城市黑臭水体生态修复中水生植物应用研究进展

摘要：水生植物是城市河流生态系统的重要组成部分，在黑臭水体生态修复中发挥着不可替代的净化、固持和生境营造功能。本文系统综述了水生植物的净化机理（吸收富集、促沉降、化感抑藻、微生物协同）、影响水生植物恢复的关键环境因子（光照、水深、底质、水质）以及水生植物群落构建的技术原则。在此基础上，结合亳州市中心城区11条黑臭水体生态修复工程案例，分析了沉水植物（矮型苦草、刺苦草、眼子菜等）和挺水植物（鸢尾、美人蕉、千屈菜等）的配置方案与修复效果。针对水生植物应用中面临的季节性更替、草食动物损害、后期管护困难等问题，提出了四季常绿品种选育、肉食性鱼类调控、常态化管护等技术对策，以期为城市河流生态修复实践提供参考。

关键词： 黑臭水体；生态修复；水生植物；沉水植物；净化机理；群落构建

 1 引言

城市河流承载着排水、景观、休闲、生物多样性保护等多重功能。然而，快速城市化导致大量河流遭受污染和生态退化，水体黑臭问题突出。近年来，随着黑臭水体治理工作的深入推进，单纯的“控源截污”已难以满足水质长效改善的需求，生态修复逐渐成为恢复河流健康的核心手段。

水生植物作为河流生态系统的初级生产者，在物质循环和能量流动中起着关键作用。它们不仅能直接吸收水体中的氮磷营养盐，还能为微生物提供附着表面，为底栖动物和鱼类提供栖息和繁殖场所，并通过化感作用抑制藻类过度生长。构建以水生植物为主导的健康水生植被，是塑造“草型清水态”生态系统、实现水体自净能力提升的根本途径。

本文系统梳理水生植物净化机理、环境限制因子、群落构建技术及工程应用现状，分析当前面临的主要挑战，并对未来发展方向进行展望，以期为城市黑臭水体生态修复提供理论指导和技术支撑。

 2 水生植物的净化机理

 2.1 吸收与富集作用

水生植物在生长过程中需要大量吸收水体和底泥中的氮、磷等营养盐，用于合成自身的蛋白质、核酸和ATP等生命物质。研究表明，不同水生植物对氮磷的吸收能力差异显著。

以沉水植物为例，龙须眼子菜（Potamogeton pectinatus）对氮的富集量可达5.01g/kg鲜重，对磷的富集量达1.27g/kg鲜重；矮型苦草（Vallisneria natans var.）对氮和磷的富集量分别为3.02g/kg和0.34g/kg；改良刺苦草对氮磷的去除率也较高。挺水植物单位鲜重的吸收能力虽低于沉水植物，但其生物量大，总体吸收贡献可观。芦苇（Phragmites australis）对氮的富集量为0.035g/kg，对磷为0.0035g/kg；香蒲（Typha orientalis）为0.014g/kg和0.0009g/kg。

通过定期收割水生植物，可将吸收固定的氮磷从水体中彻底移除，这是植物修复区别于物理化学法的重要优势。研究表明，每年收割2~3次沉水植物，可带走水体中相当于外源输入量10%~30%的氮磷。

 2.2 促沉降与固持作用

沉水植物茂密的茎叶可显著降低水流速度（降幅可达30%~60%），促进水体中悬浮颗粒物的重力沉降。同时，发达的根系可有效固定底泥，减少水流和风浪扰动引起的底泥再悬浮。研究表明，有沉水植物覆盖的水体，悬浮物浓度可比无植被区降低40%~70%，透明度提高0.5~1.0m。

这种“促沉降-增透明”的正反馈效应是沉水植物恢复后水体逐渐变清的关键机制之一。

 2.3 化感抑藻作用

许多水生植物能向水体释放化感物质，抑制浮游藻类尤其是蓝藻的生长和繁殖。化感物质主要包括酚酸类（如香豆酸、水杨酸）、脂肪酸类、生物碱类、萜类等化合物。例如，穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）释放的鞣花酸和多酚类物质可破坏蓝藻细胞膜结构；金鱼藻（Ceratophyllum demersum）释放的羟基肉桂酸衍生物可抑制藻类光合作用。

这种生物间的化学相互作用是维持“草型清水态”生态系统稳定性的重要机制，也是水生植物净化功能的间接体现。

 2.4 微生物协同降解作用

水生植物的根际圈（rhizosphere）是一个高度活跃的微生物活动区。植物根系不仅为微生物提供了巨大的附着表面积（一株香蒲的根系表面积可达0.5~1.0m²），还通过根系分泌物（有机酸、糖类、氨基酸等）为微生物提供碳源和能源。同时，沉水植物的光合作用可向根际输送氧气，在根际形成好氧-缺氧-厌氧的微环境梯度，有利于硝化细菌、反硝化细菌、有机质降解菌等多种功能微生物的共存和协同代谢。

