羅 希，馬俊超

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 環(huán)境工程設(shè)計(jì)咨詢公司，武漢 430010)

1 研究背景

大型水生植物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和主要的初級(jí)生產(chǎn)者之一，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量的循環(huán)和傳遞起調(diào)控作用[1]。近些年來，采取植物措施，恢復(fù)以沉水植物為主的大型水生植物群落，已成為治理淺水湖泊富營養(yǎng)化和開展水生態(tài)修復(fù)的重要方式，且在許多工程中取得了較好的效果。但是，植物措施相比其他工程措施具有影響因子多、不確定性大的特點(diǎn)，也給工程設(shè)計(jì)帶來一些挑戰(zhàn)。

沉水植物作為大型水生植物，是對(duì)水質(zhì)改善效果最為突出的水生植物類型。如何在設(shè)計(jì)中科學(xué)合理地確定其覆蓋度，不僅是植物措施設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，也是建設(shè)單位和評(píng)審技術(shù)專家的關(guān)注點(diǎn)，更是保障工程可行性、經(jīng)濟(jì)性和長效性的關(guān)鍵。但目前，尚無相應(yīng)的規(guī)范或指南對(duì)沉水植物覆蓋度參數(shù)的設(shè)計(jì)取值有較明確的指導(dǎo)，且在工程領(lǐng)域?qū)υ摲矫娴难芯窟€存在不足，因此，開展對(duì)沉水植物覆蓋度設(shè)計(jì)依據(jù)的探討是十分必要的。

目前，受工程邊界條件、風(fēng)險(xiǎn)可控性及工程經(jīng)濟(jì)性等方面的限制，國內(nèi)沉水植物恢復(fù)的成功案例和研究基本上是在小型淺水湖泊或大、中型淺水湖泊中相對(duì)封閉的區(qū)域?qū)嵤┑?，因此，本文探討的沉水植物覆蓋度也以小型淺水湖泊為對(duì)象。

2 沉水植物對(duì)水質(zhì)改善的作用機(jī)理

沉水植物是淺水湖泊穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵表征[2]，是維持淺水湖泊清水態(tài)的關(guān)鍵因子，其對(duì)湖泊水質(zhì)改善的機(jī)理如下所述。

(1)吸收營養(yǎng)物質(zhì)，降低濁度：吳振斌等[3]通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究證明，沉水植物可吸收N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，與浮游植物競爭養(yǎng)分和光照，通過促進(jìn)物質(zhì)的沉淀和微生物的分解作用來凈化水體，并能抑制藻類生長，增強(qiáng)底質(zhì)穩(wěn)定性，降低濁度。

(2)為微生物和浮游動(dòng)物提供良好生存環(huán)境，降解有機(jī)物，趙磊等[2]、陳登等[4]和董悅等[5]分別通過實(shí)驗(yàn)研究證明，沉水植物可促進(jìn)微生物生長，為植食性浮游動(dòng)物提供繁育和庇護(hù)場所，有效降解底泥中的營養(yǎng)物，改善底質(zhì)。

(3)有效控制底泥營養(yǎng)鹽釋放：童昌華等[6]和蔡景波等[7]分別通過實(shí)驗(yàn)研究證明，在非低溫條件下，沉水植物能有效抑制底泥中N、P釋放，同時(shí)可減弱擾動(dòng)產(chǎn)生的不利影響，加速懸浮物沉降。

正是由于淺水湖泊中沉水植物對(duì)水質(zhì)的改善，特別是在抑制浮游植物和提高透明度等方面的積極作用，在污染源得到有效防控的前提下，沉水植物覆蓋度與淺水湖泊清水態(tài)的轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定關(guān)系密切。

