水質(zhì)凈化與生態(tài)修復(fù)的水生植物優(yōu)選指標體系構(gòu)建

李鋒民，陳琳，姜曉華，李晨光，趙莎莎，種云霄，胡洪營，高帥強

1. 中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院/海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室/近海環(huán)境污染控制研究所，山東 青島 266100；

2. 華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣東 廣州 510642；3. 清華大學環(huán)境學院，北京 100084

近年來，環(huán)境保護、生態(tài)修復(fù)逐漸成為全社會關(guān)注的焦點。中央相繼提出了生態(tài)文明建設(shè)、長江經(jīng)濟帶生態(tài)修復(fù)、黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展等戰(zhàn)略目標，推進綠色發(fā)展理念。在水生生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和水質(zhì)改善方面，水生植物發(fā)揮著重大作用并受到廣泛的關(guān)注。植物修復(fù)具有操作簡單、成本低、生態(tài)友好并能增強生態(tài)可持續(xù)性等特點，可原位修復(fù)污染水域（Odoh et al.，2019）。但是在運用水生植物進行生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)時，仍存在許多問題。

許多湖泊及河流利用水生植物進行水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)的效果不顯著，滇池自20世紀90年代起開始通過生態(tài)建設(shè)與恢復(fù)工程進行水環(huán)境的綜合治理，但截至2016年沉水植物蓋度僅占10%左右，且水質(zhì)仍未見根本好轉(zhuǎn)（王琦等，2018）。作為水質(zhì)凈化先鋒種引入河流或湖泊的水生植物會因控制管理不佳而阻礙生態(tài)修復(fù)的進程。如菹草（Potamogeton crispus）是一種具有較強耐污能力的沉水植物且對弱光的適應(yīng)性強，能大量吸收氮磷營養(yǎng)物及重金屬，對于控制水體富營養(yǎng)化具有極大意義（Zhou et al.，2017）。但由于菹草的生長能力較強，在水生生態(tài)系統(tǒng)中若不對其加以控制，群落會不斷擴張，山東省東平湖中的菹草群落在 1985—2017年間由零星式分布發(fā)展為全湖連片式分布（梁莉莉等，2019），由此引發(fā)湖泊物種單一、限制其他水生植物生長的問題。與此同時，到了夏季大片菹草整株死亡釋放營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)會導致水體二次污染（Du et al.，2014）。在管控水生植物的過程中，發(fā)揮水生植物的資源化利用潛力至關(guān)重要。南四湖新薛河人工濕地曾引入蘆竹（Arundo donax）以改善當?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境，蘆竹具有較強的環(huán)境適應(yīng)性及水質(zhì)凈化能力，可有效改善水質(zhì)（侯端環(huán)等，2008）。但由于對蘆竹的經(jīng)濟價值認識不足及周圍產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化，致使出現(xiàn)無人管理、收割蘆竹的情況，原本的人工生態(tài)系統(tǒng)逐步變成半自然生態(tài)系統(tǒng)，既沒有實現(xiàn)徹底的水質(zhì)凈化也沒有取得經(jīng)濟效益，阻礙了“退耕還濕”政策的推進。

因此，目前在利用水生植物進行生態(tài)修復(fù)的過程中仍存在一定的盲目性，對于水生植物的生長條件及生長特性、生態(tài)修復(fù)適宜程度及資源利用潛力等方面認識不足。為提高水生植物生態(tài)修復(fù)效率并避免水生植物物種選擇的盲目性，本文從水生植物的功能、生長特性和生物量資源化3個方面來闡述水生植物水質(zhì)凈化與生態(tài)修復(fù)的適應(yīng)度及潛力，建立如表1所示的指標體系，為水生植物在生態(tài)修復(fù)工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

表1 水質(zhì)凈化與生態(tài)修復(fù)植物優(yōu)選指標體系Table 1 The optimization index system of water purification and ecological restoration plant

