（环境工程专业论文）若干环境因子对四种沉水植物恢复影响研究.pdf

摘要 本文综述了沉水植物在富营养化湖泊修复中的重要作用、恢复的重要限制 性因子及营养水平对其恢复和生长的重要作用。在此基础上，以沉水植物菹草 ( p o t a m o g e t o nc r i s p u s ) 、苦草( v a l l i s n e r i an a t a n sh a r a ) 、黑藻( h y d r i l l av e r t i c i l l a t a r o y l e ) 和金鱼藻( c e r a t o p h y l l u md e m e r s u m ) 为研究对象，以杭州西湖生境为模拟 试验条件，采用不同营养水平底质沉积物进行试验研究，探索了不同温度和光 照条件下4 种沉水植物光合速率变化规律，比较了不同沉积物中4 种沉水植物 的生长差异，并考察了沉水植物对杭州西湖水体水质改善性能。通过试验研究， 得出如下主要结论： 1 、菹草在湖泥底质下生长状态最好。试验结束时，湖泥底质下菹草平均株 高为7 6 8 1c m ，单株鲜重1 8 4g 。菹草耐贫瘠营养能力差，在沙土底质下，4 0 多天后就出现生长受阻。经研究得出菹草最适宜生长温度范围为1 5 2 0 ，最 适宜光照强度为1 8 0 0 0 2 0 0 0 0l u x ，在此条件下，光合速率可达：0 4 8 5m 9 0 2 h 1 ( g 鲜重) 一。 2 、苦草在湖泥底质下株高和鲜重都优于沙土和疏浚底泥。试验结束时，苦 草平均株高5 9 9 3c m ，单株平均鲜重1 3 6 5g ，而在沙土条件下生长最差，平均 株高仅为3 2 2c m ，鲜重为5 5 7g 。苦草适宜生长温度范围为：2 5 c 以上。其光 补偿点为：1 7 0l u x ，最适宜光照为1 0 0 0 0 1 5 0 0 0l u x ，在此条件下，最大光合速 率可达0 3 0 7m 9 0 2 h 。1 ( g 鲜重) 。 3 、黑藻在疏浚底泥底质下生长最好。在该条件下，金鱼藻平均株高最大达 4 8 7 4c m ，最大鲜重达1 8 7g ，而在砂土底质下，生长状况最差，试验结束时， 株高仅为2 5 1 4c m ，平均鲜重为0 8 7 7g 。黑藻生长适宜温度范围为2 5 以上， 光补偿点为：1 5 0 0l u x ，最适宜光照条件为1 5 0 0 0 3 0 0 0 0l u x ，在温度为2 6 0 c ， 光照条件为：2 5 0 0 0i u x 时，最大光合速率达0 5 7 5m 9 0 2 h 。q 鲜重) 。 4 、金鱼藻在疏浚底泥条件下平均株高和鲜重优于湖泥和沙土底质。在疏浚 底泥底质下，金鱼藻株高达1 1 6 7 7c i n ，鲜重达4 9 0 3g ，而在沙土底质下最差， 平均株高仅为5 9 0 0c m ，鲜重也仅为2 8 3 5g 。金鱼藻适宜生长温度为1 5 - 2 5 c ， 光补偿点为1 2 0 0l u x ，适宜光照条件为2 0 0 0 0l u x 以上，但在本研究中，日照条 件下未研究出金鱼藻光饱和点。在1 5 2 5 c 环境温度和4 0 0 0 0l u x 光照下，金鱼 藻达到试验最大光合速率：0 5 31m g o z h l ( g 鲜重) 一。 5 、沉水植物生长稳定后，对各项水质指标净化效果明显，但又各具差异性。 对于c o d m 去除效果：金鱼藻( 6 3 3 ) 黑藻( 5 6 8 ) 菹草( 5 0 9 ) 苦 草( 4 9 8 ) ；对于总氮去除效果：金鱼藻( 6 8 9 ) 菹草( 6 0 3 ) 苦草( 3 4 6 ) 黑藻( 3 0 8 ) ；对于总磷去除效果均达9 5 以上。但是在沉水植物进入衰败 期后，已经被植物吸收的营养盐又再次释放，导致水体恶化，所以在利用沉水 植物生态修复时，需要利用好植物的生长周期，在衰败前进行收割，避免氮磷 营养物质的再释放。 关键词：环境因子、底质沉积物、沉水植物、生态修复 u a b s t r a c t the p a p e r r e v i e v e dt h ev i t a lf u n c t i o no fs u b m e r g e dm a c r o p h y t e si nt h ep r o c e s s o fe u t r o p h i cl a k er e s t o r a t i o n ，t h el i m i t i n gf a c t o r so ft h es u b m e r g e dm a c r o p h y t e s r e c o v e r ya n dt h ei m p o r t a n tr o l eo ft h en u t r i e n tl e v e l st ot h es u b m e r g e dm a c r o p h y t e s r e c o v e r ya n dg r o w t h o nt h i sb a s i s ，f o u rk i n d so fs u b m e r g e dm a c r o p h y t e s ：p o t a m o g e t o n c