沉水植物在水生态修复中的工程实践及思考

石上¹，戚玉浩¹，张建昆¹，范秀磊¹

（1.徐州工程学院环境工程学院，江苏 徐州 221018）

摘  要：随着城市化和工业化的快速发展，导致的一系列环境问题不断凸显。其中水体富营养化问题日益严重，导致生态水体中营养物含量超过其自身自净能力，水生态环境恶化。沉水植物是水生态系统的重要生产者之一，对生态水体有很好的净化作用。本文从河湖水资源污染现状出发，对沉水植物特性及作用机理进行总结，并对沉水植物的工程应用综述了实际现状，以进一步推动生态水体“藻型浊水态”向“草型清水态”高效转换。

关键词：沉水植物；生态水体；富营养化；水质净化；工程应用

1 引言

由于人类生活生产与城市化进程的加快，城市河湖水环境受到严重的污染和破坏，出现了底泥淤积、水质下降、水体富营养化，甚至黑臭现象等。其中，许多氮磷含量超标的污水排入生态水体，导致营养负荷过高，超出了河湖水体的自净能力，形成富营养化水体，从而引起藻类过度繁殖，致使水体透明度降低、溶解氧下降等一系列问题，生态环境逐渐恶化。在适宜的光照、温度、pH环境下，藻类大量繁殖，悬浮物增加，导致溶解氧降低，水生生物的稳定性和多样性受到威胁，破坏了水体原有的生态平衡。目前，我国的主要淡水湖泊中有2/3的水质处于富营养-超富营养化水平，许多自然湖泊水质已低于地表水Ⅲ类水质标准，其作为水源的功能性丧失，水质变差。此外，水环境的恶化使得水体的景观效果变差、局部气候调节功能显著下降，调节区域缩小。

沉水植物作为水生植物的一种，是水生态环境的重要组成部分。由于其全株在水中生长，可以高效吸收水体与沉积物中的营养盐,降低营养盐负荷，抑制水体富营养化，并在一定程度上控制水华的发生，是水环境中重要的污染净化体（图1）。目前，众多河湖水生态系统中，淡水生态系统通常保持“草型清水态(沉水植物覆盖率高，水质清澈)”和“藻型浊水态（浮游植物占优势，水质混浊）” 两种稳定状态。大多数浅水湖泊的原始状态为沉水植物覆盖度高，水质清澈的“草型清水态”，污染物中大量营养盐的输入将会改变这一稳态，当超过某一营养盐阈值时，湖泊的水体透明度受到影响，由“清”变“浊”，继而导致沉水植物大量消失，生物多样性降低，水体转变为浮游植物占优势，水质浑浊的“藻型浊水态”。沉水植物的存在与否及覆盖度多少决定着稳态类型，但仅仅靠降低营养盐浓度不足以完成生态水体的水质净化，合理利用沉水植物被认为是实现“藻型浊水态”向“草型清水态”转换的高效手段。

近些年来，随着国家生态文明建设，特别是水生态文明建设工作的开展，生态水体综合治理取得了显著成就。其中由于城市水体所处位置的特殊性，功能需求的多样性，城市水体水生态环境仍然存在着一些普遍问题，其中富营养化水平依旧突出，多数城市水体处于“藻型浊水态”，水体浊度高，透明度低，水体视觉感官表现为“绿水”状态，严重影响了城市水体的景观效应，对水景观、水文化、人水相亲效果、“人水和谐”等产生较大负面影响。

本文归纳了不同沉水植物的生长特性和自身优势，分析了目前沉水植物在水生态修复工程中的实际应用及仍存在的问题，期为富营养化生态水体中沉水植物的恢复和保护提供理论基础。

2 沉水植物的特性

2.1沉水植物种类

沉水植物是植物体全部位于水层下面营固着生存，只有花期会将小部分茎和叶抬升到水面以上的大型水生植物。作为初级生产者，在水生态系统中起着重要作用，维持着生态系统的功能和结构。不同沉水植物对TN、TP的去除方式有所不同，大致可以分为三种：（1）通过同化作用将根、叶吸收的磷酸盐去除；（2）通过由茎、叶吸附水体中的悬浮物去除；（3）通过改变底泥氧化还原状态抑制去除。典型的沉水植物包括马来眼子菜、狐尾藻、金鱼藻、苦草、菹草等，其科属分布、生长习性、工程应用等特性如表1所示。

