張春松

沉水植物是城市濕地，如河道、湖泊等重要的初級(jí)生產(chǎn)者，可以提供食物與氧氣，凈化水質(zhì)、創(chuàng)造生態(tài)空間等。本文以中國(guó)知網(wǎng)收錄的1990-2019年沉水植物恢復(fù)研究文獻(xiàn)為分析對(duì)象，采用CiteSpace軟件對(duì)該領(lǐng)域主要研究方向進(jìn)行分析，揭示研究熱點(diǎn)與前沿，并對(duì)主要植物以及植物恢復(fù)的影響因子進(jìn)行介紹，以期對(duì)今后相關(guān)領(lǐng)域的研究提供借鑒。

沉水植物；恢復(fù)；影響因子

沉水植物是指植物體全部或大部分沉浸在水下邊，根固著在水下泥土里或漂浮于水中的植物[1]，是城市濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，是水生演替系列達(dá)到頂級(jí)的標(biāo)志植物[2]。沉水植物是城市濕地生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級(jí)生產(chǎn)者，通過(guò)光合作用高效地積累有機(jī)質(zhì)，不僅可以為魚(yú)、蝦、蟹、貝等生物提供餌料，還可以通過(guò)自我繁殖，營(yíng)造生物棲息地，提高水體空間異質(zhì)性。由于沉水植物繁殖速度較快，對(duì)水體中的營(yíng)養(yǎng)元素具有較強(qiáng)吸收能力，可以有效降低水體中的氮、磷等元素，抑制藻類(lèi)的爆發(fā)，有效緩解城市水體污染現(xiàn)象。某些沉水植物，如輪葉黑藻、狐尾藻等，還可以有效吸附污水中的重金屬和有毒有害元素，對(duì)于提高城市水體的水生態(tài)安全意義重大[3-5]。此外，沉水植物在提升水生生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性、改善沉積物微環(huán)境以及維持水體清水狀態(tài)等方面均發(fā)揮了重要作用。

1.中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)于沉水植物恢復(fù)的論文發(fā)表量

隨著人口密度的上升和城市面積的增加以及用地類(lèi)型的調(diào)整，城市濕地沉水植物退化嚴(yán)重[4]，濕地水生態(tài)功能失調(diào)，湖泊、河道等水生生態(tài)系統(tǒng)由“草型”向“藻型”轉(zhuǎn)變，并引發(fā)了水質(zhì)惡化、水華頻發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)破壞等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重影響了人們身體健康和水體功能的正常發(fā)揮。因此，沉水植物在水體生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建中的重要性不斷凸顯，通過(guò)生境修復(fù)、人工或自然的繁殖手段進(jìn)行沉水植物群落的重建，恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)的功能，逐步成為污染水體整治工程的重要內(nèi)容[2]。

本文利用CiteSpace軟件對(duì)中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中1990至2019年的沉水植物恢復(fù)研究狀況進(jìn)行了分析，探究其主要研究機(jī)構(gòu)與關(guān)鍵詞，對(duì)沉水植物修復(fù)的主要影響因子進(jìn)行介紹，對(duì)城市濕地主要沉水植物匯總并簡(jiǎn)要分析其在工程修復(fù)方面的適用情況，以期對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的研究工作提供借鑒與參考。

1 論文發(fā)表量與主要研究機(jī)構(gòu)

本研究在中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索了1990～2019年沉水植物恢復(fù)的年度發(fā)表量，結(jié)果如圖1所示，在2001年之前，年度發(fā)表量低于50篇，屬于緩慢發(fā)展階段；在2006年發(fā)表量顯著上升，達(dá)到150篇以上；在2011年之后，論文發(fā)表量均高于170篇，2020年預(yù)計(jì)發(fā)表量接近250篇?？傮w而言，關(guān)于沉水植物恢復(fù)的論文發(fā)表量呈明顯的上升態(tài)勢(shì)，尤其是近十年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地利用模式迅速轉(zhuǎn)變以及大量工業(yè)廢水與生活污水的產(chǎn)生，城市水體生態(tài)功能受到破壞，水生植物生態(tài)系統(tǒng)退化，嚴(yán)重影響了水體的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能和景觀價(jià)值，因此沉水植物修復(fù)作為有效的水體生態(tài)功能提升途徑與水工手段，得到了廣泛的認(rèn)可與重視。

