湖泊生态修复中水生植物种植及影响因素研究

周汉娥，罗 鑫，孙紫童，吴中奎，冯 智，简俊杰，刘国芳

(武汉航发瑞华生态科技有限公司，湖北 武汉 430000)

1 引言

近年来，随着城市的高速发展，加大了对浅水湖泊的开发力度，同时湖泊过度接纳大量人类生产生活的产生的氮、磷等营养物质[1]，从而加速了湖泊的富营养化进程，导致湖泊陆续出现水环境质量恶化、水生态系统结构和功能稳定性退化、水体服务功能降低、水资源开发失衡等问题[2]。水利部公布的《2018年中国水资源公报》显示，121个湖泊中富营养湖泊占73.5%，足见富营养化是我国湖泊的一个通病。对于富营养化湖泊的防治，恢复湖泊以水生高等植物为主的生态系统应与控制外源污染降低营养盐浓度同时进行[3]。

在富营养化水体修复的各种手段中，相比物理修复和化学修复，植物修复耗能低、效果更好[4～6]。水生植物群落存在与否对水生态系统的结构和功能均构成显著的影响，可反映湖泊生态是否健康[7]，是湖泊清水稳态的维持者[8]。相关研究学者通过对武汉东湖[9]、太湖[10,11]、滆湖[12,13]、滇池[14]等研究结果表明，水生植被对富营养化湖泊水质有良好的净化效果，水生植被恢复是解决湖泊富营养湖泊问题的有效途径之一[15]。

2 水生植物在水环境中的作用

针对富营养化湖泊，水生植物主要起到对湖泊外源物质的吸收净化作用，以及对内源物质的净化和克藻效应[16]。例如，苦草和轮黑藻可以降低初期雨水对水体水质的影响[17]；水生植物对外源氮去除率达95%以上[18]。水生植物不仅可以吸收净化外源营养物质，还可以去除重金属。在一定条件下，凤眼莲对Zn的去除率可达82%以上[19]。个别水生植物对Hg、Co、Cu、Mn去除率可达99.53%[20]。水生植物对内源物质的净化主要表现为通过生长繁殖吸收降低沉积物中N、P含量[21]。种植水生植物可使表层沉积物中氨氮含量降低40%左右[22]。水生植物的克藻效应主要表现为水生植物释放的化感物质可以抑制藻类的生长[23～25]。个别高等水生植物对铜绿微囊藻和蛋白核小球藻的最大抑制率高于70%[26]。

挺水植物有阻止水流和减小风浪的作用，有利于悬浮质沉降。它主要吸取深部底泥中的营养盐，对浅水处的内源污染有一定的控制作用[27,28]。浮叶植物在一定程度上可以控制浮游植物，改善水体的透明度。浮叶植物容易种植和收获，有一定的经济和观赏价值。沉水植物能消耗水体中的氮、磷等营养物质，对有毒藻类的生长具有明显的抑制作用，为固着性藻类提供附着表面，为水体中部分水生动物等提供饵料和栖息、繁殖场所[7]。

3 水生植物选种与配置原则

3.1 水生植物选种

富营养湖泊生态恢复的关键就是引入水生植物并使其成为优势种。种植水生植物净化水质、降低人为因素对湖泊的影响。因此在选择水生植物时，应该考虑以下几点：①耐污性强，净化效果好[29]；②满足环境功能需求；③构建空间搭配合理的植物群落；④尽量使用具有强抗干扰能力的乡土种，避免生物入侵[30～32]。

3.2 水生植物配置原则

在对水生植物进行群落配置时，应考虑以下几点：

(1)空间布置。根据自然湖泊中水生植物群落在空间梯度上的分布规律(水平、垂直结构)进行群落配置[33]。根据水域深度、设计需要，从水体的深水区至陆地沿岸带，按照沉水植物群落、浮叶植物群落、挺水植物群落、湿生植物群落系列进行空间配置[31]。

(2)根据湖泊种植环境，选择合适的水生植物。收集湖底形态、底质、水质和水深等基本信息。在不影响湖区通航的前提下，对水生植物进行空间配置。一般情况下，如果湖盆形态比较规则，水动力特性和底质条件也较为近似，那么水生高等植物可呈环带状分布[30]。挺水植物抗御风浪能力较强，布置在有底质条件的迎风岸以及进出水口河道；浮叶植物适合在湖湾深处或接近于静水的环境；沉水植物可布置在挺水植物、浮叶植物最外沿[33]。

(3)植物多样性[34]。多种水生植物的种植，不仅可以保证水生植物群落具有较强的生态环境功能和连续性，也可以保证湖泊中多种污染物的去除以及不同季节都有生长期的水生植物可以吸收湖泊中的污染物。

在湖泊水体修复过程中，常用的水生植物的生长习性、种植密度以及部分植物对氮、磷的净化能力对比情况见表1～表3。表1、表2和表3分别列举了挺水植物、浮叶植物和沉水植物。

表1 水体生态修复中常见挺水植物

表2 水体生态修复中常见浮叶植物

表3 水体生态修复中常见沉水植物

根据研究学者对滇池草海[35]、武汉东湖[36]的研究成果，湖泊生态系统修复应以种植沉水植物为主。马凯等在保安湖的研究表明，周驰等[7]对湖北省的25 个典型浅水湖泊进行水生态健康评价，发现4个水生态健康评价为良好的湖泊共同特点是拥有较高覆盖度的沉水植物。因此，可以认为富营养湖泊水生植被恢复应以沉水植物为主，浮叶植物和挺水植物为辅。

