在水生態(tài)修復(fù)工作中，恢復(fù)水生植物尤其是恢復(fù)沉水植物被廣泛認(rèn)為是水體治理的有效途徑。太多實(shí)踐表明，有沉水植物生長(zhǎng)的區(qū)域，水體大多清澈;缺少沉水植被的水體，則往往渾濁或長(zhǎng)藻，水底荒漠化，甚至黑或臭。
以淺水湖泊成功修復(fù)的典型——惠州西湖為例，通過恢復(fù)沉水植物群落結(jié)構(gòu)，惠州西湖子湖南湖從以浮游植物為主導(dǎo)初級(jí)生產(chǎn)力的“藻型湖泊”轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿了参餅橹饕跫?jí)生產(chǎn)力的“草型湖泊”，形成了穩(wěn)定的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，透明度由30 cm提高至150 cm，水體總磷、總氮含量分別降低54.50%和52.70%，實(shí)現(xiàn)了華麗的蛻變。
小小的水草，為何能有如此大的功效?
在水生態(tài)治理中，沉水植物到底扮演了什么樣的角色，又運(yùn)轉(zhuǎn)著怎么樣的機(jī)理，本文將圍繞此進(jìn)行展開。
01每一秒，都在凈化水質(zhì)，納污吐新
| 吸收N、P營養(yǎng)鹽，改善水下富氧條件
氮、磷是植物生長(zhǎng)的必需營養(yǎng)元素。長(zhǎng)勢(shì)良好的水生植物可使水體中總氮、總磷含量明顯降低 。
沉水植物除了通過根、葉吸收水體中的氮、磷及控制水體中營養(yǎng)鹽濃度外，還可在光合作用過程中產(chǎn)生氧氣擴(kuò)散到根際并進(jìn)入沉積物，影響沉積物氮、磷的循環(huán)。
相關(guān)研究表明，沉水植物覆蓋的區(qū)域中，氧氣可以滲透至沉積物表層20 mm處，而在無沉水植物覆蓋的區(qū)域，氧氣的滲透深度僅4 mm;沉積物中的Fe2+在沉水植物根際氧化作用下形成Fe3+,并與PO43--P形成鐵-磷復(fù)合體,抑制磷從沉積物釋放到水體中。
同時(shí)，沉水植物通過促進(jìn)沉積物-水界面的反硝化作用，還原硝酸鹽，釋放出分子態(tài)氮(N2)或一氧化二氮(N2O)，減少水體中的氮營養(yǎng)鹽。
研究表明，苦草(Vallisneria L.)、黑藻(Hydrilla verticillata L.)、金魚藻(Ceratophyllum demersum)、伊樂藻(Elodea nuttalli)、狐尾藻(Myriophyllum L.)、菹草(Potamogeton crispus L.)均能有效去除水體中的氮、磷等營養(yǎng)鹽含量,其中以苦草效果最好。
| 提高水體透明度，打造優(yōu)美水下森林
沉積物再懸浮會(huì)直接影響水體的透明度，而沉水植物可以減緩水流速度和風(fēng)力，并且通過根部固定沉積物，抑制再懸浮。同時(shí)，沉水植物還可作為懸浮物的捕獲器，促進(jìn)沉降，進(jìn)而提高水體透明度。
Horppila等進(jìn)行為期83天的研究發(fā)現(xiàn)，在沉水植物金魚藻和鈍葉眼子菜(Potamogeton obtusifolius)生長(zhǎng)的區(qū)域，表層沉積物再懸浮量為793 g(DW)/m2，而在無沉水植物生長(zhǎng)的區(qū)域，表層沉積物再懸浮量為1 701 g(DW)/m2。
該研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物覆蓋率大于30%的湖泊能夠長(zhǎng)期維持清水態(tài)，而沉水植物覆蓋率小于30%的湖泊則再度發(fā)展為濁水態(tài)湖泊。
在沉水植物生長(zhǎng)的區(qū)域，通過沉積物再懸浮帶入水體中的磷元素含量為11.8 mg/(m2·d)，無沉水植物生長(zhǎng)區(qū)域的磷元素含量為24.5 mg/(m2·d)。由此可知，在缺乏沉水植物的富營養(yǎng)化湖泊中，沉積物再懸浮會(huì)導(dǎo)致水體磷營養(yǎng)鹽濃度增加。
也很容易讓外界產(chǎn)生一種理解，即水生態(tài)修復(fù)就是種水草(沉水植物)，甚至業(yè)內(nèi)一些水環(huán)境綜合整治的EPC/PPP項(xiàng)目中，水生態(tài)內(nèi)容有時(shí)會(huì)被直接歸為綠化工程。畢竟，水生態(tài)修復(fù)呈現(xiàn)給大家的，也就是種了種水草，撒了撒藥/微生物，水就逐漸清了。
