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水生态修复中,恢复沉水植物为何至关重要?

  • 水生植物
  • 来源:水生态环保网
  • 作者:张丹
  • 时间:2023-03-02 14:00
  • 阅读:5769
在水生态修复工作中,恢复水生植物尤其是恢复沉水植物被广泛认为是水体治理的有效途径太多实践表明,有沉水植物生长的区域,水体大多清澈;缺少沉水植被的水体,则往往浑浊或长藻,水底荒漠化,甚至黑或臭。


以浅水湖泊成功修复的典型——惠州西湖为例,通过恢复沉水植物群落结构,惠州西湖子湖南湖从以浮游植物为主导初级生产力的“藻型湖泊”转变为以沉水植物为主要初级生产力的“草型湖泊”,形成了稳定的食物网结构,透明度由30 cm提高至150 cm,水体总磷、总氮含量分别降低54.50%和52.70%,实现了华丽的蜕变。
小小的水草,为何能有如此大的功效?


在水生态治理中,沉水植物到底扮演了什么样的角色,又运转着怎么样的机理,本文将围绕此进行展开。






1、每一秒,都在净化水质,纳污吐新



|  吸收N、P营养盐,改善水下富氧条件

氮、磷是植物生长的必需营养元素。长势良好的水生植物可使水体中总氮、总磷含量明显降低 。


沉水植物除了通过根、叶吸收水体中的氮、磷及控制水体中营养盐浓度外,还可在光合作用过程中产生氧气扩散到根际并进入沉积物,影响沉积物氮、磷的循环。
相关研究表明,沉水植物覆盖的区域中,氧气可以渗透至沉积物表层20 mm处,而在无沉水植物覆盖的区域,氧气的渗透深度仅4 mm;沉积物中的Fe2+在沉水植物根际氧化作用下形成Fe3+,并与PO43--P形成铁-磷复合体,抑制磷从沉积物释放到水体中。
同时,沉水植物通过促进沉积物-水界面的反硝化作用,还原硝酸盐,释放出分子态氮(N2)或一氧化二氮(N2O),减少水体中的氮营养盐。
研究表明,苦草(Vallisneria L.)、黑藻(Hydrilla verticillata L.)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、伊乐藻(Elodea nuttalli)、狐尾藻(Myriophyllum L.)、菹草(Potamogeton crispus L.)均能有效去除水体中的氮、磷等营养盐含量,其中以苦草效果最好。
金鱼藻、伊乐藻、眼子菜(Potamogeton L.)、狐尾藻、苦草等沉水植物通过叶片吸收等方式,对水体中总磷具有较好的去除效果,尤其在春季和秋季,金鱼藻对水体中总磷的去除率高达92.00%,且对总溶解性磷的去除率也高达90.93%。在太湖梅梁湾的生态修复工程区中,沉水植物的根系吸收作用和化学反应促进作用使沉积物总氮、总磷营养盐分别由修复前(2003年)的7 043、1 370 mg/kg降低至2 929、352 mg/kg。
|  提高水体透明度,打造优美水下森林
沉积物再悬浮会直接影响水体的透明度,而沉水植物可以减缓水流速度和风力,并且通过根部固定沉积物,抑制再悬浮。同时,沉水植物还可作为悬浮物的捕获器,促进沉降,进而提高水体透明度
Horppila等进行为期83天的研究发现,在沉水植物金鱼藻和钝叶眼子菜(Potamogeton obtusifolius)生长的区域,表层沉积物再悬浮量为793 g(DW)/m2,而在无沉水植物生长的区域,表层沉积物再悬浮量为1 701 g(DW)/m2。
该研究发现,沉水植物覆盖率大于30%的湖泊能够长期维持清水态,而沉水植物覆盖率小于30%的湖泊则再度发展为浊水态湖泊。
在沉水植物生长的区域,通过沉积物再悬浮带入水体中的磷元素含量为11.8 mg/(m2·d),无沉水植物生长区域的磷元素含量为24.5 mg/(m2·d)。由此可知,在缺乏沉水植物的富营养化湖泊中,沉积物再悬浮会导致水体磷营养盐浓度增加。
也很容易让外界产生一种理解,即水生态修复就是种水草(沉水植物),甚至业内一些水环境综合整治的EPC/PPP项目中,水生态内容有时会被直接归为绿化工程。毕竟,水生态修复呈现给大家的,也就是种了种水草,撒了撒药/微生物,水就逐渐清了。





2、每一秒,都在与藻类抗争,重建平衡




|  掠夺营养,竞争生存空间

沉水植物可以通过吸收氮、磷营养盐、无机碳等竞争限制藻类的生长。离子态氮(NO3-、NH4+)、磷(PO43-)是初级生产者直接吸收利用的营养形态。

不论沉水植物是否存在,藻类的生物量与湖水中氮、磷的含量呈正相关 。但藻类生命周期短,对水体中氮、磷营养盐固定能力弱,而沉水植物具有过量吸收营养物质的特性,个体大,生活周期长,体内积累的氮、磷多,储存较藻类稳定,能有效降低氮、磷循环速度、控制藻类的暴发。

