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(fù)是水生態(tài)修復(fù)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(duì)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(fù)工程實(shí)踐中，常常會(huì)遇到水體多種復(fù)雜的底部條件，如沙質(zhì)土、卵石底、新開挖硬質(zhì)底部、硬化處理的底部等。在這些復(fù)雜底部條件下，往往很難直接實(shí)現(xiàn)沉水植物的定植和恢重?？偨Y(jié)分析了典型的水體底部條件對(duì)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(fù)的技術(shù)應(yīng)用和研究進(jìn)展?；谀壳皣鴥?nèi)外技術(shù)研究及工程實(shí)踐現(xiàn)狀，建議在綜合水質(zhì)凈化、生物多樣性恢復(fù)、生態(tài)保育等方面加強(qiáng)復(fù)雜底質(zhì)水體沉水植物恢復(fù)的復(fù)合技術(shù)。

關(guān)鍵詞 沉水植物；復(fù)雜底質(zhì)；生態(tài)系統(tǒng)；植被恢復(fù)

中圖分類號(hào) X173? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 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(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(fù)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(zhì)交換區(qū)，影響著水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性。沉水植物群落的恢復(fù)、維持是水生態(tài)修復(fù)的核心措施之一［1-3］，同時(shí)也是水生態(tài)系統(tǒng)管理的重要目標(biāo)［4］。水體沉水植物群落恢復(fù)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(zhì)、風(fēng)浪擾動(dòng)、流速、種間競爭、捕食壓力和人為干擾［5-8］。其中，關(guān)于底質(zhì)因素，目前的研究主要集中在底質(zhì)的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)等對(duì)沉水植物生長和繁殖的影響［9-12］。在我國水生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中，常常會(huì)遇到諸如沙質(zhì)、卵石底、硬質(zhì)底部（新開挖、硬化處理）等多種復(fù)雜底部條件，這些水體底質(zhì)條件很難直接實(shí)現(xiàn)沉水植物的種植和恢重，但它們?cè)趯?shí)際工程建設(shè)中又承擔(dān)著一定的納污和消污功能。水環(huán)境治理急需實(shí)施以沉水植物恢復(fù)為主的生態(tài)修復(fù)措施，以消減污染，促進(jìn)水體生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展。因此，基于復(fù)雜底質(zhì)條件下沉水植物的有效恢復(fù)技術(shù)有著強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)需求。

該研究總結(jié)分析了典型復(fù)雜底質(zhì)條件對(duì)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(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)展，以期為復(fù)雜底部條件下沉水植物的恢復(fù)工程實(shí)踐提供應(yīng)用參考。

1 常見水體底質(zhì)

依據(jù)理化性狀，水體底部主要可分為嵌入型底質(zhì)、大型底質(zhì)、糙型底質(zhì)、細(xì)型底質(zhì)、黏性底質(zhì)、有機(jī)型底質(zhì)、人工硬化型底質(zhì)［13］。各類底質(zhì)條件的具體結(jié)構(gòu)組成見表1。其中，前六類底質(zhì)類型屬于天然型底質(zhì)，在我國河湖等各類水域均有廣泛分布。最后一類底質(zhì)屬于人工型底質(zhì)，多因防洪、灌溉等需求，使用混凝土將底質(zhì)進(jìn)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(zhì)的數(shù)量也在不斷增加。

2 底質(zhì)性質(zhì)對(duì)沉水植物恢復(fù)的影響

底質(zhì)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(shí)能為植被提供微量元素及營養(yǎng)物質(zhì)，是沉水植物的主要營養(yǎng)來源［15］。長期研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物的衰退很大程度上是由于底泥理化性質(zhì)的改變?cè)斐傻模?6］。底質(zhì)對(duì)沉水植物的影響主要體現(xiàn)在它的物理和化學(xué)性質(zhì)兩個(gè)方面［17］。