r i s p u s ，v a l l i s n e r i an a t a n sh a r a , h y d r i l l av e r t i c i l l a t ar o y l ea n dc e r a t o p h y l l u m d e m e r s u m , w e r ec h o s e na sr e s e a r c ho b j e c t st oc o n d u c tt h er e s e a r c ha td i f f e r e n tn u t r i e n t l e v e l so fh a n g z h o uw e s t l a k eh a b i t a t t h er e s e a r c hw a sc o n d u c t e dw i t l lv a r i o u st r o p h i c s e d i m e n t s ，e x p l o r e dt h ep h o t o s y n t h e t i cr a t eo ft h ef o u rs u b m e r g e dm a c r o p h y t e sa t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n di l l u m i n a t i o ni n t e n s i t y , e x a m i n e dt h ep e r f o r m a n c eo fw a t e r q u a l i t yi m p r o v i n gt h r o u g h4k i n d so f t h es u b m e r g e dm a c r o p h y t e si nh a n g z h o u w e s t l a k e t h r o u g ht h es t u d y , m a i nr e s u l t sw e r ec o n c l u d e d 嬲f o l l o w s ： 1 p o t a m o g e t o nc r i s p u sa p p e a r e dt h eb e s tg r o w t hs t a t ei nl a k es e d i m e n t a tt h ee n d o f t h es t u d y , t h ea v e r a g eh e i g h to f p o t a m o g e t o nc f i s p u sl e n g t hu pt o7 6 8 1 c m ，a n df r e s h w e i g h tp e rp l a n t b i o m a s sr e a c h e d 1 8 4 9 t h e r e s i s t a n c eo f p o t a m o g e t o n c r i s p u st oi n f e r t i l en u t r i t i o n a lc o n d i t i o n sw a sp o o r , a n di nt h eg r a v e ls u b s t r a t es e d i m e n t c o n d i t i o n s ，p o t a m o g e t o nc r i s p u sh a dg r o w nb l o c k e da f t e r4 0d a y s t h r o u g ht h es t u d y , t h em o s to p t i m u mt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sr a n g ew a s15t o2 5 c ，a n dt h em o s ts u i t a b l e l i g h ti n t e n s i t yw a s 18 0 0 0 2 0 0 0 0l u x ，p h o t o s y n t h e t i cr a t ec o u l da c h i e v e0 4 8 5 m 9 0 2 h 1 ( g 舶s hw e i g h t ) ”i nt h e s ec o n d i t i o n s 2 t h ep l a n th e i g h ta n df r e s hw e i g h to fv a l l i s n e r i an a t a n sw a sb e t t e ri nt h el a k e s e d i m e n tc o n d i t i o n st h a ni nt h eo t h e rt w ok i n d so fs e d i m e n t ss u c ha ss a n ds e d i m e n ta n d d r e d g em u ds e d i m e n a st h er e s e a r c hw a so v e r , t h ea v e r a g eo fp l a