蔡晨晨 汪維峰 卜巖楓 黃棟 劉秋亞 王飛飛 黃順 林媛媛 周國偉

摘要 沉水植物群落恢復是水生態(tài)修復中的核心措施之一，受到多種環(huán)境因素的制約，水體底部條件對沉水植物定植與存活有著直接限制。在我國的水生態(tài)修復工程實踐中，常常會遇到水體多種復雜的底部條件，如沙質土、卵石底、新開挖硬質底部、硬化處理的底部等。在這些復雜底部條件下，往往很難直接實現沉水植物的定植和恢重?？偨Y分析了典型的水體底部條件對沉水植物定植、生長和繁殖的影響，以及目前不同底部條件下沉水植物恢復的技術應用和研究進展?；谀壳皣鴥韧饧夹g研究及工程實踐現狀，建議在綜合水質凈化、生物多樣性恢復、生態(tài)保育等方面加強復雜底質水體沉水植物恢復的復合技術。

關鍵詞 沉水植物；復雜底質；生態(tài)系統(tǒng)；植被恢復

中圖分類號 X173? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）13-0014-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.13.003

Research Progress of Restoration Technology of Submerged Macrophytes under Complex Sediment Conditions

CAI Chen-chen，WANG Wei-feng，BU Yan-feng et al

（Zhejiang Zhongyu Ecological Environmental Technology Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310000）

Abstract The restoration of submerged macrophytes community is one of the core measures in the ecological restoration of the aquatic environment.The success of the restoration depends on the colonization and survival of submerged macrophytes，which is influenced by many environmental factors，such as the conditions of the hypolimnion and sediments.The previous restoration projects in China indicated a variety of frequently encountered complex hypolimnion and sediment conditions that impeded the restoration process of submerged macrophytes，such as sandy soil，pebble bottom，newly excavated hard bottom，and hardened bottom.This work reviews and summarizes the typical hypolimnion and sediments conditions，their impact on the restoration process，and the associated restoration techniques and research findings.Based on the current status of technical research and engineering practice both domestically and internationally，it is recommended to improve the restoration technology through enhancing water quality purification，biodiversity restoration，and ecological conservation.

Key words Submerged macrophytes;Complex substrate;Ecosystem;Vegetation restoration

基金項目 國家自然科學基金項目（42107143）。

作者簡介 蔡晨晨（1989—），女，浙江松陽人，工程師，碩士，從事水生態(tài)修復研究。通信作者，副教授，博士，從事環(huán)境微生物研究。

收稿日期 2023-01-03

沉水植物位于水體的兩大營養(yǎng)庫（上覆水和底泥）的物質交換區(qū)，影響著水生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的穩(wěn)定性。沉水植物群落的恢復、維持是水生態(tài)修復的核心措施之一［1-3］，同時也是水生態(tài)系統(tǒng)管理的重要目標［4］。水體沉水植物群落恢復過程受諸多生物和非生物因素影響，包括光照、水深、水溫、透明度、營養(yǎng)鹽濃度、底質、風浪擾動、流速、種間競爭、捕食壓力和人為干擾［5-8］。其中，關于底質因素，目前的研究主要集中在底質的物理、化學和生物學性質等對沉水植物生長和繁殖的影響［9-12］。在我國水生態(tài)修復實踐中，常常會遇到諸如沙質、卵石底、硬質底部（新開挖、硬化處理）等多種復雜底部條件，這些水體底質條件很難直接實現沉水植物的種植和恢重，但它們在實際工程建設中又承擔著一定的納污和消污功能。水環(huán)境治理急需實施以沉水植物恢復為主的生態(tài)修復措施，以消減污染，促進水體生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展。因此，基于復雜底質條件下沉水植物的有效恢復技術有著強烈的現實需求。

該研究總結分析了典型復雜底質條件對沉水植物生長和繁殖的影響，以及不同底部條件下沉水植物恢復技術的研究和應用進展，以期為復雜底部條件下沉水植物的恢復工程實踐提供應用參考。

1 常見水體底質

依據理化性狀，水體底部主要可分為嵌入型底質、大型底質、糙型底質、細型底質、黏性底質、有機型底質、人工硬化型底質［13］。各類底質條件的具體結構組成見表1。其中，前六類底質類型屬于天然型底質，在我國河湖等各類水域均有廣泛分布。最后一類底質屬于人工型底質，多因防洪、灌溉等需求，使用混凝土將底質進行硬化處理而形成，隨著我國水利工程的逐年發(fā)展，人工硬化底質的數量也在不斷增加。

