太湖水生植被生态恢复技术研究进展——以水专项研究成果为例

谢立莹，薛庆举

(1.辽宁省兴城市环境保护监测站，辽宁兴城 125100；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，江苏南京 210008)

水生植被是指在生理上依附于水环境，至少部分生殖周期发生在水中或水表面的植物类群，通常被用来代指一些大型水生植物，包括除小型藻类之外的所有水生植物类群。水生植被作为湖泊等水体生态系统的重要组成部分，在维持水生态系统功能以及水生态健康过程中扮演着至关重要的角色。首先，作为水生生态系统中重要的初级生产者，可为食物链中的初级消费者提供食物；其次，水生植物可在白天进行光合作用释放氧气，提高水体溶氧量，在夜间进行呼吸作用消耗氧气形成叶片局部低氧环境，促进相关微生物对氮、磷等元素在不同形态之间的转化；第三，水生植物不仅可通过根系或其他部位的吸收、过滤和固定等作用，改善水质，影响沉积物-水界面的物质交换，加速水体悬浮物与藻体沉降，并抑制沉积物再悬浮，还可通过化感作用抑制藻类生长；第四，为附着生物、底栖动物以及鱼类等提供栖息场所，增加生态位，提高湖泊生态系统的生物多样性稳定性。因此，水生植物的分布通常是健康水体不可或缺的必要条件，这也是水生植被消失后，富营养化湖泊出现水质恶化、蓝藻水华爆发的最根本原因。

太湖作为我国的第三大淡水湖，水面面积达2 338 km，是我国三大富营养化湖泊之一。《太湖流域水环境综合治理总体方案》中指出，在“十一五”开始之前，2005年时太湖流域城镇化率已高达73%，全流域国内生产总值约占全国GDP的11.6%，人均生产总值是全国平均水平的3.4倍，单位国土面积经济收益约为全国平均水平的57倍。但随着经济的快速发展，大量的污染物也随之排入太湖流域。2005年，太湖流域水环境综合治理区废污水排放总量为33.14亿m，总氮和总磷排放总量分别为14.16万和1.04万t。加之资源的不合理开发和利用，整个流域成为我国生态环境退化最为严重的地区之一，湖体水质急剧恶化，蓝藻水华呈常态暴发，而水生植被亦退化严重。结合历史资料发现，在20世纪50年代，高等水生植物在太湖湖内广泛分布，1960年的调查共记录66种维管植物，1981年与1961年相比优势种变化不大，但东太湖水生植物物种减少了6种。进入20世纪90年代，北部湖区的水生植被明显退化，仅竺山湖有少量残存，东北部湖区及东部湖区水生植被反而持续扩张，从2002年开始，东太湖菰和芦苇分布区面积锐减，浮叶植被和沉水植被分布区面积及生物量显著上升，荇菜、伊乐藻、马来眼子菜等成为优势种。到2014年，已有累计23种水生植物从太湖消失，北部湖区水生植被几乎消失，但东太湖仍然存在水生植被过量生长的问题。

针对水生植被出现的退化等问题，在“十五”及更早时期，国内学者已在许多湖泊开展了水生植被恢复工作，但一直没有大的突破。所有这些工作，在工程实施期，水生植物的生长状况均较好，并对水质起到了一定的改善作用，但在工程结束后，特别是在软围隔撤除之后，刚刚建立起来的以高等水生植物为优势的生态系统便立刻崩溃。鉴于此，根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》要求，水体污染控制与治理科技重大专项(以下简称“水专项”)针对制约我国社会经济发展的重大水污染科技瓶颈问题，在“十一五”和“十二五”期间设立了近10个课题，用于重点突破水体水生植被修复等相关的关键技术和共性技术，并通过一系列的工程示范，达到示范区域水环境改善的目标。在经过近10年的研究和探索之后，水专项结题项目已积累了众多的水生植被修复相关的关键技术。因此，该研究在充分调研水专项已有相关技术的基础上，对现有技术进行了集成，并对相关技术的重大应用效果进行了分析，以期为相关研究和工程项目实施提供技术支撑，实现水专项研发技术的进一步应用和推广。

1 技术需求与集成路线

该技术集成以太湖流域水生植被现状及生态修复技术存在问题为导向，基于水生植被生态修复过程，针对不同修复流程中存在的问题提出对应的科技需求，筛选出相应的关键技术，最终形成一整套的水生植被修复集成技术。当前，太湖流域水生植被存在的问题主要包括生物多样性降低、分布区域缩减以及部分区域生物量过高等方面，而水生植被生态修复技术在生态修复流程的不同步骤均存在需要进一步深入研究或重点突破的需求。水生植被修复过程一般可包括问题分析、生境改善、群落构建以及后期管理等步骤，其中的主要问题如表1所示。

表1 太湖水生植被修复技术存在问题及技术需求Table 1 Problems and technical requirements of aquatic vegetation remediation in Lake Taihu

基于“十一五”和“十二五”期间研发的水生植被修复技术，将太湖水生植被恢复成套技术主要分为水生植被现状观测技术、水生植被生境改善技术、水生植被群落构建技术以及水生植被群落管理技术等4项关键技术，每项关键技术包含的单项技术如图1所示。

