沉水植物修复技术与方法.doc

沉水植物修复湖泊水体研究中热点问题及其技术前景
摘　要:沉水植物修复水体技术是目前水体修复技术中热点, 本文针对沉水植物本身修复特点, 探讨了沉水植物对湖泊水库污染物修复关键技术和方法、 现在研究热点和存在问题以及未来该领域研究方向, 最终表明: 沉水植物修复湖泊污染水体技术有很宽广领域和应用前景, 成为修复技术热点导向。
关键词:湖泊水库;沉水植物;修复技术; 问题; 前景
现在湖泊水库污染已经是不争事实, 成了全球关注焦点, 尤其是中国, 湖泊生态环境情况普遍存在几大问题: 湖泊中重金属污染, 泥沙淤积、 湖面退缩、 盐化、 富营养化等等, 以及由此引发生态环境恶化和资源退缩。尤其是在东部人口稠密地域, 湖泊所受污染越来越严重。很多地域湖泊是饮用水源地, 湖泊丧失了自净能力, 饮用水源水质更是受到威胁。
湖泊水库富营养化急剧造成水体浮游植物增加,沉水植物消亡。在外源污染物降低后,沉水植物恢复仍然滞后相当长时间,而沉水植物恢复对浅水湖泊修复长久效益至关关键。本文探讨了湖泊中沉水植物修复技术, 降低湖泊水体P含量,增加水体透明度是沉水植物恢复关键。沉水植物修复关键以自然修复为主,人工修复为辅方法。发展以轮藻植物为优势种群,杂草类沉水植物共生多样性植物群落。沉水植物修复,对改善浅水湖泊生态环境,促进湖泊向健康化发展起到关键作用。李顺鹏等人研究表明降低水体中N、 P 含量以及底泥中有机C和N、 P负荷富营养化修复关键问题[1]。而针对湖波水库富营养化修复技术中国外研究很多, 并取得了大量结果[2-5], 其中沉水植物在水生生态系统中修复技术倍受青睐, 已经成为环境领域和水生态学研究热点之一。鉴于此, 本文关键对沉水植物对湖泊水库修复技术和方法加以研究和探索, 以期能为水修复工作者提供参考和依据。
1.沉水植物修复水体技术原理
1.1沉水植物基础概念和物种选择
沉水植物是指植物体全部位于水层下面营固着生活大形水生植物。它们根有时不发达或退化, 植物体各部分都可吸收水分和养料, 通气组织尤其发达, 有利于在水中缺乏空气情况下进行气体交换。因为沉水植物在光合作用下释放氧气在水体中, 这对富营养化水体自净作用至关关键, 决定了沉水植物在水生态系统中占据关键地位, 也对沉水植物水质改善效应研究是基础理论研究, 可为利用沉水植物修复受污染水体提供一定理论依据, 这类植物叶子大多为带状或丝状, 常见水体修复沉水植物有伊乐藻(Elodea nuttalli)、 金鱼藻(Ceratophyllum demersum L.)、 苦草(Vallisneria spiralis)、 菹草(Potamogeton crispus Linn)、 来眼子菜(Potamogeton malaianus)等。和其它水生植物相同是组成水体生物链基础,吸收水体中引发富营养化物质, 为促进生态良好循环提供氧气,有很强净水功效。
沉水植物物种选择应以当地土著物种为主,限制外来物种。不然可能造成难以估测生态失衡问题和培养难度。物种选择应确保多样性,单一物种沉水植物群落,是极难维持稳定生态系统[6]。因为湖泊常见于娱乐目,比如划船、 游泳等,故高茎植物在沉水植物恢复过程往往与其矛盾,从而低茎轮藻植物是沉水植物恢复首选。因为轮藻植物能够强化水体杂质沉淀,降低水体浊度[7] ,而且对水体富营养化物质有效去除[8],降低浮游植物生长。
1.2 沉水植物修复水体作用机理