2 底質性質對沉水植物恢復的影響

底質是影響沉水植物生長的主要因素之一［14］，它不僅具有固定植株的作用，同時能為植被提供微量元素及營養(yǎng)物質，是沉水植物的主要營養(yǎng)來源［15］。長期研究發(fā)現，沉水植物的衰退很大程度上是由于底泥理化性質的改變造成的［16］。底質對沉水植物的影響主要體現在它的物理和化學性質兩個方面［17］。

2.1 底質物理性質對沉水植物的影響

沉水植物的根系直接固定于底質之中，因此底泥物理性質通過直接改變沉水植物根系的生長，進而影響沉水植物的營養(yǎng)吸收及植株的發(fā)育過程［18-19］。底質物理性質的影響主要體現在質地組分與結構、孔隙率及含水率等。不同水域底質組成結構的不同，可以顯著影響植物的生長情況（表2）。從表2可以看出，沉水植物在泥底中都有較好的生長，基本上都是優(yōu)于其他類型的底質，因泥底中含有豐富的氮磷等營養(yǎng)物質，說明高營養(yǎng)底質有利于沉水植物生長。陳開寧等［20］研究了沙石、生土和湖泥3種底質對多種沉水植物（苦草、馬來眼子菜、金魚藻、輪葉黑藻）生長的影響，發(fā)現上述沉水植物在不同底質中的生長情況表現出明顯差異，其中最不適宜的底質為沙石，最適宜的底質為湖泥。張?。?4］通過添加不同比例的建筑用砂構建不同顆粒組成的底質，發(fā)現伊樂藻和菹草在不同顆粒結構底質中的生物量具有明顯差異。底質含水率是指底質中水分質量與固形物干重的比值［25］，與底質孔隙率直接相關?？紫端械臓I養(yǎng)鹽含量直接影響營養(yǎng)鹽在水體與底質之間的交換進程，從而引起上覆水營養(yǎng)鹽含量的變化［18］；同時，底質孔隙能吸附一定的污染物并為微生物提供附著場所［26］，這些因素都與沉水植物的生長密切相關。因此，底質的孔隙率以及含水率也會對沉水植物的生長造成顯著影響，但目前關與孔隙率與含水率對于水生植物影響的研究較少，其具體的作用及影響機理仍需要更多的研究。

在實際的水體生態(tài)修復工程應用中，遇到的諸如沙質、卵石底質、新開挖硬底質和混凝土硬化底質等均不利于沉水植物定植，且缺乏植物生長所需的營養(yǎng)基質，需要進行相應的底質改造后才能實施沉水植物恢復。

2.2 底質化學性質對沉水植物的影響

底質化學性質對沉水植物的影響主要包括化學物質組分、營養(yǎng)物質組成、氧化還原狀態(tài)等方面?；瘜W物質組分主要是指污染物的含量，即底質受污染的程度。近年來，重金屬、難降解有機物等污染物廣泛被發(fā)現于各類水體的底質中［27］，當這些污染物的含量超過沉水植物耐受閾值時，沉水植物的生長將受到脅迫。因此，底質污染較重的水域難以進行沉水植被的恢復。底質營養(yǎng)物質主要指氮磷營養(yǎng)鹽，也有研究將其視為污染物［28］。氮、磷是生命必需元素，可有效促進沉水植物的生長。底質中的營養(yǎng)物質是水生植物重要的營養(yǎng)供給；與浮游植物相比，扎根于底質的沉水植物的生長更依賴于底質的養(yǎng)分［29］。雖然沉水植物的莖葉也可吸收一部分的營養(yǎng)物質［30］，但其生長所需的氮和磷幾乎全部來自底質［31-32］。因此，底質氮磷的含量直接影響沉水植物的生長，過高或過低的氮磷濃度都會抑制沉水植物的存活［33-34］。

由此可見，底泥化學基質顯著影響植物生長，它不僅是沉水植物根定植、生長和繁殖的基礎，也是沉水植物營養(yǎng)和微量元素的主要來源。

3 典型底質條件沉水植物恢復技術

為解決復雜底質水域沉水植物難以定植、成活的問題，國內外進行了多種技術研發(fā)，主要可以歸納為兩類，即原位底質改造技術和人工底質替代技術。

3.1 原位底質改造技術

原位底質改造技術主要是指直接對底質中限制沉水植物定植的因素進行改良從而創(chuàng)造適宜沉水植物生長的底質環(huán)境的技術，主要通過環(huán)保疏浚、底質改良等方法實現。