n tl e n g t hr e a c h e d 5 9 9 3 c m ，t h ea v e r a g eo ff r e s hw e i g h tr e a c h e d1 3 6 5 9 ，b u tu n d e rt h es a n ds e d i m e n t c o n d i t i o nt h eg r o w t hw a st h ew o r s t ，t h ea v e r a g eh e i g h tw a so n l y3 2 2c m ，a n dt h ef r e s h w e i g h tw a so n l y5 5 7g t h es u i t a b l et e m p e r a t u r ec o n d i t i o nf o rt h eg r o w t ho fv a l l & n e r i a n a t a n sw a sm o r et h a n2 5 c t h el i g h tc o m p e n s a t i o np o i n t st oi tw a s17 0l u x ，t h em o s t s u i t a b l ei l l u m i n a t i o nc o n d i t i o nw a s10 0 0 0 15 0 0 0l u x ，t h em a x i m u m p h o t o s y n t h e t i cr a t e c o u l dr e a c h0 30 7m 9 0 2 h 1 ( gf r e s hw e i g h t ) i nt h e s em o s to p t i m u m c o n d i t i o n s ， 3 h y d r f # av e r t i c i l l a t ag r e wb e s tu n d e rt h ed r e d g i n gs e d i m e n tc o n d i t i o n s i nt h i s s i t u a t i o n ，t h ea v e r a g el e n g t ho fh y d r i l l av e r t i c i l l a t ac o u l dr e a c ht h e ：4 8 7 4c m ，a n dt h e f r e s hw e i g h tc a m eu pt o1 8 7 9 ，b u ti nt h es a n d ys e d i m e n tc o n d i t i o n s ，t h eg r o w t h c o n d i t i o nw a st h ew o r s t a tt h ee n d ，t h el e n g t ho fh y d r i l l av e r t i c i l l a t aw a so n l y2 5 14 c m ，f r e s hw e i g h tw a sm e r e l y0 8 7 7 9 t h ea p p r o p r i a t et e m p e r a t u r ef o rh y d r i l l a v e r t i c i l l a t ag r o w t hw a s2 5 ，l i g h tc o m p e n s a t i o np o i n t sw a s15 0 0 1 u x ，t h em o s ts u i t a b l e i l l u m i n a t i o nc o n d i t i o nw a s15 0 0 0 - 3 0 0 0 0 1 u x ，f o r2 6 i nt e m p e r a t u r e ，a n dl i g h t i n g c o n d i t i o n sa t2 5 0 0 0l u x ，t h em a x i m u mp h o t o s y n t h e t i cr a t ec o u l dr e a c h0 5 7 5m 9 0 2 h q ( gf r e s hw e i g h t ) 一 4 t h ep l a n th e i g h ta n df r e s hw e i g h to fc e r a t o p h y l l u md e m e r s u mg r e wi nt h e d r e d g es e d i m e n tc o n d i t i o n sw a sb e t t e rt h a ni ns a n ds e d i m e n ta n dl a k es e d i m e n t i nt h e d r e d g i n gs e d i m e n tc o n d i t i o n s ，t h ea v e r a g el e n g t hc o u l dr e a c ht h em a x i m u mv a l u e ： “6 7 7c m ，a n dt h e 舶s hw e i g h tc