2.1 底質(zhì)物理性質(zhì)對(duì)沉水植物的影響

沉水植物的根系直接固定于底質(zhì)之中，因此底泥物理性質(zhì)通過直接改變沉水植物根系的生長，進(jìn)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(zhì)物理性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在質(zhì)地組分與結(jié)構(gòu)、孔隙率及含水率等。不同水域底質(zhì)組成結(jié)構(gòu)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(zhì)，因泥底中含有豐富的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，說明高營養(yǎng)底質(zhì)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(zhì)對(duì)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(xiàn)上述沉水植物在不同底質(zhì)中的生長情況表現(xiàn)出明顯差異，其中最不適宜的底質(zhì)為沙石，最適宜的底質(zhì)為湖泥。張?。?4］通過添加不同比例的建筑用砂構(gòu)建不同顆粒組成的底質(zhì)，發(fā)現(xiàn)伊樂藻和菹草在不同顆粒結(jié)構(gòu)底質(zhì)中的生物量具有明顯差異。底質(zhì)含水率是指底質(zhì)中水分質(zhì)量與固形物干重的比值［25］，與底質(zhì)孔隙率直接相關(guān)?？紫端械臓I養(yǎng)鹽含量直接影響營養(yǎng)鹽在水體與底質(zhì)之間的交換進(jìn)程，從而引起上覆水營養(yǎng)鹽含量的變化［18］；同時(shí)，底質(zhì)孔隙能吸附一定的污染物并為微生物提供附著場(chǎng)所［26］，這些因素都與沉水植物的生長密切相關(guān)。因此，底質(zhì)的孔隙率以及含水率也會(huì)對(duì)沉水植物的生長造成顯著影響，但目前關(guān)與孔隙率與含水率對(duì)于水生植物影響的研究較少，其具體的作用及影響機(jī)理仍需要更多的研究。

在實(shí)際的水體生態(tài)修復(fù)工程應(yīng)用中，遇到的諸如沙質(zhì)、卵石底質(zhì)、新開挖硬底質(zhì)和混凝土硬化底質(zhì)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(zhì)，需要進(jìn)行相應(yīng)的底質(zhì)改造后才能實(shí)施沉水植物恢復(fù)。

2.2 底質(zhì)化學(xué)性質(zhì)對(duì)沉水植物的影響

底質(zhì)化學(xué)性質(zhì)對(duì)沉水植物的影響主要包括化學(xué)物質(zhì)組分、營養(yǎng)物質(zhì)組成、氧化還原狀態(tài)等方面?；瘜W(xué)物質(zhì)組分主要是指污染物的含量，即底質(zhì)受污染的程度。近年來，重金屬、難降解有機(jī)物等污染物廣泛被發(fā)現(xiàn)于各類水體的底質(zhì)中［27］，當(dāng)這些污染物的含量超過沉水植物耐受閾值時(shí)，沉水植物的生長將受到脅迫。因此，底質(zhì)污染較重的水域難以進(jìn)行沉水植被的恢復(fù)。底質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)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(jìn)沉水植物的生長。底質(zhì)中的營養(yǎng)物質(zhì)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(zhì)的沉水植物的生長更依賴于底質(zhì)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(zhì)［30］，但其生長所需的氮和磷幾乎全部來自底質(zhì)［31-32］。因此，底質(zhì)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(huì)抑制沉水植物的存活［33-34］。

由此可見，底泥化學(xué)基質(zhì)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(chǔ)，也是沉水植物營養(yǎng)和微量元素的主要來源。

3 典型底質(zhì)條件沉水植物恢復(fù)技術(shù)

為解決復(fù)雜底質(zhì)水域沉水植物難以定植、成活的問題，國內(nèi)外進(jìn)行了多種技術(shù)研發(fā)，主要可以歸納為兩類，即原位底質(zhì)改造技術(shù)和人工底質(zhì)替代技術(shù)。

3.1 原位底質(zhì)改造技術(shù)

原位底質(zhì)改造技術(shù)主要是指直接對(duì)底質(zhì)中限制沉水植物定植的因素進(jìn)行改良從而創(chuàng)造適宜沉水植物生長的底質(zhì)環(huán)境的技術(shù)，主要通過環(huán)保疏浚、底質(zhì)改良等方法實(shí)現(xiàn)。