3.1.1 環(huán)保疏浚。

環(huán)保疏浚是指通過機械的方式將受污染的底泥直接從水域中去除，可快速改變底質環(huán)境，為水生生物的恢復創(chuàng)造條件［35］。同時，由于底質是內源性污染的主要來源，底泥清淤本身也可大量減少水體中氮磷的含量，從而改善水質［4］。因而，環(huán)保疏浚被認為是湖泊富營養(yǎng)水體治理的有效措施，被廣泛應用于國內外的水生態(tài)修復工程中。Sebetich等［36］對未經疏浚的Glenwild湖和疏浚的Kampfe湖的對比研究發(fā)現，清淤后的Kampfe湖水質得到明顯改善，其透明度、溶解氧含量和總磷等指標明顯優(yōu)于Glenwild湖。疏浚技術也應用于我國的滇池［37］、太湖［38］、巢湖入湖河雙橋河［39］等眾多水域工程實踐，具有一定的水質改善效果。但疏浚處理并不是都能達到預期效果，如南京玄武湖在進行清淤疏浚工程后，多項水質指標反而惡化［40］。學界在疏浚技術對于水生態(tài)修復的作用上仍然存在爭議，陸子川［41］結合寧波月湖底泥清淤后氮磷不降反升的情況，指出不當的清淤措施反而會破壞水體的氮磷平衡從而造成更嚴重的污染。過度的清淤還會破壞水域原本的底質生態(tài)系統(tǒng)，而其重建通常需要數年時間［42］。Van der Does等［43］對荷蘭10個湖泊的綜合比較研究指出，并非所有的污染湖泊都需要底泥疏浚，需要根據水文條件、底質性質等綜合評估清淤的可行性。

3.1.2 底質改良。

底質改良劑依據作用機理可以分為物理底質改良劑、化學底質改良劑和生物底質改良劑。物理改良劑是指可以改變底質物理性狀（如孔隙率、結構組成等）從而實現底質環(huán)境改良的制劑，多為天然基質、礦物、新型材料等。董百麗等［44］在種植苦草的底質中添加黏土和砂后，苦草生物量得到大幅度提升。Liu等［45］將硅酸鹽麥飯石礦摻入底質中后種植輪葉黑藻，其生長速率相較于對照組明顯提升。在底泥中添加底質改良劑不僅能促進沉水植物的生長，同時在一定程度上可以提高沉水植物的凈水能力（表3）。錢珍余等［26］發(fā)現磨石、鵝卵石、碎石均能提高苦草的凈水效果且磨石表現出好的促進效果。方坤［47］研究發(fā)現，適量添加生物炭能有效促進多種水生植物的生長以及水質凈化的效率。

化學改良劑是指對底質具有化學改性作用的制劑，通過化學反應對底質污染物進行直接降解或抑制其釋放。曹園城［48］使用磷酸鹽作為改良劑施用于受污染底泥，底泥中的重金屬Pb得到了有效的穩(wěn)定固化。

生物改良劑是指對底質具有生物改性作用的制劑，一般通過投加微生物促生劑或直接接種功能菌種以實現底質中可降解污染物的微生物種群規(guī)模的快速擴張，從而實現底質污染的修復。Beolchini等［49］從環(huán)境中分離的嗜酸氧化硫硫桿菌（Acidithiobacillus thiooxidans）對意大利Livorno港和Piombino港受污染底泥中的砷具有明顯的去除作用。Yan等［50］發(fā)現可降解多環(huán)芳烴的草螺菌屬（Herbaspirillum）可附生于苦草（Vallisneria natans）根系，并增強苦草對多環(huán)芳烴污染底質的耐受程度。孫井梅等［51］利用促生劑與微生物對XX底泥進行聯(lián)合修復后，TN、TOC去除率大幅提升，底泥質量得到明顯改善。