a m eu pt o4 9 0 3g ，w h i l ei nt h ew o r s tc o n d i t i o no fs o i l s e d i m e n t ，t h ea v e r a g eo fp l a n th e i g h tw a so n l y5 9c m ，b i o m a s sa n df r e s hw e i g h tw a s j u s t2 8 3 5 9 c e r a t o p h y l l u md e m e r s u mo p t i m u mg r o w t he n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r er a n g e w a s15 2 5 c ，a n dl i g h tc o m p e n s a t i o np o i n t sw a s12 0 0l u xi nt h i sr e s e a r c hs t a t e ，t h e c o n d i t i o no ft h ei l l u m i n a t i o nm o r et h a n2 0 0 0 0l u xw a sm o r es u i t a b l e ，b u ti nt h i ss t u d y t h es u nl i g h tc o n d i t i o n sc a n n o tr e a c ht h el i g h ts a t u r a t i o np o i n tf o rc e r a t o p h y l l u m d e m e r s u m i nt h e e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e15 - 2 5 a n dl i g h tc o n d i t i o n s4 0 0 0 0l u x ， i tc o u l dr e a c ht h em a x i m u m p h o t o s y n t h e t i cr a t e ：o 5 3 1m 9 0 2 h - 1 ( g 舶s hw e i g h t ) 5 t h ew a t e rq u a l i t yw a sp u r i f i e d e f f e c t i v e l yb ya l l k i n d so fs u b m e r g e d m a c r o p h y t e sa n da f t e rt h e yw e r ep l a n t e d ，b u ta l s os h o w e dt h es i g n i f i c a n td i f f e r e n c eo f e a c ho t h e nf o rt h ec o d m nr e m o v a le f f i c i e n c y ：p o t a m o g e t o nc r i s p u s ( 6 3 3 ) h y d r i l l a v e r t i c i l l a t a ( 5 6 8 ) p o t a m o g e t o nc r i s p u s ( 5 0 9 ) b i r e rg r a s s ( 4 9 8 ) ；a n df o rt h et o t a l n i t r o g e nr e m o v a le f f e c t ：p o t a m o g e t o nc r i s p 姗( 6 8 9 ) p o t a m o g e t o nc r i s p u s ( 6 0 3 ) v a l l i s n e r i an a t a n s ( 3 4 6 、 h y d r i l l av e r t i c i l l a t a ( 3 0 8 ) ；- t h et o t e dp h o s p h o r u sr e m o v a l e f f i c i e n c yw e r em o r et h a n9 5 o f a l lk i n d so ft h es u b m e r g e dm a c r o p h y t e sp l a n t s b u t a st h es u b m e r g e dm a c r o p h y t e sp l a n t se n t e r e di n t od e c l i n ep e r i o d ，t h en i t r o g e na n d p h o s p h o r u sn u t r i e n ta d s o r b e db yt h ep l a n t sw o u l dr e l e a s ea g a i n ，w h i c hw i l ll e a dt o w a t e rq u a l i t yd e t e r i o r a t i o n s ow h e nu t i l i z a t i o nt h