控制菹草生长的设计

陈 静，张正文，万小琼

（华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉430070）

1 引言

沉水植物整个植株生长于水面以下，可以吸收水体中的氮磷等营养物质，从而净化水质和调节水体的酸碱度，还能通过光合作用产生氧气，并直接释放于水体中，增加水体溶氧量，提高水质［1］。菹草是沉水性多年生草本植物，花期3～7月份，果期4～9月份，为种子、根状茎及芽苞繁殖。根茎在正常情况下，繁殖迅速；芽苞系由侧枝形成的短枝，叶片密集，通常叶片基部肥厚宽大，边缘常有锐齿，芽苞脱落后沉于水底［2］。沈佳等［3］的研究表明，在10℃较低温度条件下，菹草对Cu2＋和Zn2＋的生物吸附在20min内达到平衡，并且解吸程度微弱，在离子的浓度很低的情况下，菹草对它们的吸附效果依然很好。菹草对砷的净化能力也很强，它的自然含砷量在6mg/kg左右，但在含砷酸氢二钾、硫酸锌、氯化汞、重铬酸钾各2mg/L混合废水栽培下，菹草体内的含砷量可超过原来含砷量的16倍［4］。张饮江［5］等的研究表明，菹草对重金属离子的去除效果可以达到92.5%～96.5%。因此，菹草对水体富营养化的调节和重金属的去除有一定的作用。

近年来，由于水体富营养化程度日趋严重，菹草开始过量增殖，对环境和水生生态系统产生了不可忽视的影响。在襄阳、西安等地的护城河中，菹草春末夏初泛滥已经严重影响城市形象，对其进行控制是非常必要的。因此，本文提出了采用固定床培养菹草以及通过生态位模型构建生态群落对菹草生长加以控制的设想。

2 菹草的固定床培养模式

固定床是指固定在某处的框架结构。菹草的固定床培养模式即是采用不锈钢作为框架，中间为小孔径的多孔的PVC材料，在框架上有小的轨道，供可移动的收割链条在四周移动以收割菹草。收割后的菹草用于猪和牛的饲料，或用于生物质能源的再生［6］。在菹草的种植时采用掺有草木灰的粘土包裹菹草石芽和沙粒一起用高压水枪播撒到不锈钢框架的范围内。这种方法能使菹草石芽在期望的水体区域固定，萌发和繁殖，并且成本低廉。草木灰能提供菹草生长初期的营养盐等物质，有利于其生长。图1至图4是固定床的结构示意图。

在收割菹草时，在不锈钢框架对应的水面上设漂浮的网片，防止割断的菹草在水面上的扩散和漂浮，最后通过收拉绳索将网片的距离缩小，将收割的菹草清收上岸。图5是固定床捕捞菹草的流程示意图。

3 生态位理论及群落构建

朱耿平等［7］指出，生态位主要指自然生态系统中一个种群在时间上和空间上的位置及其相关种群之间的功能关系，其被广泛应用于指导物种多样性和群落构建。该理论指出维持物种共存的充分条件便是生态位分化，胡荣桂［8］在环境生态学教材中指出，根据竞争排斥原理，位于同一生态位的物种必然会由于竞争而导致一种物种灭绝。

基于生态位的群落构建原理，可以构建如图6所示群落，包括浮水植物和沉水植物，根据竞争排斥原理，同一生态位的植物只选取一个物种。同时在水体中投放草鱼苗，以增加群落的物种多样性和对水生植物加以适量取食。阳光在经过水体表面时，会经过表面浮水植物的遮挡，到达水下的光量会减少，同时由于生物的多样性，会减少单一物种对水体中的营养盐过量吸收而引起物种泛滥。由于光量和营养盐的减少以及草鱼的取食，水体中的菹草的量会保持在一个适宜的范围。