2.2沉水植物净化水质机理

沉水植物的根茎叶都能很好地吸收水体中的养分，因沉水植物本身特性，其根功能退化，吸收作用反而较低，但在水体贫营养情况下，根系能从营养物质相对丰富的沉积物中吸收养分，起着泵的作用；茎含大量的薄壁细胞，间隙较大，因此有发达的通气组织以便进行气体交换，维持生命活动；叶片根据所处水环境的不同，存在各种形态，以纤细状和薄膜状为主，其皮层细胞中的叶绿素能保证沉水植物在微弱光照条件下进行光合作用。因此，由于根茎叶的不同特质，沉水植物能够在较为特殊的沉水环境中维持生命周期，从而在水体修复工程中发挥优势，起到关键作用。

氮磷是沉水植物的基本组分元素，沉水植物生长过程中能够直接大量吸收水体中的营养盐及氮磷物质；另一方面，沉水植物会释放化感物质如酚类萜类脂肪酸等，发生克生作用抑制藻类的生长繁殖。因此，沉水植物利用其自身优势在不断与藻类竞争生长空间、光照、营养物质等，从而达到治理水体富营养化的目的。此外，由于其特殊的生理结构，能为水体中的生物提供食物和避难所；减缓水流流速，抑制沉积物的再悬浮，维持絮凝沉淀效果；吸收部分重金属离子，间接缓解水体中的重金属污染；研究表明，部分沉水植物还能不同程度上去除水体中难降解的有机污染物。在沉水植物进行光合作用的过程中，能够产生大量氧气，提高水体溶氧量，改善水体生态环境；沉水植物的存在还有助于调节水生态系统的物质循环速度，提高生物多样性，增加水环境稳定性。

沉水植物生长茂盛的水域水体透明度高，生态系统稳定，反之水体能见度低，生态系统脆弱，其对水生态系统中的物质和能量循环起到重要的作用，且在水生系统中发挥至关重要的建构功能作用，是水域生态系统中不可缺少的一环。目前，对于水体污染，常采用物理法、化学法和生物法治理，通过控制水体中营养物质、除藻和生态修复来缓解水体富营养化，其中生物法包括浮游动物及鱼类修复、微生物修复和水生植物修复。考虑到成本及耗时等各方面因素，国内外对于利用水生植被进行河流湖泊的生态修复已有大量研究，但大多以挺水植物、漂浮植物为主，只能在浅水水域生长，没能进入河流湖泊的中心，解决根本问题。构建沉水植物群落结构被认为是修复水体富营养化、让生态水体从“藻型浊水态”向“草型清水态”转换的有效手段。

3 沉水植物工程应用的局限性

3.1种植问题

扦插法、叉子种植法和直接抛掷法是沉水植物的经典种植方式。其中扦插法种植沉水植物存活率最高，其人工成本也是最高，通常需要放水种植，即将河道、湖泊水体水位降低，然后工人进入水体中手动扦插；叉子种植法一般是用一头绑有叉的竹竿或木杆作为工具，用叉子固定住沉水植物的茎部，叉入水中，完成种植。这种方法适用于丛生的沉水植物和诞生的多植株种植，这种方法的局限性在于对种植环境有要求：土壤软底泥要在10厘米以上，水深控制在0.5米至2米甚至更深的水系。该方法耗费人力财力，仅适合小范围的种植，对于不易到达的水域较难完成种植；直接抛掷法是直接将沉水植物抛入水中，这些沉水植物会自然沉入水底，生根萌芽生长，这种方法的局限性在于需要无流动、较稳定的水域，如水塘池塘等，其次，沉水植物选择泥土粘性较大的为佳。该方法耗费物力财力且抛入水中的沉水植物存活率低。

3.2存活问题

大多数常用沉水植物的抗环境冲击力较弱，如抗污染负荷、抗水力冲刷、抗低温等，不易在合流制溢流污染大的水体中存活；对于某些环境复杂程度较高的水体，由于其悬浮物质较多，严重影响了水体透明度及沉水植物所受光照强度，大大缩短沉水植物的生命周期；在感潮或有排水功能等有冲刷流速的水体中，沉水植物难以扎根生存，容易流失死亡，漂浮在水中继而增加内源污染；在天气极端的区域，沉水植物存活概率低，越冬能力差。因此种植沉水植物需考虑到沉水植物的种类、水质特点、底泥特征等。

根据现有研究表明，沉水植物对于不同生长环境的适应性不同，不合理的生长环境中，沉水植物难以存活，因此影响其生长的因素很多：

（1）光照强度

光照是植物光合作用的能量来源，适当的光照能更好地维持沉水植物的生命周期。研究表明，沉水植物生长的最低光照强度与其生长型密切相关，不同沉水植物对光照需求量不同，例如较强的光照对菹草和苦草生长有明显抑制甚至伤害作用，而对狐尾藻、金鱼藻没有明显影响。对于大多数沉水植物，在光照微弱的条件下，叶绿素、蛋白质、ATP含量等显著低于正常值，因此，光照不充足会影响其体内的碳氮代谢及抗氧化酶的活性，导致沉水植物的减少甚至灭亡。