3.2 人工底質替代技術

當原始底質環(huán)境過于復雜時，修復難度與修復成本增加，原位底質修復將不再適宜開展。對于這類情況，眾多研究開發(fā)了可供沉水植物附著生根的人工底質以替代原有的底質進行沉水植物的恢復。周瑩等［52］將分別由土壤和硅藻土構造的人工底質直接覆蓋在苦草無法生長的原始底泥上并進行植被恢復，結果顯示苦草在2種人工底質上均生長良好，且水質得到明顯凈化。針對溝渠化的人工硬底質，有研究嘗試以沉水植生毯［53-55］的形式代替硬底質在水域發(fā)揮功能；沉水植生毯由椰棕纖維等作為基礎載體，混合沸石、植炭土等填充物復合構成可供植物生長的人工底質，將其鋪設在硬化底質上方，沉水植物可以在此類人工替代底質上快速定植［56］。黃龍翔等［57］研發(fā)的由天然砂石制成的生態(tài)植草磚、張力等［58］研發(fā)的隔網箱體構成的生態(tài)種植槽等都成功應用，在硬底質恢復了沉水植被。

綜上所述，國內外目前采用的技術都較為單一，沒有全面地從水質改善、生物多樣性恢復、生態(tài)保育等方面解決復雜底質水體的環(huán)境問題。

4 復雜底質下沉水植物恢復技術

沉水植物的恢復是水體生態(tài)修復的核心目標，但其恢復進程受到多種環(huán)境條件的綜合限制，主要體現在以下方面。

4.1 復雜底質下的沉水植物成活率低

底質對于沉水植物的生長和群落的形成起著至關重要的作用。在近年來的生態(tài)工程實踐中，一些復雜底質環(huán)境（比如底泥稀薄的河道、新開挖的沉積物偏硬的水體、底部硬化的農田退水溝渠、山區(qū)的石質底溪流等）下，脆弱的沉水植物很難穩(wěn)定扎根及匍匐蔓延，水下森林的恢復和水生態(tài)系統(tǒng)的快速構建工作存在很大挑戰(zhàn)性。

因此，在沉水植物恢復的實際工程中，需綜合考慮沉水植物自身的特性與底質特點，可以采用諸如高分子植物纖維材料，通過提高沉水植物在復雜底質的扎根能力，實現“三面光”硬化、沙質、淤泥、石質等復雜底質下沉水植物的大面積、快速種植。

4.2 單一利用植物吸附去除污染物效果有限

沉水植物能通過多種途徑有效去除水體中的營養(yǎng)鹽，但也存在局限性。一方面，沉水植物只是在生長期內去除氮、磷等營養(yǎng)鹽，并且對水體營養(yǎng)鹽的吸收是有限的，隨著水生植物的周期性生長、死亡，所吸收的營養(yǎng)鹽也隨之發(fā)生不同程度的變化，對水體污染物的去除效果有限。

因此，在植物去除污染物的基礎上，可通過功能性去污基質、納米光催化材料的成功添加及復合，解決沉水植物去除污染物功效單一的問題，確保水體治理目標達成。

4.3 恢復技術功能單一，復合性弱

目前國內對復雜底質河渠生態(tài)修復采用的技術主要有：①拆除現有的硬化底后再進行生態(tài)恢復，但投資巨大，一般不采用此技術；②保持原有河渠底現狀，采取諸如種植槽、定植毯、生態(tài)沉床、沉水植物-聯(lián)合固定化微生物處理等沉水植物種植技術，但這些技術存在施工難度大，植物成活周期長，污染物去除效率低，生物種類單一等問題。

通過設計沉水植物種植、去污基質及催化劑復合、水生生物棲息地構建等功能集成的布置方式，開發(fā)出“交織復合”一體化制作的立體水生群落恢復基體，建立以沉水植物為核心的生態(tài)系統(tǒng)，提升生物多樣性，從根本上實現污染治理與生態(tài)系統(tǒng)服務功能提升。

5 展望

綜上所述，未來可在綜合水質凈化、生物多樣性恢復、生態(tài)保育等方面開發(fā)復雜底質下沉水植物的恢復及水生態(tài)系統(tǒng)快速構建技術。該技術為水污染治理/生態(tài)保育相耦合的生態(tài)修復技術，可形成龐大的生物群落，恢復水體生物多樣性，快速構建起較為完善的水生態(tài)系統(tǒng)，同時針對氮磷污染物靶向去除，有利于解決水體富營養(yǎng)化問題、實現水生態(tài)系統(tǒng)恢復。同時，該技術解決了常規(guī)技術復雜底質沉水植物種植困難、生態(tài)系統(tǒng)恢復困難、抗沖擊能力差、冬季植物存活率低、污染物去除單一等瓶頸難題，而且適用于農田硬質退水溝渠、景觀水體構建，為行業(yè)沉水植物恢復技術優(yōu)化提供了新的思路，加速修復技術的廣泛應用。

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