02每一秒，都在與藻類抗?fàn)?，重建平?span style="display:none">Npy新型光催化網(wǎng)_水庫治理_河道治理_水生態(tài)修復(fù)_水環(huán)境治理與修復(fù)_江蘇雙良環(huán)境科技有限公司
| 掠奪營養(yǎng)，競(jìng)爭(zhēng)生存空間
沉水植物可以通過吸收氮、磷營養(yǎng)鹽、無機(jī)碳等競(jìng)爭(zhēng)限制藻類的生長(zhǎng)。離子態(tài)氮(NO3-、NH4+)、磷(PO43-)是初級(jí)生產(chǎn)者直接吸收利用的營養(yǎng)形態(tài)。
不論沉水植物是否存在，藻類的生物量與湖水中氮、磷的含量呈正相關(guān) 。但藻類生命周期短，對(duì)水體中氮、磷營養(yǎng)鹽固定能力弱，而沉水植物具有過量吸收營養(yǎng)物質(zhì)的特性，個(gè)體大，生活周期長(zhǎng)，體內(nèi)積累的氮、磷多，儲(chǔ)存較藻類穩(wěn)定，能有效降低氮、磷循環(huán)速度、控制藻類的暴發(fā)。
研究表明，大量沉水植物可以導(dǎo)致水體中磷含量急劇下降，造成浮游植物缺乏營養(yǎng)鹽而難以在夏天形成水華。
對(duì)于根系發(fā)達(dá)的沉水植物如眼子菜、苦草、狐尾藻等，可通過根吸收和促進(jìn)沉積物中化學(xué)反應(yīng)等方式對(duì)內(nèi)源污染進(jìn)行控制，削減浮游植物營養(yǎng)鹽來源。
對(duì)于根系不發(fā)達(dá)的沉水植物如黑藻、伊樂藻、金魚藻等,主要依靠自身葉片吸收水體中的營養(yǎng)鹽，如NO3-、PO43-、CO2和HCO3-，進(jìn)而與浮游植物形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。
| 化感作用
沉水植物分泌的化感物質(zhì)可抑制水體中浮游植物的生長(zhǎng)，減弱浮游植物或附著藻的遮陰效應(yīng)，促進(jìn)自身生長(zhǎng)。
化感物質(zhì)可使藻類細(xì)胞的生理作用產(chǎn)生變化，如影響抗氧化酶活性、堿性磷酸酶活性，促進(jìn)丙二醛等有毒物質(zhì)積累，從而引起藻類生物量的減少。通過化感物質(zhì)抑制藻類生長(zhǎng)的沉水植物至少有37種，其中以狐尾藻、金魚藻、伊樂藻、茨藻、輪藻等的化感作用較明顯。
不同沉水植物分泌的化感物質(zhì)對(duì)藻類的作用不同，從而影響浮游植物種類組成。研究發(fā)現(xiàn)，狐尾藻通過分泌化感物質(zhì)抑制堿性磷酸酶活性，減少葉片表面磷的釋放量，降低附著藻的磷元素來源，限制附著藻的生長(zhǎng);水蘊(yùn)草(Elodea densa(Planch.)Casp.)和伊樂藻可以通過化感作用抑制附著藍(lán)藻的生長(zhǎng)，進(jìn)而限制附著藻生物膜的形成，促進(jìn)葉片表面對(duì)光照和營養(yǎng)鹽的吸收。
| 削減風(fēng)浪、固封底泥等其他作用
浮游植物不具有主動(dòng)運(yùn)動(dòng)能力，通常需要借助風(fēng)浪、水流等外力作用，而沉水植物可以減弱風(fēng)浪對(duì)水體的擾動(dòng),使浮游植物失去漂浮的助力,加速其沉降。
此外，沉水植物還可以影響浮游植物對(duì)光照的吸收，限制其群落的發(fā)展水植物分泌。
03對(duì)浮游動(dòng)物的影響
沉水植物群落可為浮游動(dòng)物提供主要的棲居地和避難場(chǎng)所。
在淺水湖泊中，水平遷移(Diel Horizontal Migration,DHM)是浮游動(dòng)物常見的行為。浮游動(dòng)物遷移至沿岸帶或沉水植物茂盛的水域中，躲避魚類等的捕食，維持種群數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定發(fā)展,加強(qiáng)對(duì)浮游植物個(gè)體、種群甚至群落結(jié)構(gòu)的控制作用。
水體中的浮游甲殼類動(dòng)物生物量與沉水植物在水體中的占有體積(Plant Volume Inhabited,PVI)呈顯著正相關(guān)(R=0.47,p=0.0001)。