圖2是關(guān)于沉水植物恢復(fù)的國(guó)內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)發(fā)文數(shù)概況，其中發(fā)文數(shù)前六的單位分別為中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所、中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所、上海海洋大學(xué)、中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院、河海大學(xué)和南京師范大學(xué)，其中中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所以總發(fā)文量111篇遙遙領(lǐng)先，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所和上海海洋大學(xué)分別以78篇和61篇位列第二與第三。中國(guó)沉水植物修復(fù)的研究相對(duì)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，在學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展前期，只有中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所和中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所等少數(shù)的研究所進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究，但是隨著我國(guó)綜合國(guó)力和科研實(shí)力的增強(qiáng)，現(xiàn)在已經(jīng)有越來(lái)越多的高校和科研院所參與沉水植物恢復(fù)的研究。此外，隨著水生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目的不斷開(kāi)展，也有一些公司與社會(huì)組織創(chuàng)立相關(guān)領(lǐng)域的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，探究沉水植物恢復(fù)的工程應(yīng)用，為該領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)巨大。

2 研究關(guān)鍵詞情況

2.中國(guó)沉水植物恢復(fù)研究主要發(fā)文機(jī)構(gòu)

3.沉水植物恢復(fù)研究主要關(guān)鍵詞

目前國(guó)內(nèi)對(duì)沉水植物研究的主要關(guān)鍵詞如圖3所示，熱點(diǎn)主要集中在恢復(fù)水生植物類(lèi)型、富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的調(diào)控與影響以及生態(tài)修復(fù)的應(yīng)用等方面。

沉水植物因其獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)在湖泊、河道等水體中占據(jù)著獨(dú)特的生態(tài)位，但是不同的沉水植物的存活率、耐受力、適應(yīng)的環(huán)境因子、適用的恢復(fù)方法和手段以及產(chǎn)生的生態(tài)價(jià)值差異較大，因此研究適宜進(jìn)行恢復(fù)的水生植物種類(lèi)至關(guān)重要。在進(jìn)行水生植物修復(fù)工作中，要依據(jù)因地制宜的原則，參考本地水生植物類(lèi)型、生態(tài)位以及恢復(fù)目的和要求選擇合適的植物種類(lèi)。

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生的大量氮、磷等物質(zhì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象頻發(fā)，造成水生生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化，沉水植物大量死亡，進(jìn)而引發(fā)水體黑臭現(xiàn)象發(fā)生[6-7]。因此，目前的許多機(jī)構(gòu)和團(tuán)體都在研究沉水植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體中的恢復(fù)以及遏制富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象發(fā)生能力和機(jī)理。

沉水植物作為湖泊水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在整個(gè)水體生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建、維持、恢復(fù)等過(guò)程中發(fā)揮著不可取代的作用，由于沉水植物是水體中重要的初級(jí)生產(chǎn)者同時(shí)也是一些水生動(dòng)物生活、繁殖的場(chǎng)所，因此沉水植物的恢復(fù)既是水生生態(tài)修復(fù)的重要目標(biāo)之一，也是促進(jìn)水生生態(tài)系統(tǒng)整體恢復(fù)的重要手段之一。

