沉水植物菹草的生態功能及其應用現狀

張 敏，尹傳寶，張翠英,2，王 龍，劉自強

(1.徐州工程學院 環境工程學院，江蘇 徐州 221111； 2.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州221116)

沉水植物菹草的生態功能及其應用現狀

張 敏1，尹傳寶1，張翠英1,2，王 龍1，劉自強1

(1.徐州工程學院 環境工程學院，江蘇 徐州 221111； 2.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州221116)

菹草；沉水植物；生態功能；工程應用；人工拓殖

菹草作為冬春季沉水植物，在秋季發芽，冬春生長，夏季衰退腐爛并在植株末端形成鱗枝(也稱石芽)繁殖。菹草不但具有較高的營養價值，可作為草食性魚類的良好天然餌料，而且具有去除水體懸浮物、營養鹽、重金屬離子和抑制藻類繁殖等生態功能，可應用于水體生態修復工程中。分析了菹草在生態修復應用中存在的問題。

菹草(Potamogetoncrispus)又叫蝦藻、蝦草，屬眼子菜科眼子菜屬多年生沉水草本植物，分布于中國南北各省，為世界廣布種，是許多草型湖泊春季水生植物的優勢種群，生于湖泊、池塘、水溝、水稻田、灌渠及緩流河水中，其生活的水體多呈微酸至中性。菹草為草食性魚類的良好天然餌料，中國一些地區選其為囤水田養魚的草種。菹草野生能力強，資源豐富，容易采集，其主要營養成分與稻谷一致，氨基酸含量與玉米相近，具有較高的營養價值。據研究，菹草還含有一些生理活性成分和大量的微量元素，可提高動物的免疫力及肌肉品質[1]，在一些淡水魚、畜禽飼料上已有應用。

隨著城市經濟的發展和人們生活水平的提高，大量富含營養物質的污廢水排入城市河道，污染物積聚在河道底泥中，勢必影響河道水生態環境的健康。沉水植物能降低水體的營養鹽質量比，有效抑制藻類繁殖，促進懸浮物質沉積，提高水體的污染自凈能力[2]。作為冬春季沉水植物的優勢種，近年來菹草在華北地區一些富營養化城市河道水體中的應用優勢再次凸顯出來，以菹草為基礎的相關生態修復工程和項目也越來越多，其存在對湖泊水質及水生生態系統均產生了重要影響[3-5]。因此，對菹草進行全面而系統的研究具有重要意義。

1 菹草的生長與人工拓殖

1.1 菹草的生長過程

菹草的生活周期與多數夏秋型水生植物不同，一般在秋季發芽，冬春生長[6]，4～5月開花結果，葉條形、無柄，植株在夏季之后逐漸衰退腐爛，在植株末端形成鱗枝，也稱石芽。石芽堅硬，邊緣有齒，形如松果，可在低溫條件下保持活性，待溫度適宜即可萌發生長。

菹草一般不以其種子繁殖，待植株腐爛后會形成許多獨立的石芽，懸浮于水體之中，其特殊結構(鱗狀，邊緣有齒)易于粘附水體中的懸浮泥沙，從而增加重量并沉入水底，待環境適宜時生根扎于底泥中。底泥中含有豐富的營養物質，能保證石芽順利萌發生長。菹草的生長過程如圖1所示。

生長初期的菹草植株，由于冬春溫度的限制并不會大規模生長，這時的菹草一般葉片稀少，莖部纖細且長，纖細的莖不能支撐菹草直立生長，倒伏下的莖葉接觸到底泥時就會再次生根，形成新的植株，見圖2。菹草的這種無性生殖是導致后期菹草大規模繁殖，且草群密集分布的主要原因。

1.2 菹草的人工拓殖技術

前文已提到菹草雖產生種子，但其生殖的主要方式為菹草本身變態莖體所形成的石芽，是菹草營養體長到成株后在死亡腐爛之前形成的，每株菹草可產生幾個至十幾個石芽。所以，人工栽培菹草的主要措施是移植菹草的繁殖體，即石芽。

一般菹草型湖泊石芽數量較大，繁殖迅速，對不良環境和各種外界侵害的抵抗力較強，便于引種移植，且易獲得成功。筆者曾對蘇北地區的菹草型湖泊做過調查，菹草植株8～9月份完全腐爛，產生石芽，石芽在9～10月份水溫合適時(25 ℃左右)極易生芽，實驗室10 ℃保存石芽能使其延緩2～3周生芽。因此，北方地區石芽采集宜在每年8月上旬石芽生物量最大但未生芽之際，將其從天然水體中撈出，洗凈污泥，趁濕撒入移植水體。

