水生植物在水生態(tài)治理中的應用與設計

張力 王麗君 陳亮 陳義浦 徐彬 李萍

（南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇南京 210022）

1 引言

水生植物是水生系統(tǒng)重要的初級生產(chǎn)者，是維持生態(tài)系統(tǒng)健康運轉的基礎［1］。水生植物不僅能起到凈化水質的作用，還能改善水體生態(tài)環(huán)境，促進退化水體生態(tài)系統(tǒng)的恢復［2］。水生植物在河湖生態(tài)治理中得到了廣泛的應用，與傳統(tǒng)物理、化學修復技術相比，水生植物修復技術具有可原位進行、投資省、對周圍環(huán)境的擾動小、對污染物去除具有持久性、公眾易接受、可以與物理化學方法結合使用等優(yōu)點［3］。目前，有較多針對水生植物生長影響因子、凈化機理等方面的研究，但鮮有針對水生植物規(guī)?；瘧?，特別是規(guī)?；O計方面的研究。本文試圖通過對前人研究的探討，從規(guī)?；瘧迷O計角度出發(fā)，對水生植物在水生態(tài)治理中的應用方式方法進行綜述。

2 水生植物的分類

大型水生植物是生態(tài)學范疇上的類群［4］，不僅包括生活在河流河道中的植物，還包括在河岸帶長期適應濕生生境的植物。根據(jù)造景功能、形態(tài)特征及生活習性，一般可將其分為挺水植物、浮水植物、浮葉植物和沉水植物4種類型［5］，其典型特征、代表植物、應用場景等見表1［6-8］。

表1 水生植物的分類

3 水生植物在水生態(tài)修復和治理中的作用

水生植物在水生態(tài)修復和治理過程中，主要是通過龐大的枝葉和根系形成天然的過濾網(wǎng)，對水體中的污染物質進行吸附、分解或轉化，從而促進水中養(yǎng)分平衡；同時通過植物的光合作用釋放氧氣，使水體中的溶解氧濃度上升，抑制有害菌的生長，減輕或消除水體污染［6］。主要水生植物對污染物去除功能見表2［6，9-10］。

表2 水生植物的污染物去除功能

4 水生植物適用生境條件

水生植物的生長受光照強度、營養(yǎng)鹽、底質、懸浮物、水流、溫度等多種因素影響，其中，光照強度是水生植物，尤其是沉水植物生長的主要限制因子；營養(yǎng)鹽、底質、懸浮物、水流、溫度對水生植物生長影響較為明顯，各因子都存在某一適宜數(shù)值區(qū)間，滿足水生植物生長，不同類型沉水植物及在其不同生長階段，該取值區(qū)間也有所變化；著生藻類、重金屬、pH等因子也會對水生植物生長產(chǎn)生一定影響，但其作用程度相對上述因子較低［11］。

4.1 光照強度及透明度

光照是水生植物，尤其是沉水植物生長的限制性因子，而且決定了沉水植物在水下分布的最大深度。受水體中溶解物、懸浮顆粒以及水深的影響，太陽的光能迅速衰減以及在空氣與水交界處產(chǎn)生損失，隨著水深度的增加水體光照條件減弱，導致在不同的水體以及同一水體的不同深度，光照條件存在差異［12］。在實際測量過程中，往往不是測量水體光強，而是測量水體透明度［13］。

挺水、浮葉、漂浮植物應種植在光照充足的區(qū)域；沉水植物種植區(qū)應確保3 h以上光照，透明度小于種植水深1/2的水體不宜種植［10］。王海軍［14］研究表明，透明度與水深之比是沉水植物生物量最重要的調(diào)控因子，以關鍵時期3—6月的透明度與水深之比為驅動變量構建了系列的沉水植物生物量關鍵期模型。根據(jù)模型解析發(fā)現(xiàn)，3—6月植物正常生長的透明度與水深之比低限分別為0.66，0.47，0.55和0.45，鑒于長江流域湖泊在6月的平均水深一般為3m，則沉水植物正常生長的透明度閾值為1.4m。

4.2 水深

水生植物對水位變動的響應主要包括形態(tài)特征、生物量、物種分布和物種結構的改變。另一方面，水位變動被認為是一個環(huán)境干擾因子，適度的水位變動有利于增加物種多樣性，長期的水位變動在植物群落演替上扮演重要的角色［15］。