es u b m e r g e dp l a n t st or e s t o r et h el a k e s a n dr i v e r s ，m u s tm a k eg o o du s eo fg r o w t hp e r i o d i co fp l a n tp h y s i o l o g y , a n dt h ep l a n t s s h o u l db eh a r v e s t e d b e f o r ei nd e c l i n ep e r i o d ，a v o i d i n gt h er e l e a s eo fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sn u t r i e n t st ow a t e ra g a i n k e y w o r d s ：e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ；s e d i m e n t s ；s u b m e r g e dm c r o p h y t e s ；e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o n i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章引言 杭州西湖位于浙江省杭州市西面，因其秀美的湖光山色和名胜古迹而闻名 中外，是中国著名的旅游胜地。2 0 1 1 年6 月2 4 日，杭州西湖正式列入世界 遗产名录，西湖是目前中国列入世界遗产名录的世界遗产中唯一的湖泊类 文化遗产，也是现今世界遗产名录中少数几个湖泊类文化遗产之一，但是 西湖在享誉这些荣誉与光环的同时，水体的富营养问题也在逐渐的出现，经过 近几年的监测数据表明，西湖水质一度处于轻度富营养化水平，水质处于劣v 类水体 1 - 2 1 。 1 1 1 我国湖泊富营养化现状 水体富营养化是指氮、磷等营养元素进入湖泊、海湾等相对封闭，流动缓 慢的水体，含量超过水体的自净能力，引起的藻类和其它水生植物的大量繁殖 和异常生长，导致水体的透明度降低，溶解氧下降，水质恶化，进一步使其它 水生生物大量死亡，最终使水生生态系统和水体功能受到损害和破坏的现象 3 - 6 1 。据2 0 0 8 年环境统计年报，全国废水排放总量5 7 1 。7 亿吨，其中氨氮排放 量1 2 7 0 万吨【7 1 。目前，我国主要湖泊中有5 1 2 已达富营养化水平【8 】。2 0 世纪 6 0 年代以来，世界各国对水体富营养化进行了大量的研究，我国从2 0 世纪5 0 年底开始进行研究，并且提出了相应的治理方案与对策。现今对水体富营养化 研究内容主要有：富营养化形成的原因与机制、富营养化水体的内源和外源营 养盐迁移转化机制、工农业点面源污染控制、富营养化水体的水质改善等方面。 目前对于水体富营养化水体的水质改善、污染控制、藻类异常繁殖控制主要从 物理、化学、生物【9 】及生态等方面进行，物化方面有利用机械进行藻水分离， 化学方面有投加控藻剂，生物方面有污水的生物脱氮，生态方面有人工湿地、 水生植被恢复、湖滨带生态修复等等。 武汉理j = 大学硕七学位论文 1 1 2 杭州西湖湖西水质现状 经过二十多年来持续的综合治理，西湖基本上完成点源污染的控制，并采 取疏浚等手段显著削减了内源污染；近几年来，随着西湖综合保护工程的推进， 外源营养物质输入逐年减少，水体水质明显好转，西湖及其流域的生态环境得 到了很大改善，特别是2 0 0 3 年西湖引配水改建工程完成后，大幅度增加的引水 ( 引水量达4 0 万m 3 天) 对改善西湖水质取得了良好的效果。但是，由于钱塘 江原水受农业面源影响较大，水体中氮含量仍然较高，而现有的玉皇山絮凝沉 淀处理设施对于氮污染基本上无去除效果，大量的氮素随引水进入西湖水体。 近几年，西湖湖西主湖区水体中t n 一直处于4 - 6 m g l 之间的水平，高于 地表水环境质量标准中v 类标准( 湖库为2 m g l ) ；而主湖区t p 值为0 0 5m g l 左右，略高于地表水环境质量标准中的i 类标准，基本处于1 i 类水质；c o d r 咖 含量为2 - 3 m g l 。水质透明度1 5 0c m 以上，p h 为弱碱性，溶解氧为7 8m g l 。 杭州市政府于2 0 0 0 年开始对西湖实施综合治理与保护工程，其中包括茅家 埠湖西水域底质沉积物的疏浚、对上游河流污染源进行截污控制与整治、西湖 西侧新的水域的开发、对水体环境进行控制与治理、玉皇山沉淀池和赤山埠沉 淀池的引配水工程以及湖西茅家埠、浴鹄湾和乌龟潭等进行水体生态修复等五 个方面，这五项工程于2 0 0 3 年施工完毕后，西湖的自然形态发生了很大的变化， 流域内污染物削减量明显，入湖溪流和西湖水质改善效果明显，流域内生物多 样性有所增加，空气质量明显高于城市中心区，城市绿地的生态效益大大提高， 富营养化程度明显降低 1 0 - 1 1 】，但2 0 0 4 年后开始上升；总氮呈上升趋势，并且 新开发水域高于西湖原来水域；氨氮水质指标良好，但仍呈上升趋势；叶绿索 含量全水域明显呈下降趋势；溶解氧含量增高，p h 偏碱性，c o d v m 新开发水 域优于原来水域，总体呈下降趋势；悬浮物浓度先降后升，新开发水域与原来 水域水质相差不大1 1 2 1 。 