水生植物对水体水质改善作用研究

引言

伴随农业生产向规模化方向的持续发展，由面源污染所引发的水体富营养化状况愈发显著，对水生态系统的健康构成严重的威胁。水生植物依靠其独特的生理生态特征，成为治理水体污染的关键自然途径，在学术界以及工程实践范畴内得到广泛的关注。苏州吴中区甪直水八仙生态文化园属于典型的农业种植区域，由于在芡实等水生作物的种植进程中存在排水污染问题，面临着水体总磷含量超出标准、溶解氧含量较低以及水体黑臭现象频繁出现等难题。该园区通过引入以自然为基础的解决方案（NbS），栽种多种水生植物来搭建生态修复系统，为探究水生植物水质改善作用给出极具代表性的案例。本文依据该园区的实践经历，深度剖析水生植物对水质起到改善效果的内在机理，归纳其应用成效，其目的在于为相似区域的水环境治理给予参考。

一、研究区域概况

（一）水系与种植现状

江苏省苏州市吴中区甪直镇澄湖西北岸坐落着吴中区甪直水八仙生态文化园，其总面积达到 225公顷。耕地主要用于芡实的种植，那芡实塘的面积大概有 1800 亩，呈现出一片连着一片分布的大规模种植态势；此外还有数量不多的藕塘、茨菇田等具有特色的水生作物种植区域，构建丰富多样的种植结构。除了上述种植区域外，其余种植区域涵盖灌排沟渠、林地、道路等，沟渠形成的网络纵横交织，将各个种植区域与进水、排水系统相互连接起来。园区设有三处进水口，分别处于北侧、西南侧以及西侧，借助河渠自然引导跟人工调控相融合的办法，为多种多样的作物种植供应稳定的水源。排水系统会依照支渠-干渠的顺序逐步汇集，经过湿地进行初步净化后，由排水泵站统一排放至澄湖，进而构建“进水-种植-排水”的水循环体系。

（二）排水与水质特征

园区的排水泵站所设计的流量为 3m³/s，由于在不同季节种植方面的需求存在差异，因此排水量出现较为明显的变化。在非种植季节，因为圩区有渗水情况，所以每天进行泵排的时间大概是 2 小时，一天的排水量大约为 2.2 万方；在春季以及夏初时，处于芡实种植的初期，会进行少量的换水操作，每天泵排的时长为 4 小时，日排水量约是 4.3 万方；到夏末还有秋季是芡实生长得极为旺盛的阶段，水体交换的需求急剧增加，每天泵排的时间达到 8 小时，日排水量约为 8.6 万方。由于会频繁地进行采摘、施肥，对水体进行搅动，所以排出的水中携带大量的残留肥料、底泥颗粒以及植物残体，使得排出水当中氮磷的浓度突然升高，水体的透明度有所降低，从感官上来看比较浑浊，黑臭的现象经常发生。汛期时，排水量和降雨量呈现出较强的关联，在遇到特殊的暴雨天气阶段，需要持续进行 24小时的泵排作业，一日内的最大排水量能够达到 26 万 m³。根据水质监测的结果，高锰酸盐指数以及氨氮指标大体上稳定在Ⅲ～Ⅳ类水的标准。在生产期间总磷含量超标状况十分明显，在 7 月到 10 月间，大部分区域的总磷含量超过Ⅴ类水标准所规定的 0.4mg/L ，到 9 月，园内塘采样点的最高数值达到 1.48mg/L 。在 8 月至 9 月期间，水体的溶解氧明显低于Ⅲ类水标准的 5mg/L ，部分区域由于缺氧的情况而出现黑臭现象，成为水质方面的主要问题点。