4 水生植物恢复的影响因素

对于湖泊水生植物恢复，需要先了解影响水生植物生长的环境因素，以及维持一个草型生态系统所需要的外部条件。一般而言，影响水生植物恢复的主要因素包括光照、水温、透明度、风浪、营养盐浓度、水深等[37,38]。

4.1 光照

水体光强是水生植物生长的必需环境因子，会影响水生植物的株高、枝长与叶面积，对水生植物存活率和生长有重要影响[39]。特别是对于沉水植物来说，光照直接影响其种子的萌发及植株存活。太湖沉水植物恢复的核心条件是水下光照条件[40]。因此，在水生植物种植中，要结合水生植物可利用的光照合理的设置水生植物恢复范围。

4.2 水温

水生植物对污染物的吸收受温度的制约。当温度适宜时，植物的生长速度随温度的升高而加快，同时加速吸收水体中氮磷，植物对水体中的氮磷的去除能力增强[41]。水温对水生植物季节生长的影响很显著，决定植物的萌发和休眠期。低温胁迫对水生植物的光合作用以及正常的代谢活动均有极明显的抑制作用。有研究结果表明沉水植物的生物量增加或减少时，水体水温也相应的升高或降低[42]。而客涵[43]的研究结果表明：9月份水温与水生植物的生物量呈强负相关关系，分析可能的原因是菹草的大量死亡对水生植物的生物量产生影响。

4.3 透明度

水体透明度能够直观反映湖泊水下光场的分布情况，是沉水植物生态恢复的基础条件[44,45]。水体的透明度降低会影响光强从而阻碍沉水植物的光合作用，使其无法生存。王琦等[46]研究结果表明：透明度是影响滇池沉水植物盖度的主要因素。水体透明度较好时，利于沉水植物光合作用，促进沉水植物生长繁殖。

4.4 风浪扰动

风浪对水生植物的影响可以分为物理和生理影响。风浪过大将会使水生植物根茎折断；水体底部光强减弱，沉水植物产生生理响应。例如，风浪扰动可以使狐尾藻的抗弱光性和光合作用能力增强[47]。在不同方式扰动下。金鱼藻叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量和POD活性等会发生变化[48]。风浪适度有助于去除附着在水生植物上的藻类，有利于水生植物更好地进行光合作用。

4.5 营养盐

理论上，水生植物的生长应该有适宜的营养盐浓度范围。在一定的浓度范围内，营养盐浓度的增长，对沉水植物的生长有促进作用；但当营养盐浓度过高时，富营养化造成植物过量吸收水体营养，抑制沉水植物的生长[49]。苦草、马来眼子菜和黑藻中，马来眼子菜耐受营养盐的范围最小[50]。文明章通过实验发现适合苦草生长最适宜的氮磷比(TN/TP)。因此，在水生植物修复水体的项目中，应根据水体营养盐选择合适的水生植物。

4.6 水深

水深是水生植物生长的重要限制性因子，大量研究发现水生植物的生物量及覆盖度随着水深增加有降低的趋势，对水深适应能力强的物种在水深增加后具有更强的竞争优势[51]。太湖、洪泽湖、巢湖、东湖、沙湖等湖泊的水生植物一般分布在水深2 m以内浅水区。在开阔的敞水区，很难有水生植物存在[52]。

挺水植物生长主要影响因素就是水深[53～55]。挺水植物对水深要求较高，过高或过低的水深高度都会限制植物的生长[56]。湖泊水位的变化，会引起挺水植物被淹没的部分受光合作用减弱或增强，植物为适应变化，植物的分蘖数、生物量累积、形态生长速率等受不同程度影响[55,56]。

浮叶植物中以凤眼莲为例，氮磷含量是影响凤眼莲生长的主要因素之一[57]。氮磷含量的增加增强了凤眼莲的生长繁殖能力[58]。周喆等[59]通过实验发现，氮元素能促进凤眼莲的向上生长，提高总生物量；磷元素促进凤眼莲分裂和横向生长，提高凤眼莲匍匐茎数和叶柄数。徐寸发等[60]也得出类似结论，认为氮磷含量显著影响凤眼莲生长。因此，可以认为氮磷含量是影响凤眼莲生长的主要因素。

沉水植物生长的主要影响因素是光照强度[61,62]。对于沉水植物来说，弱光可以抑制在繁殖发育阶段植物生长，一些植物的形态会因为光照的强度不同而不同，光照强度的变化能引起植物的生长代谢活动的变化(例如，生长率降低、体内含氮量升高)[63]。

除上述影响因子外，控制养鱼[64]和水文条件[65]也是恢复水生植被的影响因素。水生植物和各影响因素间作用是相互的，水生植物的生长也会引起水体理化环境的变化[66]。

5 结论与展望

湖泊生态修复中，植物修复应以沉水植物为主，植物的选择和配置应考虑植物对特定污染物的去除能力、成活率、生长环境、湖泊水力学特征等因素。影响水生植物生长的因素有很多，主要有光照、水温、透明度、风浪、营养盐浓度、水深。在选择水生植物修复水体时，需提前了解水生植物对水体污染物的净化效果与影响植物生长的主要因素，配合人工干预，保证水生植物的净化效果，达到修复受污染的水体的目的。

富营养化湖泊水生植被恢复是个长期的过程，而水生植物群落的有效恢复是湖泊生态恢复成功与否的关键。现有研究成果大多数基于实验室模拟以及特定水体的研究，关于水生植物对湖泊水体的净化效果有待进一步论证。在实际应用工程中，需根据项目需求、研究区域水体环境、水生植物等因素综合考虑。