1 功能指標

1.1 水質(zhì)凈化能力

1.1.1 促進懸浮物沉降

水體中懸浮物（SS）的含量是影響水體透明度和光學衰減系數(shù)的重要因素，含量高時會削弱水下光強，對植物光合作用和水體初級生產(chǎn)力產(chǎn)生不良影響（Chandra et al.，2021）。因此，降低水中懸浮物含量是水質(zhì)凈化與生態(tài)修復(fù)工作的重要部分。水生植物可通過根莖和葉片的攔截吸附作用、減緩水流和風浪擾動或通過表面微生物分泌黏液的凝聚作用有效降低水中懸浮物的濃度（Hanafiah et al.，2018；喬娜等，2016）。對于懸浮物濃度較高亟需治理及對懸浮物指標要求較高的水域，需選用具有根莖粗壯發(fā)達、葉片寬大肥厚、邊緣具齒或葉片生長密集特點的水生植物，以達到降低水中懸浮物的良好效果，如蓮（Nelumbo nucifera）、蘆葦（Phragmites communis）、香蒲（Typha orientalis）、菹草、穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）、光葉眼子菜（Potamogeton lucens）等（喬娜等，2016）。

1.1.2 水體增氧

水生植物光合作用產(chǎn)生的氧氣可以通過根系釋放到周圍水體中，有效提高水體的溶解氧含量并引起水體pH值、氧化還原電位和養(yǎng)分利用效率等性質(zhì)的變化，改變微生物群落組成，從而表現(xiàn)出不同的生態(tài)修復(fù)能力（Sun et al.，2019）。水體溶解氧含量與水質(zhì)情況密切相關(guān)，溶解氧含量低的水域往往會出現(xiàn)水質(zhì)劣化、生態(tài)系統(tǒng)受損，最終出現(xiàn)發(fā)黑發(fā)臭的現(xiàn)象（Rixen et al.，2010）。因此，維持適當?shù)娜芙庋鹾渴撬参锶コ形廴疚锏那疤?。水生植物的泌氧量與生物量、相對生長速率呈顯著正相關(guān)，研究表明，香蒲、美人蕉（Canna indica）、燈芯草（Juncus effusus）、紙莎草（Cyperus papyrus）、菖蒲（Acorus calamus）、千屈菜（Lythrum salicaria）、水芹（Oenanthe javanica）、蘆竹等須根系植物泌氧能力較強。水生植物的泌氧能力會影響污染物凈化中微生物的好氧過程，因而會影響污染物的凈化效率，應(yīng)根據(jù)實際凈化需求選取具有適宜泌氧能力的水生植物。

1.1.3 藻類抑制

水中藻類含量過高會引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題，包括水中透明度低、溶解氧不足、水生生物死亡、食物鏈多樣性破壞等，影響水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡（Li et al.，2021）。其中，由于藻類會與水生植物競爭光照、養(yǎng)分，從而在藻密度過大的水域常常會影響水生植物的生長，特別是在沉水植物修復(fù)的工程應(yīng)用中，表層水中過量藻類的存在會阻礙沉水植物生態(tài)作用的發(fā)揮。因此，控制水中藻類含量對水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用。水生植物可以通過與藻類競爭養(yǎng)分、光照等非生物因素抑制藻類的生長，或通過分泌化感物質(zhì)達到抑藻效果（Zhu et al.，2021）。研究表明，金魚藻（Ceratophyllum demersum）、穗花狐尾藻、水蘊草（Egeria densa）、菹草、苦草（Vallisneria natans）、黃菖蒲（Iris pseudacorus）、狹葉香蒲（Typha angustifolia）、千屈菜（Lythrum salicaria）、蘆葦、荇菜（Nymphoides peltatum）等對常見水華藻類具有較好抑制效果且存在植物最佳抑制生物量（Xian et al.，2007；Nakai et al.，2010；Zuo et al.，2015；Zhang et al.，2019）。因此，運用水生植物的化感抑藻時可選擇合適的水生植物并結(jié)合投入的最佳生物量及化感物質(zhì)濃度狀況，實現(xiàn)良好的抑藻效果。