（三）生态与底泥状况

园区的生态系统呈现出诸多不足，水生植被的结构较为单调，沟渠的两侧大多是自然状态的驳岸，植被的分布显得零散且不均匀，在湿地水位线的周边，才有少量的挺水植物稀疏分布，其中芦苇、香蒲占据着绝对的主导地位，而浮叶植物以及沉水植物近乎完全没有，难以构建出完整的水生植被群落。在沿岸的区域，还存在着垃圾、腐叶堆积的情况，这对生态基底造成进一步的破坏。水动力条件呈现出欠缺的状况，在非排水的时期，内部的水体几乎处于静止的状态，到排水期，水体没有经过充分的循环，直接排入湖泊中，无法带动周边湿地的水体进行交换活动。使得区域的能量流动变得十分缓慢，物质交换也极为匮乏，在沟渠的末端形成较多处于静止状态、缺乏活力的死水区域，很难维持健康的生态代谢进程。水生动物的多样性出现严重缺失的现象，仅有环棱螺、水蚯蚓等数量极少的底栖动物呈零星分布，鱼类的踪迹很难见到，与此形成鲜明对比的是入侵物种福寿螺大量地繁殖、泛滥成灾，啃食水生植物的幼苗，严重地干扰和破坏生态系统的平衡。经对底泥开展检测，所获结果表明，底泥中的总磷、总氮以及有机质的含量呈现出相对较高的态势，在温度较高的季节中，底泥一旦受到扰动，容易释放出污染物，使得水体出现富营养化的风险有所加剧，鉴于此情况，有必要实施底泥清淤相关工程，以此来对基底所处的环境予以改善。

二、水生植物对水质进行改善的内在机理

（一）物理作用

水生植物凭借多样的物理进程对水质予以改善，茎和叶能够加大水流所受到的阻力，让水流的速度减慢，进而使得泥沙、有机碎屑等水中的悬浮颗粒发生沉降，削减水体的浑浊程度；根系所构成的网络会形成天然的物理屏障，切实地对大颗粒污染物进行过滤。比如，芦苇湿地能够拦截下大量的悬浮物，而沉水植物轮叶黑藻、苦草所营造出的“水下森林”同样可以对大颗粒污染物的流动起到阻碍作用。除此之外，植物形成的荫蔽环境能够使水温有所下降，减小藻类大量繁殖的可能性，特别是在夏季气温较高的时间段，其效果十分明显；而植物的蒸腾作用能够让空气的湿润程度增加，对局部的微小气候进行调节，为水域的周边营造出更为适合的生态条件，进一步助力水质保持稳定。

（二）化学作用

对化学维度而言，水生植物根系会分泌出多糖以及黏液，对镉、铅等重金属，还有农药这种有机污染物进行吸附，并且借助离子交换或者络合的作用将物质固定下来。例如，香蒲对铅具备较强的富集能力，而凤眼莲能够吸收水中数量可观的磷。由根系泌氧所形成的根际好氧微区，能够推动亚铁离子氧化成为铁离子，铁离子会与磷酸盐结合产生沉淀，以此达成除磷的目的，在这一过程中，黄花鸢尾根区的释氧功能发挥着极为显著的作用。与之相对，厌氧区能够促进反硝化作用，将硝酸盐转化为氮气，其脱氮的效率相当不错。在水八仙生态园当中，这些化学方面的作用卓有成效地应对生产期间高磷污染这一问题，与底泥清淤措施相结合，进一步增强污染物的去除成效，为水质的改善给予关键的支持。

（三）生物作用

在水生植物改善水质的机制中，生物作用属于核心机制范畴。水体之中存在着氮、磷等营养盐，水生植物能够直接将其吸收进来，用于合成自身的生物量，芦苇在一年的时间中可以吸纳数量可观的氮素；轮叶黑藻对于重金属镉具备富集的作用，通过定期开展收割植物的操作，能够将污染物永久性地从水体中移除，防止出现二次释放的情况。在根际生物膜当中，存在着硝化菌、反硝化菌等各种各样的微生物，这些微生物能够对有机物进行降解，还能实现氮素的转化，大部分的净化效果是由其达成的。植物会为菌群提供可供附着的基质，同时还会提供根系分泌物，这些根系分泌物能够作为碳源，以伊乐藻为例，其茎表的生物膜为菌群创造适宜附着的优良环境。水生植物借助对光照以及营养盐的竞争来抑制藻类的生长，狐尾藻、苦草等部分植物还能够释放出化学物质以抑制藻类。