研究表明，有沉水植物覆盖的底泥中，微生物数量和活性比裸泥区域高出2~5倍，氮循环功能基因（amoA、nosZ等）的丰度显著增加。

 3 影响水生植物恢复的关键环境因子

水生植物的成功恢复取决于多种环境因子的协同作用，任一因子的缺失都可能导致修复失败。

 3.1 光照条件

光照是沉水植物生长的首要限制因子。沉水植物的光补偿点通常要求水下光照强度达到水面光照的1%~5%，即透明度需达到水深的0.5~1.0倍以上。在浊度高的水体中，悬浮物和浮游藻类对光的衰减严重，沉水植物难以进行有效光合作用，根系发育不良，最终死亡。

因此，提高水体透明度是沉水植物恢复的前提条件。常用的透明度提升措施包括：控藻浮游动物投放（如大型溞）、絮凝剂沉淀、微生物絮凝、旁路过滤等。亳州丁家坑工程中，通过投放大型溞（70ml/m²），3天内水体透明度从30~50cm提升至1.0m以上，为沉水植物种植创造了条件。

 3.2 水深

不同水生植物对水深有不同的适应范围。挺水植物适宜水深0~0.5m，超过0.8m则生长不良；浮叶植物适宜0.5~1.5m；沉水植物可适应0.5~4.0m甚至更深，但不同种类的适宜水深不同。研究表明，矮型苦草在水深1.5m以内生长良好，刺苦草可达2.0m，龙须眼子菜和菹草可适应2.5m以上水深。

在群落构建中，应按水深梯度配置不同生活型和种类的植物，形成从岸边向深水区过渡的“挺水-浮叶-沉水”植被带，实现空间生态位的充分利用。

 3.3 底质条件

底质的物理结构（粒径、紧实度）和化学性质（有机质、营养盐、污染物含量）直接影响水生植物根系的固着和养分吸收。底泥过软（如流泥）易导致植株倒伏，过硬则根系难以下扎。底泥中有机质和营养盐过高可能产生植物毒性（如高浓度氨氮、硫化物），抑制种子萌发和幼苗生长。

底质改良是提高植物成活率的有效措施，具体方法包括：覆盖种植土（5~10cm）、投加底质改良剂（如过氧化钙、沸石、生物炭）、CBM复合微生物活化等。亳州工程中，在清淤后保留底泥上投加底质改良剂（0.3~0.5kg/m²）和CBM微生物（20ml/m²），有效改善了底泥的氧化还原环境和养分供给能力。

4 水生植物群落构建技术

 4.1 物种选择原则

（1）本土种优先：优先选择本地乡土物种，避免外来物种可能带来的生态入侵风险。我国常见的水生植物本土种有：苦草、刺苦草、金鱼藻、狐尾藻、菹草、芦苇、香蒲、鸢尾等。

（2）功能互补：根据主要目标污染物选择净化能力强的物种；兼顾不同季节的净化效果，实现全年覆盖。例如，菹草为冬春型，夏季枯萎；矮型苦草为四季常绿型，两者搭配可填补夏季净化空窗期。

（3）生态位分化：按水深配置不同生活型的植物，构建从挺水-浮叶-沉水的立体植被结构。

亳州工程中，沉水植物选用了矮型常绿苦草、改良刺苦草、龙须眼子菜、轮叶黑藻等，挺水植物选用了西伯利亚鸢尾、水生美人蕉、千屈菜、黄菖蒲、香蒲等，浮叶植物选用了睡莲、萍蓬草，兼顾了净化效率、四季常绿和景观效果。

 4.2 种植技术

（1）扦插法：适用于排水后的浅水区（水深<0.5m），将植物带根茎直接插入底泥中，深度5~10cm，株行距15~30cm。该方法成活率高（>90%）、分布均匀，但需排水作业。

（2）抛秧法：适用于带水作业的深水区，将植物带泥抛入水中，靠重力沉入水底。操作简便、效率高，但成活率略低（70%~85%），且分布不均匀。

（3）容器种植：将植物种植在多孔容器（如可降解花盆）中，再沉入水底。适用于硬质底、水流较急或需要控制植物扩展范围的水体。

（4）生态浮岛：在无法直接种植的硬质驳岸或深水区，利用浮体载体（HDPE浮盆、生态浮毯）种植挺水植物，通过植物根系吸收水中营养盐，兼具净化、景观和生物栖息功能。亳州工程在丁家坑、东城海子等地布设了圆形和长方形生态浮岛，种植铜钱草、鸢尾、黄菖蒲等。