沉水植物作为关键初级生产者, 在水生态系统中起着关键作用。在湖泊生态系统重建与恢复中, 重建沉水植物是关键性步骤。文件[9-10]研究表明: 沉水植被恢复后, 水体透明度提升, 溶解氧增加, 各关键形式N , P 及浮游植物叶绿素a 浓度均显著降低, 原生动物多样性也显著增加[9] 。沉水植物在水体生态修复中含相关键作用, 其对藻类化感抑制作用研究已经有较多报道。围隔试验发觉了菹草对栅藻有显著抑制效应, 蓖齿眼子菜对栅藻和微囊藻也有一定化感作用。
濮培民,邵留[11-12]等人文件表明沉水植物作为湖泊水关键生物组分和关键生物环境,对湖泊生态系统结构和功效起关键作用。它们不仅会影响食物链结构、 控制其它生物类群结构和大小、 维持水环境稳定性,而且在恢复环境生态中也起举足轻重作用,其群落重建与恢复是水生态系统修复工程基础和关键。而沉水植物群落重建和恢复首要步骤是沉水植物引种,所以了解沉水植物繁殖和定居能力对于沉水植物重建和恢复含相关键意义。沉水植物以无性繁殖为主,无性繁殖体关键有匍匐茎、 根状茎、 鳞茎、 块茎和断枝等。沉水植物生长,对改善水体生态,促进湖泊向健康化发展有着关键作用。
另外曾爱平等人文件[13]中提到沉水植物完全浸没于水中, 首先因呼吸作用消耗水中氧气, 其次因光合作用释放氧气于水体,两种作用随时间不一样互有强弱, 造成水中溶解氧(DO)浓度时高时低。当呼吸作用强于光合作用时, 消耗氧气大于产生氧气,水中DO 浓度逐步下降; 当光合作用强于呼吸作用时, 产生氧气大于消耗氧气, 水中DO浓度逐步上升。沉水植物这种净化作用在水体修复中至关关键, 其技术研发均建立在在此基础。
2.沉水植物修复水体关键方法, 研究热点及其实施新技术
2.1沉水植物修复技术基础分类
通常沉水植物恢复可分为自然恢复和人工恢复。自然恢复是沉水植物恢复基础方法。湖泊底泥中沉水植物繁殖体,能够存在相当长时间, De Winton等人[14]研究表明,繁殖体在后仍含有活性。当水湖泊透光性良好,条件适宜情况下,沉水植物自然恢复是很快速[15]。但在现有情况下,沉水植物自然恢复相当较缓慢,无法跟上水体污染, 水体需要修复使用步伐, 故采取人工方法进行恢复, 提升水体回复效率。不过人工恢复可能需要大量资金。采取人工恢复情况有[16]:湖泊中沉水植物根本死亡,底泥中也缺乏沉水植物繁殖体;湖水低浊度只能保持较短时间,不过要求沉水植物快速恢复;(3)沉水植物恢复需要引入外来物种,或者因为娱乐等需要发展特定沉水植物。采取人工方法进行沉水植物修复,应首优异行局部试验,选择适合植物种群,然后进行推广,当生长达成一定规模, 就能够快速繁殖,自然生长。
2.2沉水植物修复水体技术研究热点和现有问题
2.2.1沉水植物种源研究
沉水植物是淡水生态系统尤其是浅水湖泊生态系统关键组员,在维持水生态系统结构和功效及生物多样性方面实施非常关键作用[17]。因为水体污染和渔业养殖过分,沉水植物群落普遍退化或消失[18],随之造成整个水生态系统功效普遍退化,常引发水华暴发,严重妨害了工农业生产和人民健康。
安彦杰等人研究[19]结果表明,不一样氮磷水平对菹草人工种子萌发转株影响不显著。可能原因是人工种子萌发关键靠消耗人工胚乳内营养物质,这同天然种子萌发特点类似。天然种子萌发时贮藏有机物如淀粉、 脂肪和蛋白质在酶作用下,转变为简单有
机物。高健研究[20]显示,水中氮磷水平对菹草冬芽萌发影响不显著。
