劉鳳茹 雒翠 張揚(yáng) 徐強(qiáng) 葉運(yùn)順 李紅桔

摘要?我國河湖水體生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重，因此修復(fù)河湖水體，使其恢復(fù)自然狀態(tài)至關(guān)重要。水生植物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，通過吸收富集、根系微生物作用以及化感作用等吸收、降解水中污染物，凈化水體，營造良好的生態(tài)環(huán)境。沉水植物作為水生植物的一種，在水體生態(tài)修復(fù)中起著重要作用。通過系統(tǒng)梳理沉水植物對N、P常規(guī)污染物、重金屬離子和有毒有機(jī)污染物的去除效果，國內(nèi)外應(yīng)用情況以及沉水植物應(yīng)用于水體生態(tài)修復(fù)的邊界條件，為水體生態(tài)修復(fù)中沉水植物的篩選提供參考。

關(guān)鍵詞?水生植物;沉水植物;水生態(tài)修復(fù);污染物;去除率;邊界條件

中圖分類號?X173;X52?文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2021）09-0066-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.018

Abstract?The river and lake water ecosystem in China is seriously degraded，so it is very important to restore the river and lake water body to its natural state.As an important part of the aquatic ecosystem，aquatic macrophytes absorb and degrade pollutants in water through absorption，enrichment，root microbial action and allelopathy，so as to purify the water body and create a good ecological environment.As a kind of aquatic macrophytes，submerged macrophytes play an important role in the ecological restoration of water bodies.By systematically combing the removal effects of submerged macrophytes on conventional pollutants，heavy metals and toxic organic pollutants，domestic and foreign applications，and the boundary conditions of submerged macrophytes used in ecological restoration of water bodies，the article provides the references for the selection of submerged macrophytes in ecological restoration of water bodies.

Key words?Aquatic macrophytes;Submerged macrophytes;Water ecological restoration;Pollutants;Removal rate;Boundary conditions

我國河湖水體眾多，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，城市水體污染日益嚴(yán)重，水生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化。因此，在控制污染物入河的前提下，對水體進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，使其恢復(fù)自然狀態(tài)顯得尤為重要。水生植物是水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在水體生態(tài)修復(fù)中起著極其重要的作用。水生植物通過其枝葉和根系吸收污染物，抑制藻類生長，通過根系微生物對污染物質(zhì)進(jìn)行降解、轉(zhuǎn)化、分解，去除水體污染物質(zhì)，同時利用光合作用釋放氧氣，營造良好的生態(tài)環(huán)境。沉水植物作為水生植物的一種，是水生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。由于全株生長在水中，生長過程主要從水中吸收營養(yǎng)物質(zhì)，因此是水環(huán)境中重要的污染凈化體[1]。黃永杰等[2]研究表明，浮萍、香蒲、水鱉等水生植物對Cu、Pb、Zn等重金屬均有很好的富集作用。學(xué)者們通過共培養(yǎng)試驗已經(jīng)證實狐尾藻、金魚藻、眼子菜、黑藻等沉水植物可以通過化感作用抑制某些藻類的生長[3-6]。芽孢桿菌能將有機(jī)磷、不溶解磷降解為無機(jī)的、可溶的磷酸鹽，從而被植物直接吸收利用[7]。

利用沉水植物進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)盡管已有眾多研究，但由于不同沉水植物對營養(yǎng)鹽的耐受程度不同，不同沉水植物適宜種植水深、水流、風(fēng)浪等條件不同，適宜的生長環(huán)境不同，應(yīng)用邊界條件不清晰、管養(yǎng)不到位等，導(dǎo)致現(xiàn)在的水體生態(tài)修復(fù)效果不佳。筆者通過總結(jié)不同沉水植物對不同污染物的去除效果，明確其應(yīng)用邊界，為水體生態(tài)修復(fù)中沉水植物的篩選提供參考。

1?污染物的去除效果

不同類型水生植物對水體生態(tài)修復(fù)的作用不同，如挺水植物對藻類的抑制作用使藻類光合作用減弱，沉水植物光合作用對水化學(xué)性質(zhì)具有重要影響[8]。同一類型水生植物對不同濃度的污染水體其凈化效果也不同。