3 影響沉水植物恢復(fù)的因子

3.1 水位深度

水位深度是影響淺水湖泊沉水植物生長(zhǎng)、分布和繁殖策略的主要因素之一[8]，沉水植物對(duì)水位的響應(yīng)機(jī)制較為復(fù)雜，不同物種對(duì)于水位抬升或降低的適應(yīng)機(jī)制不同，具體表現(xiàn)為生長(zhǎng)形式不同和光合作用的差異。合適的水位深度會(huì)為沉水植物生長(zhǎng)創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的溫度、光資源、能量物質(zhì)等條件，并且會(huì)增加沉水植物對(duì)干擾的耐受上限。在一定范圍內(nèi)，水深降低會(huì)提高水體光照強(qiáng)度，增強(qiáng)植物的光利用率，從而實(shí)現(xiàn)碳水化合物的高效積累，增加生物多樣性和植物的有效分布面積。在我國(guó)很多湖泊的生態(tài)修復(fù)工程中，經(jīng)常通過(guò)降低水深來(lái)迅速提升水體光照條件，進(jìn)而為沉水植被的恢復(fù)創(chuàng)造條件，這在一定程度上提高了恢復(fù)工作的效率。但是，并不是所有的沉水植物類(lèi)型都適合這種方式，如苦草等沉水植物，其正常的生活、繁殖和擴(kuò)散都對(duì)水位深度有較大的需求，適當(dāng)?shù)奶豢梢杂行г鰪?qiáng)其對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的獲取能力，增加生物量，繁殖體的產(chǎn)生速度和數(shù)量上升，從而實(shí)現(xiàn)種群的快速擴(kuò)增，顯著增大其覆蓋范圍。此外，由于不同植物光合特征、形態(tài)可塑性以及繁殖策略的差異，水深變化還可能會(huì)改變沉水植物的種間關(guān)系以及群落結(jié)構(gòu)，不同水位深度下植物的優(yōu)勢(shì)種會(huì)存在明顯差異，造成水生態(tài)功能與景觀價(jià)值存在差別。因此在具體的沉水植物恢復(fù)工作中可以利用水位的變化來(lái)促進(jìn)沉水植物的定殖、生長(zhǎng)以及群落的結(jié)構(gòu)調(diào)整和自然演替。

3.2 富營(yíng)養(yǎng)化情況

水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題已經(jīng)成為目前全球重大的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，其所導(dǎo)致的水華現(xiàn)象嚴(yán)重?fù)p害了水生生態(tài)系統(tǒng)[8-10]，所帶來(lái)的連鎖效應(yīng)導(dǎo)致了沉水植物的大規(guī)模衰退和植被群落的逆行演替，由于沉水植物對(duì)淡水湖泊的生態(tài)系統(tǒng)具有構(gòu)建作用，同時(shí)又可以吸收一定的氮磷等物質(zhì)維持水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，沉水植物的消亡將直接加劇水體環(huán)境的惡化，產(chǎn)生嚴(yán)重的水生態(tài)危機(jī)。在沉水植物的快速生長(zhǎng)階段，其需要吸收大量的營(yíng)養(yǎng)元素用于自身的組織結(jié)構(gòu)構(gòu)建，從而維持正常的生活、繁殖活動(dòng)，因此水體中適量的增加氮、磷元素會(huì)促進(jìn)沉水植物的恢復(fù)，但是當(dāng)水體大量吸納氮、磷后，水體中的藻類(lèi)會(huì)大量爆發(fā)，出現(xiàn)水華現(xiàn)象，最終導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，沉水植物發(fā)生退化。

3.3 光照強(qiáng)度

水下不同深度光照強(qiáng)度的分布是影響沉水植物恢復(fù)的一個(gè)重要因素，沉水植物光合作用的光補(bǔ)償點(diǎn)決定了沉水植物可以生存的最大水位和競(jìng)爭(zhēng)能力[11]，對(duì)植物的萌發(fā)與芽庫(kù)構(gòu)建也意義重大[12]。懸浮物以及有機(jī)質(zhì)的含量都會(huì)通過(guò)影響水體的透光性進(jìn)而影響沉水植物的生長(zhǎng)繁殖。此外，光質(zhì)也會(huì)對(duì)沉水植物產(chǎn)生影響，不同沉水植物主要的可見(jiàn)光吸收波峰存在差異，因此在不同的時(shí)間空間尺度下，不同沉水植物對(duì)光資源的利用效率存在差異。在重建或搭配沉水植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí)，一定要考慮沉水植物群落的類(lèi)型及其合適的生物量，根據(jù)環(huán)境條件和種群特性的差異，在時(shí)間、空間分布上按—定比例進(jìn)行合理的安排，以達(dá)到恢復(fù)原有水體群落結(jié)構(gòu)與功能的目標(biāo)。當(dāng)沉水植物生長(zhǎng)旺盛以致會(huì)產(chǎn)生自遮作用或衰敗、消亡時(shí)，要及時(shí)地進(jìn)行打撈與清理，以免造成水體的二次污染，并防止由此而產(chǎn)生水體透光性的降低與水下光分布的改變，這將直接或間接地導(dǎo)致修復(fù)植物的退化。

