首页 > 论文范文 > 社会科学论文 > 经济学论文 > 林业经济论文 > 太湖沉水植物群落分布特征及生态恢复研究

太湖沉水植物群落分布特征及生态恢复研究

2023-12-13 387 上传者：管理员

摘要：目前，随着城市江河湖泊污染治理的逐步深入，太湖沉水植物生态修复的研究越来越受到重视，故此研究城市江河湖泊沉水植物的恢复技术尤为必要。在总结文献的基础上，重点介绍了太湖沉水植物的群落结构和空间格局、沉水植物与其附着细菌群落结构相互影响机制研究进展，讨论了可能导致沉水植物的组成和分布出现显著差异的决定性环境因素，并提出了沉水植物未来可能的发展方向，以期为太湖沉水植物群落恢复的研究和应用提供参考。

关键词：
太湖
水质
沉水植物
细菌群落
群落恢复
加入收藏

中国大多数浅水湖泊都经历了水生植物的快速退化和水质恶化，近年河湖水质净化已成为水处理领域的研究热点。沉水植物在浅水生境的结构和功能中发挥着重要作用，作为水生生态系统的主要生产者，沉水植物具有净水、抑藻、增氧等生态功能，在控制水体富营养化和维持清水态等方面具有决定性作用。此外，沉水植物的叶片是大量微生物和附生细菌的聚集地，许多研究表明水质因子、植物物种特性、地理位置或季节性因素都对水生植物叶片上附生细菌的群落变化具有重要影响。因此，对沉水植物及其叶片表面附生细菌群落相互影响机制的研究可为水质生物净化技术的研究提供理论依据。

利用沉水植物进行原位修复是控制湖泊富营养化的一种有效且环保的方法。但是由于近年浅水湖泊营养水平和物理条件的变化，水生大型植物群落的丰度和丰富度已下降，当前世界上诸多地区都存在沉水植物严重丧失的情况。王苏鹏等调查研究发现宁波市只有8条内陆河流有沉水植物。蒋克彬等在宿迁河道构建沉水植物系统时，最终所有的植物都逐渐衰亡。并且由于受各种气温、降雨、光照等条件限制，沉水植物在城市河湖生态修复中的实际应用案例也较少。针对沉水植物水质净化效果的研究多为室内试验研究，试验时间一般为0.5～60 d。但是，惠州生态修复中试、武汉大型试验围护系统、无锡安镇胶阳河等少数试点研究结果均表明，沉水植物的恢复和重建是改善富营养化水体水质的关键。

太湖是中国五大淡水湖之一，其占地面积2 230 km2，流域面积达36 895 km2，流域地跨江苏、浙江、上海两省一市。环太湖流域是长三角的核心区域，是全国人口较稠密、工农业生产较发达的地区之一，地区生产总值占全国的10%左右。近几十年来，由于太湖接收周边地区排放的工厂和生活废水，导致养分含量高，太湖藻华频繁出现。研究表明，富营养化改变了水生植物的生长环境，导致水生物种分布失衡，促进藻类大量繁殖，在水生植物表面形成高p H值、高氧浓度、低CO2的环境和抑制水生植物的光合作用，导致沉水植物减少甚至消失。有学者发现，太湖北部沉水植物群落和生态系统明显退化。从1980年到2010年，水生植物种类的数量从66种急剧下降到17种。其中，20世纪90年代之前，太湖竺山湾沉水植物生长良好，覆盖率达80%，但至2011年其已完全消失。

本研究通过总结分析太湖沉水植物的群落结构和空间格局、沉水植物与其附着细菌群落结构相互影响机制研究进展，讨论了可能导致沉水植物的组成和分布出现显著差异的决定性环境因素，并提出了沉水植物未来可能的发展方向，以期为太湖沉水植物群落恢复的研究和应用提供参考。

