沉水植物菹草生长习性与治理方法研究进展

2021-06-25贾凤聪吴亚斌赵进勇韩会玲

人民珠江 2021年6期

贾凤聪，吴亚斌，赵进勇，张晶，韩会玲

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.天津市永定河管理中心，天津 300131；3.河北农业大学，河北保定 071001)

沉水植物在河流、湖泊等水域范围内生物量大，是水生态系统中主要的初级生产者[1]。如果提供适宜的生长条件，极易在水面附近形成致密的冠层[2]。在水域范围内，沉水植物的适量生长对水质和水生态的提升具有一定的促进作用，但其过度生长将会对人类的生产生活造成一系列的危害[3]，例如：产生感官性污染、降低水体流动性和透明度、加剧水体富营养化、阻碍航运通行等。

菹草作为冬春季节沉水植物的优势种，于中国南北各省均有分布，近年来在华北、长江中下游等地区形成了规模性爆发，严重威胁了当地生态系统平衡[2,4]。目前中国对其治理以人工、机械打捞方式为主，辅助配合生物化学方式进行治理[5]。中国学者针对菹草爆发的内在机理和对当地水体环境状态的影响展开了相关研究[6-8]。但在实际治理过程中依旧存在对菹草生长规律不明确、治理方式落后、防治手段单一等问题，导致错失菹草打捞的良好时机，更无法结合当地水体环境进行长久有效治理[9]。因此通过对相关文献进行总结和整理，分析菹草爆发的内在机理和治理方法，对于中国治理工作开展具有重要意义。

1 菹草生长过程及其生长特性

菹草又名虾藻、虾草、海老藻、麦黄草等，属被子植物门，单子叶植物纲，眼子菜科眼子菜属，为典型地多年生沉水草本植物，形似海藻，颜色呈铜绿色或中绿色[10]。

1.1 生长过程

菹草成长过程分为：幼苗期、成株期、衰败期。在幼苗期下胚轴发育良好，上胚轴不发育，针状子叶；成株期其根茎匍匐于水下泥中，茎细长，边缘存在波状褶皱，中脉明显；菹草衰败期分支顶端结芽孢，脱落后长成新植株[11]。冬季水体温度多维持在10℃以下，幼苗缓慢生长；春末夏初的时候，水温维持在10～20℃，菹草呈指数形式生长。

1.2 生长特性

菹草为世界广布种，根茎长度20～100 cm；叶片呈波浪态，宽度0.5～1.5 cm，长度3～10 cm；多生长于水深2 m以下的静水池塘、湖泊、河渠等地。菹草有极强的适应性，对水质和底质要求不强[12]，一般水体的透明度好，无有毒有害污染，多数都可以生长。春末夏初，菹草分支顶端生长出芽殖体，秋季母体衰亡时，芽殖体通过沾附水体中的悬浮泥沙等，沉入水体底部，扎根于底泥之中，待适宜环境萌发[13-15]。菹草的生长有别于大多数沉水植物，冬春季节是其生长的关键期。菹草一般不以其种子进行繁殖，而是通过芽殖体繁殖[16]，并且在生长初期还可以进行无性繁殖[10]。

1.3 生态功能

菹草的叶和茎可供鱼类和水禽类食用，后经过人为处理可作为饲料供家禽家畜食用[17]。菹草对生长的水体还具有生态净化作用，适宜的菹草群落，由于其茎部柔软，能随水流产生扭曲，能够非常有效去除水中悬浮物[18-19]，它的根茎能够牢固底泥，减弱底泥悬浮。研究表明，菹草还可以通过根系吸收底泥中的营养盐，茎叶可吸收水体中的硝态氨氮。菹草还具有抑制藻类生长，富集重金属等生态功能[20-21]。

