陳 靜，張正文，萬小瓊

（華中農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，湖北 武漢430070）

1 引言

沉水植物整個植株生長于水面以下，可以吸收水體中的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，從而凈化水質(zhì)和調(diào)節(jié)水體的酸堿度，還能通過光合作用產(chǎn)生氧氣，并直接釋放于水體中，增加水體溶氧量，提高水質(zhì)［1］。菹草是沉水性多年生草本植物，花期3～7月份，果期4～9月份，為種子、根狀莖及芽苞繁殖。根莖在正常情況下，繁殖迅速；芽苞系由側(cè)枝形成的短枝，葉片密集，通常葉片基部肥厚寬大，邊緣常有銳齒，芽苞脫落后沉于水底［2］。沈佳等［3］的研究表明，在10℃較低溫度條件下，菹草對Cu2＋和Zn2＋的生物吸附在20min內(nèi)達到平衡，并且解吸程度微弱，在離子的濃度很低的情況下，菹草對它們的吸附效果依然很好。菹草對砷的凈化能力也很強，它的自然含砷量在6mg/kg左右，但在含砷酸氫二鉀、硫酸鋅、氯化汞、重鉻酸鉀各2mg/L混合廢水栽培下，菹草體內(nèi)的含砷量可超過原來含砷量的16倍［4］。張飲江［5］等的研究表明，菹草對重金屬離子的去除效果可以達到92.5%～96.5%。因此，菹草對水體富營養(yǎng)化的調(diào)節(jié)和重金屬的去除有一定的作用。

近年來，由于水體富營養(yǎng)化程度日趨嚴重，菹草開始過量增殖，對環(huán)境和水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了不可忽視的影響。在襄陽、西安等地的護城河中，菹草春末夏初泛濫已經(jīng)嚴重影響城市形象，對其進行控制是非常必要的。因此，本文提出了采用固定床培養(yǎng)菹草以及通過生態(tài)位模型構(gòu)建生態(tài)群落對菹草生長加以控制的設(shè)想。

2 菹草的固定床培養(yǎng)模式

固定床是指固定在某處的框架結(jié)構(gòu)。菹草的固定床培養(yǎng)模式即是采用不銹鋼作為框架，中間為小孔徑的多孔的PVC材料，在框架上有小的軌道，供可移動的收割鏈條在四周移動以收割菹草。收割后的菹草用于豬和牛的飼料，或用于生物質(zhì)能源的再生［6］。在菹草的種植時采用摻有草木灰的粘土包裹菹草石芽和沙粒一起用高壓水槍播撒到不銹鋼框架的范圍內(nèi)。這種方法能使菹草石芽在期望的水體區(qū)域固定，萌發(fā)和繁殖，并且成本低廉。草木灰能提供菹草生長初期的營養(yǎng)鹽等物質(zhì)，有利于其生長。圖1至圖4是固定床的結(jié)構(gòu)示意圖。

在收割菹草時，在不銹鋼框架對應(yīng)的水面上設(shè)漂浮的網(wǎng)片，防止割斷的菹草在水面上的擴散和漂浮，最后通過收拉繩索將網(wǎng)片的距離縮小，將收割的菹草清收上岸。圖5是固定床捕撈菹草的流程示意圖。

3 生態(tài)位理論及群落構(gòu)建

朱耿平等［7］指出，生態(tài)位主要指自然生態(tài)系統(tǒng)中一個種群在時間上和空間上的位置及其相關(guān)種群之間的功能關(guān)系，其被廣泛應(yīng)用于指導(dǎo)物種多樣性和群落構(gòu)建。該理論指出維持物種共存的充分條件便是生態(tài)位分化，胡榮桂［8］在環(huán)境生態(tài)學教材中指出，根據(jù)競爭排斥原理，位于同一生態(tài)位的物種必然會由于競爭而導(dǎo)致一種物種滅絕。

基于生態(tài)位的群落構(gòu)建原理，可以構(gòu)建如圖6所示群落，包括浮水植物和沉水植物，根據(jù)競爭排斥原理，同一生態(tài)位的植物只選取一個物種。同時在水體中投放草魚苗，以增加群落的物種多樣性和對水生植物加以適量取食。陽光在經(jīng)過水體表面時，會經(jīng)過表面浮水植物的遮擋，到達水下的光量會減少，同時由于生物的多樣性，會減少單一物種對水體中的營養(yǎng)鹽過量吸收而引起物種泛濫。由于光量和營養(yǎng)鹽的減少以及草魚的取食，水體中的菹草的量會保持在一個適宜的范圍。