1.1.4 氮、磷吸收及蓄積

隨著人類活動產(chǎn)生的氮、磷元素大量進入自然水體，水中出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象，并可能引發(fā)藻華等生態(tài)危機，由此危害生態(tài)環(huán)境。調(diào)控水中氮、磷含量是河流、湖泊等水體普遍需要且應(yīng)持續(xù)進行的治理工作。氮、磷是水生植物生長所必須的營養(yǎng)元素，水生植物通過同化作用、植物吸附與附著微生物的協(xié)同作用可大量去除水體中的氮、磷營養(yǎng)物（Li et al.，2015）。氮、磷在水生植物中的蓄積情況可通過氮磷儲量衡量，氮磷儲量越大的植物對水體中相應(yīng)營養(yǎng)鹽的吸收潛力也越大。氮磷儲量能反映植物在不同水體中對營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)移能力，根據(jù)植物對營養(yǎng)元素的蓄積閾值，合理選擇植物的收割時間能更好地發(fā)揮植物的凈化功能。

水生植物的營養(yǎng)鹽去除能力常受其本身的生物量、氮磷儲量等因素影響，所以凈化效率因種而異。研究表明，鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）、大薸（Pistia stratiotes）、蘆葦（Phragmites communis）、再力花（Thalia dealbata）、浮萍（Lemna minor）等都屬于高效凈化氮磷營養(yǎng)物的水生植物，被廣泛應(yīng)用于水中氮磷營養(yǎng)鹽的凈化（Iamchaturapatr et al.，2007；張倩妮等，2019）。此外，在不同的環(huán)境條件下，如水體富營養(yǎng)化程度、水力停留時間、其他微污染物的共存等，水生植物的去除能力也表現(xiàn)出不同特征，因此要實現(xiàn)氮磷營養(yǎng)物的高效去除需要選用高效植物并在適宜的條件下進行（Qin et al.，2019）。

1.1.5 促進有機污染物降解

水中有機污染物種類多樣且成分復(fù)雜，有機物分解會大大降低水中溶解氧含量從而破壞水生環(huán)境，而不易分解的有毒有害成分在水體中持續(xù)存在則會對水生生物產(chǎn)生不利影響，還有些有機物會與重金屬等螯合改變重金屬毒性和遷移行為從而引發(fā)危害（Ravich，2004）。水中有機物的濃度水平常通過 COD進行表征，并且國家各水質(zhì)標準都對COD數(shù)值進行了限制。水生植物可通過吸收、吸附、截留及附著微生物的降解作用來降低水中COD值。微生物的附著生長情況及泌氧能力是影響水生植物COD去除率的重要因素，氣溫、pH、水體營養(yǎng)狀況等環(huán)境因素也會影響COD去除效率（周玥等，2016）。蘆葦、美人蕉、香蒲、旱傘草（Cyperus alternifolius）、再力花、鳳眼蓮等對COD的去除能力較強。但是，值得注意的是水生植物本身還具有向水體釋放有機物的能力，包括根系分泌物和殘體分解釋放，因此在選用水生植物凈化水體時需關(guān)注其本身對水體 COD影響情況。旱傘草、再力花屬于COD釋放量較高的水生植物（孫金昭等，2016）。

有機物中包含一類環(huán)境中含量較低、有毒有害且難降解、危害極大的物質(zhì)，即微量有機污染物，包括藥品和個人護理品、內(nèi)分泌干擾物、持久性有機污染物、消毒副產(chǎn)物等。研究證實，水生植物具有一定去除各種微污染物的能力（Hijosa-Valsero et al.，2010；Liu et al.，2016；Matamoros et al.，2012；Lv et al.，2016）。但是與水生植物的種類相比，具體污染物去除情況更多受污染物的性質(zhì)影響，特別是污染物的脂溶性和水溶性。研究表明，正辛醇/水分配系數(shù)對數(shù)（logKOW）在0.5—3.5范圍內(nèi)的物質(zhì)既具有親脂性也具有水溶性，可穿過植物細胞膜的雙層脂質(zhì)并進入細胞液，被植物吸收（Chen et al.，2001）。此外，污染物logKOW越大就越易在植物根部富集（Zhang et al.，2012）。因此，需根據(jù)水體中污染物的具體性質(zhì)來選擇具體修復(fù)方式。