图1 水生植被修复集成技术拓扑图Fig.1 The topology picture of aquatic vegetation remediation integrated technology

目前，水生植被调查方法仍以传统方法为主，但传统方法不仅费时费力，还具有制图周期长，不能快速、大尺度地监测水生植物变化等特点。而遥感技术在此领域的应用便很好地填补了这一缺陷，遥感技术是在20世纪60年代发展起来，并在90年代开始得到广泛应用的一项对地观测技术。水专项“太湖流域环境与生态综合管理平台建设与运行机制研究”课题便基于此项技术开展了太湖水生植被遥感监测方法研究，研发了太湖水生植被遥感反演模型和定量监测技术，形成了水生植被遥感反演模型和动态监测业务化运行体系，并构建了自动分析系统，支撑了由水质目标管理向水生态目标管理转变的技术需求。

针对太湖区域，该技术选取高时间分辨率的MODIS作为太湖水生植被遥感监测的主要数据源，而环境卫星等数据作为辅助数据。通过多源、多时相、遥感数据进行处理、分析、评价和制图，结合实地核查，验证遥感监测水生植被模型与水生生态系统评价方法的实用效果，在长期业务化运行的基础上形成太湖区域水生植被快速、准确、连续、动态监测业务化体系，并以此来开展太湖水生态评价和监测。

水生植被的生长受多种环境因子的影响，如水体营养盐含量、风浪、光照、食物网结构以及沉积物理化特征等。所以，要恢复水生植物群落，首先要清楚不同水生植物物种生长环境各项指标的适宜范围，之后才能针对性地开展生境改善工作。水专项“太湖湖体氮磷污染与蓝藻水华控制技术与工程示范”课题便通过水生植物恢复所需环境条件的诊断分析及其阈值确定，提出生态恢复所需的生境条件包括水深、营养盐浓度、光照条件、鱼类组成、底泥中有机物含量、风浪大小等6项。同时，确定了太湖恢复水生植物所需生境条件的阈值，包括水深不宜超过2 m，总氮浓度不宜超过2 mg/L，总磷浓度不宜超过0.1 mg/L，风浪吹程不宜太大；鱼类组成中，不能有草鱼，对于底栖鱼类和专吃浮游动物的鱼类，如青鱼、鲤鱼、鲫鱼和鳙鱼，在恢复初期也要控制。

适宜的生境条件是水生植被恢复是否成功的关键，但早期的水生植被恢复多以水生植物种植本身为重点，反而忽视了生境条件改善对水生植被恢复的重要作用。鉴于此，“十一五”水专项设立了“太湖湖体氮磷污染与蓝藻水华控制技术与工程示范”等课题，研发了可遏制蓝藻水华发生的一系列营养盐阻断技术以及外来污染物阻截技术，有效降低水体中的营养盐负荷与外源污染。其中，营养盐阻断技术主要包括原位钝化技术、黏土絮凝技术和人工介质技术。同时，一些相关课题也对水位控制技术和水生生物调控技术进行了研究。水位控制技术主要是通过调水方案优化以及生态水位研究，获取对湖体水质和水生植被生长改善最为显著的调度方案。除以上生境改善技术之外，水生生物调控(生物操纵)技术在水生植被恢复，特别是富营养化水体蓝藻水华治理中也常常被用到。水生生物调控技术主要是基于Shapiro和谢平提出的经典和非经典生物操纵概念发展起来的，目前已成为控制富营养化湖泊蓝藻水华的重要方法之一，相关技术已在水专项“湖荡湿地重建与生态修复技术及工程示范”以及“太湖贡湖生态修复模式工程技术研究与综合示范”等课题中得到应用。

目前，针对水体污染等问题研发的水生植被群落构建技术主要包括原位种植、生态浮床和人工湿地等相关技术，各项技术已被广泛应用于复合生态池、净化塘和城市湖泊等水体的生态修复中。水专项中通过“调水引流工程水质保障与湖体水质改善关键技术及综合评估”与“太湖贡湖生态修复模式工程技术研究与综合示范”等课题的研究与示范，研发了一种适用于水位变化大流速水域的圆形可装卸生态浮床技术、高藻敞水区生态调控和水生植被重建技术以及水文条件多变区域沉水植物生物多样性维持稳定技术等一系列技术，为大水面水生植被恢复提供了技术支撑。

一种适用于水位变化大流速水域的圆形可装卸生态浮床技术中生态浮床主要由骨干支架、仿生型填料、可方便拆卸的标准化植物篮以及水生植物等部分构成，其中所栽植的水生植物可根据季节及不同需求进行更换，同时可营造出一定的景观效果，既不影响航运，还能够产生一定的经济效益。高藻敞水区生态调控和水生植被重建技术则是针对透明度低、水体氨氮含量高的水域沉水植物较难恢复等问题研发的水生植被群落构建技术，主要由沉水植物快繁技术、种植密度和方式优化选取以及水质改善技术等几部分组成。水文条件多变区域沉水植物生物多样性维持稳定技术通过原位及室内模拟实验，合理配置沉水植物群落，结合人工水草与浮叶植物来降低风浪等对沉水植物群落稳定性的影响，实现了沉水植物存活率的提高。

