植物功能 | 水质净化与生态修复的水生植物优选指标体系构建

本篇文章 将介绍水质净化与生态修复植物优选指标体系的生长特性指标和生物量资源化利用指标，以期为生态修复工程中水生植物的优选工作提供理论基础。

 

     

生长特性指标

     

     

 

 

  1          生活型

依据水生植物的形态特征及其对水体的适应性，水生植物的生活型包括       挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物       。水生植物适应水深与生活型密切相关，如下图所示。      

     

     

水生植物茎叶与水关系及适应水深      

     

除此之外，不同生活型水生植物的       泌氧能力、抑藻能力、微生物附着生长能力及污染物净化能力       都具有不同的特点。      

     

研究表明， 挺水植物和沉水植物通常是水体修复和水质净化中作用较大的两种类型。      

     

      明确水生植物的生长形态及其所适宜生长和修复的水域范围，可根据不同水体环境特点和不同水生态修复工作目标选择适用的水生植物类型，以确保植物良好的生长状态和高效的修复效率。      

     

挺水植物是指根及根状茎生长在水体底泥中，茎和叶挺出水面的水生植物，适应水深为0-1.5m。       挺水植物通常适用于处理浅水区域的污水，可以在沿岸地带引植，在人工湿地中的应用也较为广泛，常见应用种类包括       芦苇、水葵、美人蕉、水葱、黄菖蒲       等。      

     

           

     

沉水植物是指大部分生活周期内营养体全部沉没水中，植株扎根基底的水生植物。       沉水植物适宜的水深范围较广，可在0.3-6m的水域内生长，是目前较高效的原位去除水体中污染物的水生植物。由于水底光照限制，对于藻密度和浊度较高的水域，需要经过一定处理提高水体透明度后再栽种沉水植物进行修复。常见修复植物包括       苦草、矮慈姑、金鱼藻       等。      

     

浮叶植物是指植株扎根基底，光合作用部分仅叶漂浮于水面或仅部分叶漂浮于水面的水生植物，其适应水深范围为0.15-5m。       可与其他生活型植物组合达到净化水质和美化景观的作用。常见用于水质净化和生态修复的浮叶植物主要有       睡莲、荇菜、水鳖、菱       等。      

     

     

     

漂浮植物是指整个植物体浮悬水面，根在水面下但不接触基底的水生植物，所需水深能使植株漂浮即可。       漂浮植物中的       凤眼莲、大薸、浮萍       等植物生长速度快、适应能力较强、养分去除能力显著，适用于处理氮磷含量较高的生活污水和工业废水。      

     

     

  2      温度       

     

水生植物的生长通常都有适宜的温度范围，水温的变化会通过影响光合作用、呼吸作用及细胞分裂和伸长来影响水生植物的生长、生理特征，温度过高或过低都不利于水生植物的生存，因此 生态治理工作需要掌握不同水生植物的适宜温度范围 。      

     

水生植物一般能在5-35℃的温度范围内正常生长，其中大部分植物的适宜水温为10-30℃，为常温种，在春夏季生长较为旺盛，如       苦草、穗花狐尾藻、金银莲花、芡实、菰、菖蒲、小香蒲、水烛、宽叶香蒲、假马齿苋、旱伞草       等。      

     

部分水生植物能够在小于10℃的低温下维持生长，为耐低温种，在秋冬春低温季节仍能保持正常生长。如       菹草、水毛茛、粉绿狐尾藻、香菇草、 鸢尾、菖蒲       等。此外，能够在30℃以上生长的水生植物具有耐高温的特性，为耐高温种，如       水蕴草、金鱼藻、凤眼莲、大薸、槐叶萍、荷花、梭鱼草、蕹菜       等。      

     

利用水生植物进行生态修复时，在不同温度特点的地区，应选择合适的水生植物。            

     

     

     

     

  3      水体pH       

     

pH会通过影响水中溶解性无机碳的存在形式而影响水生植物的光合作用。游离的CO2是最主要的用于光合作用的溶解性无机碳形式，一定条件下也可利用HCO3?。      

     