（2）水体质量（营养盐浓度、底质成分、细菌及微生物、pH值等）

营养盐是沉水植物生长必要的营养物质，浓度过高过低都不利于其生长发育，过高对沉水植物有毒害作用，甚至引起沉积物再悬浮和浮游藻类的爆发，导致水体光线遮挡，再次影响沉水植物生长。不同沉水植物对水体各种营养盐如TN、TP、NH₄⁺-N、NO₃^--N的耐受范围和最佳生长浓度都不同，将沉水植物群落维持在适度稳定的营养液盐度负荷下，可以使沉水植物达到最佳的生长状态，还可以使植株吸收营养盐达到最大效率，与藻类和附生植物竞争资源并抑制藻华，提高沉水植物群落多样性。

底质是水体的重要组成部分，据现有研究表明，大多数沉水植物会根据水中养分浓度确定生态位宽度，它们利用根系吸收底质中的养分，满足对营养的需求，因此，底质中的养分组成在一定程度上会影响大多数沉水植物的生物量积累、营养分配和根系分布。而悬浮物的存在降低了水体清澈度，一定程度上减弱光照强度，影响沉水植物进行光合作用，同时，悬浮物黏附在沉水植物表面会影响其与营养盐的交换。

研究发现，细菌比藻类更容易附着于沉水植物，由于光照、水体流速、所需营养物质及获取方式等的不同，附着在沉水植物上的微生物及藻类也有所不同，研究表明，附着藻群落具有较高的初级生产力，在生态水体中，附着藻会因为营养盐有效性的提高大量繁殖，与沉水植物竞争光照碳源等，从而抑制了沉水植物的正常生长，引发沉水植物群落的消失。而表面pH会改变水体溶解无机碳的平衡状态，从而影响沉水植物的生长。

（3）客观环境

水流流速对沉水植物的生长起着重要作用，水流会对沉水植物产生作用力，直接影响了沉水茎的长度、叶片形状、根系牢固程度和生长特性等。适当的水流流速有利于沉水植物光合作用所需物质（氮磷和溶解氧等）的供给，但流速过快会对植物有胁迫作用，且使植物根部不稳，急流还会导致水体中悬浮物及泥沙混合，降低水体透明度，影响沉水植物的光合作用。

温度对沉水植物生长的影响是综合的，它既可以通过影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也可以通过影响有机物的合成和运输等代谢过程来影响植物的生长，还可以直接影响水温、气温，通过影响水肥的吸收和输导来影响沉水植物的生长，温度对沉水植物的生理生态学特

征也会产生一定的影响，例如沉水植物光补偿点会随着温度升高而增加。

除了光照强度、水体质量和客观环境，生态水体的水深、透明度等也会影响沉水植物的生长，但究其本质，大多数影响因素都能最终归结到光照强度和营养成分。然而，沉水植物在水体中不仅仅受到单一环境因素的影响，现有研究表示多种环境因素共同作用可能与单一因素影响结果截然不同，影响因子的影响程度不一定等价，其阈值可能受因子之间的交互作用而发生与单一因素不同的变化。

3.3维护管理问题

沉水植物种植后，作用不会立即凸显，对其进行有计划的维护管理不可缺少。若有植物死亡上浮，需要及时打捞；若水体透明度较低，需要适量投加絮凝剂，改善水质；若适当时间后沉水植物密度未达标或超标，需要进行补种或收割调控。根据各种沉水植物的生长特性，还需在生长期后进行收割，这不仅可以削弱水域内源性营养物负荷，还可以抑制生物促淤作用，以促进沉水植物的再生长能力，达到进一步净化水体的效果。

4 工程实践应用

在实际工程应用中，基于沉水植物在水体生态修复中展现的强大效果，其技术改善及群落部署不断演化（表2）。2021年，在上海花博园水系生态修复的过程中，以东平国家森林公园景观水体生态修复工程为例，依据公园水环境、水体质量和水生态现状，进行问题识别，确定治理目标，制定了“清水入园+内源控制为辅，生态修复为主”的解决方案。其中，水生态修复工程以构建沉水植物群落和调整水生动物结构相结合，以达到水生动物优化沉水植物群落的最终目的。根据实际水体的不同水位特征，沉水植物分别选用苦草、刺苦草和马来眼子菜，以满足全水域沉水植物群落的构建。另一方面，根据“鲢、鳙鱼控制藻类技术”理论，水生动物以鱼类投放为主，主要包括鲢鱼、鳙鱼；考虑到枝角类浮游动物对水体透明度具有一定的改善作用，投放适量溞类；同时为完善食物链，辅以投放青虾、环棱螺等大型底栖动物。此外，修复工程还采用了曝气增氧装置，以布设沉水鼓风-曝气设备为主，使得水体中的溶氧量大大增加，从而保证沉水植物的成活率及群落的稳定发育。

