大型水生植物在维持水生态系统健康中的作用

第33卷第3期生态科学33(3):6136182014年5月EcologicalScienceMay2014:2012-09-26;:2013-07-04:国家自然科学基金(50809063):汪秀芳(1980—),女,湖北人,博士,主要从事湿地生态学研究,E-mail:[e-mail]*:汪秀芳汪秀芳,叶碎高,薛淋淋.大型水生植物在维持水生态系统健康中的作用[J].生态科学,2014,33(3):613618.WANGXiufang,YESuigao,XUELinlin.Therolesofmacrophytesinmaintenanceofaqua-ecosystemhealth[J].EcologicalScience,2014,33(3):613618.汪秀芳1,2,*,叶碎高1,薛淋淋31.浙江省水利河口研究院,杭州3100202.华侨大学旅游学院,泉州3620213.厦门大学生命科学学院,厦门361005大型水生植物对维持水生态系统的健康非常重要。水生植物通过为水生动物和微生物提供食物和栖息地、对进入水体的径流进行拦截、过滤和吸附、从水体和沉积物中吸收氮、磷和重金属元素等污染物、进行光合作用为水生态系统提供氧气、化感作用抑制藻类生长等途径维持水体生态系统的健康发展。认识到水生植物是水生态系统的重要组成部分,又是水生态系统健康的一项重要指标,对水生态健康的维持、水资源的保护和永续利用具有重要的意义。关键词：水生植物;水生态系统;水体污染;植物修复doi:10.3969/j.issn.1008-8873.2014.03.033Q948.8;X52A1008-8873(2014)03-613-06Therolesofmacrophytesinmaintenanceofaqua-ecosystemhealthWANGXiufang1,2,*,YESuigao1,XUELinlin31.ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Hangzhou310020,China2.CollegeofTourism,HuaqiaoUniversity,Quanzhou362021,China3.CollegeofLifeSciences,XiamenUniversity,Xiamen361005,ChinaAbstract:Macrophytesplaymultiplerolesinmaintainingthehealthofaqua-ecosystem.Theaquaticmacrophytes,whichcansupplyfoodandhabitatforanimalsandmicroorganisms,interceptandfilterwaterrunoff,absorbandadsorbnutrientsandheavymetalsfromwaterlayerandsediment,excreteoxygenintoaqua-ecosystembyphotosynthesisandinhibitalgalbloomthroughallelopathy,areveryimportantforaqua-ecosystemhealth.Ontheotherside,theyarealsokeyindicatorsforthehealthofaqua-ecosystem.Recognizingthesepointswillhelptomaintainaqua-ecosystemhealthandprotectwaterresourcesustainably.Keywords:macrophytes;aqua-ecosystem;waterpollution;phytoremediation1随着人口的增长和社会经济的快速发展,人们对水生态资源的过度使用和破坏,导致我国水生态环境普遍恶化,各种水生态环境灾害频繁发生,生态系统日益退化,以高等水生植物为主的清洁“草型”水域逐渐退化为以藻类和微生物为主的浑浊“藻型”水域,威胁社会经济的持续发展和人类健康。随着全球淡水生态系统质量的急剧下降,受损水生态修复已经成为一项世界范围内急速发展的新兴产614生态科学33卷业[1]。其中植物修复技术具有投资和维护成本低、修复效果好、不造成二次污染等优点而越来越受到人们重视。然而对水生植物在水生态系统中作用的认识存在两种极端:一种是完全忽视植物的作用,在现代化建设过程中将河流、湖泊的堤岸甚至水底都进行硬化,根本不留给植物生长的空间;另一种则认为植物是万能的,在严重污染的水域直接种植植物,完全不考虑植物生长的条件,而且种下去之后任其自生自灭,以为种植的少量植物就能彻底净化水质。事实上,水生植物是水生态系统修复的一种重要有效手段,但植物只有在基质、透明度和管理等达到一定要求下才能生长,进而发挥净化水体和维持水生态系统健康的功能,同时水生植物也是指示水生态系统健康程度的标准,水生态系统必须达到水质清澈、水草丰茂、水生动物多种多样才健康[2]。本综述全面介绍了水生植物在水生态系统中的作用,以便为科研、工程技术人员和决策部门提供参考,为水生态系统的保护与修复提供依据。2生态系统健康是指一个生态系统所具有的稳定性和可持续性,即在时间上具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫的恢复能力[3]。健康的生态系统应该具有自我平衡、生物多样性高、有活力、能维持系统各组分间的平衡等特征[4]。水生态系统是一个物理、化学和生物的统一体,包括水质、水量、栖息地环境和水生生物等要素[5],这些生物与非生物因子之间相互作用,从而维持系统稳定。因此水体生态系统管理必须要将修复和保持水域的物理、化学和生物完整性作为管理的最终目标,促进水体中水生植物、微生物、鱼类等得到充分发展,水体生物多样性达到最大化,水生态系统才能长期稳定健康发展,最终达到人与自然的和谐。