1、太湖沉水植物分布特征

太湖具有重要的水产养殖、旅游休闲和交通运输功能，也是多个城市的饮用水源地。近年来，太湖作为一个被广泛关注的富营养化水体，诸多学者针对其水生植被种类演变及群落恢复开展了研究工作。赵凯等人在2014年8月对太湖湖区进行水生植被调查时发现，太湖水生植物分布面积占其总水域面积的33.82%，并且其基本分布在太湖东北、东部、南部湖区。其中，沉水植物群落分布面积所占比例最高，占太湖水域总面积的26.18%。从沉水植物的分布种类看，主要优势群落类型为马来眼子菜、苦草、微齿眼子菜等群落。王琪等人利用大量遥感影像数据，研究了太湖近30年来沉水植物优势种的演替模式。研究表明近年来东太湖湖区的沉水植物分布面积增加，至2015年太湖沉水植物优势种为马来眼子菜、微齿眼子菜、苦草、菹草、伊乐藻、黑藻和狐尾藻这7种。目前，关于太湖大型水生植物的研究大多是针对东太湖。在胥口湾和东太湖，水生植物覆盖率全年超过80%。向速林等人调查研究发现，太湖东部湖湾秋季的主要沉水植物为马来眼子菜、轮叶黑藻、苦草、金鱼藻、狐尾藻等。

许多学者对太湖沉水植物的组成和分布模式及决定因素开展了研究，研究表明，软质沉积物深度和水深是控制太湖沉水植物分布的主要因素。一方面，沉积物是有根沉水植物的重要营养来源，肥沃的沉积物对沉水植物的生长、发育、繁殖和发芽起到重要的促进作用。但另一方面，沉积物中过多的养分（如TP）会限制富营养化湖泊中的植物生长。水深对沉水植物的分布和生长以及群落结构同样起着重要作用，水深通过影响光、温度和氧气条件等环境因素很大程度影响着沉水植物的光利用率。DONG等对太湖不同位置、不同水深沉水植物的生物量、多样性和分布及其潜在的成因进行了原位调查。结果显示，0～0.2 m为太湖沉水植物生长的最佳软质沉积深度，植物的生物量（即根、叶、茎和总植物的生物量）在软质沉积物深度为0.2 m时达到最大值；沉水植物的分布及其器官（叶、根、茎和总植物）的生物量在1.75～1.85 m的深度范围内均达到最大值，因此1.8 m左右可认为是太湖沉水植物生长的最佳水深。马来眼子菜等物种可耐受较深水位产生的压力（即轻度压力），但穗状狐尾藻等物种在太湖富营养水体的较深位置被淘汰，因此沉水植物群落的均匀度随着水深的增加而降低。

2、太湖沉水植物对环境因素变化的响应

典型植物对环境变化的响应机制是湖泊生态保护与修复研究的关键问题。水生植物对污染物质的积累能力一般从沉水植物到漂浮植物再到挺水植物逐渐降低，但这反过来又受植物种类和水生环境的影响。例如，沉水的大型植物不能耐受高氨条件，氨浓度过高可能会导致浅水湖中大型植物的损伤。因此，探讨太湖典型沉水植物分布与水质的关系，确定哪些环境因子会导致湖泊沉水植物群落逐渐退化，对掌握湖泊富营养化机理以及富营养化湖泊生态修复均具有重要意义。

DONG等对太湖沉水植物群落分布特征的调查研究后发现Chl–a、NH4+–N和TP等水质因子是影响沉水植物生物量、物种丰度和分布特征的关键变量，其重要性排序为：NH4+–N>Chl–a>TP。例如，太湖东部的叶绿素和营养物质（TP和TN）浓度最低，物种丰富度较高。ZHANG等（2016）通过遥感发现，在太湖东部，营养物质浓度的增加、Chl–a和水位的提高以及透明度的降低与水生植被存在频率（VPF）呈负相关。水体透明度（SD）和水深（Depth）是影响湖泊中沉水植物的光利用率和定殖深度的关键因素，有研究发现SD/Depth值在胥口湾和太湖东区最高，沉水植物总丰度也最高（DONG 2021）。水位波动（WLF）也是决定浅水湖泊结构和功能的重要因素。研究表明沉水植物对水位的快速剧烈变化高度敏感，水位波动可能会影响大型植物的生长（常备生物量）和叶片P含量的积累，进而影响浅湖中的养分循环。此外，有研究结果表明，如果水体中的光照可用性没有因养分驱动的藻类过度生长或水深而减少，水温会对沉水植物的植物体积百分比产生直接的积极影响。因此了解沉水植物的生长和物种组成与环境因子间的关系有利于阐明浅水湖泊沉水植物生长和演替机制。