1.1.6 重金屬吸附沉淀

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的重金屬可通過一定途徑進入水體中，由于重金屬具有毒性、難降解性、生物積累性等有害特征，大量存在必然會威脅到水體的生態(tài)安全性（柳后起等，2020）。因此，降低水中重金屬含量是水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)工作中不可缺少的內(nèi)容之一。水生植物可通過植物提取、植物過濾、植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)和植物降解等途徑固定或轉(zhuǎn)化水體中一些常見的重金屬如鐵、銅、鎘、鉛、錳等（Ali et al.，2013）。水生植物對重金屬的吸收積累能力與植物的生活類型有關(guān)，一般表現(xiàn)為沉水植物＞漂浮、浮葉植物＞挺水植物，根系發(fā)達的水生植物＞根系不發(fā)達的水生植物（李春華等，2018）。鳳眼蓮、大薸、香蒲、旱傘草、眼子菜、輪葉狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）能去除的重金屬類型比較廣泛且去除效率較高。此外，水中離子競爭、pH、鹽度、光照、氣溫、其他重金屬的存在等環(huán)境因素均會影響水生植物的重金屬凈化效率，通過優(yōu)化環(huán)境條件也可以提高水生植物對重金屬的凈化能力（Shahid et al.，2020；史廣宇等，2021）。收獲水生植物可達到將重金屬從水體中去除的目的，但需注意重金屬在植物體內(nèi)可能產(chǎn)生過量積累，需要妥善處置吸收了重金屬的植物，避免造成進一步的環(huán)境污染。

1.2 生態(tài)修復(fù)能力

1.2.1 水生植物群落構(gòu)建能力

恢復(fù)水生高等植物往往是人工種植水生植物進行生態(tài)修復(fù)的核心，而水生植物的茂盛程度也是衡量生態(tài)修復(fù)成效的關(guān)鍵指標（秦伯強等，2005）。選擇具有較強群落構(gòu)建能力的水生植物對生態(tài)修復(fù)工作的有序開展至關(guān)重要。水生植物能否在水體中穩(wěn)定生長并擴散成群取決于水生植物的生態(tài)位寬度、繁殖能力、不同植物間組合的穩(wěn)定性及環(huán)境條件的適宜情況等。生態(tài)位寬的水生植物具有較大的競爭優(yōu)勢，研究表明漂浮植物的光競爭能力和根系吸收能力較強，生態(tài)位寬度顯著高于浮葉植物，在對人工重建的水生植物演替情況的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)浮葉植物幾乎完全被漂浮植物所取代（王文林等，2009）。同時，盡量避免選擇生態(tài)位重疊的水生植物組合且注意植物時間序列及空間結(jié)構(gòu)的分離，可有效減少植物對環(huán)境資源的競爭并增強群落穩(wěn)定性。當生態(tài)位重疊發(fā)生時，具有強繁殖能力的物種通常具有穩(wěn)定形成種群的能力。因此，選擇生態(tài)位較寬、繁殖能力較強且適應(yīng)性較好的水生植物能在長時間尺度的群落演替過程中占據(jù)主導地位。

1.2.2 提高水生動物多樣性能力

提高水生動物多樣性是水生植物的生態(tài)價值的另一種體現(xiàn)，也是選擇生態(tài)修復(fù)水生植物的重要指標。水生植物的存在可為植食性和雜食性水生動物提供天然餌料。浮萍、鳳眼蓮、大薸、伊樂藻、苦草、黑藻（Hydrilla verticillata）等漂浮植物和沉水植物營養(yǎng)成分含量，水生動物對其消化率和粗蛋白質(zhì)利用率均較高，其粗纖維含量低、適口性好且營養(yǎng)價值較高，是河蟹、草魚、團頭魴等常見水生動物重要的食物來源（孟祥雨等，2013）。此外一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、葉片寬闊的沉水植物和挺水植物是粘性魚卵如麥穗魚卵、鯉魚卵、鯽魚卵良好的產(chǎn)卵介質(zhì)（王金慶等，2014）。莖葉寬大、生長茂密的水草可以為魚、蝦、蟹等動物提供育幼場和庇護所，避免種內(nèi)斗爭或捕食。在水生植物栽種后，可通過整個水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性提升效果，衡量水生植物的生態(tài)修復(fù)能力。