沉水植物恢复成为水污染综合治理关键步骤。资料表明[19]因为大多沉水植物种子难以取得,当水体植物种子库受到严重破坏时,水生植被恢复工程不可避免对水生植物种苗有大量需求。现在水生植被恢复工程种苗都是从自然水体捞取,这就对种源地植物种群造成了破坏。另外,种苗取得也会受到季节所限。利用人工种子技术,可避免对种源地植物资源破坏,且操作简易。菹草(Potamogton crispus L.)是中国常见沉水植物,有很好耐污能力和除污能力,常作为水生植被重建工程首选先锋植物。该文件报道沉水植物菹草人工种子制作方法及萌发影响原因等研究结果, 为沉水植物种子培养提供理论依据。
另外文件表明[19, 21-22 ]激素及水环境条件, 温度, 光强, 氮磷及水体底质均对种子萌发有很大影响。人工种子与植物种子一样,其萌发也受到环境原因影响。该文件也表明: 合适激素组合能大大提升萌发率和转株率; 水温对沉水植物影响较气温对陆生植物影响要弱, 菹草是喜低温沉水植物; 同时萌发也受光照影响, 试验中40μmol/m2·s萌发率约70%,高于在温度试验中20℃萌发率50% ,这两个试验条件即光照时间、 光照强度、 温度均相同,其萌发率差异,可能是这两批人工种子起源于不一样健壮程度无菌菹草苗; 天然种子萌发时贮藏有机物如淀粉、 脂肪和蛋白质在酶作用下,转变为简单有机物, 而水中氮磷水平对菹草冬芽萌发影响不显著; 底质类型对菹草人工种子萌发和转株也有显著影响, 黄沙壤是菹草人工种子萌发最好底质, 砂石底质上人工种子萌发率和转株率也要高于淤泥相关影响程度只有少部分文件, 亟待深入研究和证实。
2.2.2沉水植物断枝再生能力研究
因为水体和外界复杂环境干扰引发植物断枝, 所以 葛绪广等人[23]对4种沉水植物断枝再生能力进行了研究, 指出穗花狐尾藻、 黑藻、 伊乐藻和金鱼藻因其含有较强环境适应、 生存能力而常被选作退化水体生态修复、 恢复和重建先锋物种。可是上述多个沉水植物种子萌发、 幼苗生长都需要一定环境条件,如溶解氧和光照等。而需要修复、 恢复和重建水体中,其水底溶解氧常常很低,而且光照条件也难于达成它们光照强度要求即使种子萌发形成幼苗,也难于存活并拓殖成一定规模种群。能否找些植物能在恶劣环境下培育种子和含有良好修复效果有待深入研究。文件[23]中指出断枝在穗花狐尾藻、 黑藻、 伊乐藻和金鱼藻物种快速传输方面起着关键作用。因机械折断形成断枝不管在抛掷条件下还是在扦插条件下都含有较强繁殖生长能力,多数断枝都有不定根和芽发生。不一样移植方法对不定根和芽发生没影响,但影响了不定根和芽发生时间,这对上述多个沉水植物种群定居、 拓殖相关键影响。尤其是在退化水体中,不定根和芽发生时间长短,往往决定该物种是否能够成功定居、 拓殖,恢复健康生态系统。在可能条件下,应以扦插为主,但金鱼藻抛掷和扦插对其生物量和芽形成无显著影响,能够抛掷,既降低采挖和运输种苗成本、 提升施工效率,又能够得到很好效果。经过以上试验能够看出,在物种选择上,可优先选择黑藻,其不管生物量、 株高和节数增加,还是须根和新芽产生,都含有优势。自然状态下,很多沉水植物能够经过内在机制自动形成断枝或在外力作用下形成断枝,并发育形成新个体。催心红研究[24]表明对很多沉水植物经过内在机制自动形成断枝过程以及影响断枝形成环境原因已经有很多研究而退化水体修复、 恢复和重建需要在人为原因作用下进行,上述试验研究结果为人为利用沉水植物修复、 恢复和重建退化水体提供了依据。
2.2.3水体无机碳条件对常见沉水植物生长和生理影响研究