（四）协同作用与综合效能

水生植物针对水质的改善，并非是单一作用，而是物理作用、化学作用以及生物作用共同协作、联动起来，进而形成叠加式的净化效果。在物理作用方面，植物的茎和叶能够让水流速度减慢，还能使底泥固定下来，从而为化学吸附以及生物降解营造出一个稳定的环境；从化学作用来讲，通过根系分泌的物质能够吸附并固定污染物，以此降低水体中可溶解污染物的浓度，为生物吸收提供更便于利用的形态；至于生物作用，微生物的降解过程和植物的吸收过程相互配合，微生物会将大分子污染物分解成小分子营养物质，以供植物吸收利用，而植物则为微生物提供生存所需要的基质以及能量的来源。呈现为“物理拦截-化学转化-生物净化”态势的递进式协同机制，不但提高单一污染物的去除效率，能够全方位地改善水体的物理化学性质以及生态功能，让水质净化的效果变得更为稳定、更为持久，充分展现出水生植物在水生态修复中的综合优势。

（五）环境适配性与功能优化

水生植物对于水质的改善效能和自身的环境适配性有着紧密联系，在特定的生境当中，不同类型的植物能够让其功能达成最大化。芦苇、菖蒲等挺水植物，适合在浅水区还有岸边的环境生长，茎叶十分发达，根系也相当茁壮，在拦截陆源污染物、缓冲水流这些方面发挥着极为显著的作用，在水八仙生态园的沟渠两侧，形成天然的净化带。睡莲、水鳖等浮叶植物能够很好地适应开阔的水域，通过叶片大面积覆盖水面，减少阳光的直射，进而抑制藻类的竞争。通过对植物种类和种植密度展开科学的搭配，并结合园区水位的动态变化以及具体的污染特征进行实时调整，能够让物理拦截的过程变得更加精确无误，让化学转化的效果变得更具效率，还能让生物净化的作用更加持久稳定，进一步挖掘水生植物在不同环境状况下改善水质的潜在能力，为生态修复工作提供能够灵活适应各种情况的技术保障。

三、水生植物生态修复的方案及其应用成效

（一）生态修复设计方案

甪直水八仙生态文化园所开展的生态修复项目，秉持着基于自然的解决方案（NbS）这一理念，该项目借助人工引导的方式，构建健康的水生态系统，在这个过程中，既考虑到农业面源污染的治理工作，也兼顾水景观的提升事宜。项目采用“源头减量、过程截留、末端净化、循环回用、全域管理”这五项措施，以此来提升出水的水质情况。在源头减量方面，是通过对施肥方案进行优化，从而减少污染物向水生态系统的输入量；过程截留措施是在退水沟渠修建渗滤堰，通过生物陶粒的过滤，对径流污染起到拦截作用；末端净化则是发挥湿地植物群落所具备的净化功能；循环回用是构建起水资源的内部循环体系；全域管理的目的是实现对水质的动态监测以及调控。为了显著提升水体的自我净化能力，园区在规划设计时特意选择种植 12 种水生植物，挺水植物有芦苇、菖蒲、香蒲、水葱、黄花鸢尾、西伯利亚鸢尾、千屈菜等，这些挺水植物沿着沟渠以及湿地的边缘呈带状进行种植；浮叶植物包含睡莲和水鳖，以点缀的方式分布在较为开阔的水域之中；沉水植物有伊乐藻、苦草、轮叶黑藻，均匀地种植在浅水区以及湿地的底部。水生植物的种植总面积大概为 2.3 万 m2，借助各类植物在空间上的合理搭配以及功能方面的协同作用，构建立体的净化网络，实现水质的改善以及园区环境景观的优化。