2 菹草凈化水體的生態作用及工程應用

2.1 菹草對其生長水體的生態作用

2.1.1 去除水體懸浮物

沉水植物隨水流而形成的彈性扭曲現象會影響流水的速度，有助于去除水中的懸浮物[7]。大多數情況下，沉水植物對流速的影響力往往隨植株高度的增加而增大[8]。而菹草屬大型水生植物，其株高與水深顯著相關。何偉等[9]的研究表明，菹草適宜的水深為90～150 cm，菹草株高均能達到100 cm以上。菹草繁殖和擴殖能力強，一般茂盛處可達200株/m2以上，茂密的植株群會顯著減緩水流速度，有效攔截和滯留水體中的懸浮物。它的莖葉能夠吸附、固著和沉降水體中的懸浮物，根部能牢牢地固著底泥，有效地減少底泥物的再懸浮。

2.1.2 去除水體營養鹽

國內外對菹草的研究表明，菹草主要通過根系獲得大量的營養鹽[10]，故在對富營養化水體的修復過程中，菹草主要是通過根系對底泥中的營養鹽進行吸收，莖葉對水體中營養鹽的吸收以硝態氮為主，對磷酸鹽的吸收很少。但菹草在水體中分布密集，一般達200株/m2以上，且植株較大，枝葉繁茂，能積聚底泥和水體中大量的營養物質，尤其適宜在冬春季節生長，這對湖泊水體的凈化起到非常關鍵的作用。

劉會等[11]研究了包括菹草在內的5種沉水植物對富營養化水體的凈化效果，試驗時間是6—8月份，此時間自然狀態下的菹草已經衰亡了，環境溫度狀況顯然對結果有一定的影響，盡管如此其對總氮、總磷的去除率仍然分別達到了52.8%和37.2%。王華光等[12]研究了冬季不同生境下菹草的水質凈化效果，在試驗組河水加底泥種植菹草的條件下，對總氮的去除率高達83.26%，對總磷的去除率也達60%以上，對銨態氮的去除率最高達97.73%，對硝態氮的去除率在50%左右。劉佳等[13]研究了多種水生植物對水體中氮磷的吸收效果，其中菹草在21 d時對總氮和總磷的去除率分別達到66.69%和89.45%，對銨態氮和硝態氮的去除率為68.2%和66.04%。表1列出了部分研究者對菹草營養鹽去除率的研究結果。

2.1.3 對藻類的抑制作用

菹草對富營養化水體的凈化修復作用不僅表現在對水體氮磷的吸收上，還表現在對水體藻類的抑制上。除與藻類進行營養物質、礦物質的競爭外，由于菹草植株較高，甚至伸出水面，因此能有效對藻類進行遮光，抑制藻類大規模生長。

2.1.4 對重金屬離子和砷的富集作用

沈佳等[16]的研究表明，菹草在10 ℃較低溫度條件下，對Cu2+和Zn2+的吸附在20 min內即可達到平衡，對Pb2+的吸附在50 min內也可達到平衡，這與一般植物在25 ℃條件下的吸附效果相當[17-18]，且即使水體中這3種離子的初始濃度很低，菹草對它們的吸附效果依然很好。投放菹草后，在短時間內(7 d)水體中金屬離子的去除率即可達到較高水平。張飲江等[19]的研究表明，菹草對重金屬離子的去除效果可達92.5%～96.5%。

崔晨等[20]研究了菹草對微污水中重金屬復合污染的凈化效果，分別研究了菹草根莖葉部分對重金屬離子的富集能力：在18 d的時間內，菹草根部的Mn2+增加最多，達到原先的2.7倍；Ni2+、Cr3+、Cu2+平均含量分別增加2.23、2.12、1.45倍；Cd2+在根中富集能力最弱，含量只是略有增加；與其他重金屬相比，Zn2+在根中含量呈下降趨勢。菹草莖中重金屬Cd2+含量增加了2.42倍，Cr3+含量基本保持不變，Cu2+含量增加了1.12倍；Mn2+凈吸收量增加最多，增加到原來的6.85倍；Ni2+到試驗結束時增加到原來的8倍；與其他重金屬相比，Zn2+在菹草莖中的含量不升反降，降低了60.6%，與菹草根中變化情況類似。研究表明，菹草對重金屬Cd2+、Mn2+、Ni2+具有超積累作用。

一般來說，菹草的自然含砷量在6 mg/kg左右，但在含砷酸氫二鉀、硫酸鋅、氯化汞、重鉻酸鉀各2 mg/L的混合廢水栽培下，菹草體內的含砷量可超過原來的16倍。所以，以上特點使菹草能夠作為一種低溫條件下對較低濃度重金屬廢水進行植物修復的理想材料，為解決重金屬廢水生物吸附處理的周年循環問題提供可能。