研究表明,大量沉水植物可以导致水体中磷含量急剧下降,造成浮游植物缺乏营养盐而难以在夏天形成水华。

对于根系发达的沉水植物如眼子菜、苦草、狐尾藻等,可通过根吸收和促进沉积物中化学反应等方式对内源污染进行控制,削减浮游植物营养盐来源。

于根系不发达的沉水植物如黑藻、伊乐藻、金鱼藻等,主要依靠自身叶片吸收水体中的营养盐,如NO3-、PO43-、CO2和HCO3-,进而与浮游植物形成竞争关系。

|  化感作用

沉水植物分泌的化感物质可抑制水体中浮游植物的生长,减弱浮游植物或附着藻的遮阴效应,促进自身生长。

化感物质可使藻类细胞的生理作用产生变化如影响抗氧化酶活性、碱性磷酸酶活性,促进丙二醛等有毒物质积累,从而引起藻类生物量的减少。通过化感物质抑制藻类生长的沉水植物至少有37种,其中以狐尾藻、金鱼藻、伊乐藻、茨藻、轮藻等的化感作用较明显。

不同沉水植物分泌的化感物质对藻类的作用不同,从而影响浮游植物种类组成。研究发现,狐尾藻通过分泌化感物质抑制碱性磷酸酶活性,减少叶片表面磷的释放量,降低附着藻的磷元素来源,限制附着藻的生长;水蕴草(Elodea densa(Planch.)Casp.)和伊乐藻可以通过化感作用抑制附着蓝藻的生长,进而限制附着藻生物膜的形成,促进叶片表面对光照和营养盐的吸收。

|  削减风浪、固封底泥等其他作用

浮游植物不具有主动运动能力,通常需要借助风浪、水流等外力作用,而沉水植物可以减弱风浪对水体的扰动,使浮游植物失去漂浮的助力,加速其沉降。

此外,沉水植物还可以影响浮游植物对光照的吸收,限制其群落的发展水植物分泌。






3、对浮游动物的影响




沉水植物群落可为浮游动物提供主要的栖居地和避难场所。

在浅水湖泊中,水平迁移(Diel Horizontal Migration,DHM)是浮游动物常见的行为。浮游动物迁移至沿岸带或沉水植物茂盛的水域中,躲避鱼类等的捕食,维持种群数量、群落结构稳定发展,加强对浮游植物个体、种群甚至群落结构的控制作用。

水体中的浮游甲壳类动物生物量与沉水植物在水体中的占有体积(Plant Volume Inhabited,PVI)呈显著正相关(R=0.47,p=0.0001)。

当缺乏沉水植物时,浮游动物的种群密度处于较低水平(<1 ind/L),而浮游植物的密度则处于较高水平(38 mm3/L);当沉水植物的PVI>15%~20%时,浮游甲壳类动物生物量处于较高水平,且体型较大的个体居多 。

由此可见,沉水植物群落在一定程度上可保证浮游动物的种群数量,实现对浮游植物的控制,有利于维持湖泊的清水状态。






4、沉水植物的生态效应机理




不同营养级的上行效应(Bottom-up Effect)和下行效应(Top-down Effect)相结合维持着生态系统群落结构的稳定。沉水植物对无机环境的影响以及与其他生物之间的相互作用保证了生态系统中上行效应和下行效应及其他级联效应的正常发挥。


沉水植物对营养盐的吸收和钝化抑制上行效应对浮游植物的促进作用,降低水华暴发的可能性。

另外,沉水植物群落结构促进肉食性鱼类生长,保证生态系统中下行效应的发挥,即肉食性鱼类捕食草食性鱼类、浮游生物鱼类,优化鱼类种群结构,降低沉水植物、浮游动物被大量捕食的压力,达到控制浮游植物的效果。

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5、沉水植物的恢复步骤



富营养化浅水湖泊修复过程中,控制营养盐和构建健康的生态系统是主要目标。而恢复沉水植物群落,则是富营养化浅水湖泊修复的重要途径。

作为维持湖泊清水态的关键因子,沉水植物自身受到诸多因素的影响,比如光照条件、营养盐浓度、底质环境、气候条件以及自身生长特性等等。因此,在通过沉水植物群落进行富营养水体修复时,一般需首先改善水体本底环境,营造沉水植物生长的必要外部条件。常规流程建议如下:

1、针对不同地区(如不同气候带等)的修复对象,结合客观实际,优先选用土著种、化感作用强、根际固定作用强的沉水植物用于控制藻类及沉积物内源污染;

2、在沉水植物群落构建初期,采取相应措施减少相关因素对沉水植物生长的影响,如通过添加絮凝剂等透明度提升工程、浮游动物控藻手段等,保证沉水植物在修复初期快速生长;

3、为促进沉水植物群落结构的快速形成,建议在初期去除水体中草食性鱼类和底层鱼类,以减少鱼类对沉水植物的摄食及对沉积物的扰动;

4、当系统趋于稳定时,适当放养肉食性鱼类和少量杂食性鱼类,结合生物操纵原理,进行水生态系统构建,使生态系统中的上行效应和下行效应得以发挥,从而进一步加强系统的稳定性。

-THE END-

参考文献:

杨凤娟,蒋任飞,等. 2016. 沉水植物在富营养化浅水湖泊修复中的生态机理 [J]. 安徽农业科学

秦伯强. 2007. 富营养化湖泊开敞水域水质净化的生态工程试验研究 [ J]. 环境科学学报

张木兰, 潘纲, 等. 2007. 改性沉积物除藻对水质改善的效果研究 [ J]. 环境科学学报


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