对菹草生长过程和生长特性进行总结，明确了菹草适宜的生长特点，但由于其对周围环境有着良好的耐受性，不同于其它沉水植物的繁殖方式和繁殖周期，加之现如今河湖外源性污染加大，连通性普遍降低，使得菹草爆发的现象愈演愈烈。

2 菹草爆发机理及其对水体环境状态的影响

2.1 影响因子

沉水植物菹草对水体环境极端依赖，对水体环境的改变也十分敏感，其生长和分布会受到多项环境因子的调控[22-24]。其主要影响因子为温度、光照、营养盐和水文条件[14,25]。中国春季平均气温一般为10～22℃，是菹草爆发的关键时期，如任长久等[12]对北京地区研究发现菹草适宜生长温度为10～20℃；苏胜齐等[25]对西南农业大学实验池塘进行试验研究发现菹草适宜的生长温度为15～25℃。春季光照温和不强烈，但光照强度超过了菹草的光补偿点而未至光饱和点，菹草光合作用增强，生长迅速[26-28]；菹草适宜生长在中富营养盐水平的水体中，春季水体中氮、磷等营养盐丰富，为其生长提供了必要的营养物质；像水深、流速这类水文条件的改变间接影响菹草的生长，如水位升高至2 m以上，对菹草生长有一定的抑制作用，而流速加大，加快了水体中营养物质供给和交换[29-33]，进而影响了菹草的生长爆发。

2.2 爆发机理

沉水植物菹草作为生态系统中的初级生产者，适宜生长于低速、静水环境之中，同其它水生植物对比分析，菹草可以避免季节性生长过程中的竞争。综合沉水植物菹草生长的影响因子，水温、光照和营养盐可为菹草生长供给能量，是其生长过程中的关键。其它因子诸如重金属、着生藻类、悬浮物、pH等也对菹草的生长具有一定的影响[34-36]。冬春季节的温度适宜生长，菹草规模性爆发，还由于在其生长初期，菹草的茎部细长，叶片稀少，导致菹草无法直立生长，倒伏下的茎叶接触到底泥，就会再次生根发芽，形成新的植株体。这种无性繁殖方式加剧了菹草规模性爆发。2020年5月初对天津市新引河进行实地考察，新引河水面菹草覆盖率高，形成了规模性爆发，当地已组织人员进行了人工打捞，治理效果不理想。图1为调查区空间分布。

图1 调查区空间分布

2.3 改变水体环境状态

菹草由于产生大规模爆发的现象，茂密的菹草群落严重影响水体的透光度，抢占水生生物的生长空间，对鱼群觅食产生阻碍作用，影响水利工程的运行，甚至危及人类的饮水健康。又因其独特的生长习性，容易在夏季产生规模性死亡现象，死亡后的菹草若不及时地进行打捞，将会在水体中逐渐下沉[37-38]。沉积到水底的菹草被微生物分解，消耗水体中的溶解氧，使得水中溶解氧含量急剧下降。并且菹草的分解还释放了大量的氮、磷等营养物质，加剧了水体富营养化程度。

3 菹草防治与控制研究现状

3.1 防治与控制措施

中国对于菹草大规模爆发治理每年耗费了巨大的人力财力，治理的方式分为物理控制、化学控制、生物控制[6](表1)。菹草较为常用的治理方法为物理控制法，处理手段多采用人力或者机械进行收割打捞，还有一些地方通过清除淤泥达到去除菹草的目的。化学控制法就是在河流湖泊之中投放抑制菹草生长的药剂，化学治理见效快，但是易对水体产生不可逆的伤害，产生二次污染。生物控制法应用较为广泛的方式是投放滤食浮游动物和食草性鱼类，除此之外还有培养水生植物或者微生物抑制菹草生长。

表1 菹草治理方式

3.2 国内防治与控制综述

3.2.1骆马湖治理案例

骆马湖位于江苏省中部，总面积375 km2，为江苏省四大淡水湖之一。骆马湖于2006年开始在每年的2—5月份菹草爆发性繁殖，很快地成为当地湖区的优势种群[39-43]，生长高度可达到150 cm，湖区内的优势度95%以上，已经严重影响了水质，危害了鱼类的生存环境，对当地旅游业发展也产生很大冲击。