1 2 文献综述 1 2 1 关于沉水植被恢复的国内外研究进展 沉水植物指生理上依附于水环境、至少大部分生长周期发生在水中或水表 面的植物类群1 3 1 。国内外对净化富营养化水体沉水植物的选育、繁殖、生物多 2 武汉理工大学硕士学位论文 样性构建、优化物种搭配以及水质净化能力等方面已取得了比较多的研究进展 1 4 - 1 6 。邱东茹，吴振斌【1 7 】等在树立围隔的人工控制条件下，成功的用水生植被 在武汉东湖进行了水生生态恢复与重建的研究工作，而包先吲埔】也在淮北东湖 进行了相关的生态培养试验，结果表明，沉积物和上覆水中t n 和t p 的含量随 着黑藻生物量的增加而逐渐下降。胡俊1 1 州研究表明：通过分析野外条件下的沉 水植物狐尾藻对磷存在形态的影响，证明沉水植物能有效地减少沉积物中磷的 含量。n i c h o l s 等人研究发现：在底泥作为穗花狐尾藻唯一的营养来源时，狐 尾藻可以通过根吸收营养物质满足整个植株的生长需要，而当水中的氮的含量 比较充足时洲h 4 - n 超过o 1m g r l ) ，水中大量的氨氮能被叶子吸收，成为植物 所需氮素的重要来源【2 0 1 。此上研究表明了沉水植物对富营养化水体具有较好的 修复作用，通过沉水植物控制湖泊的富营养化、改善水体水质、逐步修复湖泊 水生生态系统是有效可行的。 1 2 2 沉水植物对水生生态系统的修复作用 1 2 2 1 水生生态系统修复的概念 湖泊富营养化主要表现为水生植被衰败甚至消亡，水质恶化【2 1 1 。水生生态 系统修复( a q u a t i ee o c s y s t e mr e s o t r a t i o n ，a e r ) 是指经过一系列的生态保护措施 将已经恶化和退化的水生生态系统，最大限度的减缓水生生态系统的退化，提 高其环境容量，使其逐渐恢复或修复到使其长久能够保持稳定、能够进行自我 调节与维持的状态水平【2 2 】，但是水生生态系统的修复是一个系统的过程，并不 能只通过单一要素的独立操作来完成，需要考虑所有同等水平的生态要素。即 使水生生态系统的恢复有时可以在纯自然条件下进行，但一般还是由人工干预 的方式来实现的【2 3 1 。对于已经遭到了破坏的水生环境系统，即使n 、p 等营养 盐的输入含量有所降低，仅仅通过水体的自净能力和水生生态系统的自我修复 能力，使其回到受损前的状态，仍然会持续时间较长，但是通过人为控制，利 用一些工程修复等技术手段，切断和改变污染源，这样可以加快水生生态系统 的自我修复速度，对生态系统原有结构和功能恢复具有重要的理论与实践意义 【2 4 】。一般包括以下过程：重新构建干扰前的物理环境、调节水体和土壤化学环 境、减轻生态系统的环境负荷( 减少营养盐和污染物的输入) 、原位处理采取生 物修复或生物调控的措施、尽最大可能的保护水生生态系统中尚存的组成部分 武汉理工大学硕士学位论文 垡：f 2 5 1 可o 1 2 2 2 沉水植物修复水生生态系统的机理 恢复水生高等植物往往是生态恢复与水华控制的主要内容。由于水生植被 是浅水湖泊水生生态系统主要初级生产者，沉水植物作为河流和湖泊等水体中 的主要高等植物，对水生生态系统的维持、生态系统中物质的循环和能量的传 递起着关键性的作用，同时也具有重要的调控作用【2 睨7 1 ，所以在浅水湖泊中利 用沉水植被的恢复与重建来治理富营养化是一项重要的生态修复举措。沉水植 物能够净化水体的效果已得到大量的证明，沉水植物可直接从上覆水和底泥中 吸收氮、磷等营养物质，并通过同化作用转化为自身的结构组成所需的物质( 蛋 白质和核酸等) ，进而降低水体中的氮、磷等营养物质的浓度或直接去除，从而 净化水质、抑制藻类的生长【2 8 1 。 黑藻、狐尾藻、苦草等沉水植物能利用较低浓度的c 0 2 ，且在碱性环境水 体中对碳酸氢根离子的吸收利用能力大大增加，具有较低的二氧化碳补偿点及 较高的酸碱环境( p h 9 ) 的耐受能力，可以在水质较差的碱性湖泊生长，对湖泊 湖泊富营养化的程度更具抑制效果，沉水植物的根系和底质沉积物直接接触， 且接触面积较大，当水流经过时，水体中的悬浮物、附着在根系上的细菌或者 是凝集的菌胶体会因根系粘附而吸附或者沉积，从而减少沉积物向上覆水的释 放，达到对湖泊水体的净化作用【2 9 1 。研究表明，沉水植物可通过其自身输导组 织将氧通过根部呼吸作用释放到沉积物中【3 0 1 ，进而影响沉积物的化学性质，在 一定条件下使沉积物中的p h 环境降低，氧化还原电位升高，可溶性金属浓度升 高，有利于植物对上覆水和沉积物中矿质元素的吸收利用【3 1 】，从而减少沉积物 中的营养盐向上覆水释放而提高湖泊水体的质量【3 2 】。欧冬妮等【3 3 】研究结果表 明，根际沉积物营养盐的形态具有明显的时间季节性变化，而这与根际氧化还 原状态的情况直接相关，即根际沉积物对沉水植物营养盐的供给在某种程度上 来说是受根际氧化还原状态的影响；刘兵钦等【3 4 】通过对比研究是否种植沉水植 物对沉积物中营养盐的形存在形态与含量、吸附行为以及动力学参数，结果表 明提高沉积物中营养盐的吸附能力和降低有机营养物物的酶促分解速率是沉水 植物控制根际沉积物营养物质迁移的重要机理，而国际上这方面的研究也比较 多，在帕尔莫斯河的入海口，以石药为典型特征的大型藻类通过阻挡底泥无机 营养物的释放和增加有机组分来加强营养盐的底泥中的积累【3 5 】。