物種的選擇對構(gòu)建群落非常重要。關(guān)于群落構(gòu)建機理的研究，?？瞬龋?］提到，Diamond在1975年正式提出了群落構(gòu)建規(guī)則，認為群落構(gòu)建的過程是大區(qū)域中多個物種經(jīng)過多層環(huán)境過濾和生物作用選入小局域。Keddy（1992）認為群落構(gòu)建是物種的篩選過程，而篩選因子是環(huán)境條件和生物間的相互作用；通過篩選因子的過濾，特定區(qū)域物種庫中只有那些具有特定性狀的特定物種才能進入小局域群落。圖7表示了這種群落構(gòu)建的篩選過程。

但是群落構(gòu)建中物種的篩選過程歷時較長，在短時間內(nèi)難以找到需要的物種，借助于生態(tài)位模型，能夠快速預(yù)測物種潛在的地理分布，朱耿平等［7］認為其原理是通過物種分布點相關(guān)聯(lián)的環(huán)境參數(shù)，進行算法運算來構(gòu)建模型，然后把得到的模型運用到另一地理空間，判斷該物種在該空間中未知的實際分布地和潛在分布地（Araujo ＆Peterson，2012），在實際中，生態(tài)位模型所基于的物種分布點與其他物種的分布有一定的關(guān)聯(lián)并受到其影響，因此可以說生態(tài)位模型所模擬的是現(xiàn)實生態(tài)位。

蔡靜蕓等［10］指出，常用的幾種生態(tài)位模型有基于遺傳算法的規(guī)則組合模型（GARP）、最大熵模型（MaxEnt）、CLIMEX模型等。GARP主要原理是物種的分布數(shù)據(jù)情況分成訓練樣本和檢驗樣本，反復(fù)運算找出一個規(guī)則，可以根據(jù)研究地區(qū)的環(huán)境變量，來判別該環(huán)境中某物種是“存在”還是“不存在”；MaxEnt模型是依據(jù)物種的分布地理特點和分布地區(qū)的環(huán)境變量由最大熵原理建立預(yù)測模型，然后把目標地區(qū)的環(huán)境變量代入模型，得出預(yù)測物種在目標地區(qū)的 “適宜生境”和“非適宜生境”，從而進一步研究。CLIMEX模型是機理模型中使用廣泛的一種動態(tài)模擬模型。它首先利用物種在某局域的地理分布和相對豐度，估計出該物種的生存的氣候條件，并通過其分布區(qū)域的各個氣候參數(shù)和各參數(shù)之間的相互關(guān)系構(gòu)建模型，從而能預(yù)測物種的潛在地理分布，主要適用于大尺度范圍內(nèi)對物種分布的預(yù)測。通過生態(tài)位模型，預(yù)測出構(gòu)建的群落——菹草與浮水植物、動物協(xié)調(diào)生存，群落構(gòu)建完成。

4 結(jié)語

本文主要從機械控制和生態(tài)理論方面，通過物理方法和增加物種的多樣性穩(wěn)定菹草的生長空間，從而解決菹草泛濫成災(zāi)問題。傳統(tǒng)的機械割除可以在菹草泛濫時加以短時間控制，而本文的設(shè)計通過對菹草的生長環(huán)境加以控制，無疑會從根本上防止菹草的物種爆發(fā)。

［1］蘇勝齊.環(huán)境對菹草生長和繁殖的影響及菹草對富營養(yǎng)化水凈化能力的研究［D］.西南農(nóng)業(yè)大學：西南農(nóng)業(yè)大學環(huán)境工程系，2001（5）.

［2］中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所.中國農(nóng)業(yè)有害生物信息系統(tǒng)：菹草［EB/OL］.http：//pests.agridata.cn/show1.asp？id＝39.

［3］沈 佳，紀桂琴，許 文，等.沉水植物菹草在低溫條件下對重金屬Cu、Pb、Zn的吸附和富集［J］.植物研究，2009，29（5）：585～591.

［4］張 敏，尹傳寶，張翠英，等.沉水植物菹草的生態(tài)功能及其應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.中國水土保持，2015（3）：50～53.

［5］張飲江，劉曉陪，金 晶，等.沉水植物對水體凈化的研究進展［J］.科技導(dǎo)報，2012，30（27）：72～79.

［6］王海濱，張聲華.菹草的營養(yǎng)價值、飼料開發(fā)及功能特性研究進展［J］.糧食與飼料工業(yè)，2005（7）：33～35.

［7］朱耿平，劉國卿，卜文俊，等.生態(tài)位模型的基本原理及其在生物多樣性保護中的應(yīng)用［J］.生物多樣性，2013（1）：90～98.

［8］胡榮桂.環(huán)境生態(tài)學［M］.武漢：華中科技大學出版社，2010.

［9］?？瞬瑒珜?，沈澤昊，等.群落構(gòu)建的中性理論和生態(tài)位理論［J］.生物多樣性，2009（6）：579～593.

［10］蔡靜蕓，張明明，粟海軍，等.生態(tài)位模型在物種生境選擇中的應(yīng)用研究［J］.經(jīng)濟動物學報，2014（1）：47～52，58.