當(dāng)缺乏沉水植物時(shí)，浮游動(dòng)物的種群密度處于較低水平(<1 ind/L)，而浮游植物的密度則處于較高水平(38 mm3/L);當(dāng)沉水植物的PVI>15%~20%時(shí)，浮游甲殼類動(dòng)物生物量處于較高水平，且體型較大的個(gè)體居多 。
由此可見，沉水植物群落在一定程度上可保證浮游動(dòng)物的種群數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮游植物的控制，有利于維持湖泊的清水狀態(tài)。
04沉水植物的生態(tài)效應(yīng)機(jī)理
不同營養(yǎng)級(jí)的上行效應(yīng)(Bottom-up Effect)和下行效應(yīng)(Top-down Effect)相結(jié)合維持著生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。沉水植物對(duì)無機(jī)環(huán)境的影響以及與其他生物之間的相互作用保證了生態(tài)系統(tǒng)中上行效應(yīng)和下行效應(yīng)及其他級(jí)聯(lián)效應(yīng)的正常發(fā)揮。
| 淺水湖泊中沉水植物對(duì)湖泊水環(huán)境的影響
沉水植物對(duì)營養(yǎng)鹽的吸收和鈍化抑制上行效應(yīng)對(duì)浮游植物的促進(jìn)作用，降低水華暴發(fā)的可能性。
另外，沉水植物群落結(jié)構(gòu)促進(jìn)肉食性魚類生長(zhǎng)，保證生態(tài)系統(tǒng)中下行效應(yīng)的發(fā)揮，即肉食性魚類捕食草食性魚類、浮游生物魚類，優(yōu)化魚類種群結(jié)構(gòu)，降低沉水植物、浮游動(dòng)物被大量捕食的壓力，達(dá)到控制浮游植物的效果。
| 湖泊生態(tài)系統(tǒng)上行效應(yīng)(通過營養(yǎng)鹽)—下行效應(yīng)(通過攝食)和其他效應(yīng)模式
05沉水植物的恢復(fù)步驟
富營養(yǎng)化淺水湖泊修復(fù)過程中，控制營養(yǎng)鹽和構(gòu)建健康的生態(tài)系統(tǒng)是主要目標(biāo)。而恢復(fù)沉水植物群落，則是富營養(yǎng)化淺水湖泊修復(fù)的重要途徑。
作為維持湖泊清水態(tài)的關(guān)鍵因子，沉水植物自身受到諸多因素的影響，比如光照條件、營養(yǎng)鹽濃度、底質(zhì)環(huán)境、氣候條件以及自身生長(zhǎng)特性等等。因此，在通過沉水植物群落進(jìn)行富營養(yǎng)水體修復(fù)時(shí)，一般需首先改善水體本底環(huán)境，營造沉水植物生長(zhǎng)的必要外部條件。常規(guī)流程建議如下：
1、針對(duì)不同地區(qū)(如不同氣候帶等)的修復(fù)對(duì)象，結(jié)合客觀實(shí)際,優(yōu)先選用土著種、化感作用強(qiáng)、根際固定作用強(qiáng)的沉水植物用于控制藻類及沉積物內(nèi)源污染;
2、在沉水植物群落構(gòu)建初期，采取相應(yīng)措施減少相關(guān)因素對(duì)沉水植物生長(zhǎng)的影響，如通過添加絮凝劑等透明度提升工程、浮游動(dòng)物控藻手段等，保證沉水植物在修復(fù)初期快速生長(zhǎng);
3、為促進(jìn)沉水植物群落結(jié)構(gòu)的快速形成，建議在初期去除水體中草食性魚類和底層魚類，以減少魚類對(duì)沉水植物的攝食及對(duì)沉積物的擾動(dòng);
4、當(dāng)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)，適當(dāng)放養(yǎng)肉食性魚類和少量雜食性魚類，結(jié)合生物操縱原理，進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建，使生態(tài)系統(tǒng)中的上行效應(yīng)和下行效應(yīng)得以發(fā)揮，從而進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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