3.1.1 環(huán)保疏浚。

環(huán)保疏浚是指通過機(jī)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(zhì)環(huán)境，為水生生物的恢復(fù)創(chuàng)造條件［35］。同時(shí)，由于底質(zhì)是內(nèi)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(zhì)［4］。因而，環(huán)保疏浚被認(rèn)為是湖泊富營養(yǎng)水體治理的有效措施，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的水生態(tài)修復(fù)工程中。Sebetich等［36］對(duì)未經(jīng)疏浚的Glenwild湖和疏浚的Kampfe湖的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，清淤后的Kampfe湖水質(zhì)得到明顯改善，其透明度、溶解氧含量和總磷等指標(biāo)明顯優(yōu)于Glenwild湖。疏浚技術(shù)也應(yīng)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(shí)踐，具有一定的水質(zhì)改善效果。但疏浚處理并不是都能達(dá)到預(yù)期效果，如南京玄武湖在進(jìn)行清淤疏浚工程后，多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)反而惡化［40］。學(xué)界在疏浚技術(shù)對(duì)于水生態(tài)修復(fù)的作用上仍然存在爭議，陸子川［41］結(jié)合寧波月湖底泥清淤后氮磷不降反升的情況，指出不當(dāng)?shù)那逵俅胧┓炊鴷?huì)破壞水體的氮磷平衡從而造成更嚴(yán)重的污染。過度的清淤還會(huì)破壞水域原本的底質(zhì)生態(tài)系統(tǒng)，而其重建通常需要數(shù)年時(shí)間［42］。Van der Does等［43］對(duì)荷蘭10個(gè)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(jù)水文條件、底質(zhì)性質(zhì)等綜合評(píng)估清淤的可行性。

3.1.2 底質(zhì)改良。

底質(zhì)改良劑依據(jù)作用機(jī)理可以分為物理底質(zhì)改良劑、化學(xué)底質(zhì)改良劑和生物底質(zhì)改良劑。物理改良劑是指可以改變底質(zhì)物理性狀（如孔隙率、結(jié)構(gòu)組成等）從而實(shí)現(xiàn)底質(zhì)環(huán)境改良的制劑，多為天然基質(zhì)、礦物、新型材料等。董百麗等［44］在種植苦草的底質(zhì)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(zhì)中后種植輪葉黑藻，其生長速率相較于對(duì)照組明顯提升。在底泥中添加底質(zhì)改良劑不僅能促進(jìn)沉水植物的生長，同時(shí)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(xiàn)磨石、鵝卵石、碎石均能提高苦草的凈水效果且磨石表現(xiàn)出好的促進(jìn)效果。方坤［47］研究發(fā)現(xiàn)，適量添加生物炭能有效促進(jìn)多種水生植物的生長以及水質(zhì)凈化的效率。

化學(xué)改良劑是指對(duì)底質(zhì)具有化學(xué)改性作用的制劑，通過化學(xué)反應(yīng)對(duì)底質(zhì)污染物進(jìn)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(duì)底質(zhì)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(shí)現(xiàn)底質(zhì)中可降解污染物的微生物種群規(guī)模的快速擴(kuò)張，從而實(shí)現(xiàn)底質(zhì)污染的修復(fù)。Beolchini等［49］從環(huán)境中分離的嗜酸氧化硫硫桿菌（Acidithiobacillus thiooxidans）對(duì)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(xiàn)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(qiáng)苦草對(duì)多環(huán)芳烴污染底質(zhì)的耐受程度。孫井梅等［51］利用促生劑與微生物對(duì)XX底泥進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)后，TN、TOC去除率大幅提升，底泥質(zhì)量得到明顯改善。

3.2 人工底質(zhì)替代技術(shù)