（二）水质净化效果

从经验性的数据状况而言，水生植物针对不同种类污染物所起到的净化成效颇为显著，芦苇、香蒲等挺水植物，借助根系吸收以及和微生物的协同运作方式，其对总氮的去除比例处于恰当的区间范围；菖蒲、水葱等挺水植物依靠其根系较为发达所具备的吸附与沉淀功能，对于总磷呈现出较为不错的去除功效；凤眼莲、睡莲利用叶片吸收以及根际降解的途径，能够让化学需氧量（COD）有所降低；黑藻、菱角等依靠细胞富集的作用方式，对重金属镉具备较强的富集能力。在 2025 年 1 月至 6 月期间，针对种植水生植物之后的水域开展连续的采样检测工作，检测结果呈现出，于各个不同的监测点位，水中的总磷含量以及总氮含量均展现出显著的下降态势，而 COD 数值也在稳定地降低，特别要提到的是，总磷含量被稳定地控制在预先设定的低于 0.2mg/L 目标值的范围内。同步进行的监测数据显示，相较于水质修复之前，水体的透明度有明显的提升，溶解氧的含量也在逐步地回升，高锰酸盐指数等指标更是在持续地优化。

（三）生态系统改善成效

水生植物的栽植切实地让园区生态系统的状况得到改善，原本植被类型仅为单一的芦苇与香蒲群落变得多种多样，挺水植物构建起岸边的防护屏障，浮叶植物为水面增添蓬勃的生机，沉水植物营造出水下的森林景观，这三种植物形成较为合理的群落架构，通过相互间的竞争，遏制住喜旱莲子草、凤眼莲等外来入侵植物的肆意蔓延。而沿岸的垃圾以及腐烂的树叶经过清理后，再加上植物的覆盖，减少二次污染的情况发生，生态系统的基础条件有明显的改善。植物的茎叶以及根系让水流阻力有所增加，使水体滞留的时间得以延长，在一定的程度上让水动力有所提升，推动区域水体之间的交换，原本处于封闭状态的死水区域有明显的减少，能量和物质的交换变得更为活跃。植物群落给水生动物提供觅食、栖息还有繁殖的地方，浮游动物的种类变得更多，鱼类重新出现在水域之中，底栖动物的多样性得到提升，福寿螺由于天敌数量增多以及食物竞争，其泛滥的状况得到有效的抑制，食物链的层级逐渐趋于完善，生态系统的稳定性以及自我调节能力有显著的增强。

四、结论

本项研究将甪直水八仙生态文化园作为案例，深入探究水生植物对水体水质的改善功效，研究的成果显示，水生植物依靠物理、化学以及生物这三种协同的作用，有效提升水体的质量。就物理作用而言，植物的茎和叶会使水流的速度减慢，进而推动悬浮物沉淀下来其根系会对污染物进行过滤，并且将底泥固定住从化学作用来讲，通过吸附、氧化还原反应以及对 pH 值进行调节的方式将重金属和营养盐去除。而生物作用则是凭借植物的吸收、微生物的协同降解以及生态竞争，来实现对污染物的去除，并且达成生态的平衡状态。从生态修复的实际操作方面入手，对挺水植物、浮叶植物以及沉水植物进行合理的搭配安排，降低水体中总磷和总氮的含量，使水体的透明度以及溶解氧的水平得到提升，进而让生态系统的结构状况得以改善，水生植物修复技术作为依托自然的解决办法，在治理农业面源污染方面展现出诸多优点，比如成本低廉、效果具有持续性、对环境十分友好等，为相似区域的水环境修复提供可行性的途径。

参考文献

[1]谭丽琼,朱正,于亚男,等.水生植物修复改善再生