沉水植物修复技术与方法

沉水植物修复湖泊水体研究中的热点问题及其技术前景摘要:沉水植物修复水体技术是当前水体修复技术中的热点，本文针对沉水植物自身的修复特点，探讨了沉水植物对湖泊水库污染物修复的主要技术和方法、目前的研究的热点和存在的问题以及未来该领域的研究方向，最后表明：沉水植物修复湖泊污染水体技术有很广阔的领域和应用前景，成为修复技术的热点导向。关键词:湖泊水库;沉水植物;修复技术；问题；前景目前湖泊水库污染已经是不争的事实，成了全球关注的焦点，尤其是我国，湖泊的生态环境状况普遍存在几大问题：湖泊中的重金属污染，泥沙淤积、湖面退缩、盐化、富营养化等等，以及由此引起的生态环境恶化和资源退缩。特别是在东部人口稠密地区，湖泊所受的污染越来越严重。很多地区的湖泊是饮用水源地，湖泊丧失了自净能力，饮用水源水质更是受到威胁。湖泊水库的富营养化急剧导致水体浮游植物增加，沉水植物消亡。在外源污染物降低后，沉水植物的恢复仍然滞后相当长的时间，而沉水植物的恢复对浅水湖泊修复的长期效益至关重要。本文探讨了湖泊中沉水植物的修复技术，降低湖泊水体的P含量,增加水体的透明度是沉水植物恢复的关键。沉水植物的修复主要以自然修复为主,人工修复为辅的方法。发展以轮藻植物为优势种群，杂草类沉水植物共生的多样性植物群落。沉水植物的修复对改善浅水湖泊生态环境，促进湖泊向健康化发展起到重要的作用。李顺鹏等人的研究表明降低水体中N、P含量以及底泥中有机C和N、P的负荷富营养化修复的关键问题［1］。而针对湖波水库富营养化的修复技术国内外研究很多，并取得了大量的成果妇］，其中沉水植物在水生生态系统中的修复技术倍受青睐，已经成为环境领域和水生态学研究的热点之一。鉴于此，本文重点对沉水植物对湖泊水库的修复技术和方法加以研究和探索，以期能为水修复工作者提供参考和依据。沉水植物修复水体技术原理1.1沉水植物基本概念和物种的选择沉水植物是指植物体全部位于水层下面营固着生活的大形水生植物。它们的根有时不发达或退化，植物体的各部分都可吸收水分和养料，通气组织特别发达，有利于在水中缺乏空气的情况下进行气体交换。因为沉水植物在光合作用下释放氧气在水体中，这对富营养化水体自净作用至关重要，决定了沉水植物在水生态系统中占据重要的地位，也对沉水植物的水质改善效应研究是基础的理论研究，可为利用沉水植物修复受污染水体提供一定的理论依据，这类植物的叶子大多为带状或丝状，常见的水体修复的沉水植物有伊乐藻 (Elodeanuttalli)、金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)、苦草(Vallisneriaspiralis)、菹草(PotamogetoncrispusLinn)、来眼子菜(Potamogetonmalaianus)等。和其它的水生植物相同是构成水体生物链的基础，吸收水体中引起富营养化的物质，为促进生态良好循环提供氧气,有很强的净水功能。沉水植物物种的选择应以当地土著物种为主，限制外来物种。否则可能造成难以估测的生态失衡问题和培养难度。物种的选择应保证多样性，单一的物种的沉水植物群落，是很难维持稳定的生态系统的⑹。由于湖泊常用于娱乐目的，例如划船、游泳等，故高茎植物在沉水植物恢复过程往往与其矛盾，从而低茎的轮藻植物是沉水植物恢复的首选。因为轮藻植物可以强化水体杂质沉淀，降低水体浊度［7］,并且对水体的富营养化物质有效去除⑻，降低浮游植物的生长。1.2沉水植物修复水体的作用机理沉水植物作为主要初级生产者，在水生态系统中起着重要的作用。在湖泊生态系统重建与恢复中，重建沉水植物是关键性的步骤。