1.1?對N、P常規(guī)污染物的去除效果

沉水植物對N、P污染物的去除效果研究較多，由于研究條件不一，得出的污染物去除率不盡相同，但不同研究者得出的沉水植物污染物去除能力強(qiáng)弱基本一致。

表1～3通過總結(jié)常見沉水植物對不同濃度N、P污染物的去除效果，為水體生態(tài)修復(fù)中沉水植物的選擇提供參考。表中高、中、低濃度污染物的劃分參考《城市黑臭水體污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)》以及地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002），定義高濃度污染物范圍為NH3-N>8 mg/L、TN>8 mg/L、TP>3.0 mg/L;中濃度污染物范圍為NH3-N=2～8 mg/L、TN=2～8 mg/L、TP=0.4～3.0 mg/L;低濃度污染物范圍為NH3-N<2 mg/L、TN<2 mg/L、TP<0.4 mg/L。

由表1可知，金魚藻對高濃度NH3-N的去除率最高，達(dá)93.5%，其次為伊樂藻、苦草，去除率均在90.0%以上;伊樂藻對高濃度TN的去除率最高，達(dá)90.1%，其次依次為苦草、金魚藻、菹草、狐尾藻、輪葉黑藻;金魚藻對高濃度TP的去除率最高，達(dá)96.6%，其次為伊樂藻和苦草，去除率在90.0%以上，菹草和輪葉黑藻對TP的去除率較低，在90.0%以下。由此可知，金魚藻對高濃度NH3-N和TP污染水體的凈化效果較好，伊樂藻對高濃度TN污染水體的凈化效果較好。

由表2可知，金魚藻和輪葉黑藻對中濃度NH3-N的去除率較高，均達(dá)91.8%，其次為苦草，去除率為89.7%，相比之下狐尾藻和伊樂藻對中濃度NH3-N的去除率較差;對中濃度TN的去除率從大到小依次為輪葉黑藻>狐尾藻>金魚藻>苦草>伊樂藻，輪葉黑藻對TN的去除率最高，達(dá)83.9%，伊樂藻對TN的去除率最低，僅為44.0%;對中濃度TP的去除率從大到小依次為輪葉黑藻>苦草>狐尾藻>金魚藻>伊樂藻，輪葉黑藻對TP的去除率最高，達(dá)96.7%，去除率最低的為伊樂藻，僅為74.4%。由此可知，輪葉黑藻對中濃度污染水體的凈化效果最好。

由表3可知，對于低濃度NH3-N的去除效果為輪葉黑藻>苦草>伊樂藻>狐尾藻>菹草;低濃度TN的去除效果為金魚藻>輪葉黑藻>狐尾藻>苦草>伊樂藻>菹草;低濃度TP的去除效果為菹草>伊樂藻>金魚藻>苦草>輪葉黑藻>狐尾藻。由此可知，輪葉黑藻對低濃度NH3-N和TN的去除效果較好，菹草對低濃度TP的去除效果較好。

以上數(shù)據(jù)表明，同一沉水植物對不同濃度污染物的去除效率不同，如狐尾藻，在表1中NH3-N濃度>8 mg/L時，去除率為89.9%;在表2中NH3-N濃度為2～8 mg/L時，去除率為81.5%;在表3中NH3-N<2 mg/L時，去除率為77.5%。這是因為植物對水中污染物的濃度有一定的耐受范圍，在該范圍內(nèi)，去除率隨著濃度的升高而增加，馬劍敏等[18]也得出相似的結(jié)論。因此，在實際應(yīng)用中，需根據(jù)水體污染程度及污染類型選擇合適的植物進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)。