f l e s s a 和b o o n 等研究表明，沉水植物通过根部放氧影响根际氧化还原状态，不仅对根际周同 4 武汉理工大学硕士学位论文 有机质降解产生一定的影响，而且对沉积物中由有机营养物质向无机营养盐的 转化具有重要作用【3 6 】：另有相关研究发现，沉水植物向植物根际分泌碳水化合 物、氨基酸以及有机酸等物质，能够促进根际微生物的生长，直接影响根际沉 积物的迁移转化【3 7 1 。在赵海超等在实验研究中指出：在黑藻的鲜重生物量较高 的不同阶段，沉积物中的碱性磷酸酶表现出反应较缓的酶活性和较快反应速率， 可以得出减慢沉积物中分解的有机磷酶促生化反应，认为是为黑藻能在低营养 水平下维持生长一个关键机制【3 引。所以，可以说将治理湖泊富营养化和水生植 物生态修复相结合，是科学治理湖泊富营养化从而修复水生生态系统的重要举 措【3 9 1 。 1 2 2 3 沉水植物对水生环境的生态作用 1 2 2 3 1 营养盐的吸收和净化作用 水生植物的生长过程中可将水中溶解性的、悬浮性的营养物质吸收固定在 水生植物体内，也可以从沉积物中吸收各种营养物质，降低底泥沉积物中营养 物质的含量与浓度；沉水植物在营养竞争上相比较浮游藻类而言具有竞争优势， 而氮、磷等营养盐是藻类等浮游生物生长关键的限制因子，水体氮、磷等营养 盐的含量决定了藻类生长繁殖速率，而植物自身要正常生长发育需要吸收氮、 磷等必须营养元素，进而转化为自身结构的所需物质，与藻类相比起来，氮磷 在植物体内以营养繁殖的方式快速积累生物量进而储存在体内，这样能将氮磷 等营养元素更加稳定而不至于较易释放到上覆水中，并且易通过人工收获的方 式将其固定的氮，磷带出水体1 4 0 4 2 1 。万志刚【4 3 】等的研究结果显示太湖流域1 0 种常见水生植物对水体的净化能力，对t n 和t p 来说，苦草吸收率分别为6 5 8 6 和3 0 3 0 ，而金鱼藻分别为6 2 8 0 和2 6 5 2 。当沉水植物因收割移出水生 生态系统时，被吸收的营养物质随之从水体中带出，从而达到净化水体的作用 【4 4 1 。雷泽湘研究表明了水生植物对太湖梅梁湾的富营养化水体的净化效果：马 来眼子菜、苦草、轮叶黑藻等5 种沉水植物和浮叶植物若菜、菱，对t n 、t p 、 n 0 3 - n 、i p 等均有较好去除效果，去除率均在6 0 以上，特别是马来眼子菜和 苦草效果最好，去除率均在8 0 以上【4 5 。 1 2 2 3 2 对水质的净化作用 沉水植物除了在吸收营养物方面具有很好的作用，在水质的其他净化方面 也有明显效果。沉水植物经过光合作用后向湖水释放大量氧气，有利于湖水保 武汉理工大学硕士学位论文 持较高浓度的溶解氧，为其他水生生物提供了良好的微环境。与此同时，由于 整个沉水植物植株都处于水中，植株各个器官如：根、茎、叶等都可以吸附水 中的生物性和非生物性悬浮物以及一些重金属元素，这样一来它们对稳固沉淀 物具有重要作用，进而提高了水体透明度，改善了水下光照情况，更进一步提 高沉水植物光合作用量，对水体的净化形成了一个良性循环1 4 6 1 。赵海超1 4 7 等研 究表明，磷在底质沉积物中的积累主要是经过非生物沉积的途径，通过水生植 物促进水体中含磷物质的沉降和抑制底下表层沉积物的再悬浮从而起到促进磷 沉积的作用，沉水植物的茎、叶等器官都具有很强的吸收功能，能较好的去除 水体中n 、p 等营养物质。k o i c h i 掣4 8 】研究结果表明，在种植有沉水植物存在 的区域，c o d c r 、b o d 5 、t n 、n h 4 - n 都远远低于无沉水植物存在的区域，有 沉水植物为基础的生态系统远远优于漂浮植物为基础的生态系统。q i a o 等【4 9 】 研究发现经过沉水植物生态修复的沉积物中的重金属离子毒性与浓度大大减弱， 沉水植物除了对水体和底质沉积物中的氮、磷等营养盐吸收明显外，对c u 、p b 、 z n 、a s 等重金属离子也有较大的吸收与去除。相比于挺水植物、浮叶植物、漂 浮植物三种生态型的水生植物，只有沉水植物光合作用产生的氧气是全部释放 于水中对增加水体的溶解氧浓度的贡献最大，挺水植物所产生的氧气完全释 放于空气中，浮叶植物和漂浮植物仅有少量溶入水中，故在有沉水植物生长的 水体，其溶解氧含量要比缺少沉水植物或者是以漂浮植物为主的水体溶解氧含 量要高许多【5 们。另外，有相关研究发现大型沉水植物与甲烷氧化菌相结合的生 物群落能够降低沉积物中甲烷气体的浓度，并减少湿地环境中甲烷气体的释放 量【5 l 】。 1 2 2 3 3 他感作用和克藻作用 水中高等植物体非但能吸收水体中的营养盐抑制富营养化，其分泌的他感 物质也可抑制浮游植物生长【5 2 巧3 1 。