文献WO］研究表明：沉水植被恢复后，水体透明度提高，溶解氧增加，各主要形式的N,P及浮游植物叶绿素a浓度均明显降低，原生动物多样性也显著增加［9］。沉水植物在水体生态修复中具有重要的作用，其对藻类化感抑制作用的研究已有较多的报道。围隔实验发现了菹草对栅藻有显著抑制效应，蓖齿眼子菜对栅藻和微囊藻也有一定的化感作用。濮培民，邵留"12］等人的文献表明沉水植物作为湖泊水主要的生物组分和重要的生物环境,对湖泊生态系统的结构和功能起关键作用。它们不仅会影响食物链结构、控制其它生物类群的结构和大小、维持水环境的稳定性，而且在恢复环境生态中也起举足轻重的作用,其群落的重建与恢复是水生态系统修复工程的基础和关键。而沉水植物群落重建和恢复首要环节是沉水植物的引种，因此了解沉水植物繁殖和定居能力对于沉水植物重建和恢复具有重要的意义。沉水植物以无性繁殖为主无性繁殖体主要有匍匐茎、根状茎、鳞茎、块茎和断枝等。沉水植物的生长，对改善水体生态,促进湖泊向健康化发展有着重要的作用。另外曾爱平等人的文献［13］中提到沉水植物完全浸没于水中，一方面因呼吸作用消耗水中的氧气，另一方面因光合作用释放氧气于水体，两种作用随时间不同互有强弱，导致水中溶解氧(DO)浓度时高时低。当呼吸作用强于光合作用时，消耗的氧气大于产生的氧气，水中DO浓度逐渐下降；当光合作用强于呼吸作用时，产生的氧气大于消耗的氧气，水中DO浓度逐渐上升。沉水植物的这种净化作用在水体修复中至关重要，其技术的研发均建立在在此基础。沉水植物修复水体的主要方法，研究热点及其实施新技术2.1沉水植物修复技术的基本分类一般沉水植物恢复可分为自然恢复和人工恢复。自然恢复是沉水植物恢复的基本方法。湖泊底泥中的沉水植物的繁殖体，可以存在相当长的时间，DeWinton等人m］的研究表明，繁殖体在20年后仍具有活性。当水湖泊的透光性良好，条件合适的情况下，沉水植物的自然恢复是很迅速的［15］。但在现有情况下,沉水植物自然恢复相当较缓慢，无法跟上水体污染，水体需要修复使用的步伐，故采取人工方法进行恢复，提高水体回复效率。但是人工恢复可能需要大量的资金。采用人工恢复的情况有［16］:湖泊中沉水植物彻底死亡，底泥中也缺乏沉水植物繁殖体;湖水的低浊度只能保持较短的时间，但是要求沉水植物迅速恢复;(3)沉水植物的恢复需要引入外来物种,或者因为娱乐等需要发展特定的沉水植物。采用人工方法进行沉水植物修复,应首先进行局部试验，选择适合的植物种群，然后进行推广，当生长达到一定的规模，就可以迅速繁殖，自然生长。2.2沉水植物修复水体技术研究热点和现有问题2.2.1沉水植物种源的研究沉水植物是淡水生态系统尤其是浅水湖泊生态系统的主要成员,在维持水生态系统的结构和功能及生物多样性方面执行非常重要的作用Mo由于水体污染和渔业养殖过度，沉水植物群落普遍退化或消失［18］,随之造成整个水生态系统功能的普遍退化，常引起水华暴发，严重妨害了工农业生产和人民健康。安彦杰等人的研究［19］结果表明，不同的氮磷水平对菹草人工种子萌发转株影响不显著。可能原因是人工种子萌发主要靠消耗人工胚乳内的营养物质,这同天然种子萌发特点类似。天然种子萌发时贮藏的有机物如淀粉、脂肪和蛋白质在酶的作用下，转变为简单的有机物。高健研究［20］显示,水中氮磷水平对菹草冬芽萌发的影响不显著。沉水植物的恢复成为水污染综合治理的关键环节。资料表明［19］由于大多沉水植物种子难以获得，当水体的植物种子库受到严重破坏时，水生植被的恢复工程不可避免对水生植物种苗有大量需求。目前水生植被恢复工程的种苗都是从自然水体捞取这就对种源地的植物种群造成了破坏。此外，种苗的获得也会受到季节所限。