然而，沉水植物联合水生动物构建群落的方案，在某些生态环境的实施过程中也遇到了各种问题。近年来，在太湖贡湖湾水质修复工程中，建设初期调研发现，鱼类总生物量少，鱼体规格较小。随着生态修复区与滨湖河网及太湖的水体连通交换，繁殖力极强的底栖杂食性鱼类进入生态修复区，其间生物操控投放的大量鲫鱼、草鱼在良好的生态环境中大量繁殖。该生态修复区域内沉水植物的大量栽培使其形成草型湖泊，相较于藻型湖泊，水域中饵料组成和捕捞压力等方面的差异，导致鱼类种群的加速繁衍，另一方面修复区内2019年前长期处于保护状态，鱼类资源未进行过有效的开发利用，使得修复区内鱼类总生物量快速增加。高密度的鱼群不断扰动水体，致使水体透明度不断降低，影响真光层深度，严重威胁沉水植物群落的稳定生长。

此外，针对特殊河湖治理的过程中，许多新型装置得到开发及实际应用。例如，在南京友谊河（秦淮段）水体修复治理工程中，由于河道全线除宁芜铁路沿线河道左岸河底未护砌其余大多为雷诺护垫硬质护底，局部为钢筋混凝土及浆砌块石硬质护底。常规河湖生态修复技术对于硬质河底效果并不明显，因此采用了生态浮床结合新槽开挖、新型水生种植槽、生态植草砖等装置，实现硬质河底河湖的水体修复。生态浮床技术对污染负荷变化的适应性较强，克服了水体透明度低及河湖水深环境的不利影响，并有利于营养盐的吸收及水体波动的消减。现阶段国内外已广泛应用该技术，大大优化了沉水植物的生存环境，一定程度上解决了水体富营养化。

常规普通水域中，沉水植物对于水体修复有着不可替代的战略性意义；而在水域情况复杂且污染极为严重的生态水体中，沉水植物的实际应用就变得极为困难。为了推广沉水植物在水体修复中的应用、提高其存活率、控制实际成本，目前人们对于栽种技术、栽种环境和栽种装置等进行了一系列的研究和不断探索。例如在改进现有栽种技术方面，为了解决使用投掷法时沉水植物存活率低的问题，提出了利用特殊基质进行泥球包种，延长泥球在水体中的成形时间使得植株最大限度地保持直立状态；在改进栽种环境方面，以沙石性河道为例，通过制备固定网格体安装特殊诱导装置，大大提高沉水植物的防冲刷能力，使其能够在沙石环境下稳定生长；在改进栽种装置方面，生态浮床和毯式栽种培育等使得沉水植物避免了大部分水环境复杂带来的威胁。此外，还有特殊群落构建、可升降浮床和栽种施工船改进等各种优化，不断推进了沉水植物的实际工程应用，促进河湖水生态系统由“藻型浊水态”向“草型清水态”快速转变。

5 结语

沉水植物相比其它生物法处理水体污染能更有效地深入解决生态水体富营养化。从现有对沉水植物的研究来看，光照强度是沉水植物生长的主要限制因子，但考虑多重因子对光衰减的综合影响和多种环境因素共同影响其生长的研究结论并未成体系。不同沉水植物组合对水体的净化作用优势也未完整性研究，应根据生态功能性、适宜性与持续性综合考量，探索沉水植物科学种植和资源化管护措施。工程实际应用中，沉水植物大量应用于水生态和水体水质修复，联合水生动物构建完整的稳定群落应用最为广泛，但面对不同污染情形及客观条件，生态浮床、水生种植槽和生态植草砖等新型种植养护装置也正在不断研发与使用。此外，从栽种技术、栽种环境和栽种装置等方面改进沉水植物现有的种植、维护和存活问题方面的研究还需不断探索创新，为今后沉水植物在水体环境中的高效应用提供科学参考。

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基金项目：江苏省水利科技项目（2021077）

作者简介：范秀磊（1989.02-）男，副教授，博士，主要从事水污染控制及水生态修复技术开发及应用。Email:xlfan@xzit.edu.cn，17721767827