因此， 较高的pH条件不利于水生植物的生长。       而高pH还会加剧非离子态氨的解离，从而会对水生植物生长有一定的抑制作用。多数水生植物的pH适宜范围在6-8左右，为中性种，如       伊乐藻、金鱼藻、大薸、紫萍、睡莲、芦苇、旱伞草、石菖蒲       等。            

     

可在pH大于8的水体中正常生长的水生植物具有耐碱特性，为       耐碱种       ，如       苦草、穗花狐尾藻、浮萍。       部分水生植物可在pH小于6的水域中正常生长，具有       耐酸特性       ，如       穗花狐尾藻、黑藻、金鱼藻、萍蓬草、水芹       等。      

     

     

     

     

  4      生物量       

     

水生植物的生物量是指在单位空间内植物的重量，在一定程度上能指示水生植物的个体大小，水体水生植物生物量的恢复与管理对于水质净化和生态修复工作的开展十分重要。      

      依据水生植物的生物量水平可以将水生植物分为高生物量植物、低生物量植物和中等生物量植物       ，生物量大于1kg·m?2的水生植物属于 高生物量水平 ，如       凤眼莲、芦苇、香蒲、美人蕉       等；而生物量小于0.5kg·m?2的水生植物属于 低生物量水平 ，如       金鱼藻、伊乐藻、槐叶萍、浮萍       等；介于两者之间的水生植物属于 中等生物量水平 ，如       黑藻、再力花       等。      

     

     

     

水生植物生物量会直接影响其污染物去除能力，植物生物量与根系泌氧量之间呈显著正相关，且生物量大的植物有利于微生物附着，同时氮磷储量也相应较大。      

     

但值得注意的是，成倍增加的生物量并不会使水中的污染物去除率成倍增加，反而会由于生物量密度过大导致生存空间不足而不利于水生植物生存，使植物死亡、腐烂从而影响水质。      

     

大量水生植物残体的堆积将会导致生态淤积，从而造成水体沼泽化，减小水域面积并阻塞航道。也有研究表明即使在收割利用水生植物的情况下，挺水植物和浮叶植物的单位面积干物质残留量是沉水植物的4-5倍，将会增加水体的生物沉积量，加速沼泽化进程。      

     

因此，植物生物量过大也会增加生态修复工程开展的负担，结合生长繁殖特性选择适宜生物量的植物并加以管控，是工程应用中必不可少的环节。      

 

 

  5          生长速率 

 

生长速率是水生植物生物量的增加率，反映了水生植物生长的旺盛程度。       生长速率受环境条件和底泥及水体的营养程度的影响较大，且不同种类表现出不同的规律。      

     

衡量水生植物生长速率的指标主要有绝对生长速率（AGR）和相对生长速率（RGR），绝对生长速率代表单位时间内水生植物生物量的绝对增加量，相对生长速率代表水生植物单位生物量对生物量变化率的瞬时值，可以缩小由植物本身生物量差异带来的数据变异性。      

     

水生植物的生长速率可以划分为       快速、慢速和中等速率       。      

      AGR>10g·m?2·d?1或RGR>0.1mg·g?1·d?1的水生植物生长率较快，如       凤眼莲、大薸       等；AGR<5g·m?2·d?1或RGR<0.05mg·g?1·d?1的水生植物生长率较慢，如       菖蒲、马蹄莲、梭鱼草       等；介于两者之间的水生植物生长速率处于中等水平，如       轮叶狐尾藻、芦苇、千屈菜       等。      

     

     

     

在选用水生植物进行生态修复时，需考虑植物的生长速率。水生植物的污染物去除能力与其生长速率存在一定正相关关系，但需要注意的是生长速率较快的植物可能不易控制甚至出现大面积扩张的情形而引起更大的危害。      

     

因此，了解水生植物的生长速率有助于判断其对于污染物的去除能力并为水生植物的管理提供依据。      

 

 

  6          营养吸收的主要部位 

 

水生植物根、茎、叶的吸收作用是去除水和底泥中氮、磷营养盐的主要途径，通常情况下水生植物的茎叶多吸收水中的氮、磷元素，而根或根状茎多吸收底泥中的氮、磷元素。      

      水生植物各部位对氮、磷营养盐的吸收受到植物生理形态、底泥间隙水与上覆水中营养盐浓度比及水流情况的影响。      

     

     

     

