71.8%；点位2主要以沉水植物为主，主要水生植物为苦草、菹草、马来眼子菜和空心莲子草，生物量分别为3.4、4.1、3.9、2.7 kg·m-2；点位3和点位2类似，主要以沉水植物为主，主要水生植物为苦草、菹草、马来眼子菜和空心莲子草，生物量分别为3、3.8、3.8、2.9 kg·m-2；点位4水生植物的生物量较大，主要沉水植物和挺水植物，沉水植物的生物量相对均衡，主要有：苦草、菹草和马来眼子菜，生物量分别为2.6、3.3、2.8 kg·m-2，挺水植物主要有芦苇、空心莲子草和蒲草，生物量分别为3.1、3.6、2.1 kg·m-2；点位5同种类型水生植物生物量比较均衡，沉水植物主要为苦草、菹草、马来眼子菜、金鱼藻和轮叶黑藻，生物量分别为 2.6、2.5、2.6、2.1、2.5 kg·m-2，挺水植物的生物量相对均衡，芦苇1.9 kg·m-2、蒲草1.0 kg·m-2、茭白 1.3 kg·m-2，浮水植物茶菱和浮萍的生物量分别为 1.1 kg·m-2和 1 kg·m-2；点位 6 水生植物类型较少，生物量极低，主要是小眼子菜、荇草和浮萍，共计 0.1 kg·m-2。

表3 不同点位单位面积生物量Table 3 The biomass of aquatic plants in different locations kg·m-2

2.3 水生植物影响因素

2.3.1 环境因素

（1）气温

根据安徽省六安市气象局公布数据，淠史杭灌区4月温度大约在10—21 ℃之间，7月温度大约在22—33 ℃之间，9月温度大约在13—25 ℃之间（表4）。

淠史杭4月的温度大约10—21 ℃，是菹草适宜生长温度，但低于主要水生植物的适宜生长温度15—30 ℃（周彦锋等，2019），在此期间菹草生物量应该最大，该结论在表3中也得到证实；7月温度大约22—33 ℃，是主要水生植物（除菹草之外的）适应生长温度，此时生物量最大；9月虽比 7月温度略低，依然是水生植物的生长适宜温度，只是水生植物的生长率可能会降低。

（2）光照

水生植物通过光合作用产生自身生长物质（Ellawala et al.，2013；Cao et al.，2015；Li et al.，2013；Xiao et al.，2010）。水体浊度和透明度不同，水生植物利用光照的效率也不同（Chang et al.，2019）。淠史杭灌区渠道内，光强变化随水深的增加而减弱（图1）。总干渠中的点位1、点位2和点位 3，当水深至 3.0 m左右，光强趋向0 μmol·m-2·s-1，在干渠点位4、点位5和点位6，当水深至1.0 m左右，光强趋向 0 μmol·m-2·s-1。因此对于沉水植物来说，在总干渠比在干渠有更大的生存空间，总干渠的生长条件远远的好于干渠的生长条件。

（3）相关性分析

通过对生物量和气温及光照的相关性分析，结果表明生物量与这两者的相关系数都具有极显著性正相关，相关系数高达0.893和0.876，说明气温和光照是影响淠史杭灌区渠道水生植物的生长的重要因素。

2.3.2 水体富营养化因素

水生植物的生长不仅受到温度光照的影响，而且受到水体富营养化程度的影响（高敏等，2015；Kufel et al.，2016；Yuan et al.，2018；Pelechaty et al.，2013）。淠史杭灌区水质指标分布特征：总氮在点位1处浓度小于1.5 mg·L-1，属于Ⅳ类水，其它点位均超过地表水Ⅴ类水标准；总干渠氨氮浓度高于干渠，总干渠3个点位处氨氮浓度差异不显著；总磷浓度在总干渠点位2处最高，点位3处最低，在干渠点位4的浓度最高，点位5和点位6的浓度差异不显著；氧化还原电位在总干渠中从点位1到点3呈逐渐升高趋势，干渠中各点位差异不显著；总干渠的电导率比干渠高，说明总干渠水体的带电粒子比干渠水体带电粒子多，该结论在可溶解性总固体的分布特征得到验证；总干渠的溶解氧显著地低于干渠，点位2的溶解氧浓度最低；6个点位处水质pH值均大于7，呈现弱碱性，比较适宜水生植物的生长；总干渠的浊度较低，利于水生植物光合作用，干渠的浊度显著的高于总干渠，但是干渠的水深较浅，水生植物依然可以较容易地利用到光照进行光合作用（图2）。

