沉水植物生态修复富营养化水体的机理和应用

□夏 雪

（四川大学建筑与环境学院 四川 成都 610065）

城市化和工业化产生了大量生活污水和工业废水，导致了严重的水污染[1]。过量的氮（N）和磷（P）进入水体，加重了淡水生态系统的负担，导致全球范围内的水体出现了富营养化情况[2]。水体富营养化不仅会导致水质恶化、水生生物多样性丧失，还会引起有害藻华（HABs）暴发，水体富营养化已经成为21 世纪公认的最大水质问题之一。目前，国内外针对富营养化的治理主要为物化法和生态学方法[3]。物化法虽能在短时间内降低水中的污染物浓度，缓解富营养化，但不利于维持生态系统的可持续性[4]。生态学方法是利用微生物、动物、植物等构建生态系统，通过降低污染负荷、改善水质和增加生物多样性，从根本上恢复水体生态系统健康。

1 沉水植物

沉水植物是指植物体全部位于水层下面营固着生存的大型水生植物。植物体的各部分都可吸收水分和养料，通气组织发达，有利于在缺少空气的水中进行气体交换。沉水植物的叶子大多为带状或丝状，如苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻等。

2 沉水植物的净化机理

2.1 延长水力停留时间

水体中的水生植物群落通常会减缓水流速度，延长水力停留时间；水流速度降低可以促进水生植物群落对悬浮颗粒物的捕获与分解，并且通过根部固定沉积物，抑制再悬浮，有利于水体中颗粒态磷的沉淀。通常情况下，富营养水体中的颗粒态磷多于可溶性磷，因此磷在表层水体中的主要持留机制是沉积、掩埋或疏浚[5]。

2.2 吸收氮、磷

沉水植物可以通过根、叶直接吸收水体中的氮、磷等营养物质以满足自身生长所需。沉水植物去除水体中的氮、磷受到很多因素的影响，包括沉水植物的种类、生物量和水体的初始氮、磷浓度等[6]。不同的沉水植物对水体中氮、磷的去除效果存在很大的差异。金树权等（2017）[7]对比5 种常见沉水植物去除氮、磷的效果发现，去除效果最差的沉水植物对TN 和TP的去除率仅为63.8%和49.2%，只比空白对照组高23.9%和12.3%；去除效果最好的沉水植物，其TN 和TP 的去除率可达83.1%和70.8%。可见，选择合适的沉水植物非常重要。有研究表明，沉水植物单一群落对富营养化水体中氮、磷的去除能力优于植物的组合群落。这是因为不同种类沉水植物间存在竞争关系，主要体现在对光照和营养物质的竞争上，当组合间的搭配比例不当或种植密度不合理时，植物间的竞争就会影响植物生长，从而减少对水体中氮、磷的吸收[8]。

在一定范围内，沉水植物的生物量与氮、磷的去除效果呈正比。但当生物量达到一定值时，由于水中的氮、磷含量有限，提高生物量将不再影响去除效果。因此，在生态修复中，植物的生物量是根据水中的氮、磷含量决定的。

利用沉水植物去除氮、磷，需定时清理沉水植物。因为在生长季节，沉水植物会吸收营养物质供自身生长。进入秋、冬季节，许多沉水植物无法存活，植物体死亡后会将部分营养物质释放出来[9]，去除部分营养物质只是暂时的，需在植物腐败前进行清理。

2.3 刺激反硝化作用

反硝化作用分为附生生物膜的反硝化作用和沉积物中的反硝化作用。沉水植物不仅可以通过为反硝化作用提供附着面而刺激反硝化作用，还可通过植物碎屑和活体生物质为反硝化作用提供有机碳。

2.4 抑制藻类生长

水生植物的抑藻机理主要有两种，一种是直接抑制，即沉水植物与藻类相互竞争；另一种是间接抑制，即沉水植物可通过向水体中释放化感物质来抑制浮游藻类的生长[10]。对于直接抑制，植物和藻类生长都需要营养物质、氧气、光照等，引入沉水植物后，沉水植物会与水体中的藻类争夺生长所需的营养物质等。沉水植物的体积较大、生命周期较长，相对而言，藻类体积较小，生命周期短，因此藻类生长就处于劣势[11]，从而印制其生长。在间接抑制中，会出现化感作用，即异株克生。具体来说，就是一种植物通过向环境释放化学物质而对另一种植物（包括微生物）产生的积极或消极作用，是植物对环境的一种适应或防御机制[12]。如苦草、黑藻和狐尾藻可通过化感作用不同程度地降低水中浮游藻类叶绿素a 的浓度，从而抑制浮游藻类的生长。有研究表明，只有植物产生的化感物质达到一定浓度时才会对藻类产生抑制作用，而浓度较低时对藻类的抑制效果微弱，甚至还会促进藻类生长，即出现“低促高抑”的情况。植物对藻类的抑制作用还呈现明显的季节性，植物不同，季节性也不同[13]。

2.5 提高水体DO 含量和透明度

沉水植物可通过降低水体中浮游植物含量和SS浓度等方式抑制水体中的生物性以及非生物性悬浮物[14]，提高水体透明度，使更多光照进入水中，从而促进沉水植物的光合作用，提高水体的溶解氧含量，改善水质条件。沉水植物降低水体透明度的原理与去除颗粒态磷的原理相似，沉水植物会增加悬浮物的碰撞结合，从而促进悬浮物的沉降。

2.6 对生态系统的影响

沉水植物可为浮游动物提供主要的栖居地和避难场所，躲避鱼类的捕食，维持种群数量和群落结构的稳定性，增加生物多样性。沉水植物群落结构能够促进肉食性鱼类生长，保证生态系统中下行效应的发挥，即肉食性鱼类捕食草食性鱼类和浮游生物鱼类，优化鱼类种群结构，降低沉水植物及浮游动物被大量捕食的压力，达到控制浮游植物的效果。

3 沉水植物在水体修复领域的应用现状

由于沉水植物的根、茎、叶都浸没在水中，可对水中的营养物质进行吸收利用，而挺水植物和浮水植物部分浸在水体中，因此沉水植物去除水中营养物质的效果更好，被广泛应用于水体生态修复中。如武汉东湖的水质在沉水植物金鱼藻的覆盖下明显变好，水中氮、磷含量均下降60%以上。杨东瀚（2020）通过构建集水质净化与景观功能于一体的大型溞-沉水植物组合系统，最终有效改善了沙河水库的水质，并提升了美观性。张力等（2021）在调研南京市友谊河硬质河底的生态修复中发现，以苦草为主的沉水植物应用广泛，多见于城市湿地公园建设、人工湿地对生活污水的净化处理、城市河道的生态修复和建设、城市滨水景观的建设等。但在城市景观水体的应用中，不能仅考虑沉水植物的净化效果，还要考虑其观赏价值，所以在实际应用中，沉水植物种类的选取是由多个因素决定的。

4 讨论

水体富营养化对人类环境的影响不容小觑。在修复富营养化水体的过程中，应将控制营养盐和构建健康的生态系统作为主要目标。作为一种低能耗、高效率、易管理的生态修复技术，沉水植物修复富营养化水体逐渐被广泛应用于实际工程项目建设中。

了解沉水植物在富营养化水体治理中的生态机理，改善基础环境，是实现富营养化水体生态恢复的有效途径。但是在实际工程应用中，应具体情况具体分析，针对不同类型的富营养化水体选择不同的沉水植物，还可搭配挺水植物等达到修复的目的。此外，在沉水植物群落构建初期，对于植物的生长速率和草食性鱼类的摄食问题有待进一步研究。