对于挺水植物而言，由于大部分茎叶挺出水面，因此主要由根部从沉积物中吸收养分，茎从水体中少量吸收养分。      

     

而沉水植物整株生活在水面下，根、茎、叶均能从水体中吸收营养物质。一般情况下根系吸收是沉水植物获取氮、磷和微量元素的主要途径，叶片吸收则是获取钙、镁、钠、钾和硫酸盐等元素的主要途径。       也有研究证实植物可以通过茎、叶独立吸收养分。      

     

了解水生植物各部位吸收营养盐的贡献情况，可以根据水体的污染特点选择相应类型的植物进行水质净化，增加选择的针对性。      

 

 

  7          锚定（抗水流冲击、风浪扰动）能力

 

水生植物在自然水域中常常会受到一系列机械胁迫，水生植物生态修复工程应用中发现实际种植的植物常因受到大风、暴雨等恶劣天气影响而出现连根拔起、生物量减小甚至死亡的现象，因此水生植物抵御这些外界干扰因素的能力是影响生态修复效果的重要指标。      

     

水生植物的锚定能力是指水生植物通过根系及茎部将植株固定于底泥中的能力，即抗水流冲击、风浪扰动等外力影响的能力。      

      水生植物由于形态结构的差异，抵御外界机械胁迫的策略也有所不同。      

     

     

     

     

     

挺水植物直立挺拔，茎较粗壮可支撑植物重量，在水流和风浪作用下采取“强度和硬度”机械抵抗应对策略。而沉水植物、浮叶植物和漂浮植物在浮力作用下，无需茎、叶支撑即可保持直立状态，只需具有承受一定水流拖曳作用的柔韧性，采取“柔韧和延展”机械抵抗应对策略。      

     

此外，在沉积物中扎根形成的半球型表面面积、底泥粘性和根系强度都会影响水生植物的锚定能力。      

     

因此，在水生植物生态修复工程中需要选择根系发达、茎部粗壮的水生植物以应对不良天气环境因素的干扰，确保后续修复工作的持续进行。      

     

 

 

 

生物量资源化利用

       

人工种植的水生植物若不加以管制极有可能出现疯长、腐烂分解等现象，不仅影响视觉效果，更会影响水生植物的净化效率，甚至会对水体产生二次污染。

若在筛选水生植物进行生态修复时认识并考虑其资源化利用潜力，选择具有较高经济效益的水生植物，则有利于推进水生植物管理与控制工作的实施，在发挥本身生态价值的同时产生附加的经济效应。

下表总结了常见水生植物的资源化利用途径及相应的植物特点，水生植物生物量一般可用于能源燃料生产、造纸、制备生物炭、作肥料和饲料以及食药用等。     凤眼莲、芦苇、香蒲     等水生植物的利用途径较为广泛，属于资源化利用潜力相对较大的水生植物。

 

常见水生植物的资源化利用途径  

 

水生植物具有良好的水质净化和生态修复潜力，在实际应用中应从 功能、生长特性和资源化利用 等3个方面考虑不同水域的植物适用性。  

 

功能指标是筛选植物的核心指标，可分为水生植物的水质净化能力和生态修复能力。 水生植物的水质净化能力包括 促进悬浮物沉降、水体增氧、藻类抑制、氮磷吸收及蓄积、促进有机污染物降解及重金属吸附沉淀能力 ，而生态修复能力则可从水生植物的群落构建能力、促进水生动物生长发育能力及生态安全性角度加以评判。  

 

生长特性是植物生长的基础指标，水体水深、水温、pH等环境条件是影响水生植物生长的重要因素，需要根据待修复水域的环境条件特征进行水生植物的选择。  

 

水生植物的生物量、生长速率、营养吸收部位和锚定能力等指标与植物种类和环境条件相关并能直接影响其水质净化能力和生态修复效果，也可以作为管控依据。  

 

在水生植物的资源化利用方面，选择具有工业原料用途、食药用途、生物能源用途等多种利用途径的水生植物既能净化水体，又能产生经济效益，并避免水生植物在水体中自然腐烂而引发的二次污染。  

 

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栏目：净水宝典系列    

素材来源： 生态环境学报 期刊    

活水编辑：活水君ZST    

校对审核：李辰    

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