表4 主要水生植物适宜生长温度及淠史杭灌区4、7、9月温度状况Table 4 Suitable growing temperature for aquatic plants and temperature of April, July and September in in the Pishihang District ℃

图1 淠史杭灌区点位1—6光强的趋势图Fig. 1 The light intensity at 6 pionts in the Pishihang District

根据水生植物生物量和水质指标的相关性分析，水生植物生物量与氨氮呈显著正相关，相关系数为0.76，说明水生植物主要利用水体中的氨氮作为营养，水生植物生物量和浊度呈显著负相关，相关系数为-0.74，可能浊度影响到光强，间接的影响水生植物的光合作用；水生植物生物量与总氮、总磷、溶解氧和pH值呈正相关，相关系数分别为0.54、0.39、0.51和0.62；水生植物生物量和电导率呈负向相关，相关系数为-0.41。由表5可见，水生植物的生长受到水质中氨氮和浊度影响最大，pH值和总氮等也是影响水生植物生长的重要因素。

2.3.3 水文情势因素

（1）流速

野外监测结果表明，总干渠的流速相对变化差异较小，4月的流速约为1.1 m·s-1，在7月的流速2.4—2.8 m·s-1，9 月份的流速 1.4—1.6 m·s-1；干渠的流速4月为0.9—1.4 m·s-1，7月份流速1.0—3.2 m·s-1，9月份流速 1.2—1.6 m·s-1，干渠流速自上游到下游逐渐降低趋势（表6）。

图2 淠史杭灌区水体富营养化现状Fig. 2 Current situation of eutrophication of water in the Pishihang District

表5 水生植物生物量和水质指标相关系数Table 5 The correlation between biomass with water quality

表6 4、7、9月不同点位的流速Table 6 Flow velocity at 6 points in April, July and September m·s-1

对流速和生物量进行相关性分析表明：水生植物生物量与流速呈负相关，相关系数为-0.54，说明流速越大，对水生植物的生物量降低效果越明显，因此推测流速是影响水生植物生长的一个重要因素。

（2）水深

点位1处，左右离岸边20 m处的底泥坡度仅分别为0.155和0.05；点位2处，左右离岸边20 m处的底泥坡度仅分别为0.23和0.05；点位3处，左右离岸边20 m处的底泥坡度仅分别为0.12和0.05；干渠的底泥横剖面较为规整，点位4的底泥坡度约为0.5，点位5的底泥坡度约为0.2，点位6的底泥坡度约为0.16（图3）。根据《淠史杭灌区淠河总干渠可研报告》，总干渠的坡度系数为2.5—3之间，由此可知，不管总干渠还是干渠，渠道内存在不同程度的淤泥现象。

以点位1为例，生物量从左岸到右岸呈波浪式变化（图4）。从左岸0 m到左岸10 m左右，生物量呈增加趋势，距离左岸10 m左右生物量最大约为22.1 kg·m-2，此位置水深约为1 m；距离左岸10 m至左岸26 m左右，生物量呈现急剧下降趋势，在距离左岸26 m左右处生物量几乎为零，此位置水深大约3.6 m左右。右岸的生物量变化趋势与左岸的生物量变化趋势类似，因此水生植物主要在距离岸边20 m之内的水域。

图3 6个点位处渠段横剖面Fig. 3 The transverse section of channel bottom in 6 points

图4 点位1处生物量和渠底横剖面示意图Fig. 4 The biomass of aquatic plant and channel bottom transverse section in piont 1

3 讨论

3.1 基于生物特性的人工应急除草措施

淠史杭灌区渠道内主要水生植物是多年生植物，其繁殖方式有无性繁殖、茎芽繁殖和母株分蘖等（表7）。人工打捞一直是灌区除草的主要方式，但如果实施的时间不合适，去除的仅仅是水生植物的部分茎，水生植物可以利用剩余部分茎最终发育生长，因此人工打捞时间是影响水生植物去除是否成功的关键。为了达到人工除草“事半功倍”效果，人工打捞最好在水生植物发育初期，此时水生植物生物量较少，水生植物分蘖较少，可以将水生植物尽最大可能的去除。淠史杭灌区的优势水生植物除了菹草之外，其它优势水生植物的发育期基本在3—5月，而菹草的发育期在上年12月至次年3月，因此建议淠史杭灌区水生植物人工打捞尽量按照“分类、分时”的原则，具有针对性的开展人工打捞作业。