挺水、浮葉植物應以水深30～100 cm為宜，沉水植物可適應100～150 cm水深［16］。主要水生植物的適宜水深見表3［10，16］。

表3 水生植物的適宜水深及耐寒性 cm

4.3 水溫

一般來說，每種水生植物都有其適宜生長的溫度范圍，低于或高于其適宜溫度水生植物會生長不良甚至死亡［17］。主要水生植物的耐寒性見表3［18］。

4.4 水質

水生植物的生存存在一個閾值問題，水體中污染物濃度一旦超過其生存閾值則會導致水生植物枯萎甚至死亡［19］。

挺水、浮葉、浮水植物種植區(qū)域的水質pH值以6.0～8.5為宜；沉水植物水質要求潔凈，水體適宜的pH值為6.0～9.0之間，水體的化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)控制在15mg/L以下；氨氮含量偏高的污染水體不適宜種植挺水、浮葉植物及小型浮水植物，可根據(jù)污染程度適當選擇一些大型浮水植物［10］。水體的TN含量小于2mg/L時有利于湖泊中沉水植物的發(fā)展［20］。

當?shù)扛哂?.5mg/L時，應選擇生長迅速及對氮的需求量較高的鳳眼蓮、浮萍等水生植物進行配置；當磷含量高于0.2mg/L時，應選擇具有發(fā)達地下塊根或塊莖、對磷元素的需求較多的睡蓮等水生植物進行配置；當?shù)扛哂?.0mg/L、磷含量高于0.2 mg/L時，應選擇根系發(fā)達、生長量大、營養(yǎng)生長與生殖生長并存的蘆葦、美人蕉、香蒲等水生植物進行配置；當?shù)康陀?.5mg/L、磷含量低于0.5 mg/L時，應選擇伊樂藻、金魚藻等沉水植物進行配置［16］。

4.5 水體流速

水流不僅能影響水生植物群落結構和物種分布，還能影響其繁殖傳播、新陳代謝過程和形態(tài)特征［15］。挺水、浮葉植物生長要求相對靜止、流速低緩的水體；沉水植物生長要求中、下層流速小的水體；浮水植物一般適宜在水面相對靜止的圍合區(qū)域種植［10］。當水體流速＜0.1 m/s時，宜種植沉水植物、浮葉植物、挺水植物；當水體流速＞0.9 m/s，不宜種植沉水植物和浮葉植物，可種植挺水植物。

李怡等［21］研究表明，在河道中水生植物一般生長在水流較緩慢的區(qū)域，研究河流水生植物發(fā)現(xiàn)，當水流速度小于10 cm/s時，水生植物生長寬幅能達到1 050 cm，種類豐富，多樣性高；當大于10 cm/s時，僅為210 cm，且以挺水植物為主。此外，王華等［11］研究了水流對生長期沉水植物的影響，見表4。

表4 水流條件對生長期沉水植物的影響分析

4.6 底質

早期的研究表明，底泥的物理特性對水生植物的影響相對于底泥的化學性質要大。底質條件是否符合水生植物生長，不僅取決于底質本身的特性，很大程度上也受制于水溫和水深［17］。

挺水植物種植底泥一般要求為疏松、壤土、半黏土或層積淤泥，pH值以6.0～8.5之間為宜，種植前對土壤應進行消毒，種植土厚度不小于30 cm，肥沃；浮葉植物種植底泥一般要求為河泥、濕地底土及水稻土，pH值以6.0～8.5之間為宜，種植前對土壤應進行消毒，種植土厚度不小于30 cm，肥沃；沉水植物種植底泥一般要求為河泥、濕地底土及水稻土，種植土厚度不小于20 cm，肥力中等以上［10，22］。

4.7 水生動物

魚類不僅通過牧食直接作用于水生植物，還會通過擾動增加水體的濁度，從而降低光照，進而影響水生植物的生長；底棲魚類還會通過對底泥的擾動，影響水生植物的固定和著根［23］。研究發(fā)現(xiàn)，草魚和鳊的存在都不利于沉水植物的生長，其中草魚的影響力超過鳊，而鯽的存在有利于沉水植物的生長與恢復［24］。

在湖泊、河塘等區(qū)域種植挺水、浮葉植物，宜采取隔離圍欄，減少來自魚類的危害，減緩船行波對植物和土壤的沖刷；沉水植物種植初期應采取隔離及圍護措施，一是減少食草性魚類的危害，二是控制沉水植物無序蔓延，確保其景觀效果［10］。