3.4 捕食者

沉水植物作為水體中重要的初級(jí)生產(chǎn)者之一，為一些草食性魚(yú)類(lèi)、螺類(lèi)等大型底棲動(dòng)物以及少量的浮游動(dòng)物直接或間接地提供食物來(lái)源[13]。在沉水植物恢復(fù)初期，植物種群比較脆弱，穩(wěn)態(tài)閾值較低，若水體中的草食性動(dòng)物豐度較高，會(huì)造成沉水植物中期發(fā)育緩慢，嚴(yán)重的甚至?xí)斐芍参锓N群大面積退化。因此在沉水植物修復(fù)工作中，應(yīng)該從生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的整體角度出發(fā)，合理配置沉水植物的種類(lèi)，使其既能滿足沉水植物初級(jí)生產(chǎn)者的功能，又要確保不會(huì)出現(xiàn)捕食者數(shù)量的突然爆發(fā)而導(dǎo)致沉水植物在恢復(fù)初期迅速退化。

3.5 鹽度

在我國(guó)沿海地區(qū)的很多湖泊、河流受到潮汐的影響較大，伴隨著周期性的潮水漲落，河水的鹽度會(huì)隨著發(fā)生變化。研究表明，鹽度也是影響沉水植物恢復(fù)重建的重要因子之一[6]，不同植物對(duì)鹽度的耐受范圍不同，鹽度過(guò)高或者過(guò)低都可能會(huì)嚴(yán)重影響沉水植物的生理過(guò)程，造成植物衰退乃至消亡。當(dāng)鹽度過(guò)高時(shí)，高鹽度水體會(huì)破壞植物葉面結(jié)構(gòu)，造成植物細(xì)胞液外流，長(zhǎng)期暴露在高鹽環(huán)境下會(huì)造成植物細(xì)胞死亡，最終造成沉水植物大面積衰亡。當(dāng)一些鹽生沉水植物處于鹽度較低的水體環(huán)境時(shí)，植物細(xì)胞會(huì)迅速吸水，造成細(xì)胞壁破裂、細(xì)胞膜正常功能受損、植物體脆弱、易受細(xì)菌和病毒的侵?jǐn)_，造成沉水植物功能損壞、退化甚至消失。此外，隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的加速發(fā)展，湖泊底質(zhì)鹽堿化日漸嚴(yán)重，沉水植物的種子更多地面臨高鹽生境，這也是很多沉水植物消亡的原因之一。

4 沉水植物研究種類(lèi)

沉水植物是湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的重要生產(chǎn)者[14]，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于沉水植物恢復(fù)研究的種類(lèi)較多的是苦草、菹草、黑藻、馬來(lái)眼子菜、伊樂(lè)藻和狐尾藻，具體介紹歸納見(jiàn)表1。

5 展望

人類(lèi)活動(dòng)造成的大量污染使得沉水植物大面積退化甚至消失，進(jìn)而導(dǎo)致湖泊、河道水體持續(xù)惡化，嚴(yán)重影響其生態(tài)與景觀價(jià)值，沉水植物恢復(fù)工作已經(jīng)迫在眉睫。近年來(lái)，關(guān)于沉水植物恢復(fù)的研究持續(xù)開(kāi)展，但是關(guān)于在嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化水體或者沉水植物完全消失的水體中如何進(jìn)行恢復(fù)工作，學(xué)界尚未達(dá)成一致；在水體生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中人工干預(yù)與自然演替的比例尚未完全把握。在今后相關(guān)工作開(kāi)展過(guò)程中，應(yīng)該更加注重不同水生植物的搭配，做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，合理利用空間現(xiàn)狀與小環(huán)境異質(zhì)性，并綜合考慮各種沉水植物恢復(fù)過(guò)程中的環(huán)境上限和下限，靈活把握人工干預(yù)的界限與時(shí)機(jī)，由人工創(chuàng)造轉(zhuǎn)折，將未來(lái)交給自然。

表1 沉水植物恢復(fù)主要種類(lèi)及其特性一覽表