3 天然淺水湖泊沉水植物覆蓋度的變遷情況

對(duì)湖泊進(jìn)行水生態(tài)修復(fù)，最終目的是消除人類活動(dòng)對(duì)湖泊的影響，幫助湖泊恢復(fù)到生態(tài)自然的狀態(tài)。盡管社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與湖泊生態(tài)環(huán)境的矛盾是不可避免的，想將湖泊恢復(fù)到最初的狀態(tài)并不現(xiàn)實(shí)，但了解自然湖泊多年來沉水植物覆蓋度的變遷情況，有助于在人水和諧的目標(biāo)下，合理確定覆蓋度的目標(biāo)。

鐘愛文等[8]通過調(diào)查得知，武漢東湖100 a前布滿水生植物，20世紀(jì)60年代沉水植物覆蓋度為60%以上，90年代中期為8%，2006年<1%；云南滇池沉水植被覆蓋度由20世紀(jì)60年代的90%以上驟降到90年代的2%以下；陶花等[9]的調(diào)查表明，常州市滆湖沉水植物覆蓋度由1986年的87.5%驟降到2006年的2%以下，而與滆湖相連的長蕩湖，經(jīng)吳曉東等[10]調(diào)查可知，沉水植物覆蓋物由1984年的80%以上減少為當(dāng)下的不足30%。

對(duì)于自然湖泊沉水植物覆蓋度的記錄并不多，但從整理的數(shù)據(jù)上看，淺水湖泊在未受到(或較少受到)人類影響時(shí)，沉水植物覆蓋度應(yīng)>90%。而隨著人類活動(dòng)影響的加劇，湖泊沉水植物覆蓋度也隨之降低。從武漢東湖20世紀(jì)60年代，以及常州市滆湖和長蕩湖20世紀(jì)80年代沉水植物覆蓋度情況可知，沉水植物覆蓋度在60%～80%是淺水湖泊較為生態(tài)自然的狀態(tài)，這表明某些地方規(guī)范以及學(xué)者在水生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)沉水植物覆蓋度指標(biāo)≥60%時(shí)評(píng)價(jià)為健康的內(nèi)容是合理的。

4 沉水植物覆蓋度的相關(guān)研究和工程

4.1 國外學(xué)者關(guān)于淺水湖泊沉水植物覆蓋度的研究

浮游動(dòng)物可抑制浮游藻類，而浮游動(dòng)物的生物量與水生植物，特別是沉水植物覆蓋度成正比。Lauridsen等[11]通過研究表明，淺水型湖泊中沉水植物為浮游動(dòng)物提供了較好的庇護(hù)場所，當(dāng)沉水植物覆蓋度達(dá)15%～20%時(shí)，魚類捕食對(duì)浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)影響較小。

Scheffer等[12]提出在某個(gè)特定的營養(yǎng)條件下(TP范圍為0.05～0.15 mg/L)，水體可能處于2種狀態(tài)，即以浮游植物占優(yōu)勢的濁水態(tài)和以沉水植物占優(yōu)勢的清水態(tài)。

Peretyatko等[13]對(duì)比利時(shí)布魯塞爾城中和城郊的8個(gè)浮游植物占優(yōu)勢的淺水湖泊或水塘(深度均<1.5 m，面積0.1～2.3 hm2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，證明對(duì)淺水湖泊或水塘進(jìn)行水生態(tài)修復(fù)后，當(dāng)沉水植物大范圍覆蓋時(shí)，可有效降低營養(yǎng)鹽，且覆蓋度>60%(實(shí)際調(diào)查為78%)水塘的水質(zhì)檢測指標(biāo)明顯優(yōu)于覆蓋度在20%～40%范圍內(nèi)的水塘，說明沉水植物覆蓋度與維持湖泊清水態(tài)息息相關(guān)。

De Backer等[14]對(duì)比利時(shí)布魯塞爾近郊的12個(gè)富營養(yǎng)化淺水湖泊或水塘(深度<3 m，面積0.2～6 hm2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，證明對(duì)水塘進(jìn)行水生態(tài)修復(fù)后，當(dāng)沉水植物覆蓋度>30%時(shí)，沉水植物可抑制浮游植物的生長，使水體長期維持清水態(tài)。