利用人工种子技术可避免对种源地植物资源的破坏，且操作简易。菹草(PotamogtoncrispusL.)是我国常见的沉水植物,有较好的耐污能力和除污能力,常作为水生植被重建工程首选的先锋植物。该文献报道的沉水植物菹草人工种子的制作方法及萌发的影响因素等研究结果，为沉水植物种子的培养提供理论依据。另外文献表明U9,21-22］激素及水环境条件，温度，光强，氮磷及水体底质均对种子的萌发有很大影响。人工种子与植物种子一样，其萌发也受到环境因素影响。该文献也表明：适当的激素组合能大大提高萌发率和转株率;水温对沉水植物的影响较气温对陆生植物的影响要弱，菹草是喜低温的沉水植物；同时萌发也受光照影响，实验中40umol/m2-s的萌发率约70%,高于在温度实验中20°C的萌发率50%，这两个实验的条件即光照时间、光照强度、温度均相同，其萌发率的差异，可能是这两批人工种子来源于不同健壮程度的无菌菹草苗;天然种子萌发时贮藏的有机物如淀粉、脂肪和蛋白质在酶的作用下，转变为简单的有机物，而水中氮磷水平对菹草冬芽萌发的影响不显著；底质类型对菹草人工种子的萌发和转株也有显著影响，黄沙壤是菹草人工种子萌发的最佳底质，砂石底质上人工种子萌发率和转株率也要高于淤泥关于影响程度只有少部分的文献，亟待进一步研究和证实。2.2.2沉水植物断枝再生能力研究由于水体和外界复杂的环境干扰引起植物的断枝，因此葛绪广等人［23］对4种沉水植物断枝再生能力进行了研究，指出穗花狐尾藻、黑藻、伊乐藻和金鱼藻因其具有较强的环境适应、生存能力而常被选作退化水体生态修复、恢复和重建的先锋物种。可是上述几种沉水植物的种子萌发、幼苗生长都需要一定的环境条件，如溶解氧和光照等。而需要修复、恢复和重建的水体中，其水底的溶解氧常常很低，而且光照条件也难于达到它们的光照强度要求即使种子萌发形成幼苗，也难于存活并拓殖成一定规模的种群。能否找些植物能在恶劣环境下培育种子和具有良好的修复效果有待进一步研究。文献［23］中指出断枝在穗花狐尾藻、黑藻、伊乐藻和金鱼藻物种的快速传播方面起着重要作用。因机械折断形成的断枝无论在抛掷条件下还是在抨插条件下都具有较强的繁殖生长能力，多数断枝都有不定根和芽发生。不同移植方式对不定根和芽发生没影响,但影响了不定根和芽的发生时间，这对上述几种沉水植物种群定居、拓殖有重要影响。尤其是在退化水体中,不定根和芽发生时间的长短，往往决定该物种是否能够成功定居、拓殖,恢复健康的生态系统。在可能的条件下,应以抨插为主，但金鱼藻抛掷和抨插对其生物量和芽形成无显著影响，可以抛掷，既降低采挖和运输种苗的成本、提高施工效率,又可以得到很好的效果。通过以上试验可以看出，在物种的选择上，可优先选择黑藻，其无论生物量、株高和节数的增加，还是须根和新芽的产生，都具有优势。自然状态下，许多沉水植物可以通过内在机制自动形成断枝或在外力作用下形成断枝，并发育形成新个体。催心红的研究［24］表明对许多沉水植物通过内在机制自动形成断枝的过程以及影响断枝形成的环境因素已有很多研究而退化水体的修复、恢复和重建需要在人为因素的作用下进行，上述试验研究结果为人为利用沉水植物修复、恢复和重建退化水体提供了依据。2.2.3水体无机碳条件对常见沉水植物生长和生理的影响的研究在水华暴发的富营养水体中，由于水华藻的快速生长一方面造成水体透明度降低,影响沉水植被的光合作用;另一方面，这种现象造成水体的无机碳水平、组成连同水体pH值剧烈变化，使水体中游离CO2几乎消失，HCO3-大幅下降，CO32-成为优势的无机碳离子种类，并引起水体pH升高，从而影响沉水植被的光合和生长。