在水华暴发富营养水体中,因为水华藻快速生长首先造成水体透明度降低,影响沉水植被光合作用;其次,这种现象造成水体无机碳水平、 组成连同水体pH值猛烈改变,使水体中游离CO2几乎消失, HCO3-大幅下降, CO32 -成为优势无机碳离子种类,并引发水体pH升高,从而影响沉水植被光合和生长。这两个方面原因不仅是水体富营养化引发沉水植被消亡关键路径,也是沉水植被恢复或重建关键限制因子。低透明度对沉水植物影响已经有较多研究,尽管水生植物对无机碳利用机理有较多研究报道。张彦辉,安彦杰等人研究[25]表明: 富营养化水体中藻类大量繁殖,不仅降低水下光强,影响沉水植被光合作用;同时也大大降低水体无机碳源,并引发水体pH升高,影响沉水植物碳同化和生长。对于低植冠层沉水植物,上述两个原因一样关键,而对于高植冠层沉水植物,因为能接收更多光照,使得后者影响可能比前者更为显著; 无机碳实际上也和光照,营养盐以及食草动物牧食作用一样,是水生植物初级生产力潜在制约原因[ 26—28], 水华水体中无机碳及pH条件对沉水植物也有很大影响。经过本文结果还能够推测, 经过调整水体中组成百分比和pH,将可能促进富营养化水体沉水植被生长和扩增,但这种方法具体操作仍有待验证。
2.3 沉水植物实施新技术
另外一个沉箱法实施沉水植物净水方法发明（专利号: 10037597）出现, 该方法发明公开了一个沉箱法实施沉水植物净水方法, 其步骤为: 1)制作沉箱; 2)制作底泥; 3)沉箱定位; 4)移植水草; 5)放水控制水位。经过本发明沉箱法实施沉水植物净水方法, 含有使用简单、 维护方便、 节省水资源、 净水效果好优点, 且存活率大, 相比现在沉水植物种植法65％存活率, 本发明可达95％存活率, 大大降低了使用成本, 有利于沉水植物修复技术深入推广。当然上述只是实施技术一个, 伴随科技发展, 会有更多新技术新发明。
3.结语
　 富营养化是目前人类面临严重环境问题, 植物修复引发是治理富营养化一个关键手段而水生植物尤其是沉水植物所产生环境效应是水生态系统稳定和水环境质量改善基础。大量研究表明沉水植物均能显著降低水中TN、 TP、 NH3-N 浓度, 对TN 去除效果很好, 如黑藻、 伊乐藻、 金鱼藻,苦草。 对TP去除效果很好是黑藻, 其次是金鱼藻与苦草, 最差是伊乐藻, 对NH3-N 去除效果很好是黑藻, 其次是金鱼藻与伊乐藻, 最差是苦草。综合来看, 治污效果很好沉水植物是黑藻,较差是苦草。当然这只是沉水植物修复性能一点, 大量沉水植物修复性能和特征有待于水体修复者深入研究和探索。沉水植物研究技术和领域为处理湖泊水库富营养化问题奠定了基础, 当然这些方法大面积推广和应用有尚需深入研究, 总而言之, 该技术在湖泊水库修复中含有宽广前景。

参考文件:
[1]李顺鹏.环境生物学[M].北京: 中国农业出版社,:443-444.
[2]方云英,杨肖娥.利用水生植物原位修复污染水体[J].应用生态学报, ,19(2): 407-412.
[3]宋海亮,吕锡武,稻森悠平.水生植物床预处理富营养化水源水中试研究[J] . 给水排水,,30(8):8-12.
[4]李睿华,管运涛,何苗,等. 河岸芦苇、 茭白和香蒲植物带处理受污染河水中试研究[J].环境科学,,27 (3):493-497.
[5]张荣社,李广贺,周琪,等. 潜流湿地中植物对脱氮除磷效果影响中试研究[J].环境科学,,26(4): 83-86.