5 水生植物的設計

水生植物在水生態(tài)治理中的載體形式主要包括人工或天然濕地、池塘（氧化塘等）、人工浮床及河湖濱岸帶［7］。水生植物恢復應以營造水生植物適宜的生境條件為先，在設計工作前期應對水生植物恢復區(qū)的光照強度（透明度）、水深、水溫、水質、水體流速、底質及水生動物等基礎生境條件進行調(diào)查，選擇適合的生境條件引導水生植物恢復。此外，水生植物在水生態(tài)治理中的設計還應考慮品種選擇、空間布局、種植密度、種植季節(jié)、輔助技術及環(huán)境效益等相關因素。

5.1 品種選擇

水生植物品種選擇的主要原則包括：選用根莖茂密、須系繁盛、抗污染的水生植物；選擇具有區(qū)域環(huán)境適應能力的水生植物；選擇種植水生植物的品種應考慮生態(tài)平衡的需求；應根據(jù)不同的季節(jié)選擇品種相互搭配的水生植物；選擇便于后期管理的植物品種等［25］。

在河湖濱岸帶，流水景觀中種植水生植物的區(qū)域較小，植物要雅致而富有情趣，還必須能忍受水淹或干旱的情況變化。而在靜態(tài)池塘，挺水植物宜種植在岸邊淺水處；浮葉植物、浮水植物宜種植在水面中央，為池中水面景觀添色彩；沉水植物為水體景觀作點綴［10］。

對于人工浮床而言，寬闊水域以營造浮島植物群落景觀為主，注重遠大宏觀和連續(xù)的效果，植物種植以量取勝，增加體量大、質感強的植物種類，選擇觀花植物與觀葉植物錯位搭配，采用叢植、片植2種方式營造水上景觀；小面積水域注重單株植物姿態(tài)、色彩、株高等觀賞價值，采用叢植方式營造景觀；自然河流根據(jù)水體流道寬窄并結合河岸帶植物景觀進行配置，選擇體量較小、株高較低的植物進行點綴［26］。

5.2 空間布局

根據(jù)水域深度、設計需要，從水體的深水區(qū)至陸地沿岸帶，應按照沉水植物群落、浮葉植物群落、挺水植物群落、濕生植物群落（喬木、灌木）系列進行空間配置；實際應用時，應根據(jù)現(xiàn)場狀況、施工面積、坡度等立地條件，選擇水生植物種類及其生活型，進行不同層片配置；同一水深范圍內(nèi)的應選擇1種或2種相同生活型植物進行配置，小范圍內(nèi)不宜配置多種植物；如需在同一水深范圍內(nèi)布置2種或多種水生植物（主要是挺水植物類），應采用土工布、木板、水泥板、種植容器等進行沿岸種植土分隔［22］。浮水植物宜采用竹木或網(wǎng)框框養(yǎng)［27］。

應充分考慮水生植物與周邊環(huán)境的空間關系，留出娛樂行船的通道［10］；對于城市河道，挺水植物和浮水植物種植面積不宜大于治理河道水域面積的30%，沉水植物覆蓋面積宜控制在治理水域面積的20%～30%［27］。羅希等［28］研究表明，對于淺水湖泊，沉水植物覆蓋度可在50%～70%范圍內(nèi)取值，對于污染負荷小的湖泊，可以取相對較低的值，對于水塘，其取值可按約30%考慮，此外，要避免生態(tài)遭到破壞，則需要不斷地打撈過量的水草，但若水草覆蓋度過高（＞80%），則運行管理成本和難度都將增大。德清縣養(yǎng)殖尾水凈化工程經(jīng)驗表明，對于養(yǎng)殖尾水凈化系統(tǒng)中生態(tài)溝渠等設施中的人工浮床，其覆蓋面積宜控制在生態(tài)溝渠水域面積的1/3～2/3。

此外，不同水生植物之間的生物學習性和生態(tài)習性不同，混種之后各自的生長速度不同，常常出現(xiàn)弱勢種類在若干年后消失的現(xiàn)象。水生植物混植時，應考慮混植植物體量的一致性、生長勢的一致性、規(guī)格的適應性、栽種密度的一致性、萌發(fā)時間的協(xié)調(diào)性等［29］。