这两个方面的因素不仅是水体富营养化引起沉水植被消亡的主要途径,也是沉水植被恢复或重建的关键限制因子。低透明度对沉水植物的影响已有较多研究，尽管水生植物对无机碳的利用机理有较多研究报道。张彦辉安彦杰等人的研究［25］表明：富营养化水体中藻类的大量繁殖，不仅降低水下光强，影响沉水植被的光合作用;同时也大大降低水体无机碳源，并引起水体pH升高，影响沉水植物的碳同化和生长。对于低植冠层沉水植物，上述两个因素同样重要,而对于高植冠层沉水植物,由于能接受更多光照，使得后者的影响可能比前者更为显著；无机碳实际上也和光照，营养盐以及食草动物的牧食作用一样，是水生植物初级生产力的潜在制约因素［26-28］，水华水体中无机碳及pH条件对沉水植物也有很大的影响。通过本文结果还可以推测，通过调节水体中构成比例和pH,将可能促进富营养化水体沉水植被的生长和扩增,但这种方式具体操作仍有待验证。2.3沉水植物实施新技术此外一种沉箱法实施沉水植物净水的方法的发明(专利号：200810037597)出现，该方法发明公开了一种沉箱法实施沉水植物净水的方法，其步骤为：1)制作沉箱；2)制作底泥；3)沉箱定位；4)移植水草；5)放水控制水位。通过本发明沉箱法实施沉水植物净水的方法，具有使用简单、维护方便、节约水资源、净水效果好的优点，且存活率大，相比目前沉水植物种植法的65%存活率，本发明可达95%的存活率，大大降低了使用成本，有利于沉水植物的修复技术的进一步推广。当然上述只是实施技术的一种，随着科技的发展，会有更多的新技术新发明。结语富营养化是当前人类面临的严重环境问题，植物修复引起是治理富营养化的一个重要手段而水生植物特别是沉水植物所产生的环境效应是水生态系统稳定和水环境质量改善的基础。大量研究表明沉水植物均能明显降低水中的TN、TP、NH3-N浓度，对TN去除效果较好，如黑藻、伊乐藻、金鱼藻,苦草。对TP去除效果较好的是黑藻，其次是金鱼藻与苦草，最差的是伊乐藻，对NH3-N去除效果较好的是黑藻，其次是金鱼藻与伊乐藻，最差的是苦草。综合来看，治污效果较好的沉水植物是黑藻,较差的是苦草。当然这只是沉水植物修复性能的一点，大量的沉水植物修复性能和特性有待于水体修复者进一步研究和摸索。沉水植物的研究技术和领域为解决湖泊水库的富营养化问题奠定了基础，当然这些方法的大面积推广和应用有尚需进一步的研究，总之，该技术在湖泊水库的修复中具有广阔的前景。参考文献：李顺鹏.环境生物学[M].北京：中国农业出版社,2002:443-444.方云英，杨肖娥.利用水生植物原位修复污染水体[J].应用生态学报,2008,19(2):407-412.宋海亮，吕锡武，稻森悠平.水生植物床预处理富营养化水源水中试研究[J].给水排水,2004,30(8):8-12.李睿华，管运涛，何苗，等.河岸芦苇、菱白和香蒲植物带处理受污染河水中试研究[J].环境科学,2006,27(3):493-497.张荣社，李广贺，周琪，等.潜流湿地中植物对脱氮除磷效果的影响中试研究[J].环境科学,2005,26(4):83-86.PerrowMR,MossB,StansfieldJH.Trophicinteractionsinashallowlakefollowingareductioninnutrientload-ing:alongtermstudy[J].Hydrobiologia,1994,275/276,43-52.VandenBerg,MSScheffer,MCoops,etal.Theroleofc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