2.2 菹草在水體生態修復工程中的應用

人工沉床主要由基質(填料)、大型水生植物和附著在基質與植物體表面的微生物三大部分組成。以沉水植物為核心的人工沉床技術，植物體全部位于水下，可直接吸收水體中的污染物質，提高水體透明度和DO含量，而且不額外占用土地，投資和運行費用低，在水環境改善中具有明顯的優勢。

人工沉床的凈化機理主要有以下幾個方面：①植物吸收凈化。沉水植物和挺水植物整個或大部分植株位于水中，可以直接吸收水體中的氮、磷等營養元素，并同化為自身的結構組成物質[21-23]。②物理化學作用。以大型水生植物為核心的人工沉床系統中，也有小部分污染物通過物理化學作用被去除，主要有揮發、吸附和沉降等形式。物理化學作用主要去除SS和高分子有機物等大顆粒污染物，改善水體的感官效果。③釋氧復氧作用。水生植物光合作用過程中釋放氧氣，可明顯增加水體中DO含量[24]，特別是沉水植物，由于植物體位于水下，因此對水體的增氧效果較為顯著。④植物化感作用。植物化感作用是指大型水生植物通過生長代謝過程釋放某些化學物質，抑制藻類及細菌生長。⑤植物-微生物的協同凈化作用。在以大型水生植物為核心的水體凈化系統中，微生物對污染物的降解仍起著重要作用[25]，特別是對COD、氮的去除，微生物作用仍占有重要地位。

目前，以水生植物群落構建技術為目的的研究開展得相對較少，但在利用植物凈化廢水方面開展的相關研究工作很多[26]。國內外應用的植物種類均以挺水植物為主，國外最常用的植物種類是蘆葦、香蒲和燈芯草，此外黑三棱、水蔥等植物也比較常用。在國內，植物種類的應用主要借鑒了國外的經驗，最常用的植物種類與國外基本一致，除上面提到的植物種類外，還有伊樂藻、香根草、茭白、菹草、苦草等[27-29]。沉水植物已被使用或試驗的頻率等級統計見表2。

3 菹草在應用中存在的問題

菹草作為一種天然水生植物，古往今來一直被水禽、魚類自由采食，后來又被人為利用作為家禽和家畜的飼料，其安全性及效果已通過這種自然選擇和人工選擇的方式得到了證明。此外，菹草因為不同于其他沉水植物的生殖周期，已成為冬春凈化水體的重要水生植物，不僅對富營養化水體中的氮磷有著理想的吸收作用，還對藻類有著很強的抑制作用。近年來由于環境問題日益突顯，菹草對水環境的生態修復作用逐漸受到人們的重視，由菹草或其他沉水植物組合形成的各種生態沉床和人工浮島技術也都是現在的研究熱點，相關產品逐漸被應用和推廣。目前，關于菹草對污染水體凈化的研究還存在以下幾個方面的問題：

(1)由于水體富營養化加劇，因此在水溫較高的草型湖泊出現了菹草大規模爆發的現象，過于茂盛的菹草叢會影響水體的透光度，在魚塘會減少魚群的生長空間，阻礙魚類覓食，還會在光照不佳的情況下與魚類爭奪水中的溶解氧；在一些景觀水體和旅游地嚴重影響到水體美觀和游船的運移。清除菹草要耗費大量的人力、物力和財力，造成資源性浪費。

(2)菹草植株大量衰亡后，如果不及時刈割，其在生長過程中吸收的營養物質又會重新回到水體中，成為水體的內源污染物質。

(3)菹草植株大且分布密集，對不良環境適應性強，生于菹草群中的其他沉水植物的種子很難存活下來，會失去競爭優勢，最終導致植被單一化。

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(責任編輯 徐素霞)

賴觀路獲得贛州市最美“三送”干部獎

2015年1月23—24日，在“大美贛南·百位好人紅都行”活動暨贛州市最美“三送”干部座談會上，龍南縣水土保持局副局長、駐武當鎮石下村工作隊隊長賴觀路同志榮獲贛州市最美“三送”干部稱號。賴觀路同志作為贛州市最美“三送”干部參加了中共贛州市委宣傳部、贛州市文明辦等單位舉辦的“大美贛南·百位好人紅都行”、“特區——老區愛心接力”等系列活動。

龍南縣水土保持局

國家住房和城鄉建設部科學技術計劃項目(2012-K-79)；國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201311998017)；江蘇省高校自然科學基金項目(13KJD610003)；徐州市科技計劃項目(XM12B087)

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1000-0941(2015)03-0050-04

張敏(1993—)，男，江蘇贛榆縣人，本科在讀，主要從事水生態修復方面的研究；通信作者張翠英(1978—)，女，江蘇豐縣人，講師，博士，主要從事水污染治理與生態修復方面的教學與研究。

2014-05-28