1.2.3 生態(tài)風險

在實際生態(tài)修復(fù)工程中，可能由于對水生植物的生長習性和生物活性等認識不足而引發(fā)生態(tài)危機（葉有華等，2020）。一些適應(yīng)性極強的水生植物在異地引種后可能會與本地物種競爭光照、養(yǎng)分而大面積取代本地物種，造成生物多樣性銳減并阻礙生態(tài)修復(fù)進程。此外，外來水生植物還可通過化感作用使部分土著物種難以生存，除了產(chǎn)生抑藻的正面效應(yīng)外，還可能對一些伴生的水生植物產(chǎn)生毒害作用，引起群落更替（Hierro et al.，2003）。鳳眼蓮、喜旱蓮子草（Alternanthera philoxeroides）、水盾草（Cabomba caroliniana）、再力花、伊樂藻等具有良好生態(tài)修復(fù)潛力的物種在中國屬于外來入侵水生植物，需慎重選用，充分了解其生長習性并做好管控工作。水生植物的生態(tài)安全性可從物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、人類健康和社會經(jīng)濟等方面展開評價，是工程應(yīng)用中需要考慮的重要指標。

2 生長特性指標

2.1 生活型

依據(jù)水生植物的形態(tài)特征及其對水體的適應(yīng)性，水生植物的生活型包括挺水植物、浮葉植物、漂浮植物和沉水植物。水生植物適應(yīng)水深與生活型密切相關(guān)，如圖1所示（Robert et al.，1983）。除此之外，不同生活型水生植物的泌氧能力、抑藻能力、微生物附著生長能力及污染物凈化能力都具有不同的特點。研究表明，挺水植物和沉水植物通常是水體修復(fù)和水質(zhì)凈化中作用較大的兩種類型。明確水生植物的生長形態(tài)及其所適宜生長和修復(fù)的水域范圍，可根據(jù)不同水體環(huán)境特點和不同水生態(tài)修復(fù)工作目標選擇適用的水生植物類型，以確保植物良好的生長狀態(tài)和高效的修復(fù)效率。

圖1 水生植物莖葉與水關(guān)系及適應(yīng)水深Fig. 1 Relationship between stems and leaves of aquatic plants and water and adaptive depth

挺水植物是指根及根狀莖生長在水體底泥中，莖和葉挺出水面的水生植物，適應(yīng)水深為0—1.5 m（吳振斌，2011）。挺水植物通常適用于處理淺水區(qū)域的污水，可以在沿岸地帶引植，在人工濕地中的應(yīng)用也較為廣泛，常見應(yīng)用種類包括蘆葦、水葵（Pontederia cordata）、美人蕉（Canna indica）、水蔥（Scirpus validus）、黃菖蒲等。沉水植物是指大部分生活周期內(nèi)營養(yǎng)體全部沉沒水中，植株扎根基底的水生植物（陳耀東，2012）。沉水植物適宜的水深范圍較廣，可在0.3—6 m的水域內(nèi)生長，是目前較高效的原位去除水體中污染物的水生植物（吳振斌，2011）。由于水底光照限制，對于藻密度和濁度較高的水域，需要經(jīng)過一定處理提高水體透明度后再栽種沉水植物進行修復(fù)。常見修復(fù)植物包括苦草（Vallisneria natans）、矮慈姑（Sagittaria pygmaea）、金魚藻等。浮葉植物是指植株扎根基底，光合作用部分僅葉漂浮于水面或僅部分葉漂浮于水面的水生植物，其適應(yīng)水深范圍為0.15—5 m，可與其他生活型植物組合達到凈化水質(zhì)和美化景觀的作用（吳振斌，2011）。常見用于水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)的浮葉植物主要有睡蓮（Nymphaea tetragona）、荇菜、水鱉（Hydrocharis dubia）、菱（Trapa bispinosa）等。漂浮植物是指整個植物體浮懸水面，根在水面下但不接觸基底的水生植物，所需水深能使植株漂浮即可（吳振斌等，2011）。漂浮植物中的鳳眼蓮、大薸、浮萍等植物生長速度快、適應(yīng)能力較強、養(yǎng)分去除能力顯著，適用于處理氮磷含量較高的生活污水和工業(yè)廢水。