1.2?對重金屬離子的去除效果

沉水植物可吸收重金屬離子，其體內(nèi)的谷胱甘肽、植物螯合素、金屬硫蛋白、有機(jī)酸或氨基酸等含巰基物質(zhì)可降低重金屬離子的毒性[19]，通過絡(luò)合及區(qū)域化作用，使重金屬離子在植物體內(nèi)留存并富集，從而降低其對環(huán)境的污染[20]。Keskinkan等[21]研究了金魚藻對Pb、Zn和Cu的富集能力，結(jié)果表明金魚藻對Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）的最大富集能力分別為6.17、13.98、44.80 mg/g。Bunluesin等[22]研究表明黑藻對Cd具有很好的吸附能力，能在20 min達(dá)到吸附平衡，最大吸附能力為15.0 mg/g。Sivaci等[23]研究發(fā)現(xiàn)菹草對不同濃度（0、4、8、16、32 和 64 mg/L）的Cd溶液的吸收效果均很好，而狐尾藻僅對較低濃度（0、4和8 mg/L）的Cd吸收效果好。Lesage等[24]研究表明穗花狐尾藻對Co、Ni和Zn的富集能力分別為2.3、3.0和6.8 mg/g，對Cu的吸收能力為29.0 mg/g。陳國梁[25]研究了沉水植物對As的富集效果，富集能力從強(qiáng)到弱依次為苦草（1.80 mg/g）>黑藻（1.71 mg/g）>菹草（1.66 mg/g）>狐尾藻（1.64 mg/g）>金魚藻（1.10 mg/g）。冉艷淋等[26]研究了4種常見沉水植物（苦草、狐尾藻、金魚藻、黑藻）對As的富集特征，發(fā)現(xiàn)沉水植物對As的富集能力與水環(huán)境中As的濃度、形態(tài)、共存離子如磷酸鹽、Zn離子等因素有關(guān)，其對As的耐受性及富集能力可以通過合適的化學(xué)、生物方法增強(qiáng)，從而提高沉水植物對含As廢水的凈化能力。另有學(xué)者研究了沉水植物活體及粉對重金屬的修復(fù)效果，結(jié)果表明沉水植物活體對重金屬的去除能力大于粉[27]。表4列舉了幾種沉水植物對重金屬的富集系數(shù)。

由表4可知，沉水植物對水體中重金屬的富集系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對沉積物中重金屬的富集系數(shù)。不同沉水植物對同一重金屬的富集能力不同，同一沉水植物對不同重金屬的富集能力也不同。高海榮等[1]研究表明菹草對Pb、Cd的富集作用較強(qiáng);黑藻對Pb、Cu、Zn均有較高的富集，而對Cd的富集能力卻較弱;穗花狐尾藻對Zn的富集能力最強(qiáng);小茨藻對Cd的富集最強(qiáng);龍須眼子菜對Zn、Cu有較大的富集，而對Pb、Cd的富集相對較弱。謝佩君等[28]研究表明黑藻對Cu的生物富集系數(shù)（BSAF）是苦草的2.9倍、金魚藻的2.7倍，對Pb的富集能力從強(qiáng)到弱依次為苦草>黑藻>金魚藻。晏麗蓉[29]研究表明沉水植物對Cd、Pb、Zn的富集能力從強(qiáng)到弱依次為苦草>黑藻>金魚藻，這與喬云蕾等[20]的研究結(jié)果（苦草中Cd的富集量是黑藻的1.90倍，是金魚藻的3.02倍）一致。綜上可知，狐尾藻、黑藻、菹草、小茨藻和龍須眼子菜對Zn的富集能力最強(qiáng)，金魚藻對Cu和Cd的富集能力最強(qiáng)，苦草對Cd的富集能力最強(qiáng)。在實際應(yīng)用中，需根據(jù)具體的重金屬類型及水體狀況選擇合適的沉水植物凈化污染水體。

1.3?對有毒有機(jī)污染物的去除效果

沉水植物除了對傳統(tǒng)N、P污染物和重金屬離子有較好的去除效果外，對酚類、苯類、有機(jī)氯類等有毒有機(jī)污染物也有一定的去除效果，利用沉水植物的這種能力，可有效對受有毒有機(jī)污染物污染的水體進(jìn)行修復(fù)。

Zhang等[30]研究了幾種沉水植物對烷基酚的吸收效果，結(jié)果表明，狐尾藻對壬基酚的積累能力最高，達(dá)3 050 μg/kg，伊樂藻（1 490 μg/kg）、金魚藻（1 160 μg/kg）次之，菹草對壬基酚的積累能力最低，僅為854 μg/kg;辛基酚在沉水植物中的積累量與壬基酚不同，伊樂藻中積累量最高，達(dá)3 630 μg/kg，其次為狐尾藻（3 090 μg/kg），菹草和金魚藻對辛基酚的積累量較少，分別為1 210、1 140 μg/kg。Heinis等[31]研究了輪藻對4-壬基苯酚（NP）的吸收，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在30和300 μg/L的NP溶液中，輪藻的最大吸收量分別為11.5和139.0 mg/kg，降解50%的NP需要10.3 d，降解95%的NP需要189 d;在30和300 mg/L NP溶液中暴露20～48 d，輪藻累計的最大干重NP濃度分別為2.7和27.4 mg/kg。