3、沉水植物与其附着细菌群落结构相互影响机制研究

沉水植物的叶际是大量微生物和附生细菌的聚集地。寄主植物可通过植物分泌物或光合产物的扩散提供营养，从而支持多样的细菌群落，而附生细菌作为生活在植物–水界面的生物，会受到植物或周围水体的影响。以前的研究已经表明沉水植物附着细菌群落结构受到水质、植物物种特性、地理位置和季节因素的影响。HE等对太湖两个地点2种典型沉水植物上附着细菌群落的多样性和组成进行了长期跟踪调查研究，结果发现生长季节在影响附生细菌群落的多样性和形成过程中起主导作用。这可能是因为在像太湖这样的大型浅水湖泊中，有规律的循环水流导致细菌空间异质性相对较低。

4、太湖沉水植物群落恢复要点

植被的生存和传播取决于许多复杂的物理、化学和生物因素，通常新建立的植物群落难以在光线不足的深水或强水流的水中生存。因此，栖息地的改善是沉水植物恢复植被的先决条件。选择合适的耐受性植物物种对进行富营养化湖泊的生态恢复具有重要意义。沉水植物的生长繁殖与当地的气候、土壤和地理条件密切相关，也受到水体污染程度的制约。不同沉水植物的生长形式、物种丰富度和群落结构对水质的改善程度有所不同。需要根据水体的污染程度，科学合理地配置不同类型的湿地植物，才能最大限度地提高净化能力。有学者研究发现平叶型沉水植物（例如苦草、微齿眼子菜和竹叶眼子菜）比针叶型（例如金鱼藻、穗状狐尾藻和小茨藻）更有效地改善水下光场特性（例如SD、Zeu/WD、Kd）和水质（例如TSM）。但是平叶型的分布深度比针叶型沉水植物浅，调查研究表明太湖马来眼子菜占主导地位，可能是因为这些湖湾区域底质较为贫瘠，水深相对较浅，比较适合马来眼子菜的生存，且其可适应扰动较强、浑浊度高的水体（向速林）。而针叶型沉水植物可通过快速生长和枝条伸长在相对较深的水中生存，例如狐尾藻和黑藻等针叶型沉水植物通常在水中的分布较广并且对水质和底质适应能力较强，因此可被用作富营养化湖泊修复的先锋物种。湖泊恢复必须将工程措施和生态调控措施结合起来，根据湖泊水生植被自身演替规律和水生植物的生理生态特征，在早期可选择耐污性强的沉水植物作为先锋种类，逐渐对水生植被的结构加以优化。

许多研究表明，水质与沉水植物群落结构密切相关。目前，很多研究仅限于单株湿地植物对水质净化作用的研究，单株湿地植物受水体污染、季节变化、土壤等多种胁迫因素影响，稳定性较差，不利于形成长期稳定的植物群落。因此，多种湿地植物组合的部署在污水处理领域非常重要。LIU等最近调查了长江中下游的19个浅层富营养化湖泊，发现3个物种是改善长江中下游湖泊水质透明度的最佳沉水植物物种数量。该结果与ZHANG等的研究结果一致，他们在室内模拟实验中发现3种植物处理比单一植物栽培具有更高的透光率。与单一的湿地植物相比，多种湿地植物生态组合的构建，鼓励它们取长补短，减少胁迫因素的影响，形成更稳定的植物群落，不仅达到更理想的净化效果，还起到美化水景的作用。但是由于功能重叠和群落内的种间竞争，物种种类过多可能不会增强净化效果。