另一方面，De Backer等[15]通過實(shí)驗(yàn)研究，證明面積較小淺水湖泊的清水狀態(tài)，通?？梢员３州^高的營養(yǎng)鹽濃度(研究指標(biāo)為TP)，同時(shí)，當(dāng)平均TP濃度<0.3 mg/L時(shí)，湖泊在修復(fù)后通常保持清水狀態(tài)，而當(dāng)平均TP濃度>0.3 mg/L時(shí)，清水狀態(tài)穩(wěn)定性的一個(gè)重要影響因子為一年中某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的沉水植物覆蓋度>82%。由此可見，對(duì)于同等營養(yǎng)鹽濃度條件下，較大的水體要維持清水態(tài)，沉水植物覆蓋度需更大，而當(dāng)營養(yǎng)鹽濃度超過閾值時(shí)，覆蓋度應(yīng)處于較高的水平(>80%)，以增加湖泊清水態(tài)的穩(wěn)定性。

值得探討的是，從上述國外學(xué)者的文獻(xiàn)中，無法了解工程修復(fù)前污染源的具體情況，且其研究對(duì)象多位于郊野，因此將沉水植物覆蓋度為30%直接作為國內(nèi)淺水湖泊，特別是一些污染源無法完全消除的城中湖的設(shè)計(jì)依據(jù)并不可靠。同時(shí)，國內(nèi)有些地區(qū)在運(yùn)行管理維護(hù)中提出將沉水植物覆蓋度低于30%作為補(bǔ)種的界限，筆者認(rèn)為也是不合適的。

因此，要更合理地確定淺水湖泊沉水植物覆蓋度的取值范圍，在參考國外研究成果的基礎(chǔ)上，還應(yīng)仔細(xì)了解國內(nèi)相關(guān)工程和研究的成果。

4.2 國內(nèi)淺水湖泊沉水植物覆蓋度的相關(guān)研究和工程

通過收集文獻(xiàn)、實(shí)地踏勘，以及結(jié)合筆者已開展的相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國內(nèi)開展湖泊沉水植物恢復(fù)相關(guān)工程情況進(jìn)行調(diào)查整理，成果如表1所示。

表1 國內(nèi)開展沉水植物恢復(fù)相關(guān)工程情況Table 1 Projects related to the recovery of submerged plants in China

由表1中數(shù)據(jù)可知，在不受外界限制因素影響的條件下，湖泊在恢復(fù)沉水植物覆蓋度≥50%的情況下，能穩(wěn)定在清水態(tài)，而水塘達(dá)到清水態(tài)目標(biāo)所需恢復(fù)的初始覆蓋度則更低(20%～30%)。同時(shí)，值得注意的5個(gè)方面是：

(1)在污染源恒定的情況下，淺水湖泊沉水植物覆蓋度達(dá)60%～80%，可維持水質(zhì)達(dá)到Ⅳ—Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn);覆蓋度>90%時(shí)，可維持水質(zhì)達(dá)Ⅲ—Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

(2)比較蔡甸蓮花湖(4-2區(qū))和軍運(yùn)村水塘，其初始覆蓋度差別較大主要是因?yàn)檐娺\(yùn)村水塘(初始覆蓋度20%)污染源已基本消除，而蓮花湖(4-2區(qū))在實(shí)施期不僅排污情況時(shí)常出現(xiàn)，更因暴雨出現(xiàn)過3～4次大的污染沖擊(排污管污水倒灌)，而實(shí)施半年后，覆蓋度均接近滿鋪，湖泊和水塘也均維持在清水態(tài)，且即使蓮花湖(4-2區(qū))遭遇短期污染沖擊，造成水體渾濁，通過湖面清理和投撒微生物菌劑等措施，也可使湖泊恢復(fù)清水態(tài)。由此可見，沉水植物覆蓋度高可使湖泊對(duì)清水態(tài)的維持有更高的穩(wěn)定性，這與國外學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究的情況基本相同。