物种的选择对构建群落非常重要。关于群落构建机理的研究，牛克昌等［9］提到，Diamond在1975年正式提出了群落构建规则，认为群落构建的过程是大区域中多个物种经过多层环境过滤和生物作用选入小局域。Keddy（1992）认为群落构建是物种的筛选过程，而筛选因子是环境条件和生物间的相互作用；通过筛选因子的过滤，特定区域物种库中只有那些具有特定性状的特定物种才能进入小局域群落。图7表示了这种群落构建的筛选过程。

但是群落构建中物种的筛选过程历时较长，在短时间内难以找到需要的物种，借助于生态位模型，能够快速预测物种潜在的地理分布，朱耿平等［7］认为其原理是通过物种分布点相关联的环境参数，进行算法运算来构建模型，然后把得到的模型运用到另一地理空间，判断该物种在该空间中未知的实际分布地和潜在分布地（Araujo ＆Peterson，2012），在实际中，生态位模型所基于的物种分布点与其他物种的分布有一定的关联并受到其影响，因此可以说生态位模型所模拟的是现实生态位。

蔡静芸等［10］指出，常用的几种生态位模型有基于遗传算法的规则组合模型（GARP）、最大熵模型（MaxEnt）、CLIMEX模型等。GARP主要原理是物种的分布数据情况分成训练样本和检验样本，反复运算找出一个规则，可以根据研究地区的环境变量，来判别该环境中某物种是“存在”还是“不存在”；MaxEnt模型是依据物种的分布地理特点和分布地区的环境变量由最大熵原理建立预测模型，然后把目标地区的环境变量代入模型，得出预测物种在目标地区的 “适宜生境”和“非适宜生境”，从而进一步研究。CLIMEX模型是机理模型中使用广泛的一种动态模拟模型。它首先利用物种在某局域的地理分布和相对丰度，估计出该物种的生存的气候条件，并通过其分布区域的各个气候参数和各参数之间的相互关系构建模型，从而能预测物种的潜在地理分布，主要适用于大尺度范围内对物种分布的预测。通过生态位模型，预测出构建的群落——菹草与浮水植物、动物协调生存，群落构建完成。

4 结语

本文主要从机械控制和生态理论方面，通过物理方法和增加物种的多样性稳定菹草的生长空间，从而解决菹草泛滥成灾问题。传统的机械割除可以在菹草泛滥时加以短时间控制，而本文的设计通过对菹草的生长环境加以控制，无疑会从根本上防止菹草的物种爆发。

［1］苏胜齐.环境对菹草生长和繁殖的影响及菹草对富营养化水净化能力的研究［D］.西南农业大学：西南农业大学环境工程系，2001（5）.

［2］中国农业科学院植物保护研究所.中国农业有害生物信息系统：菹草［EB/OL］.http：//pests.agridata.cn/show1.asp？id＝39.

［3］沈 佳，纪桂琴，许 文，等.沉水植物菹草在低温条件下对重金属Cu、Pb、Zn的吸附和富集［J］.植物研究，2009，29（5）：585～591.

［4］张 敏，尹传宝，张翠英，等.沉水植物菹草的生态功能及其应用现状［J］.中国水土保持，2015（3）：50～53.

［5］张饮江，刘晓陪，金 晶，等.沉水植物对水体净化的研究进展［J］.科技导报，2012，30（27）：72～79.

［6］王海滨，张声华.菹草的营养价值、饲料开发及功能特性研究进展［J］.粮食与饲料工业，2005（7）：33～35.

［7］朱耿平，刘国卿，卜文俊，等.生态位模型的基本原理及其在生物多样性保护中的应用［J］.生物多样性，2013（1）：90～98.

［8］胡荣桂.环境生态学［M］.武汉：华中科技大学出版社，2010.

［9］牛克昌，刘怿宁，沈泽昊，等.群落构建的中性理论和生态位理论［J］.生物多样性，2009（6）：579～593.

［10］蔡静芸，张明明，粟海军，等.生态位模型在物种生境选择中的应用研究［J］.经济动物学报，2014（1）：47～52，58.