5.3 種植密度

水生植物種植密度主要根據(jù)水生植物種類及景觀需求來決定。對于個體較大的水生植物，種植密度不宜太大，若種植太密會出現(xiàn)營養(yǎng)面積小、通風條件差、光照差等問題，易導致植株長勢不良、病蟲害多，不僅浪費植株，還影響景觀效果；對于個體較小的水生植物，種植密度不能太小，若種植太稀，則會導致在植物群體種間競爭中處于不利地位，極易被雜草侵占，影響保存率，給養(yǎng)護工作也帶來極大困難，如不及時采取補種措施，最后往往會成為一片荒蕪之地［30］。

對于生長期不斷分蘗的水生植物種植間距要大一些，這樣才能避免水生植物在生長的過程中出現(xiàn)間距過小的情況；對于不分蘗或者分蘗時間間隔較長的水生植物，種植的間距則應該小一些［31］。

5.4 種植季節(jié)

多數(shù)水生植物需在生長期種植，低溫地區(qū)以及耐寒性差的品種需在生長期種植，耐寒性強的品種可在休眠期種植［32］。挺水、浮葉植物以15℃以上水溫種植為宜，氣溫低于5℃時不宜種植；浮葉植物的種植時間宜為春末至秋季；沉水植物播種宜在春、夏季進行［10］。

5.5 輔助技術

水生植物恢復應遵循自然規(guī)律，以自然恢復為主，輔以人工恢復。人工恢復只是在關鍵的節(jié)點上利用人類的力量啟動和促進自然恢復過程。在水生植物恢復的初期，可多借助人工恢復的力量，以后恢復過程還是應以自然恢復為主，這也更有利于水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定［17］。

管衛(wèi)兵等［33］研究表明，可以大型枝角類吃藻、控藻作為前導啟動因子，在短時期內(nèi)提高水體透明度，創(chuàng)造沉水植物重建的發(fā)生條件。胡蓮［34］研究表明，可以通過構建圍隔減弱圍隔內(nèi)外水體的自由交換，有效抵御外界風浪的擾動，并避免沉水植物被植食性魚類破壞，給沉水植物的生長提供一個相對穩(wěn)定的環(huán)境，促進沉水植物的恢復。

5.6 環(huán)境效益

前文已經(jīng)對水生植物在水生態(tài)修復和治理中的作用進行了定性的簡述，但是實際設計過程中時常需要對水生植物恢復后的環(huán)境效益，尤其是其對污染物的去除能力進行定量分析。目前主要有3種定量分析方式：其一是利用前人統(tǒng)計的表觀數(shù)據(jù)進行計算，如常用的人工浮床對氮去除效果為23.7～34.6 mg/（m2·d），對磷去除效果為3.10～4.83 mg/（m2·d）［18］，利用這些數(shù)據(jù)及人工浮床的面積等，可以計算出人工浮床去除污染物的環(huán)境效益；其二是利用一級反應動力學公式Ct＝Coe-kt，式中，Co為某污染物的初設濃度，Ct為t時刻某污染物的濃度，k為污染物降解系數(shù)，t為反應時間，通過資料類比、常規(guī)監(jiān)測估值、實測資料反推等方式得出水生植物污染物降解系數(shù)k，從而計算出水生植物的環(huán)境效益［35］；其三是利用營養(yǎng)物吸收量與水生植物生物量增值的比例關系進行計算，比如蘆葦生長率為10～60 t/（hm2·a），其組織的氮含量為18～21 g/kg干重，磷含量為2.0～3.0 g/kg干重，再由設計蘆葦恢復面積、蘆葦含水率等參數(shù)，可以得出蘆葦對氮、磷去除的環(huán)境效益［36］。水生植物環(huán)境效益受植物物種、水體富營養(yǎng)化、種植方式等因素的影響［37］，其定量分析理論還需進一步研究。

6 結語

水生植物在水生態(tài)治理中有著廣泛的應用，在設計工作中應優(yōu)先結合生境條件，引導水生植物恢復，在生長初期亦可借助輔助技術助其恢復。在工程設計中應注重水生植物的品種、布局、密度及種植季節(jié)等設計，最大化水生植物的生態(tài)環(huán)境效益。此外，應注重理論研究與工程實際的結合，進一步優(yōu)化水生植物的設計，推動水生態(tài)修復事業(yè)的發(fā)展。