(3)對(duì)比青天湖和蓮花湖，由于青天湖屬郊野型湖泊，污染源已基本消除，而蓮花湖屬城中湖，排口較多(合流制排口和污水口)，面源污染影響大，因此，盡管蓮花湖面積遠(yuǎn)小于青天湖，且恢復(fù)沉水植物的覆蓋度明顯高于青天湖，但青天湖在維持清水態(tài)的效果和穩(wěn)定性上明顯高于蓮花湖。追溯原因，一方面是截污控源還需加強(qiáng)；另一方面，對(duì)于存在外界污染的湖泊沉水植物覆蓋度需達(dá)到較高水平才能維持湖泊清水態(tài)。這與國外學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究的情況也是基本相同的。

(4)對(duì)于五里湖10 hm2的隔離試驗(yàn)區(qū)，盡管水生植物總體覆蓋度較高，但沉水植物覆蓋度還處于較低的水平，因此湖泊的清水態(tài)并不穩(wěn)定，而蓮花湖(2-1區(qū))由于受到外界因素的影響，雖然覆蓋度>40%，但湖泊的清水態(tài)也不穩(wěn)定。

(5)從運(yùn)行維護(hù)的角度看，開展水生態(tài)修復(fù)的湖泊都存在不同程度的富營養(yǎng)化，因此水體和底泥里可供沉水植物吸收的營養(yǎng)物質(zhì)較多，沉水植物在夏季會(huì)出現(xiàn)過度生長的狀況。要避免生態(tài)遭到破壞，則需要不斷地打撈過量的水草，但若覆蓋度過高(>80%)，則運(yùn)行管理成本和難度都將增大。因此，在設(shè)計(jì)淺水湖泊沉水植物覆蓋度時(shí)，不應(yīng)取得過高，而根據(jù)已實(shí)施工程的經(jīng)驗(yàn)，覆蓋度取值不應(yīng)超過70%。

5 外部條件對(duì)沉水植物覆蓋度的影響

水生態(tài)修復(fù)是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，同時(shí)也是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各組成部分相互作用、影響的動(dòng)態(tài)過程。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮沉水植物生長的影響因子，能進(jìn)一步將沉水植物的覆蓋度確定在一個(gè)更合理的區(qū)間。

5.1 底泥污染

考慮到實(shí)施沉水植物恢復(fù)工程前，一般會(huì)開展控魚除藻工作，而底泥中的重金屬污染、有機(jī)污染及其厭氧性雖對(duì)沉水植物的生長影響較大，但也可采取異位、原位的技術(shù)措施進(jìn)行修復(fù)。同時(shí)，沉水植物也會(huì)根據(jù)底泥有機(jī)污染的程度進(jìn)行自身調(diào)節(jié)，因此，為保證沉水植物的存活，以及保障其能夠長期生長，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)通過水質(zhì)透明度和水位的變化情況，即根據(jù)不利工況下，以水深不大于光補(bǔ)償深度為條件，確定沉水植物適宜種植范圍，進(jìn)而確定覆蓋度。

5.2 水體透明度

光補(bǔ)償深度是光合作用和呼吸作用達(dá)到平衡的深度，從經(jīng)驗(yàn)看，光補(bǔ)償深度一般是水體透明度的1.5倍，或光照強(qiáng)度約為表面光強(qiáng)的1%處的水深[24]。曹昀等[25]、Havens[26]根據(jù)調(diào)查研究，分別建立恢復(fù)沉水植物群落最低透明度條件T(cm)和水體深度D(cm)的回歸方程和沉水植物總生物量(total biomass)、水深(depth)和懸浮固體量(TSS)的多元回歸模型。

由于水體透明度的變化性，設(shè)計(jì)中不應(yīng)以湖泊某一時(shí)刻或者某一點(diǎn)的水體透明度作為推算適宜恢復(fù)沉水植物的水深范圍，而應(yīng)該根據(jù)不同季節(jié)，特別是夏季，水體葉綠素含量相對(duì)較高時(shí)的透明度為設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)浪造成透明度下降和降雨抬高水位的不利影響。