于方磊[32]采用正交設(shè)計法研究3種水生植物普生輪藻、豆瓣菜和菹草對水體中苯的凈化作用，結(jié)果表明在溫度為18 ℃、處理時間為4 h、生物量為3 g時，普生輪藻對苯的去除率最高，達(dá)35.26%;溫度為18 ℃、處理時間為4 h、生物量為1 g時，豆瓣菜對苯的去除率最高，達(dá)69.71%;溫度為8 ℃、處理時間為4 h、生物量為2 g時，菹草對苯的去除率最高，達(dá)55.45%。王燕[33]研究了輪葉黑藻、伊樂藻、金魚藻3種沉水植物對二甲戊靈的去除效果，結(jié)果表明當(dāng)二甲戊靈濃度為0.1 mg/L時，去除率最高，去除率從大到小依次為輪葉黑藻（89.53%）>伊樂藻（84.28%）>金魚藻（83.96%）。

Garrison等[34]研究了伊樂藻對p，p′-DDT及其異構(gòu)體o，p′-DDT的降解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其降解半衰期為1～3 d，使用伊樂藻對碳14標(biāo)記的p，p′-DDT進(jìn)行的降解試驗表明，高達(dá)22%的DDT類似物與植物共價結(jié)合。從以上研究可知，沉水植物對多種有毒有機(jī)污染物均有一定的富集能力，在提供一定景觀效果的同時也可有效對污染水體進(jìn)行修復(fù)。

2?沉水植物水生態(tài)修復(fù)國內(nèi)外應(yīng)用情況

由于沉水植物對水體污染物具有良好的去除效果，在水體生態(tài)修復(fù)中得到越來越多的應(yīng)用。

2.1?國內(nèi)應(yīng)用情況

杭州西湖茅家埠湖區(qū)采用苦草、狐尾藻、黑藻、金魚藻、微齒眼子菜和篦齒眼子菜6種沉水植物進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)，沉水植物的平均蓋度達(dá)36.8%，苦草、金魚藻、狐尾藻生長擴(kuò)散成為優(yōu)勢種，其平均蓋度分別為56%、66%、71%，水質(zhì)得到一定改善，TN、NO3-N呈下降趨勢[35]。沉水植物為山東省南四湖（南陽湖、獨山湖、昭陽湖、微山湖）敞水區(qū)的主要水生植物，水生植物物種數(shù)、生物多樣性指數(shù)、生物量與水體透明度表現(xiàn)出正相關(guān)（P<0.05）[36]。深圳市龍崗區(qū)龍崗中心城龍?zhí)豆珗@采用狐尾藻、苦草、輪葉黑藻等沉水植物修復(fù)公園水體，效果顯著，修復(fù)后水體水質(zhì)達(dá)地表Ⅳ類，目前已穩(wěn)定運(yùn)行一年多。云南滇池、異龍湖[37]、河北白洋淀[38]、深圳荔枝湖、香蜜湖等水體均采用沉水植物對水體進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，取得了良好的效果。

2.2?國外應(yīng)用情況

德國49個北部溫帶淺水湖泊采用沉水植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，建立生態(tài)模型，并檢驗沉水植物對淺水湖泊水體生態(tài)修復(fù)的作用，結(jié)果表明通過種植沉水植物，湖泊水體在春季和夏季均能保持良好的水質(zhì)，不會出現(xiàn)富營養(yǎng)化[39]。在西班牙地中海沿岸的Albufera deValència自然公園淺水湖泊中種植狐尾藻、金魚藻、菹草等沉水植物，成功恢復(fù)了水體生態(tài)環(huán)境[40]。沉水植物穗狀狐尾藻和黑藻是韓國利用最多的2種沉水植物，在眾多水體中均有應(yīng)用[41]。Havens等[42]通過探索沉水植物在不同水位條件下的恢復(fù)策略，成功恢復(fù)了美國佛羅里達(dá)州的一個大型亞熱帶湖泊中的沉水植物。

3?沉水植物水生態(tài)修復(fù)應(yīng)用邊界條件

沉水植物作為水體生態(tài)修復(fù)的重要環(huán)境因子，對水體生態(tài)修復(fù)起著至關(guān)重要的作用。盡管目前已有眾多應(yīng)用，但由于其具有眾多應(yīng)用邊界條件，在應(yīng)用中往往由于超過其邊界條件導(dǎo)致沉水植物大面積死亡、生態(tài)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象，因此，明確沉水植物的邊界條件至關(guān)重要。如營養(yǎng)鹽濃度/污染負(fù)荷、透明度/水深、底質(zhì)、魚類和其他水生動物、藻類（浮游藻類和附著藻類）、水流/風(fēng)浪等[43]。