2.2 溫度

水生植物的生長通常都有適宜的溫度范圍，水溫的變化會通過影響光合作用、呼吸作用及細胞分裂和伸長來影響水生植物的生長、生理特征，溫度過高或過低都不利于水生植物的生存（Zhang et al.，2020），因此生態(tài)治理工作需要掌握不同水生植物的適宜溫度范圍。水生植物一般能在 5—35 ℃的溫度范圍內(nèi)正常生長，其中大部分植物的適宜水溫為10—30 ℃，為常溫種，在春夏季生長較為旺盛，如苦草、穗花狐尾藻、金銀蓮花、芡實（Euryale ferox）、菰（Zizania latifolia）、菖蒲（Acorus calamus）、小香蒲（Typha minima）、水燭（Typha angustifolia）、寬葉香蒲（Typha latifolia）、假馬齒莧（Bacopa monnieri）、旱傘草等（趙家榮等，2003；陳耀東等，2012）。部分水生植物能夠在小于10 ℃的低溫下維持生長，為耐低溫種，在秋冬春低溫季節(jié)仍能保持正常生長。如菹草、水毛茛（Batrachium bungei）、粉綠狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）、香菇草（Hydrocotyle vulgaris）、鳶尾（Iris ptectorum）、菖蒲等（于丹，1994；周金波等，2011）。此外，能夠在30 ℃以上生長的水生植物具有耐高溫的特性，為耐高溫種，如水蘊草（Egeria densa）、金魚藻、鳳眼蓮、大薸、槐葉萍、荷花（Nelumbo nucifera）、梭魚草、蕹菜等（趙家榮等，2003；陳耀東等，2012；白明等，2014）。利用水生植物進行生態(tài)修復(fù)時，在不同溫度特點的地區(qū)，應(yīng)選擇合適的水生植物。

2.3 水體pH

pH會通過影響水中溶解性無機碳的存在形式而影響水生植物的光合作用（Wetzel，2001）。游離的CO2是最主要的用于光合作用的溶解性無機碳形式，一定條件下也可利用HCO3?。因此，較高的pH條件不利于水生植物的生長。而高pH還會加劇非離子態(tài)氨的解離，從而會對水生植物生長有一定的抑制作用（Wang，1991）。多數(shù)水生植物的pH適宜范圍在6—8左右，為中性種，如伊樂藻、金魚藻、大薸、紫萍（Spirodela polyrrhiza）、睡蓮、蘆葦、旱傘草、石菖蒲（Acorus tatarinowii）等（種云霄等，2003；韋三立，2004；白明等，2014）。可在pH大于8的水體中正常生長的水生植物具有耐堿特性，為耐堿種，如苦草、穗花狐尾藻、浮萍（李恒，1987；李益健等，1996；種云霄等，2003）。部分水生植物可在pH小于6的水域中正常生長，具有耐酸特性，如穗花狐尾藻、黑藻、金魚藻、萍蓬草、水芹等（韋三立，2004；白明等，2014）。

2.4 生物量

水生植物的生物量是指在單位空間內(nèi)植物的重量，在一定程度上能指示水生植物的個體大小，水體水生植物生物量的恢復(fù)與管理對于水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)工作的開展十分重要。依據(jù)水生植物的生物量水平可以將水生植物分為高生物量植物、低生物量植物和中等生物量植物，生物量大于 1 kg·m?2的水生植物屬于高生物量水平，如鳳眼蓮、蘆葦、香蒲、美人蕉等（Sudiarto et al.，2019；林劍華等，2015）；而生物量小于 0.5 kg·m?2的水生植物屬于低生物量水平，如金魚藻、伊樂藻、槐葉萍、浮萍等（Zhou et al.，2017；El-Sheekh et al.，2018；Thompson et al.，2019）；介于兩者之間的水生植物屬于中等生物量水平，如黑藻、再力花等（Zhou et al.，2017；林劍華等，2015）。