表7 主要水生植物生长和繁殖的生物特性Table 8 The biological nature of growth and reproduction for aquatic plants

3.2 基于水体pH变化的除草措施

水体 pH值是影响水生植物的重要因素之一（Tsia et al.，2011），淠史杭灌区渠道的水体pH值介于7.0—8.6之间，水体呈碱性。淠史杭灌区的主要水生植物类型除了荇菜适宜的生长水环境为弱酸性（pH值5—7）之外，其它优势水生植物适宜的生长水环境均为弱碱性（表8），因此可以通过调节局部水域的pH值调控水生植物的生长。在水生植物过度生长的水域，将水环境调节至弱酸性，pH值介于5—7之间，可抑制大部分水生植物的生长；在荇菜较多的水域将水环境调节至弱碱性，pH值介于7—8之间，可抑制荇菜的生长。

表8 主要水生植物生长适应的pH值Table 8 Adaptive pH for aquatic plants growing

3.3 基于疏浚的控草措施

渠道底泥疏浚是去除水生植物的最直接，也是最环保的方式之一，但是影响疏浚除草效果因素很多，例如疏浚时间、疏浚厚度和疏浚位置等。

疏浚时间对于水生植物去除的效果至关重要，疏浚时间不适宜，既不能去除水生植物，而且还对河底生态造成不良影响。疏浚时间效果最理想的时期是水生植物越冬期：在越冬期间，利用种子繁殖的水生植物，种子可能会沉入底泥；利用无性繁殖的水生植物，此时水生植物最少，且活性最低。在水生植物越冬期间对渠道进行疏浚，可以将水生植物“斩草除根”，但是由于灌区水生植物类型较多，在选择疏浚时间应该综合考虑，淠史杭灌区主要水生植物的越冬期主要集中在12月至次年2月，因此建议灌区渠道疏浚时间为每年12月至次年2月（表9）。

表9 主要水生植物的越冬时期和根系长度Table 9 The wintering period and root length of aquatic plants

疏浚厚度是影响水生植物去除效果的重要因素。水生植物根系长度是决定疏浚厚度的最重要参数，疏浚深度大于水生植物根系，就可以将水生植物“除根”，但如果疏浚厚度小于水生植物根系长度，利用疏浚措施很难对水生植物全部去除，剩余根系会为水生植物的下次发育提供基础。灌区渠道内主要水生植物的根系除了生有不定根的水生植物之外，大部分水生植物的根系长度大约为20—30 cm，根据水生植物根系深度，疏浚厚度30 cm即可把大部分水生植物去除，因此仅从去除水生植物角度考虑，建议疏浚厚度30 cm。

疏浚位置既要最大限度的去除生长底泥中的水生植物，又要保证渠道岸提的安全。以点位1为例，水生植物主要分布距离岸边20 m之内的区域（图4），根据淠史杭灌区的渠道设计标准，总干渠的岸堤坡度系数为 2.5，在非灌溉时期，设计水深度5 m，因此距离岸边大于2 m之外区域为疏浚部位，可直接疏浚至水深5 m处。干渠的水生植物分布于整个干渠河床，由于干渠的渠道是开地深挖，不存在岸堤溃堤风险，因此在干渠疏浚可直接深挖即可。

4 结论

（1）淠史杭灌区渠道内主要水草分为沉水植物、挺水植物和浮水植物三类，共计 16种，主要分布在距离岸堤20 m以内水域。4月3种类型水生植物生物量分别为 57.60、13.00、9.00 kg·m-2，7月分别为60.99、27.40、16.71 kg·m-2，9月分别为62.21、27.50、17.50 kg·m-2。

（2）水生植物生物量与气温和光照呈极显著正相关（P＜0.05），相关系数分别为0.89和0.87；与氨氮、pH值呈显著正相关（P＜0.05），相关系数分别是 0.76和 0.62；与浊度、流速呈显著负相关（P＜0.05），相关系数-0.74 和-0.54。

（3）12月至次年5月开展人工打捞除草效果最好；pH值介于5—7之间可抑制除了荇菜之外大部分水生植物的生长；疏浚除草措施可在每年冬天12至次年2月实施，疏浚厚度30 cm左右，疏浚部位为距离岸边2 m之外区域。