3.1?營養(yǎng)鹽濃度/污染負(fù)荷

不同沉水植物對營養(yǎng)鹽的耐受濃度不同，同一沉水植物對不同濃度的同一污染物其去除效果也不同。當(dāng)營養(yǎng)鹽達(dá)到一定濃度時，沉水植物會逐漸死亡，因此污染負(fù)荷過高的水體不宜采用沉水植物進(jìn)行水生態(tài)修復(fù)。如郭俊秀[44]研究表明氨氮濃度從1.5 mg/L開始誘導(dǎo)抗氧化酶超歧化氧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性，對輪葉黑藻的正常生長產(chǎn)生脅迫。顏昌宙等[45]研究表明氨氮濃度為4 mg/L開始誘導(dǎo)抗氧化酶SOD、POD活性，當(dāng)達(dá)到16 mg/L 時，黑藻在20多天內(nèi)全部死亡。菹草對氨氮的耐受范圍為0～2 mg/L，當(dāng)氨氮濃度超過4 mg/L時菹草生長速率明顯降低，形成逆境脅迫，產(chǎn)生氨害，影響菹草的正常生理活動，抑制其正常生長[46]。王斌等[47]研究表明竹葉眼子菜比較適合寡營養(yǎng)和中營養(yǎng)水質(zhì)條件，過高的營養(yǎng)條件（氨氮>2.5 mg/L，TP>0.15 mg/L）對竹葉眼子菜是一種脅迫，可抑制其生長。

3.2?透明度/水深

水體透明度對沉水植物的生長起著重要作用，因水體透明度影響真光層，而水生植物的生長需要光照。根據(jù)相關(guān)研究[48-49]，只有當(dāng)水體真光層深度接近水深的情況（比值>0.8），恢復(fù)沉水植物才有可能，而水體的真光層深度與透明度有關(guān)，為2.0～2.5倍水體透明度;水深越淺，水體透明度恢復(fù)越快;1.2 m左右水深的水體透明度恢復(fù)快，適宜采用沉水植物進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)，超過1.2 m水深不適宜采用沉水植物進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)。

3.3?其他

河湖水體沉水植被恢復(fù)成和敗很大程度上取決于水生動物特別是魚類群落結(jié)構(gòu)的組成。草食性魚類以水體中的水草為食物，大量放養(yǎng)草食性魚類加速了沉水植被的衰退，水生植物種類大量減少[50-51]，水體的天然凈化能力大大降低，浮游植物大量繁殖，透明度明顯降低[52]。

水流能增加水環(huán)境中O2、CO2以及營養(yǎng)物質(zhì)的交換[53]。研究表明，在較低的流速范圍內(nèi)（0～0.01 m/s），沉水植物光合作用速率與流速成正比，但當(dāng)流速超過此范圍，沉水植物的光合作用受到明顯抑制[54]。

除上述提到的沉水植物應(yīng)用的邊界條件外，應(yīng)用沉水植物進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)的最重要的前提條件是只能應(yīng)用在已經(jīng)控源截污的水體中。

4?展望

沉水植物對水體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)效果已進(jìn)行了大量研究，應(yīng)用沉水植物修復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢，在國內(nèi)外均有大量應(yīng)用案例。但由于沉水植物應(yīng)用于水體生態(tài)修復(fù)時有較多的邊界條件，且不同沉水植物對營養(yǎng)鹽的耐受程度、適宜種植水深以及水流速度等均不同，因此在種植前需明確待修復(fù)水體的污染物濃度、底質(zhì)、透明度、水流、風(fēng)浪等條件，選擇合適的種類進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)。

另外，在使用沉水植物進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)時，需注意季節(jié)間的搭配。沉水植物冬季種較少（菹草、伊樂藻），夏季種則很多。在水體生態(tài)修復(fù)中注意冬季種與夏季種搭配使用，保證草型水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定延續(xù)。最后，在使用沉水植物進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)時，需注意先鋒物種的使用。輪葉黑藻、伊樂藻屬于先鋒物種，耐污能力較強(qiáng)、凈化效果較好，但生長繁殖快，不易控制，在水體中容易形成優(yōu)勢物種，造成管養(yǎng)困難，且影響其他植物的生長。因此，在景觀水體尤其是底泥營養(yǎng)物質(zhì)豐富的水體生態(tài)修復(fù)中不建議使用輪葉黑藻和伊樂藻，在條件較惡劣的水體如三面光河道可適當(dāng)使用，因其難以在三面光水體中快速繁殖，較好控制。

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