水生植物生物量會直接影響其污染物去除能力，植物生物量與根系泌氧量之間呈顯著正相關(guān)，且生物量大的植物有利于微生物附著，同時氮磷儲量也相應(yīng)較大（林劍華等，2015）。但值得注意的是，成倍增加的生物量并不會使水中的污染物去除率成倍增加，反而會由于生物量密度過大導致生存空間不足而不利于水生植物生存，使植物死亡、腐爛從而影響水質(zhì)（Portielje et al.，1999）。大量水生植物殘體的堆積將會導致生態(tài)淤積，從而造成水體沼澤化，減小水域面積并阻塞航道（谷孝鴻等，2005）。也有研究表明即使在收割利用水生植物的情況下，挺水植物和浮葉植物的單位面積干物質(zhì)殘留量是沉水植物的 4—5倍，將會增加水體的生物沉積量，加速沼澤化進程。因此，植物生物量過大也會增加生態(tài)修復(fù)工程開展的負擔，結(jié)合生長繁殖特性選擇適宜生物量的植物并加以管控，是工程應(yīng)用中必不可少的環(huán)節(jié)。

2.5 生長速率

生長速率是水生植物生物量的增加率，反映了水生植物生長的旺盛程度。生長速率受環(huán)境條件和底泥及水體的營養(yǎng)程度的影響較大，且不同種類表現(xiàn)出不同的規(guī)律。衡量水生植物生長速率的指標主要有絕對生長速率（AGR）和相對生長速率（RGR），絕對生長速率代表單位時間內(nèi)水生植物生物量的絕對增加量，相對生長速率代表水生植物單位生物量對生物量變化率的瞬時值，可以縮小由植物本身生物量差異帶來的數(shù)據(jù)變異性（邱念偉等，2007）。水生植物的生長速率可以劃分為快速、慢速和中等速率。AGR＞10 g·m?2·d?1或 RGR＞0.1 mg·g?1·d?1的水生植物生長率較快，如鳳眼蓮、大薸等（Sudiarto et al.，2019；秦紅杰等，2016）；AGR＜5 g·m?2·d?1或RGR＜0.05 mg·g?1·d?1的水生植物生長率較慢，如菖蒲、馬蹄蓮、梭魚草等；介于兩者之間的水生植物生長速率處于中等水平，如輪葉狐尾藻、蘆葦、千屈菜等（楊皓然，2016）。

在選用水生植物進行生態(tài)修復(fù)時，需考慮植物的生長速率。水生植物的污染物去除能力與其生長速率存在一定正相關(guān)關(guān)系（Riis et al.，2019；張倩妮等，2019），但需要注意的是生長速率較快的植物可能不易控制甚至出現(xiàn)大面積擴張的情形而引起更大的危害（Boudouresque et al.，2002；Brundu，2015）。因此，了解水生植物的生長速率有助于判斷其對于污染物的去除能力并為水生植物的管理提供依據(jù)。

2.6 營養(yǎng)吸收的主要部位

水生植物根、莖、葉的吸收作用是去除水和底泥中氮、磷營養(yǎng)鹽的主要途徑，通常情況下水生植物的莖葉多吸收水中的氮、磷元素，而根或根狀莖多吸收底泥中的氮、磷元素。水生植物各部位對氮、磷營養(yǎng)鹽的吸收受到植物生理形態(tài)、底泥間隙水與上覆水中營養(yǎng)鹽濃度比及水流情況的影響（Carignan，1982；Madsen et al.，2002）。對于挺水植物而言，由于大部分莖葉挺出水面，因此主要由根部從沉積物中吸收養(yǎng)分，莖從水體中少量吸收養(yǎng)分。而沉水植物整株生活在水面下，根、莖、葉均能從水體中吸收營養(yǎng)物質(zhì)。一般情況下根系吸收是沉水植物獲取氮、磷和微量元素的主要途徑，葉片吸收則是獲取鈣、鎂、鈉、鉀和硫酸鹽等元素的主要途徑（Barko et al.，1991）。也有研究證實植物可以通過莖、葉獨立吸收養(yǎng)分（Zhou et al.，2017）。了解水生植物各部位吸收營養(yǎng)鹽的貢獻情況，可以根據(jù)水體的污染特點選擇相應(yīng)類型的植物進行水質(zhì)凈化，增加選擇的針對性。