通过调查发现，骆马湖菹草群落爆发是因为当地无序开采黄沙，再加之面源污染程度提高，形成了适宜菹草生长的有利条件[27-28]。当地采取了如下手段进行治理：①投放草食鱼类草鱼、鲂鱼、鳙鱼等，兼放部分鲤鱼；②确定养殖区，分片、分区、分时围养进而控制菹草种群数量；③适时捞割，在菹草生长初期，立即组织进行机械捞割，在菹草衰败季节，组织沿湖渔民进行人工割除，减少二次污染。

3.2.2九江市治理案例

九江民俗园位于江西省北部地区，园区内人工湖也发生了大规模菹草疯长现象，究其原因是当地湖区形成了相对封闭和静止的水面[21]。根据调查，菹草适宜生长温度为10℃左右，在九江市约有半年时间的气温有利于菹草生长。也正是由于以上的特征，使得菹草近些年在湖区内爆发，仅用20多天就覆盖了整个水面，对湖区治理工作带来了很大影响。

园区针对菹草生长特点，对其治理采取了如下手段：①清除湖区淤泥，注入优质水体，调整生长水深；②将淤泥进行处理，挖运到湖岸边堆成缓坡，栽植了约7万株的再力花、鸢尾、美人蕉、睡莲等水生植物；③改变土壤及水体的酸碱度，采用抛洒石灰，使水体为碱性环境，抑制菹草生长；④放养了一定数量的草食性鱼类草鱼，对于菹草治理带来了直接明显的效果。

3.2.3东平湖治理案例

东平湖位于山东省东平县，为山东省第二大湖泊。东平湖属于浅水型富营养化湖泊，位于山东省西南部，也爆发了菹草疯长现象。经过调查发现，东平湖湖区内环境非常有利于菹草爆发性生长，一方面湖区内水深平均深度约为2 m，3月份到5月份温度维持在14～21℃。另一方面，水体的营养化程度较高，食草性鱼类数量较少，这就是导致东平湖菹草大规模暴发的成因[44-48]。

当地对东平湖治理采取了以下方式：①控制水体内的富营养化程度，加强外源性污染物输入的控制，减少内部氮磷的富集，减弱营养负荷；②组织人力进行收割打捞，选取5月份中下旬作为理想打捞期，适时地进行捞割处理；③投放草食性鱼类，以鱼治草，并且选取秋季作为最佳投放季节。

3.2.4南四湖治理案例

南四湖位于山东省，是山东省最大的淡水湖泊。但由于近年来水体富营养化程度加大，菹草在湖区内疯长，不仅对水体产生了污染，并且严重阻碍了航道运行。每年的6月份左右，菹草都会在湖区内大量的衰亡、腐败，产生了二次污染，给当地湖区带来了严重的生态环境问题[49-53]。

当地采取如下治理方式：①投放不同密度的草鱼，对水中菹草进行啃食；②减弱外源性营养物质的进入，提高区域内溶解氧含量，同时降低氨氮和亚硝酸盐含量。

对上述案例进行对比分析，骆马湖属一般性水体、九江民俗园内湖泊属流动能力弱的水体、东平湖和南四湖属富营养化水体。不同地域内由于水体条件不同，治理方式也存在差异，对其治理主要集中在以下方面：①针对一般水体，及时组织人员进行捞割，投放食草性鱼虾，栽培水生植物，优化调水周期等；②针对流动能力弱的湖泊水体，可以进行底泥清淤，并改变水体酸碱性，适当提升水位，并辅以一般水体治理措施；③针对富营养化水体，主要还是减弱外源性营养物质的输入，严格控制污染源，并辅以一般水体治理措施。