當(dāng)原始底質(zhì)環(huán)境過于復(fù)雜時(shí)，修復(fù)難度與修復(fù)成本增加，原位底質(zhì)修復(fù)將不再適宜開展。對(duì)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(zhì)以替代原有的底質(zhì)進(jìn)行沉水植物的恢復(fù)。周瑩等［52］將分別由土壤和硅藻土構(gòu)造的人工底質(zhì)直接覆蓋在苦草無法生長的原始底泥上并進(jìn)行植被恢復(fù)，結(jié)果顯示苦草在2種人工底質(zhì)上均生長良好，且水質(zhì)得到明顯凈化。針對(duì)溝渠化的人工硬底質(zhì)，有研究嘗試以沉水植生毯［53-55］的形式代替硬底質(zhì)在水域發(fā)揮功能；沉水植生毯由椰棕纖維等作為基礎(chǔ)載體，混合沸石、植炭土等填充物復(fù)合構(gòu)成可供植物生長的人工底質(zhì)，將其鋪設(shè)在硬化底質(zhì)上方，沉水植物可以在此類人工替代底質(zhì)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(wǎng)箱體構(gòu)成的生態(tài)種植槽等都成功應(yīng)用，在硬底質(zhì)恢復(fù)了沉水植被。

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

4 復(fù)雜底質(zhì)下沉水植物恢復(fù)技術(shù)

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

4.1 復(fù)雜底質(zhì)下的沉水植物成活率低

底質(zhì)對(duì)于沉水植物的生長和群落的形成起著至關(guān)重要的作用。在近年來的生態(tài)工程實(shí)踐中，一些復(fù)雜底質(zhì)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(nóng)田退水溝渠、山區(qū)的石質(zhì)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(fù)和水生態(tài)系統(tǒng)的快速構(gòu)建工作存在很大挑戰(zhàn)性。

因此，在沉水植物恢復(fù)的實(shí)際工程中，需綜合考慮沉水植物自身的特性與底質(zhì)特點(diǎn)，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(fù)雜底質(zhì)的扎根能力，實(shí)現(xiàn)“三面光”硬化、沙質(zhì)、淤泥、石質(zhì)等復(fù)雜底質(zhì)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(nèi)去除氮、磷等營養(yǎng)鹽，并且對(duì)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(duì)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(chǔ)上，可通過功能性去污基質(zhì)、納米光催化材料的成功添加及復(fù)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(biāo)達(dá)成。

4.3 恢復(fù)技術(shù)功能單一，復(fù)合性弱

目前國內(nèi)對(duì)復(fù)雜底質(zhì)河渠生態(tài)修復(fù)采用的技術(shù)主要有：①拆除現(xiàn)有的硬化底后再進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，但投資巨大，一般不采用此技術(shù)；②保持原有河渠底現(xiàn)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(shù)，但這些技術(shù)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(shè)計(jì)沉水植物種植、去污基質(zhì)及催化劑復(fù)合、水生生物棲息地構(gòu)建等功能集成的布置方式，開發(fā)出“交織復(fù)合”一體化制作的立體水生群落恢復(fù)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(shí)現(xiàn)污染治理與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提升。

5 展望

綜上所述，未來可在綜合水質(zhì)凈化、生物多樣性恢復(fù)、生態(tài)保育等方面開發(fā)復(fù)雜底質(zhì)下沉水植物的恢復(fù)及水生態(tài)系統(tǒng)快速構(gòu)建技術(shù)。該技術(shù)為水污染治理/生態(tài)保育相耦合的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，可形成龐大的生物群落，恢復(fù)水體生物多樣性，快速構(gòu)建起較為完善的水生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)針對(duì)氮磷污染物靶向去除，有利于解決水體富營養(yǎng)化問題、實(shí)現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。同時(shí)，該技術(shù)解決了常規(guī)技術(shù)復(fù)雜底質(zhì)沉水植物種植困難、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)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(nóng)田硬質(zhì)退水溝渠、景觀水體構(gòu)建，為行業(yè)沉水植物恢復(fù)技術(shù)優(yōu)化提供了新的思路，加速修復(fù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

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