沉水植物和藻类都是水生生态系统中比较重 要的初级生产者，水域生态系统中，金鱼藻、苦草、微齿眼子菜、菹草和伊乐 藻等沉水植物，他们与藻类之间存在空间竞争、营养竞争，光能利用竞争等， 沉水植物分泌化感物质来改变周围的水体环境来破坏藻类正常的生长代谢功 能，迫使藻类逐渐死亡，从而达到抑制藻类生长的作用，况且沉水植物在营养 竞争方面存在个体大、生命周期长，吸收和储存营养盐的能力强等竞争优势， 能很好地抑制浮游藻类的生长【5 4 5 6 1 ，并且，沉水植物为浮游动物提供庞大的栖 息表面积，为高密度的浮游动物群落创造了生存环境，浮游动物的增加可以大 6 武汉理工大学硕士学位论文 量捕获浮游藻类，从而间接地控制了藻类群体数量与种类，起到了减少藻类水 华发生的可能性的作用【5 7 1 。朱斌等【5 8 】的研究结果指出，沉水植物根际部分还会 栖生些小型动物，如水蜗牛，它们能以藻类为食，这样也能控制藻类的繁殖。 据孙文浩等【5 9 】研究报道，金鱼藻等沉水植物体内含有克制小球藻的生物碱，并 且能有效抵抗食草动物的危害。按照克藻效应的时间，克藻效应主要表现为两 种类型：一种是较快速的类型，能马上见到效果的，如金鱼藻等；另一种则有 一个明显的效应逐渐积累过程。唐萍等【6 0 】研究指出，其原因可能是由于藻类对 分泌物的耐受程度不同，分泌物在水体环境中的稳定性以及分泌物的种类及其 分泌速度的不同而显现出各种显著的差异性。植物分泌克藻物质的含量的差异 而表现出来不同的克藻效应与藻类的种类差异及其本身的新陈代谢与其他生理 活动的强弱具有重要相关关系【6 1 1 。杨柳燕等实验指出，微量的铜绿微囊藻对金 鱼藻的生长具有一定的促进作用，但是当铜绿微囊藻超过一定的浓度值时则又 会抑制金鱼藻的生长，此时铜绿微囊藻的密度也呈逐渐减少趋势【6 2 】。因此利用 水生植物对藻类的克制效应来控制藻类的恶性增长，提高水体的自净能力与环 境承载力，是控制和治理湖泊富营养化的一个重要生物调控举措。 1 2 2 3 4 为其他生物提供特殊生境 水生植株的大部分部位能进行光合作用产生氧气向水中扩散，在植株周围 形成好氧微环境区域，根际好氧区的形成对改善和稳定水体生态系统、创造环 境多样性、保护生物多样性的生态功能具有重要意义。一方面，植物根系通过 释放出氧气形成根际好氧区微环境，为好氧微生物的新陈代谢提供了适宜的环 境条件，而好氧区外由于溶解氧的逐渐降低而形成厌氧微环境，此环境条件下， 适宜厌氧微生物进行反硝化及有机质的厌氧发酵分解1 6 3 】，与此同时，沉水植物 的残体及其代谢产物，甚至是根际溶解的有机碳物质都可能成为微生物菌落生 长和代谢所需的有机碳源。另一方面，沉水植物的根系系统可作为微生物附着 生长和生活的良好基质，大量微生物群落在根系表面附着形成生物膜，增加了 微生物种群的数量和分解代谢产物的作业面积，沉水植物还能与螺类互利共生： 沉水植物为螺类提供了附着基质和栖息场所，并有利于螺被逃避捕食；螺为沉 水植物清除植株体表面覆盖的和附着的藻类物质，并保持植株叶面的光合作用 顺利进行，这样有效的增加了水下空间生态位，这样对生物多样性维持具有举 足轻重的作用1 6 3 1 。国外有些相关试验证明，一些大型的无脊椎动物的种类、数 量伴随着水生植物的减少而降低。水生植物本身又是水生动物的饲料，进一步 7 武汉理工大学硕士学位论文 增加了水生生态系统食物链的长度和复杂性，从而对形成稳定、平衡的生态系 统具有重要意义 4 2 】。刘保元等【删研究武汉东湖也表明，在人工方式恢复沉水植 被后，底栖动物的种群、个体密度和生物量都相应有所增加，并且重新出现软 体动物，增加了生物多样性。郭晓鸣等【6 5 】以东太湖为研究对象的研究表明，有 沉水植物的水生生物群落结构比较稳定，物种多样性指数明显高于无草区，调 查同时发现，我国洪湖、太湖、东湖、东平湖和阳澄湖水生植物的盛衰情况也 会直接影响到渔业产量的丰歉断击7 1 。因此可以说，沉水植物对水下微环境的作 用不可小视，其对维持生物多样性，水生生态系统稳定性具有关键作用。 1 2 3 不同环境条件对沉水植物恢复的影响 沉水植物的恢复过程同环境条件的变化情况是互相紧密关联的，环境条件 对沉水植物恢复的影响研究已经逐渐成为研究热点，光照强度、水温、p h 、水 体营养盐情况、沉积物基质条件等非生物环境因子及附着藻类、鱼类放养、人 工收割等生物环境因子均能沉水植物的生长发育产生重大影响【2 1 1 。沉水植物在 主要的生命周期中植株都基本上在水下生活，部分沉水植物花期在水上，且其 生理上非常依赖水体环境，对水质的变化情况十分敏感【6 8 1 ，其生长状况和分布 情况受多项环境条件的调控。在所有的环境因子中，水下光照强度、水温、底 质沉积物是影响沉水植物生长、分布的重要因子。 1 2 3 1 光照对沉水植物生长的影响 水下光照情况，特别是光合作用有效辐射是沉水植物的必需环境因子。水 生植物一般生长在气水界面下层，当水下光照强度到达植物页面所需光补偿强 度时，光合作用的产0 2 和呼吸作用产生的c 0 2 的量才能达到平衡，而只有水 下光强高于光补偿强度，光合作用速率才会优于呼吸作用强度，植物体才能逐 渐积累有机物质，不断进行生长和发育。研究表明，水底光强照度达不到入射 光强度的1 时，沉水植物的根就不能很好的稳定下来【6 9 】，光照强度低于入射 光5 时，某些植物的营养体的萌发会产生阻碍【7 0 】。因此水下光照缺乏或较弱 低于光补偿强度是沉水植物消亡的直接原斟7 1 1 ，与此同时沉水植物又是喜阴植 物，光照过强，