水生植物群落的形成并非一朝一夕，在水生植物构建配置完成后，为了使群落趋于稳定，需要对水生植物群落的周边环境包括湖泊物理环境、水文环境、生物环境进行控制和管理，这也是水生植物群落恢复后能够长效稳定维持的关键。

基于“十一五”期间“太湖水源地水质保护技术及工程示范与东太湖沼泽化防治”水专项课题，建立了湖泊各区域沼泽化程度判定技术体系，在水生植被水质净化区设立合理的水生植物刈割时间和刈割程度，达到既从湿地内移除大量汇集于植物体内的营养盐，又降低由于植物腐烂可能引起的水体二次污染的目的。另外，“十二五”期间“太湖贡湖生态修复模式工程技术研究与综合示范”课题，针对生态修复工程建成后缺乏长效管理、难以长期稳定运行的问题，研究形成了整装成套的社会化运作的长效运行管理模式，为太湖流域的大规模生态建设提供技术支撑。

3 应用示范案例

“十一五”期间，该成套技术支撑了太湖金墅水源保护区综合治理示范工程，该工程总面积约为42 km，其中水域面积约20 km，陆域面积约22 km。在工程实施后，河道沉水植被的覆盖率达到90%左右，透明度保持1.5 m以上，水质基本达到国家地表水Ⅲ类。在东太湖滨岸静水A区(16 350 m)、近岸小风浪B区(114 937 m)以及湖心大风浪C区(114 937 m)应用实施后，A区年处理污水1.9×10m，对NO-N和PO-P的去除率分别达79.8%和50.9%，生物多样性显著提高，水生植被实现自我维持，水质与水体透明度均得到显著提高；B区植被覆盖率达80%以上，生物多样性显著提高，水质得到改善，并在示范工程内出现清洁种——大茨藻；C区水生植被覆盖率在30%以上，水质得以初步改善，生物多样性提高，也出现水生植物清洁种。

在“十二五”期间，在太湖贡湖湾建成面积为2.32 km的大规模、大范围具有清水产流功能的生态修复综合示范区。通过模式工程技术体系的示范应用，有效地改善了示范区水体生态环境，提高了水生植物的成活率和建群效率，增强了生态系统的稳定性。综合示范区已经稳定运行近3年，水质在短期内由初期的劣V类提高到IV类，氮磷浓度得到有效削减，透明度提高到70 cm以上，水生植物种数超过50种，水生植被覆盖率50%以上。生物多样性大幅提升，水生生态系统稳定，已建成太湖流域水生植物种源库53 300 m，成功保育原生水生植物57种；建设完成建筑面积1 500 m的研究和展示基地，管理和研究队伍已组建完成，形成水质、气象监测能力，并展示了水专项有关的太湖流域生态治理的成果。

在太湖流域之外，该成套技术也得到了推广应用，如浅水湖泊生态系统构建技术与优化管理研究，在洋澜湖生态修复区应用悬浮物削减与抑制和营养盐削减与控制两项关键技术，实现了健康水生态系统构建和水质改善，生态修复成套技术在安徽省焦岗湖、湖北省武山湖湿地公园、贵州人民公园等生态修复工程中均得到了推广应用，并取得了明显的水质和生态改善效果。

4 建议

水生植被传统调查方法和遥感监测方法均具有其各自的优缺点。传统调查方法耗时、耗力，覆盖区域不够全面，只能获得调查点位的信息；遥感监测方法能够覆盖所有区域，数据获取更简单，但却不够精细，不能准确反应特定物种的信息。所以，应继续深入开展水生植被现状监测方法的研究，为水生植被群落研究和管理提供重要支撑。

首先，应继续开展环境因子对水生植被生长影响机理的研究，在此基础上，确定太湖水生植被潜力恢复区；其次，加强与分子生物学等相关技术的结合，从微观方面研究水生生物与生境条件之间的相互关系；第三，重点研究敞水区水生植被恢复生境条件改善技术；第四，进一步评估生物调控技术对原有生态系统影响的研究，比如鱼类人工放流等。

目前，水生植物恢复的研究仍集中在湖泊滨岸带或河道区域，而针对敞水区的研究非常匮乏，所以今后应加强对浅水湖泊敞水区水生植物恢复技术的研究；另外，应加强一些特有种恢复技术的研究，进一步增加水生植物的生物多样性。

水生植被恢复成功之后，大部分工程在前期对水质和水体生态系统均具有较好的改善作用，但时间一长，修复后的生态系统都存在崩溃或变差的趋势，这与修复后的管理措施密切相关。而相对水生植物的恢复技术研究，恢复之后水生植物群落管理技术的研究仍较少。

目前，关于湖泊水生植被现状监测、群落恢复、后期管理以及评价的国家和地方标准仍相对匮乏，统一标准的制定可以进一步完善水生植被恢复研究，规范相关工程的实施，并评价修复的效果，最终指导我国湖泊生态修复工程建设。