 4.3 水生动物协同调控

单一依靠水生植物难以维持生态系统长期稳定，需通过投放水生动物构建完整的食物网。关键技术包括：

（1）控藻浮游动物投放：大型溞（Daphnia magna）体长4~6mm，滤食能力强，可快速降低水中藻类和悬浮物浓度，提高透明度。亳州工程中，在沉水植物种植前后分两次投放大型溞，投放量70ml/m²。

（2）肉食性鱼类调控：投放鲈鱼、狗鱼等肉食性鱼类，控制草食性和杂食性鱼类（如鲫鱼、麦穗鱼）的数量，防止水草被过度啃食。

（3）底栖动物投放：投放环棱螺、无齿蚌、青虾等，摄食有机碎屑、腐败植物残体和附着藻类，促进物质循环。

 5 工程应用与案例分析

 5.1 亳州项目水生植物配置概况

亳州市中心城区11条黑臭水体生态修复工程，根据水体类型（封闭型、小流通型、大流通型）分别配置了不同密度的水生植物。主要配置如下：

- 丁家坑（封闭型）：沉水植物25405m²，覆盖率75.9%，包括矮型苦草、刺苦草、龙须眼子菜；挺水/浮叶植物855m²；生态浮岛339m²。

- 宋汤河（大流通型）：沉水植物242687m²，覆盖率约38%~60%，包括矮型苦草、刺苦草、龙须眼子菜、小茨藻；挺水植物约4000m²。

- 柴家沟（小流通型）：沉水植物15754m²，覆盖率64.3%，包括矮型苦草、轮叶黑藻；挺水/浮叶植物970m²；生态浮岛300m²。

 5.2 修复效果

根据水质模型预测，工程实施后旱季6~10天、雨后5~7天内，各水体主要水质指标可达到目标要求（封闭型IV类、流通型V类），透明度提升至0.5~1.0m以上，沉水植物覆盖度达标，水生态系统初步成型。

 6 存在问题与发展趋势

 6.1 当前面临的主要挑战

（1）季节性更替问题：以菹草为代表的冬春型水草，夏季枯萎腐败后导致水质二次污染，且夏季无优势沉水植物覆盖，净化能力出现空窗期。对策是引入四季常绿型苦草等替代物种，搭配夏秋型种类（如轮叶黑藻、小茨藻）。

（2）草食动物损害：草食性鱼类（如草鱼、鲫鱼）和福寿螺等会大量啃食水草，破坏植被结构。需通过投放肉食性鱼类和人工捕捞进行控制，并在修复初期设置围隔保护植物。

（3）初期存活率低：在浊度高、底质差的水体中，植物初期成活率难以保证。需通过提高透明度、底质改良、合理选择种植时机（春末夏初）等措施提高成活率。

（4）后期管护缺失：许多工程重建设轻管护，植物过度生长或不及时收割，导致二次污染。需建立常态化管护机制，包括定期收割（每年2~3次）、补种缺损植株、病虫害防治、鱼类种群调控等。

 6.2 未来发展趋势

（1）抗逆品种选育：选育耐弱光、耐污染、耐低温和四季常绿的水生植物品种，拓展修复技术的适用范围。

（2）精准配置与调控：基于水动力-生态模型，实现植物配置方案的定量优化；开发智能化监测和调控技术。

（3）植物-微生物联合修复：深化根际微生物组学研究，定向筛选和强化功能微生物，构建高效根际降解体系。

（4）资源化利用：将收割的水生植物用于堆肥、生物质能源、手工艺品原料等，实现生态效益与经济效益的统一。

 7 结论

水生植物是城市黑臭水体生态修复的核心要素，其净化机理涵盖吸收富集、促沉降、化感抑藻和微生物协同等多种途径。成功的水生植物修复需综合考虑光照、水深、底质、水质等环境因子，遵循本土种优先、功能互补、生态位分化的配置原则，并与水生动物调控、水质净化等技术有机结合。亳州工程案例表明，通过合理配置沉水植物和挺水植物、投放控藻浮游动物和肉食性鱼类、配合生态浮岛和底质改良，可有效恢复水生植被、提升水体自净能力。当前仍面临季节性更替、草食损害、管护不足等挑战，未来需在抗逆品种选育、精准配置、智能化管护、资源化利用等方面持续攻关。

参考文献：

[1] 东华工程科技股份有限公司. 亳州市中心城区丁家坑等11条黑臭水体生态修复及后期管护工程初步设计说明书[R]. 2020.

[2] GB3838-2002 地表水环境质量标准[S].

[3] 宋玉芝, 王敏, 等. 太湖沉水植物光补偿深度反演及影响因子分析[J]. 环境科学, 2015.

[4] 王书航, 李佳璐, 等. 基于光补偿深度的蠡湖沉水植物恢复区划分[J]. 湖泊科学, 2017.