目前,我国主要通过透明度、溶解氧、氮和磷浓度、重金属、叶绿素等指标对水生态进行评价和管理,其实这仅仅是其中的水质部分,即使这些指标都达到较高的标准,生态系统也未必健康,而必须达到水质清澈、水草丰茂、水生态系统多样性极大的丰富才健康[2]。33.1湖北省花马湖和东湖的研究表明,植物生物量越大,腹足类的量也就愈多,随着水生植物生物量的下降,螺类数量也逐年下降,水生植物消失后,这两种螺类随之消失,一旦水生植物得到恢复,这两种螺类又随之出现,东湖水生植被恢复后,水质得到明显改善,底栖动物数量明显增加,群落结构也发生改变,采集到的底栖动物在30种以上,未种植植物的区域仅采集到16种[6–8]。水生动物也可促进水生植物的生长,Bronmark发现软体动物奇异锥实螺(Lymnaeaperegra)存在时,金鱼藻生长更快[9],软体动物与沉水植物之间的这种关系类似于一种共生关系[10]。一些浮游动物由于大型水生植物的掩蔽而逃避被捕食,维持了鱼类和浮游动物之间平衡,同时潜在地限制了浮游植物的数量[8]。而草食性和以浮游动物为食的鱼类放养量的增加或人为地过度消耗水生植物会造成湖泊水质的恶化,从而导致湖泊从水生植物占优势的清澈状态转变为藻类植物占优势的浑浊状态[11]。大型水生植物淹没在水中的根、茎、叶为细菌等微生物的生长提供了巨大的生活空间,植物残体又为微生物提供食物,大大丰富了水生态系统中的微生物种群,能帮助分解进入水体的污染物。张鸿等研究表明,在没有植物生长的湿地中硝化和反硝化细菌的数量分别为1.4×104个和7.6×103个,种植水芹(Oenanthejavanica)的湿地中两者的数量分别为2.1×105个和3.1×104个,种植凤眼莲(Eichhorniacrassipes)湿地中分别为3.6×104个和1.3×104个;水芹(O.javanica)和凤眼莲(E.crassipes)根面有机磷细菌、无机磷细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量均比介质中高;种植水芹(O.javanica)和凤眼莲(E.crassipes)的湿地净化能力也相应的显著高于未种植植物的湿地[12]。3.2生长在滨岸带的挺水植物扎根泥中,茎部分生长于水上,部分位于水下,叶、花、果等器官生于水上,组成一道完整的天然屏障,降雨和河流经过水生植物带的拦截后水的冲击力大大减小,地表径流中的泥沙、营养物质和重金属等污染物就会沉积下来。Petticrew和Kalff的研究表明大型水生植物对水动力过程有明显抑制作用,能加速湖岸带沉积物的积累[13]。李文朝的研究结果表明大型沉水植物能通过促进沉积和降低再悬浮作用以及吸附、离子交换3期汪秀芳,等.大型水生植物在维持水生态系统健康中的作用615等物理过程来促进淤积物中磷的积累[14–15]。在一些没有水生植物存在的浅水湖泊和水库中,由于受风浪和底栖鱼类扰动等因素的影响,重悬浮作用强烈,经常出现与沉积物有关的水质问题,如营养循环增强、透明度降低以及浮游植物生物量高等问题[16]。在浅的沼泽湖泊中,水生植物能极大减少风浪引起的底泥再悬浮[17–18]。Horppila和Nurminen在芬兰的一个湖泊做的研究表明挺水植物水烛(Typhaangustifolia)群落因降低的再悬浮作用而固持了相当于3%—5%的外源磷负荷[19]。在美国Pcoria湖中“天篷型”的狐尾藻(Myriophyllumsibiricum)和“草甸型”的轮藻(Characanescens)两种沉水植物在生物量较大时都能够有效地增加底泥沉积和降低再悬浮,阻断底泥对浮游藻类营养的供给,起到了营养物“陷阱”的作用[20–21]。3.3水生植物在其生长发育过程中可以直接从水体和底泥中吸收氮、磷,同化为自身所需要的物质(蛋白质和核酸等),很多种类的植物还有过量吸收营养物质的特性,改变了营养物质的形态和含量,从而降低环境中的营养物质的水平[22]。水生植物个体大,体内积累的氮、磷多,生活期长,因此氮、磷储存在植物体内比储存在藻类稳定,且水生植物比浮游植物易于收获,便于将营养盐从水体中移出[23]。活体植物很少向水体释放营养物,水生植物在死亡腐烂时会释放营养物,不过这个过程是缓慢和有序的[24–25],且也有研究发现凋落物分解缓慢,干重损失率低,在经过早期的淋溶过程氮、磷含量的减少之后,表现为氮、磷含量的净积累,即凋落物在短期内是营养的“源”,但最终是营养的“汇”[26]。水生植物还可以富集重金属盐或吸收降解、积累某些有机污染物[27]。不过植物的直接吸收在水体生态系统修复过程中所起的作用,不同研究者的结果差异较大:Greenway和Woolley的研究表明植物吸收去除的磷酸盐达67%—80%,可溶性无机氮达65%—80%[28];但Tanner认为植物现存量中吸收和储存的N、P占植物系统去除能力中的分量较小,只占到2%-8%[29]。张鸿等的研究显示水芹(O.javanica)湿地的细菌数量多于凤眼莲(E.crassipes)湿地的细菌数量,但前者对氨氮的去除率却远低于后者,说明植物吸收在人工湿地系统中对氮的去除中占主导地位[12]。一般来说,草本植物比木本植物对水中的污染物具有更高的去除率;漂浮植物吸收能力最强,其次是挺水植物,沉水植物最差,如凤眼莲(E.crassipes)对磷和氮的吸收可分别达350kg·(ha·y)–1和700kg·(ha·y)–1[30]。植物的生长状况直接影响其去除效果,植物的良好长势是对营养元素去除的有力保证[31]。3.4水生植物在水生态系统中的重要功能之一是生产氧气,并通过体内发达的通气组织传输到水体和沉积物中。水生植物本身具有一些适应缺氧环境的特殊结构,包括茎肥大、茎中空、浅根系等,有利于氧在其体内的传输并能传递到根区。吴海明等报道香蒲(Typhaorientalis)、芦苇(Phragmitesaustralis)和水葱(Scirpusvalidus)3种植物中泌氧能力大小依次为芦苇(P.australis)香蒲(T.orientalis)水葱(S.validus),其中芦苇(