2.7 錨定（抗水流沖擊、風浪擾動）能力

水生植物在自然水域中常常會受到一系列機械脅迫，水生植物生態(tài)修復(fù)工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)實際種植的植物常因受到大風、暴雨等惡劣天氣影響而出現(xiàn)連根拔起、生物量減小甚至死亡的現(xiàn)象，因此水生植物抵御這些外界干擾因素的能力是影響生態(tài)修復(fù)效果的重要指標（Havens et al.，2001）。水生植物的錨定能力是指水生植物通過根系及莖部將植株固定于底泥中的能力，即抗水流沖擊、風浪擾動等外力影響的能力。水生植物由于形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異，抵御外界機械脅迫的策略也有所不同。挺水植物直立挺拔，莖較粗壯可支撐植物重量，在水流和風浪作用下采取“強度和硬度”機械抵抗應(yīng)對策略。而沉水植物、浮葉植物和漂浮植物在浮力作用下，無需莖、葉支撐即可保持直立狀態(tài)，只需具有承受一定水流拖曳作用的柔韌性，采取“柔韌和延展”機械抵抗應(yīng)對策略（祝國榮等，2017）。此外，在沉積物中扎根形成的半球型表面面積、底泥粘性和根系強度都會影響水生植物的錨定能力（Schutten et al.，2005）。因此，在水生植物生態(tài)修復(fù)工程中需要選擇根系發(fā)達、莖部粗壯的水生植物以應(yīng)對不良天氣環(huán)境因素的干擾，確保后續(xù)修復(fù)工作的持續(xù)進行。

3 生物量資源化利用

人工種植的水生植物若不加以管制極有可能出現(xiàn)瘋長、腐爛分解等現(xiàn)象，不僅影響視覺效果，更會影響水生植物的凈化效率，甚至會對水體產(chǎn)生二次污染（Xu et al.，2014）。若在篩選水生植物進行生態(tài)修復(fù)時認識并考慮其資源化利用潛力，選擇具有較高經(jīng)濟效益的水生植物，則有利于推進水生植物管理與控制工作的實施，在發(fā)揮本身生態(tài)價值的同時產(chǎn)生附加的經(jīng)濟效應(yīng)。表2總結(jié)了常見水生植物的資源化利用途徑及相應(yīng)的植物特點，水生植物生物量一般可用于能源燃料生產(chǎn)、造紙、制備生物炭、作肥料和飼料以及食藥用等。鳳眼蓮、蘆葦、香蒲等水生植物的利用途徑較為廣泛，屬于資源化利用潛力相對較大的水生植物。

表2 常見水生植物的資源化利用途徑Table 2 Resource utilization ways of common aquatic plants

4 結(jié)論

水生植物具有良好的水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)潛力，在實際應(yīng)用中應(yīng)從功能、生長特性和資源化利用等3個方面考慮不同水域的植物適用性。功能指標是篩選植物的核心指標，可分為水生植物的水質(zhì)凈化能力和生態(tài)修復(fù)能力。水生植物的水質(zhì)凈化能力包括促進懸浮物沉降、水體增氧、藻類抑制、氮磷吸收及蓄積、促進有機污染物降解及重金屬吸附沉淀能力，而生態(tài)修復(fù)能力則可從水生植物的群落構(gòu)建能力、促進水生動物生長發(fā)育能力及生態(tài)安全性角度加以評判。生長特性是植物生長的基礎(chǔ)指標，水體水深、水溫、pH等環(huán)境條件是影響水生植物生長的重要因素，需要根據(jù)待修復(fù)水域的環(huán)境條件特征進行水生植物的選擇。水生植物的生物量、生長速率、營養(yǎng)吸收部位和錨定能力等指標與植物種類和環(huán)境條件相關(guān)并能直接影響其水質(zhì)凈化能力和生態(tài)修復(fù)效果，也可以作為管控依據(jù)。在水生植物的資源化利用方面，選擇具有工業(yè)原料用途、食藥用途、生物能源用途等多種利用途徑的水生植物既能凈化水體，又能產(chǎn)生經(jīng)濟效益，并避免水生植物在水體中自然腐爛而引發(fā)的二次污染。