[6] Perrow M R,Moss B, Stansfield J H. Trophic interactions in a shallow lake following a reduction in nutrient load-ing: a long term study[ J ]. Hydrobiologia, 1994, 275 /276, 43-52.
[7] Van den Berg,M S Scheffer, M Coop s, et al. The role of characean algae in the management of eutrophic shallow lakes[ J ]. Journal of Phycology, 1998, 34, 750-756.
[8] Kufel L, Kufel I. Chara beds acting as nutrient sinks in shallow lakes—a review [ J ]. Aquatic Botany, ,72, 249-260.
[9]宋碧玉,王建,曹明.利用人工围隔研究沉水植被恢复生态效应[J], 生态学杂志.1999,18( 5 ):21 - 24 .
[10] HAVENS K E, JIN K R, RODTUSY A D,etal.Hurricane effects on shallow lake ecosystem and its response to a controlled manipulation of water level[J] .The Scientific orld,,1(1):44-70.
[11]濮培民. 健康水生态系统退化及其修复理论、 技术及应用[J].湖泊科学,. 13(3):193-203.
[12]邵留,沈盎绿,罗亚平. 多个生态因子对黑藻断枝生殖影响[ J ]. 水利渔业, .23 (6) : 16 - 18.)
[13]曾爱平,刘洪见.不一样沉水植物水质改善效应研究[J].浙江农业科学,第5期: 1000-1003.
[14]De Winton M, Clayton J S, Champion P D. Seedling e-mergence from seed banks of 15 New Zealand lakes with contrasting vegetation histories [ J ]. Aquatic Botany,, 66, 181-194.
[15]Coop S H, Doef R W. Submerged vegetation development in two shallow, eutrophic lakes [ J ]. Hydrobiologia.1996, 340, 115-120.
[16]Sabine Hilt, Elisabeth M Gross, Michael Hupfer, et al. Restoration of submerged vegetation in shallow eutrophic Lakes. A guideline and state of the art in Germany[ J ]. Limnologica , , 36. 155-171.
[17]陈洪达. 杭州西湖水生植被恢复路径与水质净化问题. 水生生物学集刊, 1984,8(2): 237—244 ]
[18]谢平, 陈宜瑜. 加强淡水生态系统中生物多样性研究和保护. 中国科学院院刊, 1996, 4: 276—281.
[19] 安彦杰, 张彦辉, 杨劭.沉水植物菹草人工种子技术[J].水生生物学报,.33(4): 1000-1003.
[20]高健,罗青,李刚,等. 溶氧、 温度、 氮和磷对菹草( Potam ogeton crispus L.)冬芽萌发及生长影响.武汉大学学报, ,51(4): 511—516.
[21]高健,罗青,李刚,等. 溶氧、 温度、 氮和磷对菹草冬芽萌发及生长影响. 武汉大学学报[J], ,51 (4) : 511—516.
[22]刘健康. 高级水生生物学[M]. 北京:科学出版社. 1999, 235—236 .
[23]葛绪广, 王国祥, 陆贻超. 4种沉水植物断枝再生能力研究. 水生态学杂志[J], ,2 (4) : 23—28
[24]崔心红,熊秉红,蒲云海. 5种沉水植物无性繁殖和定居能力比较研究. 植物生态学报[J],.24 (4): 502-505.
[25]张彦辉, 安彦杰等.水体无机碳条件对常见沉水植物生长和生理影响.水生生物学报[J],.33(6):1020-1030
[26]Qiu B S, Gao K S.Effect of CO2 enrichment on the bloom-forming cyanobacterium Microcystis aeruginosa ( cyanophyceace ):Physiolocial responses and relationships with the availability of dissolved inorganic carbon [ J ]. Journal of Phycology, , 38(4) : 721—729.
[27]苏胜齐,姚维志.沉水植物与环境关系评述. 农业环境保护, , 21(4):570—573.
[28]耿显华,于丹, 黄永明,等.高浓度CO2下苦草生长和生理生化反应.水生生物学报, , 28(3): 304-309.