張力 王麗君 陳亮 陳義浦 徐彬 李萍

（南京市水利規(guī)劃設(shè)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(zhuǎn)的基礎(chǔ)［1］。水生植物不僅能起到凈化水質(zhì)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(fù)［2］。水生植物在河湖生態(tài)治理中得到了廣泛的應(yīng)用，與傳統(tǒng)物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，水生植物修復(fù)技術(shù)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(xué)方法結(jié)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?yīng)用，特別是規(guī)?；O(shè)計方面的研究。本文試圖通過對前人研究的探討，從規(guī)?；瘧?yīng)用設(shè)計角度出發(fā)，對水生植物在水生態(tài)治理中的應(yīng)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(xué)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(yīng)濕生生境的植物。根據(jù)造景功能、形態(tài)特征及生活習(xí)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(yīng)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(fù)和治理中的作用

水生植物在水生態(tài)修復(fù)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(zhì)進行吸附、分解或轉(zhuǎn)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(zhì)、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(zhì)、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(dǎo)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(yīng)種植在光照充足的區(qū)域；沉水植物種植區(qū)應(yīng)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(guān)鍵時期3—6月的透明度與水深之比為驅(qū)動變量構(gòu)建了系列的沉水植物生物量關(guān)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(yīng)主要包括形態(tài)特征、生物量、物種分布和物種結(jié)構(gòu)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(yīng)以水深30～100 cm為宜，沉水植物可適應(yīng)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(zhì)

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(dǎo)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(zhì)pH值以6.0～8.5為宜；沉水植物水質(zhì)要求潔凈，水體適宜的pH值為6.0～9.0之間，水體的化學(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(zhì)

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(xué)性質(zhì)要大。底質(zhì)條件是否符合水生植物生長，不僅取決于底質(zhì)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?qū)臃e淤泥，pH值以6.0～8.5之間為宜，種植前對土壤應(yīng)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(yīng)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(fù)［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(yīng)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(shè)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(fù)應(yīng)以營造水生植物適宜的生境條件為先，在設(shè)計工作前期應(yīng)對水生植物恢復(fù)區(qū)的光照強度（透明度）、水深、水溫、水質(zhì)、水體流速、底質(zhì)及水生動物等基礎(chǔ)生境條件進行調(diào)查，選擇適合的生境條件引導(dǎo)水生植物恢復(fù)。此外，水生植物在水生態(tài)治理中的設(shè)計還應(yīng)考慮品種選擇、空間布局、種植密度、種植季節(jié)、輔助技術(shù)及環(huán)境效益等相關(guān)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(yīng)能力的水生植物；選擇種植水生植物的品種應(yīng)考慮生態(tài)平衡的需求；應(yīng)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(zhì)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(jié)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(shè)計需要，從水體的深水區(qū)至陸地沿岸帶，應(yīng)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(yīng)用時，應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)充分考慮水生植物與周邊環(huán)境的空間關(guān)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(shè)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(xué)習(xí)性和生態(tài)習(xí)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(yīng)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(yīng)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(fēng)條件差、光照差等問題，易導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(shù)

水生植物恢復(fù)應(yīng)遵循自然規(guī)律，以自然恢復(fù)為主，輔以人工恢復(fù)。人工恢復(fù)只是在關(guān)鍵的節(jié)點上利用人類的力量啟動和促進自然恢復(fù)過程。在水生植物恢復(fù)的初期，可多借助人工恢復(fù)的力量，以后恢復(fù)過程還是應(yīng)以自然恢復(fù)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(dǎo)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(gòu)建圍隔減弱圍隔內(nèi)外水體的自由交換，有效抵御外界風(fēng)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(fù)。

5.6 環(huán)境效益

前文已經(jīng)對水生植物在水生態(tài)修復(fù)和治理中的作用進行了定性的簡述，但是實際設(shè)計過程中時常需要對水生植物恢復(fù)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(yīng)動力學(xué)公式Ct＝Coe-kt，式中，Co為某污染物的初設(shè)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(yīng)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(guān)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(shè)計蘆葦恢復(fù)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(jié)語

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