评价浅水湖泊的最佳沉水植物覆盖度对于浅水湖泊生态管理的理论依据具有重要意义。ZHANG等在80 d的模拟试验中考察了白洋淀5个沉水植物覆盖梯度，试验结果表明改善温带浅水湖泊水质的最佳水下大型植物覆盖率为50%；而DAI等明确提出20%是亚热带气候的富营养化浅水湖泊的最佳恢复覆盖面积。同时2组研究结果都表明，当沉水植物覆盖度达到一定水平时，进一步增加可能会阻止水质的进一步改善。因此，湖泊沉水植物最佳覆盖度与研究地的地理位置、气候条件、沉水植物等因素息息相关。在浅水湖泊的生态恢复过程中，高沉水植物覆盖度并不总是在生态和经济方面更好。过多的沉水植物会引发环境和社会问题，例如阻碍航行、阻碍渔业和娱乐活动、产生难闻的气味。

5、结论

(1）太湖沉水植物群落基本分布在东北、东部、南部湖区，主要优势群落类型为马来眼子菜、苦草、微齿眼子菜等群落。软质沉积物深度和水深是控制太湖沉水植物分布的主要因素，0～0.2 m为太湖沉水植物生长的最佳软质沉积深度；1.8 m左右是太湖沉水植物生长的最佳水深。（2）影响沉水植物生物量、物种丰度和分布特征的主要环境因子包括水体内营养物质含量、CHl–a的浓度、水体透明度/水深的比值以及水位波动等因素。栖息地改善是沉水植物恢复植被的先决条件，选择合适的耐受性物种对进行富营养化湖泊的生态恢复有重要意义。（3）在未来各类植物水体净化与修复研究中，应制订普遍适用各类植物种植规范；探索和分析各种植物如何与基质和根系微生物相互作用，从而达到净化和修复水质的作用。

参考文献:

[11]王苏鹏,陈吉炜,刘意恒,等.城区河流中沉水植物分布特征及其影响因素分析--以宁波城区内河为例[J].湖泊科学,2019,031(4):1064-1074.

[12]蒋克彬,彭松.宿迁地区水生植物基本情况与沉水植物应用实验[J].环境科技,2010,23(A02):3.

[13]金树权,周金波,包薇红,等.5种沉水植物的氮,磷吸收和水质净化能力比较[J].环境科学,2017,38(1):6.

[14]田琦,王沛芳,欧阳萍,等.5种沉水植物对富营养化水体的净化能力研究[J].水资源保护,2009,25(1):4.

[15]姚瑶,黄立章,陈少毅,等.不同沉水植物对水体氮磷的净化效果[J].浙江农业科学,2011,1(4):789-792.

[16]刘从玉.沉水植物在生态修复和水质改善中的作用--以惠州南湖生态系统的修复与构建(中试)工程为例[J].安徽农业科学,2008,36(7):3.

[17]吴振斌,邱东茹,贺锋,等.沉水植物重建对富营养水体氮磷营养水平的影响[J].应用生态学报,2003,14(8):1351-1353.

[18]朱海,谢锡刚等.人工生态系统集成去水体富营养化技术在城市微污染河道综合治理中的应用效果分析--以无锡安镇胶阳河为例[J].净水技术,2018(A01).

[22]赵凯,周彦锋,蒋兆林,等.1960年以来太湖水生植被演变[J].湖泊科学,2017,29(2):12.

[23] 王琪,周兴东,罗菊花,等.近30年太湖沉水植物优势种遥感监测及变化分析[J].水资源保护,2016,32(5):8.

[24]向速林,朱梦圆,朱广伟,等.太湖东部湖湾大型水生植物分布对水质的影响[J].中国环境科学,2014.