5.3 季節(jié)變化

由于不同沉水植物的生長特性不同，季節(jié)的變化會(huì)影響湖泊沉水植物的覆蓋度，特別是在冬季，根據(jù)史靜等[27]的試驗(yàn)研究，雖然底泥氮、磷釋放量隨著溫度的降低而下降，但沉水植物對(duì)水體的改善作用也大幅度減弱。其主要原因在于苦草、黑藻和馬來眼子菜等沉水植物進(jìn)入冬季后就會(huì)開始衰亡，沉水植物覆蓋度降低，衰敗的植物釋放營養(yǎng)鹽，同時(shí)，由于冬季溫度降低，水體微生物也幾乎難以發(fā)揮效益。

根據(jù)潘慧云等[28]、張來甲等[29]的實(shí)驗(yàn)研究，沉水植物的衰亡與腐爛分解，在冬季釋放營養(yǎng)鹽的過程較為緩慢，對(duì)水體影響較小，而在第2年3月份回暖時(shí)，才開始快速釋放營養(yǎng)鹽。因此，對(duì)沉水植物冬季衰敗的問題，除了及時(shí)收割枯萎葉片外，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮沉水植物物種的多樣性，搭配狐尾藻等在冬季也能生長的沉水植物，保持一定的生物量，并利用耐寒挺水植物作為補(bǔ)充，如利用西伯利亞鳶尾、水芹菜等來吸收營養(yǎng)物質(zhì)。而在實(shí)施過程中，需要在秋季適時(shí)補(bǔ)種一些耐寒的本土沉水物種，但對(duì)于菹草、伊樂藻這類不耐熱、夏天死亡后會(huì)造成水質(zhì)惡化的物種則應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)工作，在夏季到來前進(jìn)行打撈。

6 結(jié) 論

本文以淺水湖泊沉水植物覆蓋度的設(shè)計(jì)依據(jù)為研究對(duì)象，從沉水植物對(duì)水質(zhì)改善的作用機(jī)理入手，通過收集天然淺水湖泊沉水植物變遷情況，分析國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和工程的成果，并對(duì)影響沉水植物覆蓋度的相關(guān)問題進(jìn)行思考，可為今后水生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目中沉水植物覆蓋度的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒，主要結(jié)論如下。

(1)天然淺水湖泊在未受到較大干擾的情況下，沉水植物覆蓋度可達(dá)60%～80%，在湖泊水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)中，沉水植物覆蓋度指標(biāo)≥60%評(píng)價(jià)為健康是合理的。

(2)維持湖泊清水態(tài)的穩(wěn)定性和水質(zhì)的優(yōu)良程度與沉水植物的覆蓋度基本成正比，對(duì)于水塘，維持湖泊清水態(tài)的沉水植物覆蓋度應(yīng)≥30%；而對(duì)于小型淺水湖泊要維持清水態(tài)，沉水植物覆蓋度可在50%～70%范圍內(nèi)取值；對(duì)于污染負(fù)荷小的湖泊，可以取相對(duì)較低的值。

(3)同等營養(yǎng)鹽濃度條件下，較大的水體維持清水態(tài)需要更高的沉水植物覆蓋度，特別是當(dāng)營養(yǎng)鹽濃度超過閾值時(shí)，覆蓋度應(yīng)處于較高的水平(>80%)，但高水平的覆蓋度會(huì)給后期運(yùn)維帶來較大的工作量。

(4)在污染源恒定的情況下，淺水湖泊沉水植物覆蓋度達(dá)60%～80%，可維持水質(zhì)達(dá)到Ⅳ—Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋度>90%時(shí)，可維持水質(zhì)達(dá)Ⅲ—Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

(5)外部條件的限制是影響沉水植物覆蓋度取值的重要因素，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮水質(zhì)透明度和水位變化的影響，以確定適宜的沉水植物種植范圍。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，采用污染負(fù)荷計(jì)算量化覆蓋度，只能起到一定的參考作用，在設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)重點(diǎn)考慮沉水植物在冬季的適宜性。